Hydrostatické hladinoměry - princip, vlastnosti a použití

Hydrostatické hladinoměry určují polohu hladiny kapaliny v nádobě měřením hydro­statického tlaku. Hydrostatický tlak p, který je vytvářen tíhovou silou sloupce kapaliny, je úměrný výšce sloupce kapaliny h, hustotě ka­paliny ρ a tíhovému zrychlení g:

p = h ρ g

Vzhledem k tomu, že podle Pascalova záko­na působí tlak v kapalině rovnoměrně do všech stran, je možné k měření tlaku použít libovol­ně orientovaný snímač. Jako nejvhodnější mís­to k zabudování snímače se nabízí dno nádoby. Nevýhodou je však mnohdy nebezpečí zane­sení snímače usazeninami z provozního mé­dia, a proto bývá snímač nejčastěji zabudován blízko dna ve stěně nádoby. Vedle toho se po­užívají i závěsné sondy, u nichž je snímač tla­ku zavěšen na kabelu a spuštěn ke dnu nádoby.

Hodnota tlaku měřeného snímačem v pro­vozní nádobě je ovlivněna těmito třemi faktory:

Výška sloupce kapaliny je požadovaný výstupní údaj hladinoměru; případné změny hustoty a změny tlaku nad hladinou kapaliny představují veličiny, které ovlivňují přesnost výsledku měření. Změny hustoty mohou být způsobeny změnami teploty kapalného média nebo změnami jeho složení v průběhu technologického procesu. Důležitým faktem je, zda jde o nádobu otevřenou, kde je nad hla­dinou kapaliny atmosférický (barometrický) tlak patm, nebo o nádobu uzavřenou, kde se hodnota tlaku p1 nad hladinou může měnit a může tam být jak přetlak, tak podtlak vzhle­dem k atmosférickému tlaku (obr. 1).

Na obr. 1a je znázorněno měření hydrosta­tického tlaku v otevřené nebo v odvětrávané nádobě, kde lze k měření tlaku použít jak sní­mač přetlaku vzhledem k atmosféře, tak i sní­mač rozdílu tlaků (tzv. diferenční snímač), je­hož druhý přívod je propojen do atmosféry. Je-li měřena poloha hladiny v uzavřeném zásobníku s proměnným tlakem nad hladinou, užívá se uspořádání buď podle obr. 1b se sní­mačem rozdílu tlaků, nebo uspořádání podle obr. 1c, kdy jsou použity dva snímače přetla­ku; pak vyhodnocovací elektronika vypočte rozdíl měřených signálů, který bude odpoví­dat hydrostatickému tlaku kapaliny.

K měření hydrostatického tlaku je mož­né použít snímače různých typů s odpovída­jícím měřicím rozsahem. V současné době jsou nejčastěji voleny snímače s tenzomet­rickým nebo kapacitním senzorem tlaku [3].

Tenzometrický senzor tvoří křemíková membrána s polovodičovými tenzometry (piezorezistory), u nichž se při mechanic­kém namáhání tlakem nebo tahem mění elektrický odpor. Piezorezistory jsou za­pojeny do měřicího můstku, jehož signál je vyhodnocován (obr. 2). Samotným kře­míkovým senzorem lze měřit pouze čistý, suchý vzduch nebo jiné neagresivní plyny. V průmyslových podmínkách je tedy třeba křemíkové čidlo chránit před stykem s mě­řeným médiem. K tomu je ve snímačích tla­ku používána kovová oddělovací membrána. Prostor mezi ní a měřicím prvkem je vypl­něn olejem. Oddělovací membrána musí být zkonstruována tak, aby neovlivňovala vlast­nosti křemíkového čidla. Například průměr oddělovací membrány snímače s křemíko­vou membránou o činné ploše asi 2 mm² je přibližně 10 mm. Robustní konstrukce sní­mačů s křemíkovými čidly velmi dobře odo­lává vibracím a rázům.

