Niveaumåling - Endress+Hauser

Niveaumåling
Principper til måling og overvågning af væske- og faststof niveau
Et kompendiemateriale udarbejdet af Morten B. Jensen, Endress+Hauser A/S

The Product Center for
level and pressure
Continuous level measurement of bulk solids and liquids, safe
level limit detection and pressure measurement in tanks and pipes
constitute central tasks of process engineering.
At Endress+Hauser Maulburg in Germany and the affiliated
production sites in Kassel, Berlin, Greenwood (USA) and
Shanghai (China), everything revolves around level and pressure
instrumentation. A staff of almost 1,500 produce more than
450,000 instruments for level measurement and level limit
detection, pressure and differential pressure measurement on 20
productions lines every year.
Level and pressure instrumentation
Level limits and levels in liquids and bulk solids using eight
measurement principles with 11 different product families.
Pressure, absolute pressure and differential pressure by ceramiccapacitive
or piezo-resistive sensors.
Real solutions
Wherever material is transported and stored, high-performance and
precise inventory management is the key to smooth production.
Endress+Hauser drives ahead the development of sophisticated
inventory control systems which assume part of real-time logistic
process control.
2
Endress+Hauser has undergone
extensive expansion since its
foundation more than 50 years ago.
Milestones in level measurement
1953 Foundation of the company with capacitive probes
for level measurement
1962 First radiometric measuring line
1968 Soliphant – first vibration limit switch for bulk solids
1969 First sonic sensor for continuous level measurement
1983 Liquiphant – first vibration limit switch for liquids
1993 Micropilot – first level radar for non-contact
measurement
1998 Levelflex – first guided level radar for the present
world market leader
2002 Fieldgate – worldwide remote inquiry, diagnosis and
configuration of sensors
2004 Guided level radar for 400 °C and 400 bar

price
T Top
quality
for simple applications
Level measurement –
still leading the way
M Multi-talented
for diverse applications
Constant product quality, plant safety,
economic efficiency – these are important
aspects for any level measuring point.
Levels in liquids, pastes, bulk solids or
liquefied gases are often measured in tanks,
silos or movable containers. Applications
range from -200 °C to +400 °C and from
-1 bar to +500 bar. Examples come from
all industry sectors from the chemical,
petrochemical and energy industries to the
pharmaceutical, food and environmental
industries.
S Special
technology
to meet the highest demands
efficiency
The broad range of measuring principles
available means that finding the ideal
solution is easy. No principle is suited to
all areas of application. Measuring systems
have thus to be selected which work
reliably under the conditions of a particular
application and, at the same time, meet the
economic considerations of the future.
As the market leader in level measurement,
Endress+Hauser supports you from
planning and commissioning through to the
maintenance of your measuring point. In
addition, we assist you in automation, asset
management and visualizing of process data.
Endress+Hauser’s level instumentation has
a strong presence in all areas of process
automation.
Segmentation
̦You only pay what you really need.ˇ
We take this statement seriously at
Endress+Hauser and offer our instruments
in three different segments.
S-M-T segment
The classification in these 3 segments
allows you to select an instrument tailormade
to your requirements. Our products
always stand for high quality and reliability
irrespective of the segment you choose.
The instruments of the S and M segments
have a modular design and offer a variety of:
• Process connections
• Sensor materials
• Housings
• Electronic interfaces
• Certificates and approvals
• Special designs
3

Der findes næppe en fysisk effekt, der ikke anvendes som niveaumålingsprincip. Derfor er antallet af måleprincipper temmeligt stort og for
brugeren er det ikke let at finde den mest gunstige metode til den aktuelle måleopgave.
Kriterier for udvælgelse
At opstille kriterier for et endelig valg af niveaumålere til konkrete opgaver kan være vanskeligt, da man skal tage forbehold for en lang
række procestekniske parametre - disse kan være:
- Mediet der skal måles på
- Tanken eller beholderens udformning
- Procestemperatur
- Procestryk
- Mediets viskositet
- Skumdannelse
Udover disse parametre, der er relateret til produktet, skal der også kigges nærmere på omgivelserne, det være sig:
- Indbygningsforhold
- Krav til nøjagtighed / godkendelser
- Krav til vedligehold
- Udgangssignaler
- Ønsket prisniveau
I dette kompendiemateriale vil vi derfor forsøge at beskrive funktionen af de mest udbredte principper, Formålet er, med lidt
baggrundsviden om de grundlæggende principper, at gøre det lettere at vælge netop det princip, den måler, som skal anvendes næste gang.

I mere end 50 år har Endress+Hauser været
blandt verdens førende producenter af
udstyr til niveaumåling og -overvågning og
de fleste indenfor instrumentbranchen vil
således nikke genkendende til navne som
Silometer, Nivotester, Liquiphant og
Prosonic.
Vibrations switche fra Endress+Hauser har
igennem de sidste 50 år haft en førende
position på verdensmarkedet for
niveauswitche. Mere end 1.000.000
målepunkter world-wide indenfor denne
kategori, bekræfter vores kompetence og
erfaring indenfor anvendelse og udvikling af
denne type målepunkter.
LIQUIPHANT M og LIQUIPHANT T er
typer der benyttes til væsker - også i
produktionsområder hvor der stilles krav til
hygiejnen.
SOLIPHANT M og SOLIPHANT T er
den nyeste generation af niveauswitche til
faste stoffer baseret på vibrationsprincippet -
bl.a med en “single rod” udgave.
Til kontinuerlig måling ser man større og
større udbredelse af Endress+Hauser´s ToF
familie til berøringløs niveaumåling (i daglig
tale ToF = Time of Flight), og med vore 3
produktfamilier dækker vi næsten hele
spektret:
PROSONIC navnet dækker over en serie
af ultralydsmålere til måleområder fra 2m
op til 70m - med nøjagtigheder ned til +/-
2mm.
MICROPILOT er vore radarmålere der er
baseret på elektromagnetiske bølger, og
derfor bedre egnet til opgaver med støv og
varierende tryk/temperaturforhold. En
særlig Custody transfer udgave kan leveres
med nøjagtigheder nedre end +/-1 mm.
LEVELFLEX er en guided radar, hvor
målesignalet “styres” langs en wire.
Niveau
Systemet kan leveres forudindstillet og lige
til at sætte op.
Alle ToF instrumenter kan betjenes på
stedet via en menu i klar tekst på et 4liniers
display. Menuen styrer brugeren trin
for trin gennem den komplette
grundopsætning under opstart, ligesom
displayet også kan benyttes til at evaluere
refleksionsmønstret i tanken for optimal
indstilling.
Endelig understøtter alle ToF instrumeter
digitale standardprotokoller som HART,
Profibus PA og FOUNDATION Fieldbus de
kan derfor let integreres i eksisterende
kontrol- og styresystemer.

Terminologi og simple måleprincipper
Som i andre fag har måle- og reguleringsteknik også sit eget
fagsprog. Desværre er dette fagsprog ikke entydigt og indøvet, f.eks.
blandt studerende, i modsætning til f.eks. fagsprog indenfor byggeri,
i bankvæsen eller luftfart.
Grunden hertil er først og fremmest at begrebet måle- og
reguleringsteknik omfatter alt for meget, idet det strækker sig over
områder fra de simpleste flydere til procescomputere, hvortil
kommer at sproget er stærkt brancheafhængigt.
Enhver der har besøgt en fagmesse f.eks. Interkama i Düsseldorf,
eller de danske automatikmesser, er sikkert blevet forbavset over
hvor stort og udbredt fagområdet måle- og reguleringsteknik er.
Som det fremgår er mange begreber opstået i England og Amerika,
og det har ikke været muligt at finde en passende oversættelse til
disse ord, der i stedet er blevet mere eller mindre integreret i vort
"fagsprog". Indenfor måle- og reguleringsteknik er kendskab til
engelsk og tysk, egentlig uundværligt idet mange leverandører
leverer dokumentation eller driftsvejledninger på et af disse sprog. I
internationale sammenhænge er det i øvrigt almindeligt på
ingeniørkontorer eller blandt de såkaldte contractors, at anvende
engelsk. Derfor vil det engelske udtryk blive anbragt i parentes hvor
det anses for nødvendigt.
Måle- og reguleringsteknik er: "Aftastning, behandling og
korrigering af procesdata v.h.a. instrumenter"
Det almindeligt brugte udtryk niveaumåling kan specificeres
nærmere i:
1 Signalering, indikering eller alarmgivning (Alarm)
2 Regulering (Control)
3 Måling (Indication)
1. Signalering.
Signalering eller alarmgivning kan bedst omskrives til
grænseindikering, d.v.s. angivelse af at en forudindstillet
processtørrelse (f.eks. niveau eller tryk) er over- eller underskredet
Udgangen (bearbejdningen) af en niveausignalering eller som det
også kaldes, en niveauafbryder (niveauswitch) er som regel en relæ-
eller transistorudgang. En signalering kan derfor kun have to
tilstande (on/off alarm).
2 Regulering.
Regulering er det mest komplicerede og mest misbrugte udtryk af
de tre. I sin simpleste form er regulering en signalering med en stor
kontakthysterese. F.eks. kan en proces startes af en bestemt
måleværdi og som følge af kontakthysteresen, eller en anden
måleværdi, stoppes igen
Bortset fra instrumenter, specielt egnet hertil, med en indstillelig
kontakthysterese, er ovennævnte regulering upålidelig, da ind- og
udkoblings punkterne ofte ligger tæt ved hinanden, hvorved der
opstår en meget urolig regulering.
En regulering kan også bestå af en (niveau) kontakt med to sonder
(f.eks. ved konduktiv switch), hvorved der skabes en topunkts
regulering ved hjælp af en skiftekontakt med en kontaktdifferens,
der bestemmes af afstanden imellem de to sonder.
Reguleringsområdet (span) ligger derfor fast og kan udelukkende
ændres ved afkortning eller flytning af de to målesonder
De fleste reguleringer foregår imidlertid i forbindelse med en
kontinuerlig måling (se 1.5). Ved kontinuerlig måling forstås en
måling over et (niveau) område, der medfører et udgangssignal på
f.eks. 0V, 0-20 eller 4-20 mA, som ved hjælp af følgeapparatur
bevirker en regulering. Disse regulatorer har således altid en analog
indgang og kan tilpasses efter måling og udgangssignal.
3 Måling.
Måling er en eksakt angivelse af den momentane værdi af en
processtørrelse.

