Traductoare pentru măsurarea nivelului Nivelul unui lichid sau nivelul de interfaţă dintre două lichide nemiscibile poate fi determinat prin urmărirea suprafeţei de separaţie dintre faze, prin măsurarea presiunii hidrostatice, exercitate de coloana de lichid sau prin metode indirecte. I.1. Traductoare bazate pe urmărirea nivelului. Acestea pot fi de tipul cu plutitor şi de tipul cu imersor. Cele cu plutitor pot măsura nivele până la 20m, pe când cele cu imersor pot măsura nivele până la 2-3m. Traductoare cu plutitor: Acestea măsoară nivelul prin intermediul unui plutitor care se deplasează odată cu suprafaţa de separaţie dintre faze (lichid-vapori/aer sau lichid-lichid) şi transmite în afara vasului poziţia sa prin diverse mijloace: articulaţii, pârghii, angrenaje ş.a. În figura 1.a este prezentat un traductor cu plutitor pentru o variaţie relativ mică a nivelului, iar în figura 1.b un traductor pentru măsurarea nivelului în rezervoare înalte. a b Fig. 1: Traductoare de nivel cu plutitor. Principala problemă a acestor traductoare o constituie transmiterea în afară a poziţiei plutitorului fără frecări, cu asigurarea etanşietăţii mediului din vas. În acest scop, se preferă transformarea deplăsării liniare a plutitorului în mişcare unghiulară, care poate fi transmisă în afară cu frecări minime. Traductoare cu imersor: Spre deosebire de plutitor, adâncimea de scufundare a imersorului este variabilă, iar poziţia sa este determinată de echilibrul dintre greutatea proprie, forţa arhimedică şi reacţiunea din elementul de suspensie. În cele mai multe cazuri, ca element de suspensie se foloseşte un braţ solidar cu un tub de torsiune, care serveşte şi ca element de transmitere în affara vasului a poziţiei imersorului, deci a nivelului, fără a fi nevoie de elemente de etanşare (figura 2). Unghiul de torsiune Δα al capătului interior al tubului de torsiune constituie o măsură a cuplului reactiv de torsiune şi, implicit, o măsură a nivelului din interior. 1
Fig. 2: Traductor de nivel cu imersor. Când nivelul se află sub cota h0, toată greutatea imersorului este echilibrată de reacţiunea din tubul de torsiune pe baza relaţiei: Cα M G =, r unde αm este unghiul maxim de torsiune, C este o constantă de rigiditate a tubului de torsiune, iar r este braţul cuplului. Când nivelul depăşeşte cota h0, imersorul se deplasează în sus pe inălţimea h1 şi, în acelaşi timp, se scufundă în lichid pe adâncimea h2, astfel încât greutatea să fie echilibrată de reacţiunea din tubul de torsiune şi de forţa arhimedică. În condiţii de echilibru static avem: C C h1 G ρsh2 = ( α M Δα ) = αm, r r r unde ρ este masa specifică a lichidului, iar S este secţiunea transversală a imersorului. Din ultimile două relaţii obţinem o relaţie între deplasarea h2 a imersorului şi adâncimea de scufundare a acestuia: h C 2 = h 2 ρsr Nivelul din vas este determinat de relaţia: h = h0 + h1 + h2 = h0 + h1 ( 1+ k) = h0 + r( 1+ k) Δα. I.2. Traductoare hidrostatice. O metoda veche si mult folosita pentru determinarea nivelului unui lichid foloseste masurarea presiunii hidrostatice exercitate de coloana de lichid asupra vasului. Relatia de baza este: P = d g H sau H = P/(d g) unde: P = presiunea g = acceleratia gravitationala H = inaltimea coloanei de lichid d = densitatea variaza cu temperatura. Principala sursă de erori a traductoarelor de acest fel o constituie variaţia densitatii lichidului cu temperatura. 1. 2
Pentru masurari de precizie ridicata se impune compensarea variatiei densitatii cu temperatura, ca in cazul jojelor hidrostatice (hydrostatic tank gauging, HTG). Instrumentele pentru masurarea presiunilor diferentiale (celulele DP), folosite initial la masurarea caderii de presiune pe un orificiu (diafragma) dintr-o conducta pentru monitorizarea debitului, se pot adapta usor pentru masurarea nivelului. Pentru rezervoarele deschise se conecteaza conducta de presiune mare la fundul vasului, iar cealalta catre atmosfera. Pentru rezervoarele presurizate conducta de presiune mare se conecteaza la fundul vasului, iar cea de presiune mica la partea