Hydrostatyczny pomiar poziomu cieczy w zbiornikach

Powrót do listy artykułów Aktualizowany: 2023-11-02

Pomiar poziomu w zbiornikach jest niezwykle istotny w wielu branżach, takich jak przemysł chemiczny, spożywczy, energetyczny, a także w gospodarce wodnej.
Jedną z najbardziej popularnych, sprawdzonych i niezawodnych metod pomiaru poziomu jest wykorzystanie przetworników ciśnienia, mierzących ciśnienie hydrostatyczne słupa cieczy.

Z uwagi na zasadę działania, przetworniki ciśnienia wykorzystuje się do pomiaru poziomu w aplikacjach, w których gęstość i temperatura (też wpływa na gęstość) medium jest stała, albo przynajmniej przewidywalna, z możliwością wprowadzenia korekty do sterownika w przypadku zmian tych wartości.

Przetwornik ciśnienia przekształca wartość ciśnienia na sygnał elektryczny, najbardziej typowo sygnał prądowy 4-20 mA. Sygnał ten może być przesłany do wskaźnika poziomu (miliamperomierza cyfrowego lub analogowego wyskalowanego dla danego zbiornika i pokazującego odczyt w jednostkach wysokości słupa cieczy w zbiorniku, a nawet w jednostkach objętości, np. w m3, jeśli mamy dostępną tabelę pokazującą zależność objętości od wysokości napełnienia), do rejestratora poziomu, albo do sterownika, w którym może być jednym z sygnałów wejściowych w procesie sterowania napełnianiem i opróżnianiem zbiornika, czy też bardziej złożonym procesem technologicznym.

Zalety

Jest to metoda nieinwazyjna; przetwornik jest umieszczony na zewnątrz zbiornika i nie ma potrzeby wprowadzania jakichkolwiek czujników do jego wnętrza. Jedynie czoło czujnika z osadzoną na nim membraną mają kontakt z cieczą. Typowo obie części wykonane są ze stali kwasoodpornej, dzięki czemu eliminuje się ryzyko skażenia i w większości wypadków reakcji chemicznych pomiędzy czujnikiem a cieczą w zbiorniku.
Pomiar poziomu przy użyciu przetworników ciśnienia jest dokładny, powtarzalny i wysoce niezawodny.
Pomiar poziomu przy pomocy przetworników ciśnienia hydrostatycznego jest stosunkowo prosty w implementacji i obsłudze. Kompaktowe przetworniki ciśnienia są łatwe w montażu i konserwacji. W przypadku potrzeby wymiany przetwornika, jeśli jest on zamontowany na króćcu z zaworem odcinającym, wystarczy zamknąć zawór, odkręcić przetwornik i zamontować nowy, następnie ponownie otworzyć zawór. Nie ma wówczas potrzeby opróżniania zbiornika.
Pomiar ciśnienia hydrostatycznego jest nieczuły na elementy konstrukcyjne wewnątrz zbiornika, mieszadła czy pianę na powierzchni, które niezwykle utrudniają pomiar radarowy czy ultradźwiękowy.
Nie ma potrzeby wyliczania stałej dielektrycznej potrzebnej przy sondach pojemnościowych, a także łatwo można skalibrować pomiar, wystarczy znać gęstość cieczy w zbiorniku. • Przetwornik ciśnienia nie posiada elementów ruchomych zanurzonych w cieczy, przez co jest najczęściej bardziej niezawodny od kontaktowych zanurzeniowych czujników poziomu, np. pływakowych.
Przetwornik ciśnienia jest zazwyczaj tańszy od czujników bezkontaktowych, takich jak czujniki ultradźwiękowe czy radarowe.
Sygnał elektryczny generowany przez przetwornik może być łatwo przekazywany do systemów monitorowania, rejestracji danych lub sterowania procesem.

Zbiorniki atmosferyczne i ciśnieniowe

W przypadku najczęściej stosowanych zbiorników atmosferycznych, otwartych czy też z odpowietrzeniem, w których ciśnienie nad powierzchnią cieczy równe jest ciśnieniu atmosferycznemu, do pomiaru poziomu wystarczy jeden przetwornik ciśnienia względnego (nadciśnienia względem ciśnienia atmosferycznego).

Z kolei przy zbiornikach ciśnieniowych, w których ciśnienie nad poziomem cieczy jest inne, najczęściej wyższe od ciśnienia atmosferycznego, należy wykorzystać dwa przetworniki ciśnienia, jeden zamontowany podobnie jak przy zbiornikach otwartych na króćcu przy podstawie zbiornika, mierzący ciśnienie słupa cieczy, a drugi na króćcu w górnej części zbiornika nad powierzchnią cieczy, który mierzy ciśnienie odniesienia, tj. ciśnienie gazu, którym może być powietrze lub jakiś gaz obojętny. Sygnały o wartości obydwu ciśnień podawane są wówczas typowo do sterownika, w którym następuje wyliczenie różnicy tych ciśnień, która jest proporcjonalna do samego ciężaru słupa cieczy, a zatem do poziomu cieczy w zbiorniku. W takim rozwiązaniu istotne jest oczywiście, aby obydwa przetworniki ciśnienia miały ten sam punkt odniesienia, tzn. aby obydwa były czujnikami ciśnienia względnego, albo bezwzględnego, nie wolno ich mieszać.

Zalecenia

Zaleca się montaż czujnika na króćcu umieszczonym na ścianie bocznej zbiornika, blisko jego dna, ale powyżej poziomu, do którego może zbierać się na dnie zbiornika osad.
Dobrze zastosować czujnik ciśnienia z płaską membraną osadzoną czołowo, przez co minimalizuje się możliwość zatkania dostępu do membrany.
Dobrą praktyką jest umieszczenie zaworu odcinającego króćcu przed przetwornikiem, który pozwoli w razie potrzeby na wymianę czujnika, bez konieczności opróżniania zbiornika. Należy dobrać taki zawór, który podczas zamykania nie wypiera cieczy, co mogłoby spowodować nadmierny nacisk na membranę czujnika i doprowadzić do jej uszkodzenia. Dobrym i prostym rozwiązaniem może być ręcznie sterowany zawór kulowy.
Należy dobrać zakres czujnika w taki sposób, aby zakres pomiarowy obejmował wartość ciśnienia przy maksymalnie napełnionym zbiorniku.

Application note 4_scheme.png