I sagens natur kan der udelukkende måles indenfor det pågældende
instruments måleområde (range). Med undtagelse af direkte
aflæselige systemer (for det meste mekanisk virkende), har alle
målesystemer en analog udgang på f.eks. 4-20 mA
Udgangssignalet på 4-20 mA er opstået i den pneumatiske
reguleringsverden, hvor der opereres med udgange på 3 - 15 psi
(20-100kPa). Ved måleværdi 0 har udgangssignalet således allerede
en bestemt værdi. Det levende nulpunkt (live zero) har den fordel
at man helt entydigt kan kontrollere om installationen fungerer
ordentligt.
Måleinstrumenter har en bestemt rækkevidde (range) indenfor
hvilket der kan måles. Ved rækkevidde skal her forstås
måleinstrumentets maksimale spændvidde. Det aktuelle
måleområde (span) med fuldt udgangssignal 0/4-20 mA kan via en
variabel forstærkningsregulering være meget mindre og ofte
forskudt inden for det totale måleområde. Udover en strømudgang,
der kan tilsluttes viserinstrument, skrivere, printere eller
regulatorer, har en del Endress + Hauser instrumenter en
spændingsudgang på 0-10 V. Denne udgang kan blandt andet
bruges til styring af en eller flere kontaktgivere.
Af de mange metoder har vi valgt at fokusere på de principper som i
dag har vundet størst indpas i industrien, men som indledning vi
dog kort nævne en række mere “simple” metoder, som man kan
støde på i forbindelse med niveaumåling.
Simple måleprincipper
Pejlestokmetode
Dette er en temmelig enkel manuel målemetode, der kan anvendes
til såvel væsker som faste stoffer. Til høje siloer anvendes også
målebånd. Den mest kendte anvendelse af pejlestokmetoden er
måling af oliestanden i biler.
Fordel: Enkel og meget billig.
Ulempe: Ikke anvendelig til industrielle processer, forudsætter
materiale kan klæbe til staven og kan f.eks. ikke anvendes i
beholdere under tryk.
Skueglasmetoden
Ved at forsyne en del af tanken, eller karret med et gennemsigtigt
materiale, kan der ved rimeligt rene væsker opnås en optisk
niveauindikering. Ved at anvende et skueglas anbragt i et parallelrør
(bypass) kan skueglasset ved hjælp af afspærringshaner afmonteres
og rengøres. Eksempler på skueglas finder man i garagers
smøreolietanke og på tankvogne til kloakrensning.
Fordel: Enkel og relativt billig.
Ulempe: Næppe anvendelig til industrielle processer og ikke
aflæseligt på afstand.
Flydere
Den mest simple flyder niveaumåling kunne bestå af et flod, et
kabel, to trisser og et lod anbragt på ydersiden af en (åben) tank. På
tanken kan anbringes en skala, således at niveauet ved hjælp af
loddets position kan aflæses. En sådan opstilling er naturligvis ikke
industriel anvendelig.

Det nutidige industrielle flyder måleudstyr er på grund af krav til
indbygning (i tætte beholdere), aflæsning og nøjagtighed udført i
stål og med elektronisk teknik, og regnes til de mest nøjagtige
niveaumålesystemer til f.eks. meget store lagertanke.
Fordel: Relativ enkel, egnet til vekslende produkter og meget
nøjagtig.
Ulempe: Kræver temmelig meget mekanisk tilpasning (gælder kun
for kontinuerlig måling).
Som switch er flydesystemet dog meget udbredt, specielt indenfor
vandbehandling. Til disse opgaver er der som regel indstøbt en
“kviksølvkontakt” i selve floddet, der skifter tilstand når floddet
ikke længere ligger vandret (på overfladen)
Fortrængningsmetode
Fortrængningsmetoden beror på forskellen i vægt mellem et
fortrængningslegeme og den opadrettede kraft fra mediet på dette
legeme. Den opadrettede kraft er afhængig af fortrængerens
volumen, mediets massefylde og niveauhøjden. Ved konstant
volumen og massefylde, er den opadrettede kraft udelukkende
afhængig af niveauhøjden. Det er klart at fortrængeren må være
tungere end det fortrængte medie. Forskelskraften bliver ofte
overført via et torsions-rørsystem for at skille processen fra
atmosfæren.
Som måleomformer til et fortrængningsmålesystem anvendes en
elektrisk bevægelsesmåler eller kraftmåler med en 4-20 mA
udgang. Fortrængere bliver ofte monteret i et parallelrør (bypass)
hvilket har den fordel at justering og kontrol kan foregå uafhængigt
af processen.
Yderligere er niveauet heri noget roligere, således at målingen ikke
er alt for "nervøs". Anvendes en fortrænger alligevel direkte i
proceskaret, anbefales det at benytte et dykrør eller et andet
styresystem. Med en fortrængningsmetode kan også detekteres
skillefladen mellem to produkter med forskellig massefylde.
Forudsætningen her er naturligvis at den absolutte niveauhøjde ikke
forandres.
Fordel: Nøjagtig.
Ulempe: Afhængig af massefylde, og kræver temmelig meget
mekanisk tilpasning.
Vejemetode
At medtage vejning under “simple” målemetoder er nok en fejl.
Princippet nævnes dog i dette afsnit, da vi ikke vil gøre i detaljer
med dimensionering og udvælgelse af vejesystemer, som er en
“videnskab” i sig selv.
Vejning er en indirekte niveaumålemetode som kan anvendes til
såvel væsker som faste stoffer, idet hele tanken eller siloen
monteres på såkaldte vejeceller.
Vejeceller er for det meste baseret på det såkaldte Strain gauge
princip. En strain gauge fungerer på den måde at en leder
deformeres, hvorved modstanden i lederen ændres og giver
anledning til en ændring i strømsignal.
Fordel: Kan være temmelig nøjagtig som niveaumåling i produkter
med konstant massefylde, idet der måles indhold i stedet for niveau.
Ulempe: Kan kræve mekanisk tilpasning og vil som
niveaumålemetode være relativt kostbar.
For mere detaljerede oplysninger henvises til special litteratur om
dette emne..

Rotationsswitche
Roterende switche er Ved denne type niveaukontakt bliver en
paddel via et gear drejet rundt af en elektromotor. Når padlen
dækkes af produktet bremses bevægelsen og dette resulterer i et
kontaktsignal.
Hos Endress+Hauser heder vor rotationsswitch Soliswitch FTE 30,
det er en universel rotationsvagt, der kan anvendes til overvågning
af pulver og granulat indholdet af tanke og siloer indenfor alle
industrigrene.
I forbindelse med indførelsen af ATEX direktivet for
eksplosionsfarlige områder, er en ny EX-kategori, indenfor pulver
granulat håndtering, blevet implementeret. Det betyder også at de
instrumenter, som skal anvendes til opgaver indenfor dette område,
skal være godkendt og mærket ATEX D zone 20.
FTE 30 kan anvendes til alle pulvere, med en vægtfylde >100g/l,
samt en kornstørrelse på op til 50mm. Produktfamilien omfatter
flere varianter, der giver mulighed for at finde det optimale pris/
ydelsesforhold indenfor enhver branche, således kan vi til
fødevareindustrien tilbyde en udførelse med alle medieberørte dele
i rustfri stål, mens der til f.eks. sten og grus foretrækkes en
udførelse med forstærket aksel.
Af særlige egenskaber kan nævnes:
• Kræver ingen kalibrering.
• Kræver ingen vedligehold.
• Har indbygget glidekobling, der sikrer mod overbelastning.
• Flere forskellige udførelser sikrer optimal tilpasning til opgaven.
• Godkendt til anvendelse i klassificeret område i.h.t. ATEX.
Pejlingsmetode
Via et motordrevet bånd bliver et følerlod sænket ned i siloen. I det
loddet når produktet, slækkes målebåndet, hvorved motorens
omløbsretning vendes og loddet hejses atter op i hvileposition. Den
anvendte båndlængde måles via et tællehjul og en induktiv aftaster
i impulser, f.eks. 1 impuls pr. decimeter eller en impuls pr.
centimeter. Antallet af impulser (kun talt ved nedkørsel) kan føres
til en impulstæller og trækkes fra den totale silohøjde. Forskellen er
niveauhøjden i centimeter (eller din). Pulserne kan også føres til en
digital/analog omformer, således at der opnås et udgangssignal på
4-20 mA.
Fordel: Velegnet til meget høje siloer (op til 70 meter), rimelig
nøjagtig og anvendelig ved vekslende produkter.
Ulempe: Måler diskontinuert og kræver vedligeholdelse.
Loddets udformning kan
tilpasses den aktuelle opgave