de sus a vasului, astfel instrumentul raspunde doar la schimbarile de nivel ale lichidului. Figura 3. Joja hidrostatica, sau metoda presiunii diferentiale, determina nivelul lichidului din rezervor (hydrostatic tank gauging HTG). Pot crea probleme lichidele "murdare" si cheltuielile pentru instalarea conductelor de masura. Sistemele HTG furnizeaza informatii precise privind nivelul, masa, densitatea si volumul continutului din fiecare rezervor, permitand un inventar corect al transferurilor de lichid in depozite. Valorile masurate se pot transmite digital intr-o retea catre un computer centralizator. Sistemul simplificat din figura are doar un transmitator de presiune (PT) cu un transmitator de temperatura (TT) si un transmitator de nivel (LT) pentru detectarea acumularii de apa in partea de sus a rezervorului. Masa (greutatea) continutului se calculeaza din presiunea hidrostatica (masurata de PT) inmultita cu aria bazei rezervorului. Cu relatia temperatura-densitate a lichidului se calculeaza volumul si nivelul. Datele se trimit unui sistem computerizat pentru monitorizare continua si eventual facturare. Transmitatorul de nivel (LT), montat oblic in partea de sus a rezervorului, detecteaza acumularile de apa pe suprafata petrolului si permite corectarea precisa a nivelului de petrol. Sisteme mai noi utilizeaza un transmitator de presiune de forma unei tevi din otel inox (similar probelor termometrice). Joja se introduce pana la fundul rezervorului. Conexiunile electrice din partea superioara merg catre un sistem de afisare care transmite informatia spre centrul de monitorizare, inregistrare si control. I.3. Traductoare electrice. Aceste traductoare determină nivelul pe baza unui parametru de circuit care depinde de nivel. Trei variante de asemenea traductoare sunt: - cu traductor rezistiv, unde coloana de lichid scurtcircuitează o porţiune de rezistor dependentă de nivel; - cu traductor inductiv, unde nivelul de lichid modifică inductivitatea unei bobine; 3
- cu traductor capacitiv, unde nivelul modifică capacitatea condensatorului prin schimbarea naturii dielectricului. Metoda foloseste modificarea capacitati electrice pentru masurarea nivelului dintr-un vas. Este utila pentru lichide, paste sau granule izolante electric. Frecventele folosite sunt de la 30kHz la 1MHz. Doi conductori plani separati de distanta "d" au capacitatea electrica: C = ε 0 ε r A/d unde: ε 0 = permitivitatea absoluta a vidului ε r = permitivitatea relativa a materialului izolator (lichidul) A = aria suprafetei comune a conductorilor Figura 4.Principiul de functionare pentru metoda capacitatii. Electrodul sesizor este o bara inserata in rezervor, iar peretele metalic al rezervorului este celalalt electrod. Pentru rezervoarele nemetalice trebuie introdus si al doilea electrod in rezervor. Cu vasul gol dielectricul este aerul si avem o valoare minima a capacitatii. Cand in vas este o anumita cantitate din materialul izolator monitorizat se modifica constanta dielectrica dintre electrozi pe portiunea acoperita de material. Capacitatea creste liniar cu cresterea nivelului din vas. Pentru materiale conductoare se foloseste un electrod central acoperit cu un strat izolator (Teflon sau Kynar). Celalalt electrod este chiar lichidul conductor conectat electric la vasul metalic. Mediul dielectric este stratul izolator. Modificarea nivelului lichidului schimba aria dintre electrozi. Capacitatea este proportionala cu nivelul. Masuratoarea nu este afectata de schimbarile de temperatura sau de compozitia materialului procesat. Substanta Alcool izopropilic Benzina Kynar Ulei mineral Apa pura Nisip Zahar Teflon ε r 18.3 1.8 8.0 2.1 80.0 4.0 3.0 2.0 Figura 5. Electrodul sesizor din metoda capacitiva pentru masurarea nivelului lichidului este conectat la un transmitator din exteriorul vasului. 4