Základem kapacitního senzoru je speciál­ní keramická membrána. Na ni jsou naneseny kovové elektrody vytvářející dva deskové kon­denzátory, v nichž se při působení tlaku mění kapacita (obr. 3). Keramická membrána je vy­soce odolná proti vlivům prostředí a je zapo­třebí ji chránit před mechanickým poškozením.

Signál tenzometrického či kapacitního sen­zoru je dále zpracováván v elektronických ob­vodech snímače. Současné snímače jsou ve­směs vybaveny automatickou teplotní kom­penzací a elektronika řízená mikroprocesorem poskytuje analogový i číslicový signál vhodný k dalšímu zpracování s komunikací HART, Pro­fibus PA nebo Foundatioin Fieldbus. Některé firmy nabízejí i snímače s bezdrátovým přeno­sem signálu (WirelessHART). Inteligentní sní­mače jsou vybaveny automatickou diagnostikou a možností konfigurovat funkční parametry.

Součásti snímače tlaku, které přicháze­jí do styku s měřeným médiem, jsou vyro­beny z korozivzdorné oceli, popř. z dalších speciálních slitin; pouzdro snímače je ko­vové (např. hliníková slitina) nebo z plastu a v požadovaném krytí. Snímače jsou vyrá­běny s variabilním procesním připojením, které umožňuje splnit konkrétní požadavky při instalaci.

V případech, kdy není přípustné, aby mě­řené médium přišlo do kontaktu s měřicím ústrojím tlakoměru, je před vlastní snímač tlaku zařazen membránový oddělovač. To je třeba např. při měření značně viskózních ka­palin, sedimentujících kalů, agresivních teku­tin, horkých tekutin, které tuhnou nebo krys­talizují při poklesu teploty apod. Měřený tlak působí přes membránu na pracovní kapalinu, která vyplňuje prostor za membránou a pře­náší tlak do prostoru snímače (obr. 4). Jako inertní kapalinová náplň je používán silikono­vý nebo minerální olej, jedlý olej (v potravi­nářství), glycerin nebo směs glycerinu a vody. Membrána přicházející do styku s agresivní látkou bývá vyrobena z ušlechtilého materiá­lu (tantal, zirkon, titan), korozivzdorných sli­tin (Hastelloy, Monel) nebo je chráněna tef­lonem apod. Rozměry membrány jsou vole­ny tak, aby její tuhost nezkreslovala měřený tlak nad rámec přípustných chyb. Membrá­nové oddělovače se často uplatňují ve far­maceutickém a potravinářském průmyslu při požadavcích na dokonalé pročištění techno­logických aparatur. Základním předpokladem dlouhodobého a spolehlivého provozu je do­konalé utěsnění prostoru vyplněného inert­ní kapalinou. Membránové oddělovače jsou k dispozici v různém provedení s ohledem na konkrétní provozní podmínky. Oddělovače s chladicím nástavcem jsou používány např. k měření tlaku médií při vysokých teplotách anebo k měření tlaku tavenin, které by moh­ly zatuhnout uvnitř snímače. Membránové oddělovače však mohou být i zdrojem chyb souvisejících s nevhodnou velikostí a tuhostí membrány a také s tepelnou roztažností ka­palinové náplně [7], [8].

Snímač hydrostatického tlaku může být připojen k nádobě různým způsobem v zá­vislosti na konkrétních provozních podmín­kách ([1] až [6]). Velmi důležitou okolností je, zda jde o čistou neagresivní kapalinu, nebo o kapalné médium s nepříznivými vlastnost­mi, jak bylo zmíněno v předchozím odstavci. Takové médium působí nepříznivě na snímač a ztěžuje i vlastní měření.

Na obr. 5 až obr. 9 jsou znázorněny pří­klady připojení snímačů k provozním nádo­bám a v obrázcích jsou uvedeny i vztahy mezi měřeným tlakem a výškou kapaliny v nádo­bě. Pro znázornění čistých kapalin je použi­ta modrá barva, pro médium s nepříznivými vlastnostmi barva hnědá.

