Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
<strong>Merenje</strong> <strong>nivoa</strong><br />
Uvod<br />
N<br />
ivo je visina tečnog ili usitnjenog (sipkastog, praškastog) materijala u<br />
posudi. Nivo radnog medija je tehnološki parametar, pa je informacija o<br />
njemu neophodna za kontrolu rada tehnoloških aparata, a u nizu slučajeva i<br />
za upravljanje tehnoIoškim procesima.<br />
Osnovni pojmovi i veličine u merenju <strong>nivoa</strong><br />
U suštini, nivo predstavlja graničnu površinu između dve sredine različite<br />
gustine u odnosu na neku horizontalnu površinu uzetu kao referentnu.<br />
Granična površina je obično između tečne i gasne faze, a ređe između dve<br />
tečne faze (Slika 1.). Senzori za merenje <strong>nivoa</strong> nazivaju se nivometrima.<br />
Gasna<br />
faza<br />
Tečna<br />
faza<br />
Referent<br />
na površ<br />
3.1<br />
Sipkasti<br />
materijal<br />
(a) (b)<br />
Slika1. Nivo: a-tečnosti, b-usitnjenog materijala<br />
Jedinica <strong>nivoa</strong>. Iz definicije <strong>nivoa</strong> proizilazi da je merenje <strong>nivoa</strong>, zapravo,<br />
merenje rastojanja, odnosno debljine. Shodno tome, nivo se izražava u<br />
jedinicama dužine.<br />
<strong>Merenje</strong> <strong>nivoa</strong> usitnjenog materijala, kao što je ugalj, brašno, žito, cement i<br />
drugo, sa tehničkog aspekta značajno se razlikuje od merenja <strong>nivoa</strong> tečnosti<br />
jer nivo takvih materijala najčešće nije horizontalan (Slika 1.). Za tačno<br />
merenje neophodno je poznavanje načina kretanja materijala, veličine i<br />
oblika zrna, načina punjenja i pražnjenja, kao i oblika rezervoara.
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
<strong>Merenje</strong> količine (zapremine) tečnog i usitnjenog materijala u rezervoaru<br />
vrši se na osnovu informacija o nivou. Zbog promenljivog poprečnog preseka<br />
rezervoara zapremina je data integralnom jednačinom<br />
V<br />
=<br />
h<br />
∫<br />
0<br />
S(<br />
h)<br />
dh<br />
Promena poprečnog preseka zavisno od <strong>nivoa</strong> S(h) poznata je za dati<br />
rezervoar. Digitalni nivometar sa algoritmom, pored informacije o tekućoj<br />
vrednosti <strong>nivoa</strong>, daje i informaciju o zapremini materijala u rezervoaru.<br />
Opseg. Prema veličini opsega, razlikuju se nivometri širokog opsega (0.5 -25<br />
m), namenjeni pretežno za merenje količine i nivometri sa uskim opsegom<br />
(od 0 do ±100 mm, odnosno od 0 do ±450 mm), koji se primenjuju u<br />
sistemima automatskog upravljanja.<br />
Metode merenja <strong>nivoa</strong> mogu se podeliti u dve grupe.<br />
U prvu grupu spadaju metode detekcije <strong>nivoa</strong>;<br />
U drugu grupu spadaju kontinualne metode merenja.<br />
Detektori <strong>nivoa</strong> markiraju kritične vrednosti <strong>nivoa</strong>, kao što su minimalna ili<br />
maksimalna vrednost. Senzori koji rade na ovom principu služe za<br />
signalizaciju alarma (prepunjen ili prazan rezervoar):<br />
Plovne kruške,<br />
Konduktivni detektori,<br />
Detektori <strong>nivoa</strong> na principu plovka ili ronila,<br />
Vibracione viljuške,<br />
Vibracione šipke.<br />
Izbor kontinualnih metoda praćenja <strong>nivoa</strong> zavisi od vrste medija, od toga da li<br />
je rezervoar otvoren ili zatvoren, te od toga da Ii je zatvoreni rezervoar pod<br />
natpritiskom ili potpritiskom. U zavisnosti od ovih karakteristika, postoji veliki<br />
broj različitih metoda u tehnici merenja <strong>nivoa</strong>. U automatizaciji tehnoloških<br />
