Мерење нивоа

8. МЕРЕЊЕ НИВОА

Циљ часа

Када прочитате ово поглавље, научићете:

• дефиницију нивоа,

• начине мерења нивоа, коришћењем класичних механичких мерила, ултразвучним претварачима и радиоактивним поступцима,

• разлике метода за мерења течности, и насутих или прашкастих, тј. растреситих материјала.

Своје знање можете проверити кроз контролна питања на крају поглавља.

Циљ часа је да се истакне значај детекције нивоа у разним практичним ситуацијама при мерењу у аутоматизованим процесима. Ближе ћемо изучити класична механичка мерила, ултразвучне претвараче и радиоактивне поступке. Указаћемо на разлике метода за мерења течности и насутих или прашкастих, тј. растреситих материјала.

8.1 ОСНОВНЕ НАПОМЕНЕ

Ниво (франц. niveau, енгл. level, нем. Pegel) је појам којим означава висина односно потенцијал нечега, како конкретног, тако и апстрактног. У електроници се користе појмови ниво снаге, ниво напона и ниво шума, посебно за изражавање односа сигнала и сметњи при преносу.

Ниво представља висину до које достиже течност, зрнасти или прашкасти материјал у неком суду или резервоару. Другим речима, када се говори о нивоу у овом поглављу, мисли се на ниво материјала. Зрнасти и прашкасти материјали се често називају насути материјали. Они приликом насипања не праве равну површину па се, када је то потребно, примењују посебни поступци за мерење средње вредности нивоа.

Мерење нивоа се своди на мерење дужине, запремине или тежине у циљу одређивања количине материјала у резервоарима и судовима. Сврха мерења нивоа је мерење и регулација количине материјала у акумулацијама погона (резервоарима, прихватним судовима, складиштима насутог материјала) и мерење и регулација висине граничне површине између две фазе у елементима процесне опреме (мерење и регулација нивоа у парним котловима, укувачима, ректификационим колонама, пећима). У првом случају контрола и регулација нивоа служе за регулацију материјалног биланса процеса. Тада је најхитније да се резервоари, складишта и судови не испразне (да се не би прекидао процес производње) или препуне (да се материјал не просипа). У другом случају варијације нивоа се морају одржавати у утврђеним релативно уским границама.

Јединица за мерење нивоа се, зависно од начина мерења, може повезати са јединицом за дужину, запремину или тежину.

Методе за мерење нивоа се могу сврстати у две групе: директне и посредне.

Директни методе подразумевају примену мерних летви, спојених судова са водомерним стаклима, примену пловака, контактних електрода или електричних релеја, прекидање зрака светлости или драгих зрачења, рефлексија звучних и електромагнетских таласа са површине и сл.

Посредне методе мерења нивоа заснивају се на мерењу хидростатичког притиска, тежине главног и помоћног суда, апсорпције јонизујућег зрачења, промене електричне отпорности, индуктивности или капацитета.

У односу на начин праћења промене нивоа мерне методе се могу поделити на континуалне и скоковите. Континуалне методе мерења омогућавају стално праћење тренутног нивоа, док скоковите (дискретне) методе дају сигнал тек кад ниво порасте или опадне у односу на неку задату вредност.

Која ће од набројаних мерних метода да се користи зависи од граница у којим се крећу промене нивоа, као и од осетљивости и тачности мерења. Битно је одредити да ли се ради о локалном или даљинском мерењу, потребама регистровања и регулисања нивоа, о континуалном или дискретном мерењу.

8.1. МЕРЕЊЕ НИВОА СА УРОЊЕНОМ СКАЛОМ

Најпростији и најстарији визуелни начин мерења нивоа је помоћу скале постављене вертикално на зид резервоара (или обали реке у случају мерења водостаја). Уколико нивоска скала није уграђена, примењује се градуисана мерна летва или специјално конструисани индикатори нивоа са урањањем.

На слици 8.1 приказан је нивометар са кукастим индикатором урањања. Овај нивометар се састоји од скале (1), указивача односно маркера (5) са учвршћивачем (2), нултим стезачем сонде (3) и сонде са куком (4).