Vibrations principper
Grundprincipperne for detektion af niveau med en vibrerende gaffel
blev allerede patenteret i 1966 af Endress+Hauser. Efter det første
produkt, en niveausensor til faste stoffer, var blevet udviklet, fulgte
meget snart en niveau sensor til væsker kaldet Liquiphant.
Liquiphant tilhører grænseværdi omskiftere som funktionsmæssigt
baseres på aftastning af frekvens ændring på en stemmegaffel med
bevægelig masse. Den bevægelige masse repræsenteres af sensoren
(af Liquiphant typen) mens væsken er det medium i hvilke
stemmegaflens faner oscillerer. Den ændring som fremkommer i
gaflens resonansfrekvens sammenlignes med frekvensen ved fri
oscillation, dvs. i luft. Denne afhænger af det kontakt areal stemme
gaflen har med mediet, ligesom mediets densitet og viskositet har
indflydelse på frekvensændringen. Vibrationsfrekvensen afhænger
kun i ringe grad af proces temperatur og proces tryk. En væske
med en densitet >0,5 g/cm³ i et temperaturområde mellem -40 og
+150°C, og et driftstryk på op til 40 bar kan detekteres uden
problemer.
De vibrerende sensorer arbejder med et piezo drev som, på den ene
side, stimulerer vibrationer i stemmegaflen og samtidig
kompenserer for tabene i energi af disse vibrationer. På den anden
side, kontrolleres fanernes frekvens og forsyner systemet med
tilbagemelding for den fundamentale frekvens analyse.
Vibrerende sensorer kan enten arbejde med et stakket eller et
"bimorph" drev - sidstnævnte er resultatet af den nyeste
fremstillingsteknik og er, grundet de små dimensioner, specielt
velegnet til kompakte løsninger.
Kvalitet indbygget i konstruktionen
Under udviklingen af den nye Liquiphant M stilledes meget høje
krav til såvel konstruktion og produktion af sensorer og gafler. Den
optimale løsning blev viste sig at være en kombination af materiale
valg, muligheder for masseproduktion og reducerede omkostninger.
Selve gaflen blev formgivet for støbning og konstrueret til denne
proces fra begyndelsen, hvilket igen betyder små variationer i
vægtykkelsen og ingen exotermiske kanter.
De 2 vigtigste punkter angår materialevalget. Ønsket var, at en ny
niveauswitch skulle kunne anvendes, hvis det var muligt, i alle
væsker - også under ekstreme betingelser. Undersøgelser for at
finde et passende materiale foregik i tæt samarbejde med det
ansvarlige støberi. Afhængig af aggressiviteten af mediet valgte man
to legeringer:
Det relativt korrosions bestandige materiale G-X5 CrNiMoNB 18
10 (bedre kendt som materiale nr.1.4581/"rustfri stål") anvendes til
standard opgaver, mens den meget bestandige legering NiMo 16 Cr
16 Ti (bedre kendt som materiale nr.2.4610/ "Hastelloy C").
Sidstnævnte er især resistent overfor interkrystallinsk korrosion,
stress revner og "spot" korrosion.
Begge materialer tilbyder relativt gode mekaniske egenskaber,
ligesom materialerne i sig selv er meget lette at svejse på.
Ved at lade gaflen overvåge elektronisk, er det muligt at bestemme
forekomsten af korrosion under drift. Dette er gjort ved at indføre et
"resonans vindue", hvori gaflens resonans frekvens skal ligge.
Overskrides en af grænseværdierne er det tegn på gaflens masse har
ændret sig, og dermed en angivelse af korrosion.
For at lette verifikation, test og optimering under udviklingsfasen,
har Endress+Hauser opbygget en uafhængig afdeling, der anvender
computer-simulationer som f.eks. det Finite Elements metode, til at

Eksempler på korrosion og skader på gaflen – tallene angiver hvor
stort vægttab der kan accepteres før man får alarm
simulere materialets stabilitet og produktets opførsel. Det Finite
Elements metode simulerer den mekaniske struktur i gaflen ved at
opdele den i mindre elementer og analysere deformation,
forlængelse, spænding og oscillation under stress betingelser.
Bortset fra kortlægningen af de teoretiske sammenhænge omkring
sensoren, blev selve piezo teknikken også undersøgt under
laboratorie betingelser, hvilket resulterede i "bimorph" teknikken
som bl.a. viste sig upåvirkelig af udefra kommende støj.
Fornyelse i den nye Liquiphant
Den nye Liquiphant generation, er baseret på relevante
proceserfaringer fra mere end 20 år i vibrations måling - men
alligevel tilbyder den en række fornyelser/nytænkninger.
• Den lille faner med en længde på bare 40 mm kan installeres i
rør med en diameter på bare DN 25 eller større.
• Den nye Liquiphant switch er udrustet med den nyeste piezo
teknik (bimorph).
• Designet tillader en lang række forskellige procestilslutninger
fra 3/4 tomme parallel eller konisk gevind over forskruning,
DIN flange (>DN 25), til hygiejniske og aseptiske tilslutninger
som mejerikobling eller TriClamp.
• Polerede overflader og mulighed for rørforlængelse gør at
switchpunktet altid kan tilpasses det ønskede montagested.
• Nye indkapslinger og certifikater der er tilpasset forskellige
brancher.
I kombination med en helt ny modulstruktur i udvalget af
elektronikindsatse, med udgangs signaler varierende fra
relæudgange, optokoblere over NAMUR og transmittere (4-20mA)
til feltbus systemer, kan vibrations omskifteren nu sammensættes så
den matcher den aktuelle opgave.
En ren løsning:
Til opgaver i hygiejniske områder, stilles der særlige krav til
måleinstrumenter. Store temperatur variationer/gradienter,
rengøringsprocedurer som CIP/SIP slider på sensorer og
måleudstyr.
Den nye Liquiphant er tilpasset disse krav, med mulighed for
polerede sensorer - overfladeruhed

Vibrations principper - til faste stoffer
Soliphant er navnet på Endress+Hauser’s niveauswitche til faste
stoffer baseret på vibrationsprincippet. Grundlæggende er princippet
idenstisk med væskeswitchen (Liquiphant), men gaflernes
udformning er en smule anderledes, ligesom arbejdsfrekvensen også
er en anden (ca.10 gange lavere end for væske)
I den nye Soliphant M introduceres en kort gaffel konstruktion
(L=145mm - for væsker er gaflen bare 40mm!) som gør, at
switchen nu også kan anvendes til opgaver i små tanke.
En forlænget udgave muliggør måling op til 20m.
Følsomhed og tidsforsinkelse i alarmen kan stilles i
elektronikenheden og en indbygge frekvens og amplitude analyse
hjælper til med optimering af målepunktet - således at switchen kan
tilpasses både lette og tunge materialer.
Således kan man i dag benytte princippet til alle finkornede eller
pulveriserede medier, dog skal minimums densiteten være 10g/l (I
udførelsen med den korte gaffel dog min. 50g/l).
Udover at løse alle de “kendte” opgaver som niveauswitch i tanke
og siloer, giver konstruktionen nogle spændende muligheder, bl.a
Pålidelig detektion af faste stoffer under vand – Soliphant M kan
indstilles så den ikke giver alarm når gaflen berøres af væsken, men
først når sand-/slamlaget når sensoren, en opgave som f.eks. kendes
fra alle rensningsanlæg og i dag typisk løses med “lysmålinger”.
Udvidet temperaturområde sikrer pålidelig detektion af tank
niveauer indeholdende produkter på op til 150 o C.
Den stavformede føler
I enkelte tilfælde har man set store partikler sætte sig fast mellem
gafleren i den traditionelle vibrationsswitch, og der opstod et behov
for udvikling af en stavformet føler til opgaven, Det er blevet noget
af en “trend” og dagens marked er næsten oversvømmet af
stavformede vibrationsfølere af mere eller mindre god kvalitet.
En stavformet føler skal konstrueres korrekt for at anlægsvibrationer
ikke skal forstyrre detektionen. Hemmeligheden ligger således i
konstruktionen af piezoelementet, der driver selve
vibrationssensoren – det består af to skiver, som er monteret så de
“frakobler” proces tilslutningen fra den oscillerende bevægelse,
hvorved der opnåes en sensor der er ufølsom overfor
anlægsvibrationer og derfor sikrer et pålideligt signal.
Konstruktionen giver samtidig mulighed for at holde selve drevet
væk fra processen, hvilket igen resulterer i mindre følsomhed
overfor store belastninger fra produktet (typisk masse/tryk og
temperatur).
En stavformet niveauswitch til faste pulver og granulater kan i dag
anvendes til produkter med en kornstørrelse på op til 25 mm
(densiteter >200g/l) – i måleområder er mellem 225 mm og 1500
mm – sidstnævnte i den såkaldte rørforlængede udgave.
Maksimale proces temperaturer er op til 150 °C.
Med den forbedrede teknologi og det udvidede produktprogram er
den nye Soliphant familie en yderst kompetent afløser for
forgængeren, Soliphant II linien, og den kan selvfølgelig også
benyttes som 1 til 1 erstatning af denne linie, i forbindelse med
udskiftning i eksisterende anlæg.