Snímač tlaku může být připojen k otevře­né nádobě buď přímo pomocí přírubového připojení (obr. 5a), nebo pomocí tzv. impulz­ního potrubí* (obr. 5b). Snímač je umísťován tak, aby byl pod úrovní minimální hladiny, impulzní potrubí musí být vyplněno kapali­nou a spádováno tak, aby případné bubliny plynu unikaly do nádoby. K měření hladi­ny média s nepříznivými vlastnosti je využí­váno připojení s membránovým oddělova­čem (obr. 5c).

K měření v uzavřené nádobě, kde se může měnit tlak nad hladinou, je většinou používán snímač rozdílu tlaků. Zapojení podle obr. 6a je označováno jako tzv. suché připojení (dry leg). V tomto případě je prostor nad hladinou propojen impulzním potrubím se snímačem rozdílu tlaků. Toto zapojení lze použít pou­ze tehdy, kdy nehrozí kondenzace par v mi­nusovém rameni impulzního potrubí; taková situace však není v praxi příliš obvyklá. Jest­liže je teplota okolí impulzního potrubí nižší než teplota uvnitř nádoby, v impulzním po­trubí kondenzují páry, zkondenzovaný slou­pec kapaliny změní tlak v minusovém rameni a to vyvolá chybu v měření hladiny. Je proto účelné zařadit pod přívodem ke snímači kon­denzační nádobu s indikací stavu naplnění.

Častěji je používáno tzv. mokré připojení (wet leg), kdy je impulzní potrubí zcela napl­něno kapalinou (obr. 6b, c). Od propojení sní­mače s parním prostorem přichází do snímače tlak zvýšený o hydrostatický sloupec kapaliny v impulzním potrubí. Příslušné vztahy uve­dené v obr. 6 jsou platné za předpokladu, že hustota kapaliny v impulzním potrubí je stej­ná jako hustota média (např. při naplnění im­pulzního potrubí provozní kapalinou). Snímač rozdílu tlaků pracuje v reverzním režimu; mi­nimální rozdíl tlaků bude vykazovat při maxi­mální poloze hladiny a naopak při minimál­ní hladině bude rozdíl tlaků maximální. Tato skutečnost musí být zohledněna při zpraco­vání signálu snímače.

Připojení snímače a impulzního potrubí je doplňováno uzavíracími ventily a pomocný­mi přívody, které umožňují případné odsta­vení snímače a vypuštění či doplnění kapali­nové náplně. Podle potřeby jsou zařazovány odkalovací nádoby (lapače nečistot), které po­máhají udržovat impulzní potrubí průchodné (obr. 6b). Snímač rozdílu tlaků je vhodné při­pojit prostřednictvím třícestné nebo pěticest­né ventilové soupravy pro jeho snadné odpo­jení od aparatury (není ve schématu vyznače­no). Při měření hladiny ve varných nádobách je impulzní potrubí zaplňováno kondenzátem, což je zajištěno zařazením kondenzační nádo­by (obr. 6c). Snímač je v tomto případě na­pojen přírubovým připojením. U „mokrého“ připojení může v některých případech hrozit zatuhnutí (zamrznutí) náplně v impulzním potrubí; není-li jiná možnost, musí být im­pulzní potrubí vyhříváno.

Přesnost měření polohy hladiny hydrosta­tickými hladinoměry je do značné míry ovliv­něna změnami hustoty a teploty provozního média. Vliv změn hustoty způsobených změ­nami teploty lze kompenzovat elektronicky na základě měření teploty. V případech, kdy se mění hustota provozního média z jiných, např. technologických příčin, je možné využít zapojení podle obr. 7. K měření jsou použity tři snímače přetlaku, jejichž signály jsou zpraco­vány v elektronických obvodech (tento způsob měření bývá označován jako HTG – Hydrosta­tic Tank Gauge), viz [1], [9]. Funkce snímačů A a B odpovídá schématu na obr. 1c; z rozdílu jejich signálů je odvozován hydrostatický tlak média. Snímač C je umístěn ve vzdálenosti l pod snímačem B a z rozdílu tlaků těchto dvou snímačů se vypočte hustota média. Podle ak­tuální hodnoty hustoty je korigován výpočet hydrostatického tlaku měřeného snímači A a C a vypočte se výška hladiny:

p_C – p_B = l ρ g

ρ = (p_C – p_B)/(l g)

h = [(p_B – p_A)/(p_C – p_B)]l

Při měření látek s nepříznivými vlastnostmi je nutné použít membránové oddělovače. Agresivní charakter mohou vykazovat i páry nad hladinou kapalné náplně a v takovém pří­padě je třeba použít membránový oddělo­vač i u odběru tlaku z prostoru nad hladinou (obr. 8a). Impulzní potrubí je vyplněno inertní kapalinou (nejčastěji vhodným olejem). Hus­tota náplně impulzního potrubí je obvykle od­lišná od hustoty měřeného média. Tato skuteč­nost je respektována ve vztazích na obr. 8. Ka­palina v impulzním potrubí by měla vykazovat malý koeficient objemové teplotní roztažnosti, jinak je třeba počítat s chybou při změně tep­loty okolí. Tuto chybu lze kompenzovat sy­metrickým zapojením podle obr. 8b, kdy obě větve impulzního potrubí mají přibližně stej­nou délku a stejnou teplotu. Se změnou teplo­ty okolí se však mění i hustota plnicí kapaliny, a tím i hydrostatický tlak v impulzním vedení, což vyvolá další přídavnou chybu. Tuto chybu není symetrické zapojení schopno kompenzo­vat. Existují však způsoby zapojení, které do­kážou potlačit nebo i zcela odstranit vliv jak teplotní roztažnosti, tak i hustoty [1].

Pro měření polohy hladiny hydrostatickou metodou je s výhodou využívána ponorná sonda zavěšená na kabelu či na lanku, popř. umístěná na tyči (obr. 9). Je to v podstatě běž­ný snímač tlaku, který je konstrukčně upra­ven tak, aby mohl být ponořen do kapaliny a aby měřil hyd­rostatický tlak v daném mís­tě. Měřicím členem nejčastě­ji bývá piezorezistivní snímač s oddělovací membránou, ke­ramická destička s tenzometry nebo kapacitní senzor.

Od snímače je požadováno, aby měřil přetlak daný výš­kou sloupce kapaliny vzhle­dem k atmosféře, a proto je třeba, aby vnitřní část sníma­če byla propojena (odvětrána) do atmosféry. K tomu je urče­na dutá odvětrávací žíla (kapi­lára), která je vedena kabelem spolu s elektrickými vodiči. Vyústění kapiláry do atmosféry je opatřeno filtrem proti vniknutí nečis­tot a pronikání vlhkosti. Druhou možností je koncipovat ponornou sondu jako snímač ab­solutního tlaku. V tom případě není odvětrání zapotřebí, ale atmosférický tlak je třeba mě­řit referenčním snímačem; hydrostatický tlak se vypočítá jako rozdíl obou měřených tlaků. Atmosférický tlak kolísá zpravidla v pásmu asi 0,3 m vodního sloupce, a tak je při měření výšky hladiny ve velkém rozsahu (přibližně od 30 m vodního sloupce) možné toto kolísá­ní atmosférického tlaku zanedbat a měření se obejde bez referenčního snímače.

Hydrostatický snímač měří výšku hladi­ny pouze od snímače směrem nahoru, a proto je zpravidla umísťován až u dna nádrže, kde bývá zvýšená koncentrace kalu, která může snímač zanášet; někdy je třeba počítat i s pů­sobením vodních živočichů. Měřicí, resp. od­dělovací membrána většinou bývá zakryta víčkem opatřeným otvory, aby nebyla nára­zem do dna nebo do předmětů pod hladinou poškozena. Nevýhodou zakryté membrány je nebezpečí hromadění kalu anebo schránek ži­vočichů pod krytem, což může vést k ucpá­ní snímače. Proto jsou snímače konstruovány s odkrytou membránou; ty se sice neucpou, ale membrána musí být přiměřeně odolná proti případnému mechanickému poškození. Měřicí, resp. oddělovací membrány uložené pod víčkem bývají dosti choulostivé, a proto se nesmí mechanicky čistit, pouze oplacho­vat jemným proudem kapaliny. I tenký polo­průhledný povlak uhličitanu vápenatého může způsobit offset signálu; tento povlak lze snad­no odstranit namočením do kyseliny octové.