(Слика 8.1. - Нивометар са кукастим индикатором)

Сонда је од нерђајућег челика са куком чији савијени врх служи као индикатор. Поступак мерења приказаном сондом је следећи: сонда се пусти до дна пошто су оба стезача опуштена и када кука додирне дно притегне се стезач указивача (2) који је спуштен у доњи крај скале. Затим се сонда подиже док се шиљак куке не поравна са површином течности. Са подизањем сонде подиже се и указивач (5). Тада се сонда фиксира стезачем (3) и на скали, иза указивача који се подизао са сондом, очита дубина, односно мерени ниво течности.

8.2. НИВОМЕТАР СА ВОДОМЕРНОМ ЦЕВИ И ВОДОМЕРНИМ СТАКЛОМ

Нивометри са водомерним цевима и водомерним стаклом раде на принципу спојених судова. Водомерне цеви су провидне стаклене цеви са скалом и металним заштитом довољног унутрашњег пречника да се занемари капиларни ефекат. Прикључују се помоћу вентила при дну (где је течност) а код затворених резервоара и при врху (где је гас). За велике притиске се користе водомерна, специјална дебела, уздужно нажлебљена равна стакла завртњима причвршћена за јаку металну арматуру славинама везану за доње и горње стране. Коришћење прикључних вентила пружа могућност одвајања водомерне цеви и стакла од резервоара у циљу испуштања течности и чишћења.

На слици 8.2 су дате илустрације рада најкарактеристичнијих нивометара са спојеним судовима. На шеми б је показано како се применом мембране раздвајају течности у резервоару и у индикаторској цеви. Ниво у водоказној цеви не мора да буде исти, али је у сваком случају у сразмери са нивоом течности у резервоару. Код нивометра на шеми в уграђен је капацитивни претварач који даје електрични сигнал сразмеран нивоу течности и на тај начин омогућује даљинско мерење и аутоматску регулацију нивоа

(Слика 8.2. - Нивометар са а) водомерном цеви, б) раздвојном мембраном и в) капацитивним претварачем)

8.3. НИВОМЕТРИ СА ПЛОВКОМ

Услед промене нивоа течности ови нивометри подижу или спуштају пловак, директно на нивометарску скалу или позициони електрични претварач за формирање електричног сигнала. Пловак може да буде у облику сфере, цилиндра или диска. Зависно од начина преноса померања пловка на нивометарску скалу разликују се три решења: праволинијско, ротационо и торзионо.

На слици 8.3. дате су илустрације нивометара са различитим начинима преношења кретања пловка на приказивачу.

(Слика 8.3. - Нивометар са пловком са а) електричним и б) магнетским позиционим претварачем)

На слици 8.4. приказан је електрични (а) и магнетски начин (б) претварања положаја пловка у електрични сигнал, што отвара могућност даљинског мерења и регулације нивоа.

(Слика 8.4. - Нивометри са пловком: а) праволинијски, б) ротациони и ц) торзиони)

Решење б је скупље, али и поузданије јер нема галванску везу и контакте са пловком.

4.4. ХИДРОСТАТИЧКИ НИВОМЕТРИ

Течности врше сталан притисак на зидове суда. Хидростатички притисак расте са дубином течности, па је то искоришћено за мерење нивоа течности. Хидростатички притисак $p$ се може изразити у зависности од дубине односно висине $h$, која представља ниво, помоћу формуле:

$$p=\rho gh.$$

Одавде одмах налазимо величину $h$; $g$ је убрзање Земљине теже, а $\rho$ густина течности.

Нивометри који користе хидростатички притисак могу се поделити у три групе, зависно од тога да ли користе манометре, ваздушне мехове или притисак продувавања мехура. На слици 8.5 приказани су принципи рада наведених типова нивометара.

Хидростатичким нивометрима се мери притисак течности на дну суда: $a$) манометром прикљученим помоћу вентила, б) мех се зарони до дна, а притисак који делује на мембрану преноси се до манометра који је калибрисан у јединицама за ниво, в) у резервоар се убацује цев која је на уроњеном крају отворена док је са горње стране затворена и има два прикључка: један за довод гаса, а драги за манометар. За визуелну проверу праћења проласка ваздуха инсталиран је провидни индикаторски суд. Паралелно са манометром може се прикључити и писач за континуално праћење промене нивоа течности у суду. Када у суду нема течности или је она испод отвора уроњене цеви, ваздух из течности слободно излази и манометар показује нулу. Другим рецима, нема повратног притиска пошто ваздух одлази у атмосферу. Како се ниво течности у суду повећава, ваздушна струја је ограничена дубином течности и ваздушни притисак делује против притиска течности који се појављује као повратни притисак ка манометру.