Konduktive målinger
Konduktiv måling anvendes udelukkende tilniveaudetektering i
ledende væsker, idet princippet detekterer en ændring i
modstanden mellem 2 ledere.
Når produktet ikk er i kontakt med væsken er modstanden mellem
de to ledere meget høj (uendelig stor). Såsnart mediet berører begge
ledere vil der kunne løbe en elektrisk strøm og modstanden falder
drastisk - dette kan detekteres elektronisk.
Målekredsen kan opbygges på 2 måder:
Tankvæggen benyttes som den ene leder, mens den anden leder
indsættes som en sonde der hvor niveauet ønskes detekteret.
I et sådan system stilles krav det materiale som tanken er fremstillet
af, som selvfølgelig skal være elektrisk ledene.
Der benyttes 2 eller flere prober, hvoraf den ene - jord elektroden -
er den der måles i forhold til. De andre elektroder kan derfter
tilpasse i den aktuelle længe, dog må de ikke være længere end
jordelektroden.
Selve overvågningen foretages ved at man påtrykker en vekselstrøm
på elektroderne, og man lader så modstanden mellem lederne indgå
i en Wheatstone bro. Broen indstilles så den er i balance ved at
justre modstanden R4.
Typiske konduktive switche har indstillingsområder, 0-1kOhm, 0-
10kOhm eller 0-200kOhm.
R2
+
V
R1
R3 R4
-
dV = dR1+ dR2+ dR3+ dR4
V 4R
Der anvendes veksel strøm i målekredsen for at undgå oxidation
omkring elektroderne grundet den elektrolyse proces som vil
forekomme når en elektronerne skal vandre.
Fordel: Enkel, billig og velegnet til topunkts regulering.
Ulempe: Sonden bør ikke snavses til med fedt eller belægning og er
begrænset anvendelig ved produkter med vekslende ledningsevne.

Kapacitiv niveaumåling
Niveaumåling med kapacitive sensorer er et af de ældste
måleprincipper i moderne måleteknik og til mange opgaver er det
stadig det princip, der findes bedst egnet. Pris/ydelsesforholdet er
fordelagtigt og kapacitive sensorer kan udformes til næsten enhver
form for opgave. Men netop udformningen – eller rettere forkert
udformning - er samtidig den hyppigste årsag til problemer med
anvendelsen.
Hovedparten af de opståede problemer med anvendelse af
kapacitive følere skyldes en af tre ting:
• Indbygning
• Overflade
• Afstand
Kondensatoren
Det kapacitive princip bygger på de elektriske egenskaber ved en
kondensator. En kondensator er en elektrisk komponent, der er i
stand til at opbygge og holde en elektrisk ladning. Kondensatoren
består af to plader med en fast indbyrdes afstand. Når en plade
påtrykkes en spænding, vil den modsatte plade oplades med modsat
polaritet og holde ladningen indtil den bliver afledt. Hvor stor en
ladning (kapacitet), der kan dannes, afhænger af kondensatorens
overflade (areal), hvor stor afstand, der er mellem pladerne og hvad,
der befinder sig mellem pladerne. Det, der befinder sig mellem
pladerne, betegnes som dielektrikum. I elkomponenten har
dielektrikum’et den egenskab, at det sørger for at isolere de to
plader fra hinanden, så ladningen opbygges og holdes.
Dielektrikum’ets evne til at isolere udtrykkes ved en konstant,
dielektricitetskonstanten. Alle medier har en relativ
dielektricitetskonstant (DK-værdi), er. Pr. definition har luft værdien
1 og alt andet en værdi, der er højere. I den matematiske formel for
kapacitet indgår desuden en feltkonstant, e0, men i denne
sammenhæng er den uden interesse og udelades derfor i det
følgende
Kapacitet
Den ladning (kapaciteten C), kondensatoren opbygger, udtrykkes i
enheden Farad. I niveaumåling opereres der i picoFarad området
(picoFarad (pF) = 10 -12 Farad).
Matematisk kan den målte kapacitet udtrykkes ved en forenklet
formel (pladekondensator):
hvor
C = (A/d)* er
C= kapaciteten
A= kondensatorens areal (i m 2 )
d = afstanden mellem pladerne (i m)
er = DK-værdien (Farad/m)
I niveaumåling er A = det areal, der er i brug, dvs. den del af
sonde/reference, der er dækket af produktet med DK-værdi er .
Kapacitiv niveaumåling
I niveaumåling benyttes en sensor, der udgør den ene ”plade” i
kondensatoren. Typisk er sensoren af praktiske grunde udformet
som en cylindrisk stav, men formen er uden betydning. Som den
anden ”plade” benyttes som regel beholder væggen eller sensoren
(sonden) kan være forsynet med sin egen reference i form af et rør
uden om staven eller en parallelt løbende stav. Hvis sonden ikke er
forsynet med en egen reference, opnås den elektriske kontakt
mellem de to ”plader” i reglen ved den fysiske kontakt mellem
sondens fastgørelse (flange, gevind, clamp…) og beholder væggen.
Niveaumåling
I niveaumåling benyttes kapacitiv aftastning til at detektere
kapacitetsændring. Elektronikken justeres til en nulværdi ved
udækket (eller delvis dækket) sonde og justeres til en maks.-værdi
ved sonden dækket til det ønskede niveau. Alt efter den ønskede
funktion omformer elektronikken kapacitetsændringen til et analog
signal (typisk 4 – 20 mA) eller til et on/off signal (grænseværdi) i
form af et relæsignal eller et elektronisk signal via en transistor eller
tyristor.
For at opnå det ønskede signal, skal elektronikken kunne måle en
tilstrækkelig stor kapacitetsændring. Som håndregel kan man regne
med min. 5 pF til en grænseindikering (switch) og min. 10 pF til en
analog måling.
Praktisk anvendelse
[Uanset hvilken type måling, der ønskes udført, gælder de samme
regler: der skal måles en tilstrækkelig høj kapacitetsændring for at få
et brugbart signal og en stabil måling. Derfor gælder det om at
dimensionere sonden korrekt. Til det brug kan man med fordel
benytte en meget forenklet udgave af kapacitetsformlen:
hvor
DC = (er - 1)*10*L
L = den dækkede sondelængde i m
er = mediets DK-værdi

DK-værdier finder man i tabeller, men det er sjældent nødvendigt
med en meget præcis værdi til et skøn. Hvis man i stedet for bruger
følgende tommelfingerværdier for er, er det muligt at lave et
overslag:
Faststof (tørt): 2 – 4
Olie/oliederivater (vandfri) = 2
Ledende medier > 20
Hvis der er vand i produktet, vil DK-værdien stige kraftigt. F. eks.
har tørt sand en DK på 3, men med blot få % vand i sandet stiger
DK-værdien til 15, hvilket er en praktisk nyttig information, når
der skal benyttes kapacitivt udstyr. Formlen DC = (er - 1)*10*L kan
således bruges til at beregne, hvor lang en sonde (minimum dækket
længde), der skal bruges til en given opgave.
Eksempel: niveau switch til cement
DK = 4 (maks!!)
Min. DC = 5 pF
L= DC/ ((er - 1)*10) = 5/((4 – 1) *10) = 0,167 m
I praksis vil det være meget risikabelt, at satse på så lille en aktiv
længde. DK værdien vil være lavere, når cementen lige er blæst ind
end når det har stået og ”sat” sig – måske helt ned til 2 (på grund af
luftindholdet):
L= DC/ ((er - 1)*10) = 5/((2 – 1) *10) = 0,5 m
Derfor vil man i praksis vælge en ”in worst case” længde, så man er
sikker.
Dermed kommer vi tilbage til udgangspunktet.
Indbygning
Uanset hvordan sonden skal monteres, er det det dækkede, aktive
areal, der er kernen i målingen. Hvis en sonde til en
grænseindikering monteres fra siden, er det nemt at definere
udformningen. I det ovenstående tilfælde kan er sonde på 0,5 m
passende. Men hvis den monteres fra oven, skal man lægge
afstanden fra loftet til switch punktet til, dvs. hvis switch punktet
ligger 1 m fra loftet, skal sonden min. være 1,5 m lang.
Overflade
Undertiden sker det, at de fysiske rammer ikke passer med de
måletekniske krav. På det punkt er kapacitive sonder fleksible – i
hvert fald når det gælder udformning til grænseindikering. I disse
situationer benyttes som regel en delisoleret sonde, d.v.s. en sonde,
der kun har et kort stykke isolation omkring procestilslutningen og
resten af sonden er uisoleret metal. Det betyder, at det i praksis er
muligt, at forøge den aktive overflade ved at montere (skrue eller
svejse) en udvidelse på det bare metal.
Hvis man forestiller sig samme eksempel som før, niveauswitch i
cement, men på en beholder, hvor det kun er muligt at montere
sonden i siden og hvor det kun er muligt at have en indstiksdybde
på 200 mm, kunne en løsning være følgende:
På sonden med en længde på 200 mm monteres en stang eller en
wire med en længde på 500 mm, således at forlængelsen stikker
nedad. Hvordan forlængelsen udføre, er underordnet, bare der er
elektrisk kontakt til sondestaven. Det vil løse opgaven. I praksis er
det kun fantasien og anvendeligheden, der sætter grænser for
hvordan en overfladeforøgelse kan udføres. I dette eksempel ville
konstruktionen kunne monteres i en gevindstuds, mens en
overfladeforøgelse med en plade ville kræve et større hul til
montagen.
Afstand
Afstand betyder i denne sammenhæng: afstand mellem de to
plader, dvs. afstanden mellem sonden og dens reference. Som det
fremgår af formlen, C = (A/d)* er , vil kapacitetsværdien være
omvendt proportional med afstanden d, dvs. jo tættere på, desto
højere værdi. I praksis betyder det, at man kan forbedre en
”usikker” måling ved at rykke sonde og reference tættere på
hinanden. Det er typisk relevant for analog måling i væsker. I de
fleste tilfælde bruges en fuldisoleret sonde til analog måling.