procesa za kontinualno merenje <strong>nivoa</strong> najviše se upotrebljavaju:<br />
Hidrostatski senzori,<br />
Senzori na principu plovka,<br />
Kapacitivni senzori,<br />
Otpornički senzori <strong>nivoa</strong>,<br />
Ultrazvučni senzori.<br />
3.2
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Plovne kruške<br />
Princip rada plovnih kruški<br />
P<br />
lovak plovne kruške je loptastog oblika, prečnika 80 -120 mm. Pluta na<br />
površini tečnosti čiji se nivo meri. Različit položaj plovka utiče na kretanje<br />
magnetne kuglice u plovku, čije granične položaje registruje read relej.<br />
Praktična realizacija plovnih kruški<br />
Plovne kruške su u potpunosti hermetički zatvorene i izrađene su od<br />
netoksičnih materijala (za detekciju položaja plovka se više ne primenjuje<br />
živa nego magnetna kuglica i read relej), tako da imaju veliku primenu u<br />
merenju <strong>nivoa</strong> pijaće vode.<br />
Teg<br />
Slika 2. Plovna kruška<br />
Način ugradnje plovnih kruški<br />
Ugradnja je vrlo jednostavna i vrši se samo polaganjem plovka na površinu<br />
tečnosti čiji nivo se meri. Podešavanje histerezisa uključenja/isključenja vrši<br />
se regulisanjem rastojanja između tega i plovka plovne kruške, pri čemu ono<br />
ne može biti manje od 150 mm (Slika 2.).<br />
Praktična primena plovnih kruški je pri detekciji <strong>nivoa</strong> od pijaće vode do<br />
kanalizacije, zaštita pumpi od rada na suvo kao i kontrola rada pumpi pri<br />
procesu punjenja odnosno pražnjenja rezervoara. Plovne kruške imaju<br />
mogućnost direktne kontrole pumpi snage do 1.1KW.<br />
(a) Kontrola pražnjenja (b) Zaštita pumpe (c) Kontrola punjenja<br />
Slika 3. Praktična primena plovne kruške<br />
3.3<br />
Plovak
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Na Slici 3b. prikazan je primer instalacije plovne kruške u cilju zaštite rada<br />
pumpe na suvo. Plovna kruška registruje opadanje <strong>nivoa</strong> tečnosti ispod<br />
kritične vrednosti i isključuje pumpu. U slučaju kontrole pražnjenja (Slika 3a)<br />
plovna kruška registruje minimalan nivo i isključuje ventil pražnjenja. Pri<br />
kontroli punjenja plovna kruška registruje maksimalan nivo i isključuje rad<br />
pumpe (Slika 3c.)<br />
3.4
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Konduktivni detektori <strong>nivoa</strong><br />
Princip rada konduktivnih detektora <strong>nivoa</strong><br />
K<br />
onduktivni detektor <strong>nivoa</strong> baziran je na principu detekcije provodnosti.<br />
Naime, detektuje se provodnost između dva ili više provodnika zaronjena<br />
u tečnost. Sa obzirom na sam princip rada mogu se primenjivati samo kod<br />
tečnosti sa minimalnom provodnošću od 2x10 -5 S/cm.<br />
Praktična realizacija konduktivnih detektora <strong>nivoa</strong><br />
Izrađuju se u dve verzije:<br />
kompaktna izvedba sa dva nezavisna prekidača (Slika 4a.) i<br />
sa odvojenom sondom i kontrolerom sa prekidačima (Slika 4b.).<br />
(a) (b)<br />
Slika 4. Senzori <strong>nivoa</strong> sa plovkom<br />
Svi potopljeni delovi izrađeni su od nerđajućeg čelika. Konduktivni detektori<br />
<strong>nivoa</strong> se izrađuju u verzijama sa graničnim ili diferencijalnim prekidačima.<br />
Način ugradnje konduktivnih detektora <strong>nivoa</strong><br />
Pri procesu ugradnje konduktivnih detektora <strong>nivoa</strong> potrebno je obratiti pažnju<br />
na provodnost zida rezervoara tečnosti čiji nivo se detektuje. U slučaju<br />
konduktivnih detektora kod rezervoara sa provodnim zidom, jedna sonda se<br />