(Слика 8.5. - Хидростатички нивометри са а) манометром, б) ваздушним мехом и в) мерењем притиска продувавањем)

Повратни притисак покреће казаљку манометра на скали која је калибрисана са нивоом течности. Овај тип нивометра је погодан јер се може инсталирати десетак метара даље од резервоара. Пошто са дна цеви стално излазе мехурићи, течност у њу не улази. Обично се за продувавање користи ваздух, али ако он реагује са течношћу суда могу се употребити и други гасови, што је погодно у случају корозивних и агресивних течности.

8.5. ЕЛЕКТРИЧНА МЕРИЛА НИВОА

Код мерења нивоа, као и код мерења других процесних величина, предност има електрично мерење јер омогућава даљинско мерење, меморисање и обраду мерних сигнала, те формирање система регулације. Према начину праћења промене нивоа, постоје електрични нивометри за континуално и скоковито праћење. Према принципу претварања нивоа у електрични сигнал, електрични нивометри могу бити са променом отпорности и са променом капацитивности у функцији нивоа.

8.5.1. НИВОМЕТРИ СА ПРОМЕНОМ ОТПОРНОСТИ

Течност у резервоару може бити укључена у мерно електрично коло као отпорност у грани мерног моста и у том случају промена нивоа односно масе течности мења и њену отпорност. Мењање отпорности у мерном колу може да се оствари и на посредан начин: хлађењем или загревањем осетљивог отпорника који представља сензорски елемент мерног кола.

На слици 8.6. приказани су континуални електрични нивометри на принципу промене отпорности.

(Слика 8.6. - Електрични нивометри на принципу а) промене отпорности течности, б) хлађења и в) загревања)

Шема $a$: отпорност течности према спољном колу директно зависи од нивоа. У одсуству течности долази до прекида односно бесконачне отпорности, а са повећањем нивоа отпорност се смањује због повећане масе, што се одражава преко индикатора у мерном мосту. Овај начин се зато користи код проводних течности. За напајање мерног моста користи се наизменична струја у циљу спречавања електролизе.

Шема б: у суд односно базен спушта се сонда са капсулираном термоосетљивом отпорном траком. Ова температурно осетљива трака представља једну грану мерног моста. Струја у мосту греје траку до температуре на којој се успоставља равнотежа између енергије грејања и хлађења. На тој температури трака има одговарајућу отпорност а казаљка инструмента одређени положај. Променом нивоа течности мења се и хлађење, а тиме и температура односно отпорност термоосетљивог отпорника. Због тога се помера казаљка инструмента и на скали, која је баждарена у јединицама за ниво, показује другу вредност. Овде је искоришћена појава да течности имају температуру различиту од температуре ваздуха.

Шема в: мери се ниво загрејане течности, при чему је погодно да се температурно осетљиви елементи везују споља. Ови елементи могу да буду термоотпорници, а у случају виших температура још су погоднији термоспрегови. Са температурно осетљивим мерним тракама мерно коло је слично као на шеми $b$, само што се уместо хлађења мери ефекат загревања. При високим температурама користе се би-метални термоспрегови. У том случају се као индикатор нивоа може користити стандардни микроамперметар.

8.3.2. КАПАЦИТИВНИ НИВОМЕТАР

Капацитивни нивометри мере промене капацитета које настаје код специјалних електричних кондензатора постављених вертикално у резервоар, услед промене нивоа течности. Течност мења капацитет јер се њена пермитивност разликује од пермитивности гасова, па се променом нивоа односно променом односа течности и гаса мењају својства кондензатора. Капацитет кондензатора који се користи за мерење нивоа има облик

$$C\left(h\right)=C_{0}\left[1+\left(\varepsilon -1\right)\frac{h}{H}\right].$$

Овде је $h$ ниво течности, $C_{0}$ капацитет кондензатора у ваздуху, $\varepsilon$ пермитивност и $H$ висина кондензатора. Вредност $C_{0}$ је обично између 200 pF и 300 pF*.*

Једна плоча плочастих кондензатора треба да буде изолована јер се у том случају ниво течности може мерити без обзира на њену проводност. Уколико је зид резервоара од метала односно проводан, може да замени неизоловану плочу кондензатора.