Fuldisoleret vil sige, sonden er helt beklædt med
isolationsmateriale. Det er derfor ikke muligt at forøge
overfladen på samme måde som for en delisoleret sonde. På
dette sted er det nødvendigt at bruge endnu en formel som
illustration, formlen for en cylindrisk kondensator i simplificeret
form:
hvor
DC = ((er - 1)*24*L)/(log D/d)
D = beholderens (referencens) diameter
d = sondens diameter
Eksempel: analog måling i olie, DK = 2
Vi forstiller os, at sonden er anbragt midt i en beholder Ø 4m.
Der ønskes et 4 – 20 mA signal for det øverste 500 mm.
Sondens diameter er 12 mm, længden er 0,5 m
DC = ((2 - 1)*24*0,5)/(log 4/0,12) = 7,8 pF
Da der skal bruges min. 10 pF, er det for lidt. Der er naturligvis
den løsning at bruge en længere sonde, men hvis det ikke kan
lade sig gøre, vil man typisk se på D/d forholdet. Sonden kan
udstyres med et referencerør, et rør, der er monteret på
sondens procestilslutning. Typisk vil røret have en indre
diameter på 38 mm, d.v.s.
DC = ((2 - 1)*24*0,5)/(log 0,38/0,12) = 24 pF
Undertiden kan det lade sig gøre i en kneben situation, at
montere sonden i et rør af passende størrelse, hvis man allerede
HAR taget alt i brug og ikke kan vente på en ny sonde, men det
vil naturligvis være bedre at sonden er konfigureret korrekt fra
starten.
Konklusion
Selv om disse eksempler er tænkte, overgår virkeligheden
fantasien og disse tips kan være en hjælp til forståelse af et
måleteknisk problem og løsning af det. Det kapacitive princip
giver mange flere muligheder til løsning af opgaver, end de
fleste andre måleprincippet og fleksibiliteten er stor. Princippet
kan bruges i temperaturområde fra –100 °C til +400 °C, fra
vakuum til 100 bar og i stort set alle slags medier – i faststof
dog fortrinsvis til grænseindikering.
Dielektricitetskonstant for forskellige produkter (luft=1,0)
Aktiv belægningskompensering
Effekten af belægning på sonden detekteres v.h.a. en separat
kompenseringskreds som er elektrisk isoleret fra den egentlige målekreds i
elektronikken.
Bruges hvis sonden dækkes af et konduktivt lag

Hydrostatisk niveaumåling
Hydrostatisk niveaumåling, eller niveaumåling med en
tryktransmitter er en af de mst udbredte måder at måle kontinuerlig
niveau på. Princippet er enkelt at montere og kan tilpasses langt de
fleste måleopgaver.
Tryk defineres som den kraft der påvirker et givet areal og Tryk
måles i alle tilfælde som en deformation af et kendt
legeme - deformationen kan, afhængig af legemets udformning,
omsættes til en skala.
Grundenheden er således N/m 2 ,men i daglig tale benyttes
enheden Pascal (Pa) eller, specielt når der tales om niveau, enheder
som mm væskesøjle.
Afhænger af mediet
Når en tryktransmitter placeres i bunen af en tank/silo vil
målecellen påvirkes med et væsketryk, der svarer til trykket af
“vægten” af væskesøjlen som presser på menbranen.
Dette kan udtrykkes som følger:
hvor
P= h * d * g
P er det målte tryk
H er væskesøjlen højde
d er mediets densitet
g er tyngdekraften
Som det fremgår af grundligningen indgår mediets densitet i
slutresultatet, og benyttes skiftende medier kan en nøjagtig måling
kræve at der tages for ændringerne i forbindelse med målingen.
Bemærk også at systemet, grundet densitetsafhængigheden også vil
være afhængigt af mediets temperatur, der som bekendt også er
med til at ændre densiteten.
En anden ting som kan påvirke målingen er væsketrykket på
overfladen af produktet. Er tanken trykløs/åben vil man kunne
benytte en almindelig tryktransmitter til relativ trykmåling til
opgaven væskesøjlens tryk ændres jo med trykket på overfladen, og
er det en trykløs beholder, bliver atmosfæretrykket trukket fra
automatisk.
Hvis der derimod måles på beholdere under tryk skal der anvendes
en anvendes en differenstrykmåling, således af et eventuelt tillæg
kan trækkes fra for at få den korrekte måling.
Til sådanne opgaver kan man med fordel benytte en
differenstryktransmitter, hvor den ene side af målemembranen
måler summen af beholdertryk og væskesøjlens tryk, og den anden
side kun overtrykket. Forskellen mellem de to tryk udgøres således
kun af væskesøjlens tryk.
For at imødegå tryktab i rørledninger, lækager og kondensdannelse,
kan trykforskellen også måles med to enkelte tryktransmittere hvis
målesignaler trækkes fra hinanden i forstærkeren.
Montage
I forbindelse med montage bør transmitteren monters så langt nede
på tanken som muligt, og samtidig skal man undgå at der
opslemmes materiale/urenheder på målecellen, da disse i værste
fald kan blokere for måling.
De fleste tryktransmittere som anvendes til niveaumåling er derfor
forsynes med en frontmembran - og en procestislutning - der gør
det muligt at montere transmitteren enten på siden af beholderen,
og samtidig få selve målepunktet til at ligge plant med tankvæggen.
Er tanken/siloen konisk i bunden kan man med fordel montere på
den skrå flade i bunden.

I sidstnævnte tilfælde skal man i forbindelse med målingen dog tage
hensyn til at væsketrykket ikke er lineært med indholdet, niveauet
når koniske stykke - hvilke igen kræver en ekstra beregning såfremt
man ønsker at måle hele indholdet.
Varianter
I forbindelse med opgaver indenfor niveaumåling har man udviklet
en særlig målecelle, som anvendes til medier der enten er opvarmet
eller afkølet.
Anvendes en normal tryktransmitter til niveaumåling anvendes
typen til relativ måling - en sådan målecelle er som tidligere nævnt
“åben” ud mod atmosfæren, og derfor udsat for fugt,
temperaturvariationer og eventuelle aggressive gasser
Specielt i til opgaver med temperaturgradienter er risikoen for
kondensdannelse - og dermed korrosion/ødelæggelse af selve
målecellen overhængende.
Der er en særlig målecelle blevet udviklet, baseret på
halvlederbroen, men en ekstra membran på bagsiden, som sikrer at
målecellen er 100% vandtæt.
Denne celle type kaldes CONTITE (Kondens tæt) og er meget
udbredt indenfor fødevare- og pharmaceutisk industri, hvor specielt
rengøringsfasen er kristisk i forbindelse med kondensdannelse.
Vandbehandlingsanlæg
I forbindelse med vandbehandlingsanlæg er udviklet specielle
hydrostatiske tryktransmittere udformet som smalle “sonder”
(diameter tyoisk < 25mm), der kan nedsænkes f.eks. i en
vandboring.
Sådanne måletyper er altid relative målinger, men da de er helt
indkaplsede for at opnå tæthedsklassen IP68 (for neddykning) har
det været nødvendigt at føre en “slange” frem med det elektriske
kabel, således at atmosfæretrykket kan nå frem til målecellen.
I forbindelse med montage skal der selvfølgelig tages hensyn til
denne “udluftning” som skal være åben for at målingen skal kunne
fungere.
Ellers er anvendelsen af trykmålere til niveaumåling størst i
fødevare- og pharmaceutisk industri, hvor der som oftest arbejdes
med små trykløse beholdere.
Udvalget af procestilslutninger er derfor righoldigt og strækker sig
fra almindelige manometer tilslutniner, over flangetilslutning til
diverse hygiejniske koblinger.
Fordel: Variabel indbygningsmulighed, enkel justering og rimeligt
nøjagtig.
Ulempe: Afhængig af massefylde og trykforskelle.

