Článek popisuje měření úrovně hladiny založené na přepočtu hydrostatického tlaku. Upozorňuje na úskalí a omezení této metody a podrobně se věnuje konstrukčním upořádáním snímačů.
1. Princip měření, výhody a omezení
Hydrostatické snímače úrovně hladiny jsou v podstatě převodníky tlaku, které měří výšku hladiny prostřednictvím hydrostatického tlaku.
Přesně vzato se touto metodou neměří výška hladiny, ale hmotnost sloupce kapaliny nad místem odběru tlaku. Tento detail se projeví u kapalin s výraznou teplotní objemovou roztažností: zatímco výška hladiny kolísá se změnami teploty, údaj hydrostatického snímače je konstantní.
Hydrostatická metoda měření výšky hladiny přináší následující výhody:
- snímače neobsahují pohyblivé části (jako např. plováky),
- měření není ovlivněno vrstvami par nad hladinou ani vrstvou pěny na hladině; nevadí ani kal u dna nebo vznik vrstev kapaliny o různé hustotě,
- rozsah měření výšky hladiny je směrem nahoru v podstatě neomezený a přitom měření ve velkém rozsahu samo o sobě neznamená vyšší cenu snímače,
- metoda může být použita při měření hladiny silně viskózních nebo znečištěných kapalin, jakož i agresivních chemikálií,
- snímače mohou být vyrobeny v provedení určeném pro aseptické a dokonale čistitelné provozy (sanitovatelné provedení),
- měřit lze i hladiny kapalin o vysoké teplotě (do 400 °C).
Protože snímače měří silové účinky hydrostatického tlaku, musejí jejich výrobci svádět boje s teplotními chybami. Je-li požadována přesnost měření lepší než 5 cm, je namístě přemýšlet, zda hydrostatická metoda je vskutku ta nejvhodnější.
2. Základní způsoby měření
Hydrostatické snímače lze podle charakteru měření tlaku rozdělit na:
snímače pro otevřené, resp. odvětrané nádoby, které měří hydrostatický tlak jako přetlak proti atmosféře,
snímače pro uzavřené neboli tlakové nádoby, které pracují jako diferenční, tj. měří rozdíl mezi tlakem u dna nádoby a tlakem nad hladinou.
První skupina umožňuje realizovat technicky jednodušší a tudíž i levnější řešení.
Podle uspořádání snímače a podle způsobu montáže můžeme hydrostatické snímače rozdělit do několika skupin.
2.1 Ponorné závěsné sondy
Ponorné závěsné sondy (obr. 1) reprezentují nejjednodušší uspořádání hydrostatického snímače. Vyznačují se malými rozměry a snadnou montáží: zpravidla jsou zavěšeny na kabelu u dna nádoby a měří tlak okolní kapaliny. Vnitřní prostor sondy je odvětrán do atmosféry pomocí duté žíly v přívodním kabelu. Její vyústění do atmosféry bývá upraveno tak, aby nemohlo být ucpáno např. #zákeřnou# činností hmyzu nebo aby se nemohlo zalepit zkondenzovanou vlhkostí.
2.2 Vestavné snímače
Vestavné hydrostatické sondy a snímače přetlaku s membránovým oddělovačem se obvykle montují do stěny nádoby. Tělo převodníku se nachází vně nádoby a je odvětráno do atmosféry.
2.3 Diferenční snímače připojené přes impulsní potrubí
Snímače rozdílu tlaku # tzv. diferenční snímače # připojené přes impulsní potrubí se používají zejména u tlakových nádob. Snímač bývá umístěn pod úrovní minimální hladiny. Impulsní potrubí musí být spádováno, aby vzduchové bubliny odcházely do nádoby, a obvykle bývá opatřeno kondenzační a odkalovací nádobou. Impulsní potrubí, které přivádí tlak z horní části nádoby, musí být buď trvale zaplaveno kondenzátem, nebo musí být trvale suché, což jde v praxi obvykle hůře zajistit. Zaplavené impulsní potrubí se nejčastěji používá u parních kotlů, kde nehrozí odpařování kondenzátu. Svérázné chyby se mohou vyskytnout u těch roztoků, kde kondenzát je těžší než kapalina v nádobě: kondenzát se hromadí v dolní části impulsního potrubí a rozdíl měrných hmotností způsobí chybu měření.
Diferenční snímač je vhodné připojit přes pěticestnou ventilovou soupravu, aby bylo možné snímač kontrolovat a kalibrovat, aniž by bylo nutné odstavit nádobu z provozu.
2.4 Diferenční snímače s membránovými oddělovači
Diferenční snímače s membránovými oddělovači připojenými pomocí kapilár se používají u tlakových nádob podobně jako snímače uvedené v odstavci 2.3. Použití oddělovačů s kapilárami přináší některé výhody:
- není třeba se starat, zda je či není impulsní potrubí zaplněno kondenzátem,
- řešení lze použít i v těch případech, kde by se impulsní potrubí ucpávalo nečistotami, zamrzalo by nebo by se zalepovalo měřenou hmotou,
- nádoba s oddělovači se dá dobře čistit (sanitovat).
Nejčastěji se používají přírubové nebo sendvičové oddělovače o velikosti DN50 nebo DN80.
2.5 Smíšený systém
Smíšený systém se skládá z diferenčního snímače s jedním oddělovačem a s jednou větví impulsního potrubí (obr. 2).
Jde o řešení, které je kombinací řešení popsaných v odstavcích 2.3 a 2.4. Je levnější než snímač se dvěma oddělovači a také méně náchylné k mechanickému poškození, protože oddělovač tvoří se snímačem jeden kompaktní celek. Přináší některé výhody, vyplývající z aplikace membránového oddělovače, ale také některé nevýhody vyplývající z užití impulsního potrubí.
Podle charakteru technologického zařízení může být impulsní potrubí navrženo jako zaplavené kondenzátem nebo jako suché.
2.6 Čidlo tlaku umístěné nad hladinou
Pro úplnost je vhodné připomenout jednu velmi častou aplikaci hydrostatického měření: hladinový spínač používaný v automatických pračkách (viz obr. 3). Čidlo tlaku je umístěno nad úrovní maximální hladiny a měří tlak vzduchu a par v uzavřeném objemu V. Vztah mezi tlakem p a úrovní hladiny h závisí mj. i na vnitřním objemu snímače a v praxi zřejmě bude vhodné určit jej spíše experimentálně než výpočtem. Tlak významně kolísá s teplotou; kromě toho je ovlivněn rozpouštěním vzduchu v kapalině nebo naopak odpařováním kapaliny. Toto řešení je vhodné tam, kde jsou malé nároky na přesnost a kde hladina dostatečně často klesá natolik, aby se do uzavřeného objemu V #nabral# vzduch.
Uvedené nevýhody se v aplikacích s vyššími nároky na přesnost řeší pomocí speciálních pneumatických regulátorů # tzv. bublátek, kterými se do prostoru V nepřetržitě vhání stlačený vzduch o malém konstantním průtoku (obvykle do 1 l/min).
V závěru bych chtěl poděkovat panu Ing. Ladislavu Štěpánkovi z firmy Compas za některé cenné poznatky z praxe ve využívání hydrostatických snímačů hladiny.
Jan Vaculík, BHV senzory