kratko spaja sa zidom rezervoara. Kod rezervoara sa neprovodnim zidom<br />
obe sonde se zaranjaju u tečnost čiji se nivo detektuje (Slika 5.).<br />
E1 E3 E1 E3 E1 E3 E1 E3<br />
nizak nivo visok nivo<br />
3.5<br />
nizak nivo visok nivo<br />
Slika 5. Ugradnja konduktivnih detektora <strong>nivoa</strong>
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Detektori <strong>nivoa</strong> na principu plovka<br />
Princip rada detektora <strong>nivoa</strong> sa plovkom<br />
P<br />
lovak je loptastog oblika, prečnika 80 -200 mm. Pliva na površini tečnosti<br />
čiji se nivo meri. Mehaničkom vezom položaj plovka prenosi se na<br />
kazaljku ili senzor ugaonog pomeraja (read relej).<br />
Praktična realizacija detektora <strong>nivoa</strong> sa plovkom<br />
Plovak je smešten uz zid rezervoara ili u posebnoj komori sa spoljašnje<br />
strane rezervoara (Slika 6.). Minimalni opseg za ove senzore je od 0 do ±10<br />
mm, maksimalni od 0 do ±200 mm, a tipična tačnost je ±1.5% merenog<br />
opsega.<br />
Slika 6. Senzori <strong>nivoa</strong> sa plovkom<br />
Za veće opsege na plovak se privezuje protivteg. Konstrukcioni parametri<br />
plovka proračunavaju se tako da se obezbedi ravnotežno stanje na<br />
određenoj dubini<br />
F = Fp – Sh1ρtg<br />
gde su F i Fp težine protivtega i plovka [N], S površina poprečnog preseka<br />
plovka [m 2 ], h1 dubina do koje je potopljen plovak [m], ρt gustina tečnosti čiji<br />
se nivo meri [kg/m 3 ]. Sa porastom <strong>nivoa</strong> tečnosti u rezervoaru na plovak<br />
deluje dodatna sila uzgona, pa se protivteg kreće naniže sve dok se ponovo<br />
ne uspostavi ravnotežno stanje, definisano uronjenošću plovka na dubinu h1.<br />
3.6
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Ova dubina određuje ujedno i minimalnu vrednost merenog <strong>nivoa</strong>.<br />
Karakteristično je za senzore <strong>nivoa</strong> sa plovkom da se pomeranje plovka<br />
pretvara u linearni ili ugaoni pomeraj. Ovaj pomeraj pretvara se u električni<br />
signal, najčešće pomoću potenciometarskog, kapacitivnog senzora ili read<br />
releja. Svi potopljeni delovi izrađeni su od nerđajućeg čelika.<br />
Detektori <strong>nivoa</strong> sa plovkom koji imaju mogućnost detekcije više <strong>nivoa</strong><br />
nazivaju se višepoložajni detektori sa plovkom. Kretanje plovka duž<br />
šipke, posredstvom magneta koji se nalazi u plovku,<br />
aktivira/deaktivira read releje.<br />
Način ugradnje detektora sa plovkom<br />
Postoje izvedbe detektora sa plovkom za montažu sa strane ili od<br />
gore. U oba slučaja postoji mogućnost fiksnog ili podesivog histerezisa, pri<br />
čemu je potrebno voditi računa o minimalnom<br />
histerezisu koji u slučaju detektora sa<br />
plovkom mora da postoji. Pričvršćivanje<br />
detektora sa plovkom je moguće primenom kvadratnih,<br />
standardnih prirubnica ili 2’ navoja.<br />
Detektori sa plovkom imaju veliku primenu u elektranama,<br />
hemijskoj i petrohemijskoj industriji. Takođe postoji posebna<br />
izvedba za ugradnju u rezervoare za balans na brodovima.<br />
3.7
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Detektori <strong>nivoa</strong> na principu ronila<br />
Princip rada detektora <strong>nivoa</strong> sa ronilom<br />
D<br />
etektori <strong>nivoa</strong> sa ronilom rade na principu sile uzgona, tj. Arhimedovog<br />
zakona. Ronilo je obično štap cilindričnog oblika i na gornjem kraju<br />
pričvrćeno je za senzor sile.<br />
Praktična realizacija detektora <strong>nivoa</strong> sa ronilom<br />