Ponorné sondy jsou vhodné pro měření po­lohy hladiny v zásobnících s výškou obvykle větší než 0,6 m, zejména jsou vhodné pro mě­ření ve studních a vrtech hlubokých až 200 m. Hmotnost sondy bývá nejčastěji do 0,2 kg, a tak sonda může viset na kabelu; zavěše­ní na lanko je voleno u velkých délek zejmé­na z důvodu hmotnosti samotného kabelu. V proudící kapalině nebo u nádrží s míchadly nebo s vířením jsou sondy zavěšovány do trub­ky s fixovanou polohou. Trubka zabrání rozký­vání ponorného hladinoměru v nádrži. Jedním z faktorů, které omezují použiteltelnost hydrostatických sond, je chemická, teplotní a mechanic­ká odolnost kabelu. Většina vý­robců sice nabízí kabely s ně­kolika druhy izolace, ale i tak jsou možnosti plastů omezené.

Jinou variantou určování polohy hladiny podle hydro­statického tlaku je probublá­vací (provzdušňovací, pneu­matická, bubbler) metoda, která je znázorně­na na obr. 10a. Trubkou přivedenou ke dnu nádrže proudí malé množství vzduchu nebo jiného neutrálního plynu. Unikající vzduch musí překonat hydrostatický tlak kapaliny. Je--li průtok vzduchu tak malý, aby bylo možné zanedbat ztrátu tlaku v trubce, přetlak v sys­tému, měřený vhodným tlakoměrem P, bude úměrný výšce hladiny. V potrubí přivádějí­cím vzduch je zařazen regulátor, který udr­žuje konstantní průtok vzduchu bez ohledu na velikost hydrostatického tlaku. Stejný způ­sob lze použít i k měření v uzavřených nádo­bách (obr. 10b), jestliže je napájecí tlak vyš­ší než tlak v nádobě. K měření je zapotřebí vhodný snímač rozdílu tlaků P_d.

Měření s probubláváním lze s výhodou vy­užít při práci s agresivními, silně znečištěný­mi a viskózními kapalinami. Tlakoměr P je totiž umístěn zvenku nádoby, mimo působe­ní agresivní kapaliny. Přesnost měření hladi­ny s probubláváním je poněkud horší než při přímém měření hydrostatického tlaku.

V souvislosti s měřením hydrostatického tlaku pneumatickou metodou uveďme ještě hydrostatický hladinoměr, který využívá plat­nost Boyleova-Mariottova zákona a uplatňuje se při méně náročných měřeních (např. spí­nač hladiny v automatických pračkách) [7].

V nádrži je umístěna trubice, která je na dolním konci otevřená a k hornímu kon­ci je připojen snímač tlaku P (obr. 11). Jestli­že je hladina pod úrovní sondy, tlak ps v son­dě je roven barometrickému tlaku p_b. Objem vzduchu uzavřeného v sondě je V. Při vzestupu hladiny h se tlak v sondě zvýší o hodnotu hydrostatického tlaku a pod­le Boyleova-Mariottova záko­na (pV = konstanta, za před­pokladu konstantní teploty) se zmenší objem vzduchu uza­vřeného v sondě na hodnotu V2. Význam dalších symbolů a příslušné vztahy jsou uvede­ny v obr. 10. Připojený snímač tlaku vyhodnocuje hydrostatic­ký tlak jako přetlak vzhledem k atmosféře. Je však nutné při­pomenout, že hodnota tlaku se výrazně mění se změnami tep­loty (není splněna podmínka konstantní teploty) a je ovlivněna i rozpouš­těním vzduchu v kapalině nebo odpařováním kapaliny. Tento způsob měření lze tedy využí­vat pouze při malých požadavcích na přesnost.