За течности које су добри изолатори, као што су разна уља, бензини и сви течни угљоводоници, користе се капацитивни претварачи изведени као на слици 8.7 б.

(Слика 8.7. - Капацитивни претварачи за континуално мерење нивоа: а) са изолованом плочом, б) за непроводне течности и в) за проводне течности)

За течности које су добри проводници (водоводна, речна или морска вода и разне киселине), користе се капацитивни претварачи код којих је једна електрода изолована (шеме $a$ и в). У том случају, у делу кондензатора који је потопљен у течност, као изолатор служи само чврсти изолатор, док је у преосталом не-уроњеном делу двоструки слој диелектрика (чврсти изолатор и ваздух).

Капацитивни претварач се везује за мерач капацитета са нивометарском скалом. Електрични капацитет се може мерити раздешавањем класичног уравнотеженог мерног моста, који се напаја наизменичним напоном. Други начин је мењање учестаности осциловања осцилатора на који је прикључен капацитивни претварач $C\left(h\right)$. Промене учестаности осцилатора могу се прецизно мерити фреквенцметрима или бројачима, тако да се овим двоструким претварањем може прецизно изразити и ниво течности. Тачност капацитивних нивометара је углавном одређена радом капацитивних претварача. На тачност мерења утиче прљавштина и калцификација на облогама кондензатора, као и пена. Обично се остварује тачност реда неколико милиметара.

8.5.3. СКОКОВИТО МЕРЕЊЕ НИВОА ТЕЧНОСТИ

За случајеве када је важно да се само зна да ли је течност достигла одређени фиксирани ниво примењују се методе за дискретно односно скоковито мерење нивоа. Ове методе су у принципу једноставније од континуалних и најчешће се своде на давање сигнала индикације или аларма да је ниво прешао одређену критичну вредност.

На слици 8.8 илустровани су неки принципи добијања дискретног сигнала у тренутку кад ниво течности пређе неку одређену критичну вредност. Тај сигнал се користи за аутоматску заштиту од преливања или као аларм да је течност пала испод најмање дозвољене количине. Када се ради о проводним течностима, као најједноставнији претварач, користи се пар електрода које се у ваздуху понашају као отворени, а у течности као затворени прекидач (шема $a$). Ако је течност непроводна, може се користити плочасти кондензатор чији ће се капацитет скоковито променити, увећати $\varepsilon$ пута у тренутку потапања.

(Слика 8.8. - Скоковити методи мерења нивоа течности)

На шеми в приказан је принцип индикације више нивоа помоћу температурно осетљивих отпорника, који се у течностима знатно брже хладе; повећана је дисипациона константа 4 до 5 пута, на основу чега се могу добити скоковите промене струје и напона за паљење индикаторских сијалица.

Оптоелектронски претварачи за дискретно мерење нивоа провидних и непровидних течности приказани су на шемама г и д. Претварач за провидну течност се састоји од призме, сијалице и фотоелектричног детектора. У случају када је призма у ваздуху, светлост из сијалице се два пута тотално рефлектује на површини призма-ваздух и пада на фотодетектор који даје одговарајући сигнал. Када је призма у течности, услов тоталне рефлексије није задовољен, па светлост после преламање у тачки А напушта призму. Фотодетектор тада није осветљен, и његов излаз је једнак нули. Код непровидних течности довољно је само поставити сијалицу и фотодетектор један наспрам другог. У тренутку када непровидна течност испуни простор између детектора и сијалице, мења се ниво излазног сигнала. Слични поступци се користе за одређивање нивоа чврстих насутих материјала.

На шеми ђ приказан је дискретни метод мерења где се као претварач користи пиезоелектрични или магнетострикциони вибратор укључен као осцилаторни елемент неког осцилатора. Кад се претварач налази у ваздуху, пригушење има малу вредност, па се осцилације осцилатора одржавају. У тренутку када течност или чврсти расути материјал дође у додир са претварачем, механички губици расту, Q фактор опада, што проузрокује престанак осциловања осцилатора. Нестајање излазног напона из осцилатора представља, дакле, сигнал када је премашен одређени задати ниво. Погодност ове методе је што практично не зависи од електричних и оптичких карактеристика флуида.