Ronilo je napravljeno od materijala gustine ρ, koja je veća nego što je gustina<br />
tečnosti ρt, ima dužinu L približno jednaku mernom opsegu (Slika 7.).<br />
H<br />
Senzor<br />
sile<br />
Fg<br />
Fu<br />
F<br />
3.8<br />
L<br />
Izlaz<br />
h0<br />
Slika 7. Senzor <strong>nivoa</strong> sa ronilom<br />
Zbog sile uzgona Fu, težina ronila Fg se smanjuje, pa senzor sile<br />
detektuje<br />
F=Fg-Fu = ρgSL—ρtgS(h—ho).<br />
odakle proizilazi da je mereni nivo proporcionalan sili F:<br />
h = ρL/ρt+h0-F/ρtgS=k1-k2F.<br />
Negativni predznak koeficijenta k2 ukazuje da prilikom porasta <strong>nivoa</strong> dolazi
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
do smanjivanja detektovane sile F i obrnuto. Maksimalna vrednost sile F je<br />
pri h=h0 i tada je F=k1/k2=Fg. Da ronilo ne bi dodirivalo dno, h0>0.<br />
Prenos informacije o nivou na daljinu<br />
Karakteristično je za senzore <strong>nivoa</strong> sa ronilom da se nivo<br />
pretvara u silu, koja se meri odgovarajućim senzorom sile:<br />
induktivnim, kapacitivnim ili pijezoelektričnim. Merni opseg<br />
senzora <strong>nivoa</strong> sa ronilom u kombinaciji sa senzorom sile je<br />
od 0 – 0.02 m do 0 - 16 m (tipična klasa tačnosti je ±1.5%).<br />
Njihova primena moguća je za radne medije na<br />
temperaturi od -40 o C do 400 o C i na pritisku do 16 MPa.<br />
3.9
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Vibracione viljuške i šipke<br />
Princip rada vibracionih viljuški i šipki<br />
S<br />
padaju u grupu najjednostavnijih senzora merenja <strong>nivoa</strong>. Vibracione<br />
viljuške i šipke rade na principu praćenja promene rezonantnih<br />
karakteristika senzora.<br />
Praktična realizacija vibracionih viljuški i šipki<br />
Vibracija viljuške ili šipke dovodi do komešanja medija čiji se nivo<br />
meri. Očitavanjem rezonantnih karakterisitika viljuške dolazi se do<br />
informacije da li je viljuška zaronjena ili ne. Izrađene su bez<br />
pokretnih delova, sa mogućnošću samoprečišćavanja u gotovo<br />
svim sredinama. Postoji mogućnost podešavanja trenutka<br />
aktiviranja, pri maksimalnom ili minimalnom nivou. Sonde su<br />
izrađene od nerđajućeg čelika, pri čemu u slučaju vibracionih šipki<br />
postoji mogućnost čvrstog ili savitljivog produžetka do 20 m, a<br />
kod vibracionih viljuški postoji samo čvrsti produžetak do 3 m.<br />
Način ugradnje vibracionih viljuški i šipki<br />
Na Slici 8. prikazan je primer instalacija vibracionih viljušaka u proizvoljnom<br />
tehnološkom pogonu. Moguće ih je primenjivati kod većine tečnosti<br />
maksimalne viskoznosti 10000 mm 2 /s, kao i kod korozivnih, gustih<br />
turbulentnih tečnosti. Takođe ih je moguće primenjivati i kod detektovanja<br />
<strong>nivoa</strong> praškastih i sitnozrnastih materijala minimalne gustine 0.05 kg/dm 3 .<br />
Slika 8. Primer instalacija vibracionih viljušaka<br />
3.10
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Pri postupku ugrađivanja vibracionih viljuški kod tečnosti potrebno je obratiti<br />
pažnju da rezonantna viljuška bude dovoljno uronjena u tečnost, kao i da<br />
procep u viljušci bude tako postavljen da obezbeđuje nesmetan protok<br />
tečnosti (Slika 9.).<br />
Slika 9. Pravila pri ugradnji vibracionih viljuški kod tečnosti<br />
Kada se mere praškasti i sitnozrnasti materijali, vibracione viljuške se ne<br />
ugrađuju u delovima rezervoara gde zaostaje materijal (Slika 10.).<br />
Slika 10. Pravila pri ugradnji vibracionih viljuški kod praškastih materijala<br />
Vibracione šipke se primenjuju kod gotovo svih zrnastih i praškastih<br />