Niveaumåling med ultralyd
Niveaumåling med ultralyd er en reflektions- eller ekkomåling
baseret på måling af løbetiden for en lydimpuls udsendt af en sensor
- Impulsen reflekteres af overfladen, og detekteres atter af sensoren.
Den medgåede tid (Time Of Flight) er et mål for den tilbagelagte vej
i den tomme del af tanken. Ved nu at trække denne værdi fra den
totale tankhøjde, opnås niveauhøjden der, via en forstærker,
omsættes til et kontaktsignal eller et analogt udgangssignal.
Fokus på berøringsløs måling
Der er i dag megen fokus på ToF, og man ser at mange
”konventionelle” målinger af kontinuerlig niveau udskiftes med
moderne Time-of-Flight metoder – årsagen kan variere alt efter
opgaven.
En af de største fordele er selvfølgelig den berøringsløse
bestemmelse af niveauet. Hermed undgås alle de ulemper som
processens kontakt med sensorer hvilket betyder, at det ingen
betydning har om mediet er aggressivt eller slibende. Endvidere er
egenskaber som mediets densitet og dielektricitetskonstant af
mindre betydning.
Udover de rent fysiske parametre er driftsomkostningerne - cost of
ownership - ved at få større betydning når et anlægs økonomiske
effektivitet skal vurderes. Det er således ikke længere blot et
spørgsmål om investeringsomkostningerne - nej egenskaber som
idriftsættelse og løbende vedligehold er vigtige parametre når det
rigtige instrument skal vælges. Og set ud fra dette synspunkt, er
Time-of-Flight måling en attraktiv løsning. På grund af deres enkle
idriftsættelse uden våd kalibrering, deres berøringsfri drift og deres
implementerede egenskaber omkring forebyggende vedligehold.
Det er altså mulig at formindske vedligeholdelses omkostningerne
væsentligt, hvilket er især sandt når man sammenligner med
mekanisk følsomme systemer som fortrængningssystemer, flyder-
eller reb sonder.
Ultralyds måling
Ultralydsmåling er nok det mest udbredte ToF målesystem, og som
navnet antyder er det højfrekvente lydbølger der benyttes til måling
af afstanden mellem sensor og overflade. Typisk arbejdes med
frekvenser i området 16..40kHz – lidt afhængig af opgaven.
Selve lydbølgen genereres af sensoren, der er opbygget som en
membran forbundet til et eller flere Piezo elementer. Når en
elektrisk spænding påtrykkes Piezo elementerne vil de trække sig
sammen, henholdsvis udvide sig, afhængig af polariteten – en
vekselspænding vil således få elementet til at ”pulsere” med samme
frekvens som den påtrykte spænding. Bevægelsen overføres til
membranen, som konverterer den til et akustisk signal.
På samme måde opfanges det reflekterede signal af membranen –
og konverteres til et elektrisk signal gennem en deformation af
piezo elementet.
Nedenfor er et måleforløb skitseret:
I pkt. 0 bliver en påtrykkes en vekselspænding på piezoelementet
og en lydpuls dannes ved systemets resonansfrekvens. Pulsens
varighed er i dette eksempel 2msek - transmissionsfrekvensen er
den for sensoren typiske frekvens (de 16..40kHz)
Pkt.1 er afslutningen på lydpulsen, svingningerne i membranen
begynder at dø ud, det sker ikke momentant grundet systemets
inerti. Typisk tager det 1 msek, hvorefter sensoren gør sig klar til at
modtage ekkoet fra reflektionen.
Pkt.2 sensoren er nu klar til måling – i dette eksempel har det taget
3 msek at afslutte afsendelsen, det svarer til at lyden har bevæget
sig ca. 1m (2x0,5m) – altså kan man ikke måle benytte denne
sensor til at måle afstande mindre end 0,5m !
Denne afstand kaldes sensorens blokerings afstand og fortæller hvad
minimumsafstanden mellem sensor og mediets overflade skal være.
Pkt.3 er så det tidspunkt hvor ekko’et kommer retur og sætter
membranen i svingninger. Piezoelementet sender et signal til
transmitteren, der udregner afstanden - 6msek svarer til en
tilbagelagt distance på 2m altså er afstanden overflade 1m.

Pkt.4 lyden skal ”ringe ud” i beholderen og vil reflekteres en eller
flere gange mellem senor og overflade. Dette kaldes dobbeltekko og
signalet vil altid være svagere end det oprindelige målesignal.
Derfor vil det også kunne filtreres ud til i forbindelse med målingen.
Begrænsninger i systemet
Af forløbsbeskrivelsen fremgår det at ultralyds måling bunder i den
grundlæggende fysiske egenskab, at lydbølger skal kunne udbredes,
hvilket igen betyder at der skal være et bæremedie tilstede
(almindeligvis luft).
Tætheden af bæremediet har indflydelse på målingen, idet lydens
hastighed ændres med sammensætningen og der skal derfor tages
forbehold i beregningen såfremt mediet afviger fra atmosfærisk luft
v. 20 o C (her er lydens hastighed 343m/sek).
Variationer i temperaturen vil påvirke målingen med 0,17% pr. o C,
hvorfor sensoren har en indbygget temperaturføler, så der kan
kompenseres for dette med det samme, en maksimal temperatur vil
typisk være 150 o C.
Anvendelsen af ultralyds måling møder sin fysisk begrænsning i
medier hvor driftsbetingelserne ikke ligger mellem atmosfærisk tryk
og 3 bar. Måling i vakuum er til gengæld nærmest umulig, ligesom
store støv koncentrationer i tanken kan medføre en forøget
absorption af bølgerne, og dermed et svagere signal.
En anden begrænsning er, at det medie, som der skal måles på, skal
kunne reflektere lyden så sensoren kan opfange signalet.
I forbindelse med væskemåling skal man således være opmærksom
på skumdannelse, som kan virke forstyrrende på målingen. Om
måling er mulig afgøres af skummets ”tæthed”, som håndregel vil
et tyndt let skumlag ikke forstyrre målingen, ligesom et tykt tæt lag
heller ikke vil. Det er dog ikke muligt at give et konkret svar på
hvornår der vil opstå problemer, og er mani tvivl bør et andet
princip vælges.
Skal der måles på faste stoffer vil vil en finkornet overflade af
absorbere mere lyd end en grovkornet. Til gengæld skal man også
være opmærksom på, at denne form for overflader sjældent er
vandrette, hvorfor ekkoets vej til sensoren skal vurderes under
montage. I forbindelse med måling på faste stoffer kan man dog
som håndregel sige chancen for et kraftigt ekko øges ved måling på
et produkt med en plan overflade af store partikler.
Montage
Når sensoren monteres i tanken/siloen skal den frit kunne ”skyde”
ned mod overfladen, i en vinkel på 90 o . I praksis kan dette dog
være vanskelligt at opnå, da der i mange tanke/siloer kan være
andre følere (f.eks. til alarm), varmelegemer, omrører eller stivere/
bæringer af forskellig slags.
Hvis de ikke dækker ”væsentligt” for lydbølgerne udbredelse vil det
dog, rent elektronisk, være muligt at filtrere de signaler fra, som
uønskede. Dette gøres typisk under inkøring, med tom beholder,
hvor transmitteren optager et ”billede” af lydforholdene. Derefter
dannes en indhyldningskurve, som er et filter der simpelthen
dækker signalet fra de forstyrrende elementer af, således at
målingen ikke vil se dem.
I forbindelse med montagen er det også vigtigt at der tages hensyn
til påfyldningsstedet. Sensoren bør placeres så en eventuel
påfyldning ikke kan ”ses”, ligesom man skal være opmærksom på
opsprøjt og andre former for belægning der kan dæmpe
membranens svingninger.
Endress+Hauser har forsket en del i udformningen af sensoren, ikke
blot i udformningen af det felt som lydbølgerne udbredes i, men
også i den måde hvorpå membranen bevæger sig. Ikke nok med at
man i dag kan styre spredningen bedre – og dermed benytte
princippet i smallere beholdere – men man kan også opnå en vis
form for selvrensende effekt af membranen, således at systemet er
blevet lettere at anvende i hvor der er risiko for kondens og dermed
bedre egnet til brug i opvarmede tanke.
Konklusion
Den stadige forskning i nye materialer giver hele tiden mulighed for at
forbedre eksisterende måleprincipper – et godt eksempel er således
niveaumåling med ultralyd, hvor nye samlemetoder og materialevalg har
udvidet anvendelseområdet betydeligt.
Sammenholdes dette med udviklingen indenfor signalbehandlig har dette
måleprincip gennemgået en næsten eksplosiv udvikling indenfor de sidste
par år, og attraktive fordele som:
• Målenøjagtigheden varierer fra ±20mm ned til ±1mm afhængig af
udstyr og måleopgave.
• Kan anvendes både til væske og faste partikler.
• Lydtrykket fra sensoren kan virke selvrensende i forhold til dannelse
af belægninger på sensorens membran.
• Et målepunkt kan som regel etableres til en meget konkurrencedygtig
pris.

Mikrobølge radar
Siden slutningen af 80'erne har mikrobølge (radar) teknik været
anvendt til niveau måling. Princippet er baseret på
reflektionsmåling, men i modsætning til ultralydsmåling er det ikke
en lydbølge, men derimod en elektromagnetisk bølge som benyttes
til at detektere afstanden til overfladen, og egenskaberne er derfor
anderledes for dette princip.
Først og fremmest forudsætter mikrobølger ikke at der er et
bæremedie til stede, og de er overvejende uafhængig af proces tryk
og temperatur.
Selve reflektionen optræder når den elekmagnetiske bølge møder et
skift i dielektricitetskonstanten - og princippet kan derfor anvendes
på alle produkter, både væake, faste stoffer og gasarter - hvor denne
er væsentlig forskellig fra mediet over overfladen.
Hvis det er luft som befinder sig over mediet bør
dielektricitetskonstanten være større end 1,4 for at målingen bliver
pålidelig.
Udbredelsen af mikrobølger møder derfor sin fysisk begrænsning i
medier med meget lave dielektricitets konstanter (f.eks. flydende
gasser) og faste stoffer med meget små partikler.
Måling med mikrobølger
Den elektromagnetiske bølge dannes af et højfrekvent kredsløb i
senderen, og det modtagne signal samlignes i en frekvensanalysator
en “kopi” af det afsendte signal for detektion af faseforskydningen.
Det er overvejende to metoder til udbredelse og detektion af
mikrobøleger, som har haft størst udbredelse til industriel
anvendelse, nemlig puls og FMCW (modulerende kontinuerlige
bølger).
Puls princippet, som bl.a.anvendes i Endress+Hauser's Micropilot
transmitter, er dog ved at overtage da det bruger langt mindre
energi end FMCW princippet, og derfor er velegnet til 2-wire
transmittere.
Princippet fungerer stort set som det under ultralyd beskrevne, dog
danner HF-kredsløbet mikrobølger med en frekvens i Ghz området,
disse udsendes i pulstog med en frekvens på ca. 3,6Mhz - tidsrum
og tiden måles indtil der detekteres et ekko. Den meget korte
impuls, gør det let omregne forsinkelsen til et måleligt område, og
samtidig giver det store antal "signalpakker" en bedre opløsning i
målingen.
Elektromagnetiske bølger benyttes også af en del andet elektronisk
udstyr, bl.a. mobiltelefoner, og man har derfor tildelt nogle faste
frekveneser til måleudstyr - så ikke det forskellige udstyr forstyrrer
hinanden.
Til måling benyttes frekvenserne 6Ghz og 26Ghz, den “høje”