Hydrostatické hladinoměry jsou relativně jednoduché a spolehlivé snímače, které jsou široce použitelné k měření téměř libovolné­ho média od čistých kapalin až po suspenze a kaly. Snímače nacházejí uplatnění v pro­vozech chemického, petrochemického, po­travinářského a farmaceutického průmyslu i v tepelné energetice. Umožňují měřit polo­hu hladiny v širokém rozpětí provozních tlaků a teplot. Měřicí rozsahy hydrostatických hladi­noměrů pokrývají velmi široké rozmezí; nej­nižší se pohybují řádově v desítkách centimetrů, horní mez není vlastně omezena a je dána výškou provozní nádoby. Ponorné snímače lze používat až do hloubek několika stovek metrů.

Protože snímače měří silové účinky hydro­statického tlaku, je třeba respektovat chyby spo­jené se změnami hustoty a také teploty média. Tento jev ovšem přináší i jistou výhodu: jestli­že hladina v nádrži kolísá vlivem teploty a vli­vem teplotní objemové roztažnosti dané kapali­ny, hydrostatický snímač nezaznamená kolísání hladiny, ale bude správně měřit konstantní údaj úměrný hmotnosti kapaliny v nádobě. Nejisto­ta měření se liší v závislosti na případu použití a na druhu měřeného média. Typická hodnota nejistoty je ±0,5 % z měřicího rozsahu; v někte­rých případech lze dosáhnout nejistoty ±0,1 %. Nejistota samotných snímačů tlaku dosahuje hodnot ±0,1 % z měřicího rozsahu, u některých inteligentních snímačů ±0,04 %.

Při vybavení vhodným oddělovačem lze hydrostatické hladinoměry využít k měření i za extrémních provozních podmínek (vy­soké teploty, agresivní média, vysoké poža­davky na hygienu a sanitovatelnost). Přednos­ti a nevýhody hydrostatických hladinoměrů jsou shrnuty v tab. 1.

[1] BENGTSSON, C.: The Engineer’s Guide to Level Measurement. Emerson Process Manage­ment Rosemount, Inc., 2013.

[2] ĎAĎO, S. – BEJČEK, L. – PLATIL, A.: Měření průtoku a výšky hladiny. Praha, BEN, 2005.

[3] KADLEC, K.: Snímače polohy hladiny. Auto­ma, 2005, č. 5, s. 5.

[4] LIPTÁK, B. G.: Process Measurement and Analysis. CRC Press, 2003.

[5] McMILLAN, G. K. – CONSIDINE, D. M.: Process/Industrial Instruments and Controls Handbook. New York, McGraw/Hill, 1999.

[6] Měření průtoku a měření výšky hladiny. Zpra­vodaj pro měření a regulaci č. 4. NEWPORT OMEGA 1995. [on-line] www.omegaeng.cz/literature> [cit. únor 2014].

[7] VACULÍK, J.: Hydrostatické snímače úrovně hladiny. Automa, 2003, č. 5, s. 6.

[8] VACULÍK, J.: Membránové oddělovače pro měření tlaku. Automa, 2000, č. 4, s. 8.

[9] WEBSTER, J. G.: Measurement, Instrumenta­tion, and Sensors Handbook. CRC Press, 1999.

doc. Ing. Karel Kadlec, CSc., ústav fyzi­ky a měřicí techniky, VŠCHT Praha,

Obr. 1. Měření hydrostatického tlaku

Obr. 2. Schéma tenzometrického senzoru

Obr. 3. Keramická membrána kapacitního senzoru

Obr. 4. Princip membránového oddělovače

Obr. 5. Měření hladiny v otevřené nádobě

Obr. 6. Měření hladiny v uzavřené nádobě

Obr. 7. Kompenzace vlivu změn hustoty média

Obr. 8. Měření v uzavřené nádobě s membránovými oddělovači

Obr. 9. Měření ponornou sondou

Obr. 10. Měření probubláváním

Obr. 11. Měření podle Boyleova-Mariottova zákona

Tab. 1. Přednosti a nevýhody hydrostatických hladinoměrů

* Přívodní potrubí ke snímačům tlaku je v praxi i v literatuře běžně označováno jako impulzní potrubí, přestože vhodnější výraz by byl signálové potrubí.