materijala sa minimalnom specifičnom težinom od 0.05 kg/dm 3 , pre svega<br />
kod žita, brašna, cementa, pepela itd.<br />
3.11<br />
x>5mm
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Hidrostatski senzori <strong>nivoa</strong><br />
Princip rada hidrostatskih senzora <strong>nivoa</strong><br />
P<br />
rincip rada ovih senzora zasniva se na primeni Paskalovog zakona,<br />
pomoću kojeg se izračunava vrednost pritiska p u mirnom i homogenom<br />
fluidu gustine ρ, na dubini h:<br />
p = ρgh.<br />
Praktična realizacija hidrostatskih senzora <strong>nivoa</strong><br />
Postoje tri tipa hidrostatskih senzora. Prvi tip izrađuje se kao senzor<br />
relativnog pritiska koji meri pritisak stuba tečnosti na dnu rezervoara (Slika<br />
11a.). Drugi tip se pravi kao senzor diferencijalnog pritiska, što je pogodno za<br />
zatvorene rezervoare, kod kojih se iznad tečne faze nalazi gasna faza pod<br />
pritiskom (Slika 11b.), mada može biti izveden i u varijanti merenja<br />
diferencijalnog pritiska između stuba tečnosti u rezervoaru i atmosferskog<br />
pritiska. Kod trećeg tipa hidrostatskog senzora ubacuje se vazduh pod<br />
pritiskom. Kada se pritisak vazduha izjednači sa hidrostatskim pritiskom, na<br />
dnu rezervoara izlaze mehurići. Višak vazduha odlazi u okolinu, a vazduh u<br />
povratnom impulsnom vodu ima pritisak proporcionalan merenom nivou. Na<br />
kraju voda postavljen je senzor relativnog pritiska (Slika 11c.). Pneumatski<br />
tip senzora za zatvoreni rezervoar ima i treći, tzv. kompenzacioni vod i<br />
diferencijalni senzor pritiska.<br />
(a)<br />
P/I<br />
∆P/I<br />
(b) (c)<br />
Slika 11. Hidrostatski senzori<br />
Drugi tip hidrostatskih senzora <strong>nivoa</strong> (Slika 11b.) izvodi se najčešće u dve<br />
varijante:<br />
hidrostatičko utopni senzor <strong>nivoa</strong> i<br />
hidrostatički senzor <strong>nivoa</strong>.<br />
3.12<br />
P/I<br />
Izvor vazduha
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Hidrostatičko utopni senzor <strong>nivoa</strong> je konstruisan pre svega zbog<br />
potrebe merenja <strong>nivoa</strong> u cevima i rezervoarima malog prečnika.<br />
Kućište senzora je izrađeno od nerđajućeg čelika, pri čemu je opseg<br />
merenja do 200 m dubine tečnosti. Atmosferski pritisak se<br />
kapilarnom cevčicom dovodi do samog senzora. Diferencijalni<br />
pritisak se meri između pritiska tečnosti u rezervoaru i atmosferskog<br />
pritisaka iz kapilarne cevčice.<br />
Konstrukcijska razlika između hidrostatičko<br />
utopnog i hidrostatičkog senzora je pre svega u<br />
tome što se hidrostatički utapa u potpunosti u<br />
tečnost čiji nivo se meri, dok se hidrostatički senzor<br />
<strong>nivoa</strong> ugrađuje na rezervoar tečnosti čiji nivo se meri.<br />
Diferencijalni pritisak se meri između pritiska tečnosti u rezervoaru i<br />
atmosferskog pritiska na keramičkoj membrani hidrostatičkog senzora sa<br />
spoljašnje strane rezervoara.<br />
Osobine hidrostatskih senzora su jednostavnost načina rada, nepostojanje<br />
pokretnih delova kao kod senzora sa ronilom ili plovkom, te mogućnost<br />
primene za otvorene i zatvorene rezervoare sa zapaljivim ili hemijski<br />
agresivnim tečnostima. Tipični opsezi su od 0 -10 m do 0-200 m, tačnost ±<br />
0.15 –1.5% za puni opseg, odnosno ±0.4 - 0.4% za 25%-tnu promenu<br />
opsega merenog <strong>nivoa</strong>. Dužina impulsnih vodova je do 300 m.<br />
Način ugradnje hidrostatičkih senzora<br />
Hidrostatičko utopni senzori <strong>nivoa</strong> se primenjuju pre svega kod merenja<br />