frekvens giver skarpere ekko, da bølgelængden kun er halvt så lang,
og målingen får derfor en bedre opløsning - til gengæld er den lave
frekvens bedre ved urolige overflader.
Nøjagtigheden er typisk ±10mm ved 6Ghz (3mm v. 26Ghz), men
kan forøges helt ned til ±1mm i særlige præcisionsudstyr (anvendes
f.eks. til tank niveau måling i olietanke) - til disse formål anvendes
en speciel antenne og en ekstra algoritme til analyse.
Antennens udformning
Antennen som udsender bølgerne kan udformes på forskellig vis,
det primære formål er dog for alle konstruktioner at styre bølgerne
mod mediets overflade i så koncentreret form som muligt, således
at man er sikker på, at de reflekterede signaler også rammer
modtageren.
Mest udbredt er den såkaldte hornantenne, der udsender bølgerne i
en kegle mod overfladen. Hos Endress+Hauser udsender vi
bølgerne fra vore standard transmittere i en vinkel på 23 o - på
nedenstående skitse ses forskellen på de to anvendte frekvenser - og
deres indflydelse på hornets størrelse.
Udformningen af antennen gør at måleprincippet kan tilpasses
mangeartede ogaver, således kommer der hele tiden nye
konstruktioner til, som f.eks.
• Parabolantenner som er særlig velegent til måling på faste
stoffer, hvor reflektionen fra overfladen er mere diffus.
• Små antenne, indkapslet i PTFE, med 1 ½" RG af PVDF
og o-ring af Viton (FDA registrerede materialer) - specielt velegent
til fødevare og pharmaceutisk industri
• Planar antenner - der kan styre de elektromagnetiske
bølger så måleprincippet kan benyttes i snævre beholdere (Stilling
wells). Udformningen af antennen balancerer orienteringen af de
magnetiske flux linier således at de holdes inden for et afgrænset
område, og ikke kommer til at røre tankvæggen.
Dokumenteret nøjagtighed
Med puls radar teknikken er det i dag muligt at opnå nøjagtigheder
der gør det muligt at få systemerne godkendt til afgiftspligtige
medier. For yderligere at kunne dokumentere dette kan
Endress+Hauser også medlevere akkrediterede kalibreringscertifikater,
som viser målerens formåen - også i stilling wells.
På vor fabrik i Maulburg, Tyskland, har vi en særlig
kalibreringsstand, hvor berøringsløse systemer kan kalibreres så de
kan leve op til API standarden, der kræver at en niveaumåling skal
have en dokumenteret målenøjagtighed på bedre end 3 mm i hele
måleområdet, såfremt systemet skal benyttes til afregning af
afgiftspligtige medier
Af særlige fordele ved mikrobølgeteknikken kan nævnes:
• Nøjagtigheden er typisk ±10mm, men kan forøges helt ned til
±1mm i særlige præcisionsudstyr
• Princippet fungerer i område fra vakuum til 64 bar overtryk,
ved temperaturer op til et 350 o C.
• Gas og støv i beholderen har næsten ingen indvirken på
målingen.
Opbygninger af produkt eller permanente "forstyrrelser" (som
røreværker, afstivere o.lign) kan give falske ekko, som forstyrrer
målingen. I de tilfælde hvor det falske ekko er veldefineret, vil det
dog være muligt elektronisk at filtrere fejlsignalet fra, under
idriftsætning, ved hjælp af en simpel algoritme.

Guided radar
Levelflex er navnet på Endress+Hauser’s Guided radar måler til
niveaumåling i silo’er eller tanke. Princippet sikrer en pålidelig
måling uanset om der i tanken optræder skiftende medier, eller er
skum-/støvdannelse henover overfladen som ønsket detekteret.
I denne artikel vil princippet blive forklaret og der vil blive sat fokus
på hvordan man rent software mæssigt har udviklet algoritmer til
detektion af det korrekte niveau – også selvom mediets overflade
ikke sender et signal tilbage til transmitteren.
Måleprincippet
Levelflex er en radarmåler hvor de elektromagnetiske bølger
(signalet) styres langs en rustfri stål wire eller stav. Signalet bevæger
sig ned langs staven indtil det møder medie overfladen, hvorfra det
delvis reflekteres. Den tid det tager for signalet at bevæge sig fra
transmitteren til overfladen – og retur – er udtryk for afstanden til
medieoverfladen – og dermed niveauet i silo-/tanken.
Som i andre radar målere bevæger den elektromagnetiske bølge sig
med en hastighed tæt på lysets (ca. 300.000 km/sek) og er uberørt
af hvilket bæremedie der befinder sig i tanken (gas over
medieoverfladen), samt temperaturer og tryk på dette. En yderligere
fordel er, at det styrede signal – i modsætning til konventionelle
radarmålinger – ikke påvirkes af støvskyer eller skum der kan
dannes henover medieoverfladen.
Refleksionen af et radar signal beror på dielektricitets konstanten.
Alle produkter har en defineret dielektricitets konstant (Dc), således
er Dc for vacuum defineret som 1 – og alle andre produkter
bestemmes så relativt til denne værdi.
I vacuum bevæger elektromagnetiske bølger sig med lystes
hastighed – i alle andre medier vil hastigheden sænkes relativt i
forhold til dielektricitets konstanten.
I praksis viser det sig, at det kan være yderst vanskelligt at måle på
medier med en Dc < 1,7, da det meste af energien optages og forsat
vil bevæge sig gennem mediet – et problem som specielt ses i
forbindelse med måling på kulbrinter, som f.eks. LPG (Dc = 1,4).
Her bliver det reflekterede signal simpelthen så svagt at selv små
variationer i proces konditionerne, det kunne være små hvirvler på
overfladen, kan resultere i tab af målesignalet.
Mange kender til problemet, men kun få ved at en guided radar
måler med ”End of Probe detektion” faktisk kan løse problemet.
”End of Probe detektion”
Enhver Guided radar måler leveres med en forud defineret kabel-/
wire- eller stavlængde. Dette ”stoppunkt” vil, som
medieoverfladen, give en refleksion, idet al den tilbageværende
energi vil sendes retur til transmitteren.
Ved fabrikskalibreringen bestemmes og gemmes den aktuelle
niveaumålers ”end of probe” signal, dvs. information om den tid det
tager for al energien at bevæge sig fra transmitter til stoppunkt i et
kendt medie (typisk luft).
Når så måleren så installeres på målestedet, og kablet/staven
dækkes delvist af medie vil end-of- probe signalet også ændres –
afhængig af mediets dielektricitetskonstant vil den tid det tager at
nå ”stoppunktet” ændres (jo højere Dc desto længere vandringstid).
Denne viden kan nu benyttes til kontinuerlig at beregne mediets
dielektricitetskonstant – ja faktisk beregnes værdien mellem 60 og
120 gange i minuttet ud fra overfladens og stoppunktets ekko.
Forstyrres målingen, eller tabes overfladesignalet pludselig, kan den
patenterede ”End-of-probe algoritme” derfor beregne sig frem til
det korrekte målesignal og sikre en pålidelig måling også under
vanskellige proceskonditioner.
”Fit and forget” niveaumåling til alle medier
Det er en kendt sag, at et produkts dielektricitetskonstant ændrer
sig med temperatur og fugt, ja selv trykket kan spille ind på denne
faktor. I modsætning til andre måleprincipper som benytter
dielektricitetskonstanten i forbindelse med måling, har variationer
ingen indflydelse på guided radar måleren, da ”end-of-probe”
teknikken hele tiden kompenserer for variationer.
Måleprincippet skelner ikke mellem væske eller faste stoffer, og da
den elektromagnetiske energi styres tæt omkring kablet/staven
forstyrres/svækkes målesignalet ikke af falske signaler, er guided
radarmåling uafhængig af tankens udformning – den kan endog
benyttes i bypass systemer.