8.6. УЛТРАЗВУЧНА И РАДИОАКТИВНА МЕРИЛА НИВОА

У случајевима када није пожељан физички контакт са садржајем резервоара, због температуре, притиска или агресивности материјала, користе се нивометри са прозрачивањем. Зависно од природе таласа, разликују се ултразвучни и радиоактивни нивометри.

Ултразвучни нивометри користе рефлексију таласа на граничној површини гас-течност и промену дужине пута односно времена простирања таласа између ултразвучног предајника и пријемника у зависности од ултразвучног нивометра. Из предајника Τ се импулсима високе учестаности (обично између 30 kHz и 300 kHz) побуђује ултразвучни претварач $\text{UP}_{1}$. Импулси нижих учестаности имају мање слабљење при преносу, али се зато импулси виших учестаности боље фокусирају. Генерисани ултразвучни таласи се простиру кроз течност, а рефлектују од ваздуха и то тако да се враћају на акустично-електрични претварач $\text{UP}_{2}$ (ултразвучни микрофон) пријемника Р. У бројачу Β се мери време простирања ултразвучног таласа од $\text{UP}_{1}$ до $\text{UP}_{2}$ на основу поређења времена пријема и времена предаје високофреквентног напонског импулса. Пређени пут се рачуна као производ тог времена и познате брзине простирања звука. Брзина звука је у ваздуху 330 m/s, а у води 1460 m/s. Уместо на дну ултразвучне сонде могу бити постављене на врху резервоара. У том случају се ултразвук простире кроз ваздух, а рефлектује од воде. Скала бројача је калибрисана у јединицама за ниво, који је директно сразмеран времену простирања ултразвучног таласа.

(Слика 8.9. - Радијациони нивометри: а) ултразвучни, б) радиоактивни)

Радиоактивни нивометри користе зависност апсорпције бета и гама зрака од дебљине озраченог материјала, односно зависност интензитета зрачења на детектору од преносне средине. За резервоаре са танким зидовима или од материјала који су осетљиви на зрачења, користе се извори са бета зрацима, често на бази стронцијума 90. За резервоаре са дебелим зидовима или од материјала који су мање осетљиви на зрачења, извори су са гама зрацима: то може бити цезијум 137, или кобалт 60. Интензитет зрачења на детектору обрнуто је пропорционалан количини течности између радиоактивног извора и детектора. Скала индикатора се калибрише у јединицама нивоа.

Радијациони нивометри имају велику моћ прозрачивања и постављају се са спољне стране суда. Код ултразвучних је ситуација обрнута. Због изражених својстава рефлексије ултразвучни таласи не продиру кроз зидове резервоара, па се ултразвучни претварачи морају поставити са унутрашње стране. Ултразвучни претварачи су поред тога осетљиви на високе температуре тако да су могућности нивометара са ултразвуком мање у односу на радијационе. Велики недостатак радијационих нивометара је што су бета и гама зрачења непожељна у случају многих супстанци, као на пример прехрамбених, те да су опасни за руковање. Ови се нивометри, због својих предности, користе у металској индустрији и појединим гранама хемијске индустрије.

8.7. МЕРЕЊЕ НИВОА ЧВРСТОГ НАСУТОГ МАТЕРИЈАЛА

Ниво чврстог зрнастог и прашкастог материјала мери се у резервоарима као што су реакцијски судови, бункери и силоси. Циљ мерења је контрола процеса производње, прераде и транспорта. За мерење нивоа чврстих материјала могу се применити многе од метода за мерење нивоа течности, али са мање тачности него кад су у питању течности. Специфичност чврстог насутог материјала је стварање конуса при пуњењу који може да буде нагнут у односу на хоризонталу и до 50 степени. Поред тога израженије је и лепљење материјала по зидовима него кад су у питању течности. Не могу се примењивати методе са спојеним судовима, а нивометар са пловком мора да има вибратор у преносном механизму како би се пловак стално одржавао на површини.

Једноставна метода је спуштање сонде и мерење висине празног дела резервоара. Практичних проблема може да буде ако је нужно пењање особља, или употреба сложенијих преносних механизама.