Depunerile de pe electrozi ce apar in anumite cazuri afecteaza precizia masurarii de nivel. Un circuit capabil sa determine componenta rezistiva si capacitiva a impedantei poate deosebi semnalul capacitiv util datorat schimbarii de nivel de cel parazit al depunerilor de pe electrodul de sesizare. Impedanta este: Z = R + 1/(j 2 f C) (2) unde: R = rezistenta in ohmi j = ( 1)1/2 = 3,1416 f = frecventa de masurare C = capacitatea I.4. Traductoare ultrasonice si sonice Se emite un impuls acustic scurt catre suprafata lichidului si timpul dupa care revine sunetul (ecoul) determina nivelul materialului din rezervor. Mai precis, distanta D dintre sursa acustica si suprafata lichidului din rezervor determina timpul: τ= D/v = Distanta / viteza sunet Domeniul frecventelor utilizate este ultrasonic ~20 200kHz sau audibil ~10kHz. Figura 6. In metoda sonica de masurare a nivelului un traductor montat in partea de sus a rezervorului trimite impulsuri sonore in jos spre materialul din rezervor pentru a-i determina nivelul. Materialele piezoelectrice se folosesc pentru conversia semnalelor electrice in unde sonore si pentru sesizarea undelor acustice. In aplicatii trebuie stiut ca: Viteza sunetului in aer variaza cu temperatura. Un senzor de temperatura va trebui sa compenseze aceasta variatie ce influenteaza distanta calculata si masuratoarea de nivel. Spuma de la suprafata materialului actioneaza ca absorbant de sunet. In anumite cazuri acest fenomen exclude folosirea ultrasunetului. Turbulenta mare a lichidului poate cauza fluctuatii ale indicatiilor instrumentului. Medierea semnalului ajuta la diminuarea acestei probleme ca si utilizarea unui ghid de unda. 5
I.5. Traductoare cu microunde Metoda foloseste de obicei microunde din banda X (10 GHz). Din partea de sus a rezervorului se trimite un fascicul de microunde spre suprafata continutului din rezervor. Fasciculul reflectat este receptionat dupa un anumit timp. Acest timp este utilizat pentru determinarea nivelului. 1. In metoda undei continue modulate in frecventa (frequency-modulated continuous wave FMCW) se transmite un semnal la care frecventa variaza liniar in timp pe o banda de frecvente data. Din cauza intarzierii fasciculul receptionat va avea alta frecventa decat cel ce se transmite. Prin heterodinarea (amestecul) celor doua semnale se obtine un nou semnal cu frecventa proportionala cu distanta. Noua frecventa este o masura foarte precisa a nivelului din rezervor. Frecventa variaza de la 0 la ~200 Hz cand distanta variaza de la 0 la 60 m. Metoda are o mare imunitate la zgomote. 2. Metoda in impuls masoara timpul de tranzit al impulsului de microunde pentru a calcula nivelul lichidului. Fiind de putere mai mica decat FMCW, performanta tehnologiei este influentata de obstructiile dimensionale din rezervor, spuma si de constanta dielectrica mica a materialului vizat (ε r <2). Antenele folosite pot fi parabolice, "farfurie" sau conice. Cele conice creaza un fascicul mai ingust. Alegerea antenei este dictata de existenta gatuirilor (sicane) in rezervor, a spumei sau turbulentelor in fluidul vizat. Figura 7. Metoda radar (cu microunde) de masurare a nivelului poate utiliza oricare din cele doua tipuri de antene plasate in partea de sus a vasului monitorizat. 3. Metoda ghidului de unda (guided-wave radar GWR) este invaziva si utilizeaza o bara sau un cablu pentru ghidarea microundelor. Baza teoretica a metodei GWR o constituie reflectometria in domeniul timp (time-domain reflectometry TDR), care a fost utilizata de ani de zile pentru localizarea rupturilor in cablurile subterane lungi sau in peretii cladirilor. Un generator TDR genereaza 200 000 pulsuri de microunde pe secunda ce se vor propaga in sus si in jos prin ghidul de unda. Constanta dielectrica a fluidului masurat schimba impedanta ghidului si reflecta unda. Timpul de tranzit al pulsurilor este o masura a nivelului. 6
Propagarea eficienta a microundelor in ghidul de unda minimizeaza degradarea semnalului. Se pot astfel masura materiale cu constanta dielectrica mica (ε r <1,7) fara influente din partea turbulentelor din lichid, spumei, depunerilor sau obstructiilor mecanice din rezervor. Fiind o metoda invaziva, joja poate fi afectata de coroziune din partea lichiului vizat sau de lovire din partea agitatoarelor mecanice. 7