Radiometrisk niveaumåling
Måleinstrumenter baseret på radioaktive kilder har været anvendt i
procesindustrien til vanskellige måleopgaver indenfor såvel væske,
som pulver/granulat håndtering, i mere end 40 år.
Måleprincippet anvendes til opgaver hvor andre måleprincipper
ikke slår til f.eks. grundet fare for gift udslip, mekanisk slidtage eller
ekstreme tryk/temperaturer.
Radioaktive isotoper udsender stråling i form af partikler eller
elektromagnetiske bølger (fotoner) idet de samtidig henfalder.
De tre hyppigst forekomne typer stråling er:
• Alfa - Den udsendte partikel består af to protoner og to
neutroner,ligesom en helium kerne.
• Beta - Elektroner og/eller positroner.
• Gamma - Høj energi elektromagnetiske bølger lige som
radiobølger og lys.
Ud over energien betegnes radioaktive isotoper ved deres aktivitet,
hvilket simpelthen er antallet af henfald pr. tidenhed.
1 Becquerel= 1 henfald pr. sekund.
Bemærk at denne aktivitet er uafhængig af den udsendte energi
De radioaktive kildematerialer, der bruges i industrien, udsender
gamma stråler med specifikke bølgelængder. Nogle af de hyppigst
anvendte er:
Type Bølgelængde (m)
Americium 241 10 -9
Cæsium137 10 -10
Cobolt60 10 -11
Gammastrålers evne til at trænge gennem materialer afhænger af
deres bølgelængde. Korte bølger trænger lettere igennem end lange
bølger. 137 Cs udsender bølger der trænger lettere igennem end
241 Am men mindre end 60 Co.
• Alfa stråling vil trænge igennem kvarts men vil blive absorberet
af aluminiumsfolie
• Beta stråling vil passere gennem kvarts og alu-folie men vil blive
absorberet af stål
• Kun Gamma stråling -elektromagnetiske bølger- trænger
igennem alle materialer, men der vil altid ske en dæmpning
afhængig af materialets tykkelse og densitet.
De nævnte typer af isotoper udsender både Beta- og Gamma
stråling, men ikke Alfa stråling. Beta strålingen stoppes af
indkapslingen og på den måde får vi kun gammastråling =
elektromagnetiske bølger.
Til berøringsløse, industrielle niveau- og densitetsmålinger bruges
næsten udelukkende gammastråling fordi dens energi
(gennemtrængningskraft) er ideel til de relativt tykvæggede
reaktorer, beholdere og rør, der benyttes i industrielle processer.
137 Cs har en rimelig gennemtrængningskraft og en brugbar
halveringstid. Dette gør den til den mest anvendte isotop til
industrielle niveau- og densitetsmålinger. 60 Co benyttes hvis
beholdervæggen er meget tyk og der er behov for mere kraft til
gennemtrængning.
Målesystemet
En radiometrisk måling består altid af 3 komponenter: en
transmitter/detektor, en kilde og en kildebeholder.
Gammakilden stråler lige meget i alle retninger. Men til
radiometrisk måling, er man kun interesseret i den stråling, der
passerer gennem beholderen. Al anden stråling er overflødig og skal
afskærmes. Derfor er den radioaktive kilde monteret i en særlig
strålebeskyttelsesbeholder, der giver den nødvendige beskyttelse
samtidig med, at strålingen begrænses til kun en retning i et smalt
strålebundt.
Afskærmningsmaterialet er bly i et svejset hus af stål. Huset sikerer
at den radioaktive kilde og dens afskærmning ikke tabes i tilfælde af
brand og dermed en højere temperatur end blys smeltepunkt (327
°C).
.
Strålebeskyttelsesbeholderen er forsynet med en drejelig mekanisme
til montering af kilden og til manuel åbning og lukning af strålingen,
når en tank skal inspiceres eller under transport af kilden.
Strålebeskyttelsesbeholderen er endvidere forsynet med en drejelås
eller en hængelås til at låse kilden i åben eller lukket tilstand og til
beskyttelse mod tyveri.
Detektorern som benyttes til “tælle” de gammastråler der slipper
igennem opbygges enten omkring et Geiger-Müller rør eller en
såkaldt Scintillations detektor.

GM-røret består af et cylindrisk glasrør fyldt med en ædelgas
(neon/halogen), med en helisk katodetråd og en centralt monteret,
isoleret anode.
Røret tilsluttes en højspændings DC forsyning (ca. 440 V) via en
højimpedans faldmodstand. Når der ikke er radioaktive partikler,
optræder systemet som en næsten ideel isolator. Når gamma
stråling passerer gennem røret, ioniseres ædelgassen i røret, og
frembringer derved såkaldte primære elektroner. Disse bevæger sig
mod anoden og frigør på deres vej en lavine af sekundære
elektroner. Dermed falder rørets impedans midlertidigt og der
udsendes en kort strømimpuls.
Antallet af strømimpulser, der udsendes af GM-røret afhænger af
antallet af indtrængende gammabølger og dermed af den lokale
dosishastighed.
Scintillationsdetektoren består af en scintillationsstav, en
fotoforstærker (PMT) en kontrolenhed. Når gammastrålingen
rammer scintillatoren, genereres små lysglimt. Disse lysglimt
opfanges af en fotokatode på fotoforstærkeren.
Fotoforstærkeren multiplicerer de elektroner, der frigøres fra
katoden og omformer dem til en spændingsimpuls.
Signalbehandlingsenheden tæller antallet af impulser i en given
tidsperiode. For enhver målecyklus overføres impulsraten, et
referencesignal og oplysninger om temperatur til transmitteren som
et digitalt signal.
Scintillationstaven kræver en meget mindre dosishastighed end en
punkt-scintillator eller et ioniseringskammer (faktor 3...10 x), men
giver stadig en excellent statistisk nøjagtighed, selv ved en lille
tidskonstant.
Er radiomatrisk måling farlig ?
Når der tales om stråling skal man altid et regelsæt som skal følges,
dette gøres for at minimere skadelige følger af af brugen.
I målesystemer er der selvfølgelig gjort meget for afskærmning og
sikkerhed, ligesom der kun arbejdes med forholdsvis svage kilder.
Det betyder således at en Scintillations detektorer fra E+H er så
følsom, at den nødvendige intensitet til en typisk måling svarer til
den naturlige stråling i 2800 m højde - eller med andre ord svarer
det til den kosmiske stråling man udsættes for under et ophold i
bjergene ca. 3 km over havets overfæade.
GM-rør er ikke så følsomme. De kræver en dosishastighed svarende
til den naturlige stråling i 18000 m højde, svarende til lidt mere end
den kosmiske stråling man udsættes for under en flyvetur.
Selvom strålingsintensiteten således er “begrænset” er der dog
ingen grund til at slække på sikkerheden. Man skal altid følge
foreskrifterne og bl..a. sørge for altid at holde kilden indkapslet/
tillukket når der arbejdes foran den.
Anvendelse af radiometrisk måling
Anvendelsesområderne for radiometrisk måling finder vi i de
områder, hvor der stilles de højeste krav til sikker- og pålidelighed –
typisk indenfor kemisk/petrokemisk industri, olie&gas, pulver &
granulat, papirindustri, energi og affaldshåndtering.
Måleprincippet kan også anvendes i fødevareindustri uden behov
for yderligere certificering eller godkendelser.
Radiometrsk bruges generelt når andre principper ikke kan benyttes
på grund af:
• Ekstreme procesbetingelser eller
• Hvis man har brug for en meget pålidelig måling
• Hvis der er brug for et vedligeholdelsesfrit målesystem
Typiske måleopgaver er:
• Grænseindikering (Min., Max., overfyldningssikring med
certifikat)
• Kontinuerlig niveaumåling
• Interface (f. eks. oil-vand separation)
• Densitet og masseflow

The right measuring principle for
every application
4
Level measurement applications are divided
into four areas: liquids including liquefied
gases, bulk solids, continuous measurement
and level limit detection. The overview
contains the measuring principles suitable
for each area.
Liquids
Bulk solids
Level limit detection
The essential tasks are to avoid overfilling or excessive
emptying of tanks and to protect pumps from running
dry. In level limit detection, fast and safe functioning
and high reproducibility are of great importance.
Level limit detection
Vibronic
Conductive
Capacitance
Float switch
Ultrasonic
Radiometric
Vibronic
Capacitance
Paddle switch
Microwave barrier
Ultrasonic
Radiometric

Continuous measurement
Continuous level measurement determines the level of
media – it actually measures the length. The measuring
ranges cover from a few cm for control tasks, typically 2
to 10 m for liquid applications through to 70 m in bulk
solids, e. g. grain silos.
Continuous measurement
Level radar
Guided level radar
Ultrasonic
Hydrostatic
Capacitance
Radiometric
Guided level radar
Level radar
Ultrasonic
Electromechanical level
measurement
Radiometric
Apart from direct level measurement in meters, the
product volume in a tank may be determined indirectly.
This must take the geometric form and dimensions
of the tank as well as medium properties into
consideration. Inventory management applications often
demand increased accuracy of up to ±1 mm.
Liquids
Bulk solids
5

Applicator - den tekniske assistent på internettet
Er De i tvivl om hvilket instrument der er det
bedst egnede til opgaven, så kan Applicator
hjælpe Dem på vej.
På vor hjemmeside finder De den sidste nye
version af vort hjælpeværktøj til udvælgelse og
dimensionering af vore måleinstrumenter.
Baseret på data fra Deres proces kan Applicator
foreslå en løsning til måleopgave.
Såfremt der er alternative løsninger kan
specifikationerne, for disse, med nogle få
“museklik”, sammenlignes og datablade
udskrives.
Det kan ikke være lettere ! www.dk.endress.com
Denmark
Endress+Hauser A/S
Poppelgårdvej 10-12
DK-2860 Søborg
Tel. +45 70 131 132
Fax +45 70 132 133
info@dk.endress.com
www.dk.endress.com
CP002/01/dk/03.06