За мерење нивоа чврстог материјала најчешће се примењују мерења у одвојеним тачкама односно дискретна мерења. У случају високих бункера погодан је систем вертикално распоређених електричних прекидача прекривених еластичним мембранама.

(Слика 8.10. - Илустрација мерења нивоа чврстог насутог материјала)

Прекидачи се постављају са унутрашње стране бункера на растојању од једног метра по висини. При насипању, материјал бочно притиска зидове и мембране и на тај начин затвара струјно коло са индикаторским сијалицама на контролној табли. Најнижи и највиши положај пуњења у бункеру везани су за алармни уређај који опомиње руковаоца на постојеће стање.

8.8 МЕРЕЊЕ НИВОА РАДИОАКТИВНИМ ПОСТУПКОМ

Основни појмови у вези са радиоактивношћу објашњени су у поглављу о мерењу помераја.

Принцип установљавања и контролисања нивоа неке супстанције у посуди објаснићемо помоћу слике 8.11. У суду је течност; желимо да знамо на којој је висини ниво течности, те да ли се тај ниво одржава у току времена.

(Слика 8.11. - Принцип рада нивометра са радиоактивним извором)

Извор зрачења $\text{I}_{\text{z}}$ постављен је на дно суда. Ако су материјали осетљиви на зрачење, а зидови танки, згодно је користити бета зраке. Тада се најчешће употребљавају стронцијум 90 и итријум 90. За мање осетљиве материјале и дебеле зидове, погодни су гама извори, пре свих цезијум 137 и кобалт 60. У сваком случају, интензитет зрачења које стиже до детектора Д зависиће од дебљине течности кроз коју зрачење пролази. На тај начин се може установити једнозначна кореспонденција положаја нивоа са интензитетом зрачења.

Посебно је та веза једноставна када се користе алфа зраци. У одређеним условима применљива је следећа проста формула

$$I=I_{0}\exp \left(-kh\right).$$

Овде је $I_{0}$ интензитет зрачења извора, а $I$ мерени интензитет. Са $k$ смо обележили константу која узима у обзир својства третираног материјала (густина, ефикасност апсорпције и расејања и сл). На пример, извор са гама емитером цезијум 137 кад се користи као нивометар за воду захтева да се узме $k=0,077\;\text{m}^{-1}$.

Поновићемо и овде оно што смо нагласили у поглављу о мерењу помераја:

Рад са радиоактивним супстанцијама за поменута мерења неподесан је у појединим гранама индустрије (прехрамбена и сл). Описани методи погодни су, међутим, у индустрији прераде метала, рударству и појединим гранама хемијске индустрије. У сваком случају, приликом мерења је неопходно обезбедити потпуну техничку заштиту особља и минимизирати штетне утицаје зрачења на материјале којима се мери ниво, као и на околину радног места.

8.9 ЗАКЉУЧНЕ НАПОМЕНЕ

Ниво говори о степену попуњености неког суда или резервоара течношћу, зрнастим, или прашкастим материјалом. Мерење нивоа се своди на мерење дужине, запремине или тежине у датим околностима. Ниво се може мерити помоћу мерне летве, водомерног стакла, пловка, контактних електрода, електричних релеја, електромагнетских и ултразвучних зрака. Посредно мерење нивоа се заснива на мерењу хидростатичког притиска, тежине главног и помоћног суда, апсорпције јонизујућег зрачења, промене електричног поља, индуктивности и капацитета. Како ће се мерити ниво, зависи од мерних захтева као што су: границе померања нивоа, осетљивост и тачност мерења, локално или даљинско мерење, регистровање и регулисање нивоа, континуално или дискретно мерење, а затим од тога да лије материјал чврст или течан, проводан или непроводан, прозиран или непрозиран, хладан или загрејан. Постоји велики број решења за мерење нивоа. У начелу, методи мерења нивоа материјала спадају у групу релативно једноставних мерних метода.

КОНТРОЛНА ПИТАЊА

1. Шта је ниво материјала?

2. Шта је циљ мерења нивоа?

3. Који су најпознатији начини мерења нивоа течности?

4. Како се може измерити ниво зрнастих и прашкастих материјала?

5. Да ли су $\alpha$- извори погодни за уређаје за детекцију и контролу нивоа супстанција?