<strong>nivoa</strong> u cevima ili rezervoarima malog prečnika.<br />
Hidrostatički senzori se primenjuju za merenje <strong>nivoa</strong> većine fluida u<br />
rezervoarima i tankovima, kod hemikalija sa gustim isparenjima ili gasom<br />
iznad površine, kod penušavih tečnosti, viskoznih ili korozivnih maretijala. Na<br />
Slici 12. prikazan je primer instalacije hidrostatičkih senzora <strong>nivoa</strong>.<br />
Slika 12. Primer ugradnje hidrostatičkih senzora<br />
3.13
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Senzori na principu plovka<br />
Princip rada senzora <strong>nivoa</strong> sa plovkom<br />
P<br />
lovak je valjkastog oblika, prečnika 80 -200 mm, postavljen da klizi po<br />
fiksnoj sondi. Promenom <strong>nivoa</strong> tečnosti menja se i položaj plovka na<br />
fiksiranoj sondi. Promena položaja plovka se registuje na različite načine.<br />
Tačnost senzora zavisi od načina registracije položaja plovka.<br />
Praktična realizacija senzora <strong>nivoa</strong> sa plovkom<br />
U zavisnosti od načina registrovanja položaja plovka na fiksiranoj sondi<br />
razlikujemo dva osnova tipa senzora:<br />
Senzori <strong>nivoa</strong> kod kojih kretanje plovka utiče na promenu<br />
otpornosti kontrolnog provodnika u fiksiranoj sondi. U plovku se<br />
nalazi magnet čije kretanje duž fiksirane sonde registruju read<br />
releji raspoređeni unutar sonde i menjaju otpornost kontrolnog<br />
provodnika. Svi potopni delovi su izrađeni od nerđajućeg čelika.<br />
Rezolucija ovih senzora je 5 mm, pri čemu se dimenzije sonde<br />
kreću do 3 m. Primenjuju se kod tečnosti minimalne gustine 0.5<br />
kg/dm 3 , kao i kod zapaljivih i penušavih tečnosti.<br />
Senzori <strong>nivoa</strong> kod kojih kretanje plovka utiče na promenu<br />
rezonantnih karakteristika unutar fiksirane sonde. Ovakve senzore<br />
nazivamo magnetostriktivnim senzorima <strong>nivoa</strong>. Svi potopljeni delovi su<br />
izrađeni od nerđajućeg čelika, pri čemu je maksimalna dužina sonde 3.7<br />
m. Rezolucija magnetostriktivnog senzora je 1 mm. Primenjuju se kod<br />
tečnosti minimalne gustine 0.5 kg/dm 3 , kao i kod zapaljivih, penušavih<br />
tečnosti i hemikalija.<br />
Način ugradnje senzora <strong>nivoa</strong> sa plovkom<br />
Senzori <strong>nivoa</strong> sa plovkom ugrađuju se kod normalnih i zapaljivih tečnosti gde<br />
se ne mogu primeniti kapacitivni i ultrazvučni senzori zbog gustih isparenja i<br />
pena.<br />
3.14
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Kapacitivni senzori <strong>nivoa</strong><br />
Princip rada kapacitivnih senzora <strong>nivoa</strong><br />
P<br />
rave se kao pločasti ili cilindrični kondenzatori, između kojih se nalazi<br />
tečnost čiji se nivo meri. Tečnost može biti provodna ili neprovodna.<br />
Neprovodne tečnosti imaju specifičnu provodnost manju od 10 -6 S/cm 2 .<br />
Praktična realizacija kapacitivnih senzora <strong>nivoa</strong><br />
Metalne elektrode kapacitivne sonde fiksirane su pomoću<br />
zaptivača od izolatorskog materijala i potopljene u tečnost do<br />
visine h, a ostatak prostora između elektroda H-h ispunjen je gasnom<br />
fazom (Slika 13.). Sonda je najčešće cilindrična (koaksijalna), pri<br />
čemu kao vanjska elektroda može da posluži i zid rezervoara. Za<br />
neprovodne tečnosti, kao što su nafta i njeni derivati, otpor R između<br />
elektroda je beskonačan, pa je ekvivalentni kapacitet<br />
C0 = C1+C2+C3,<br />
gde su: C1 kapacitet između elektroda na segmentu gde je između njih<br />
izolator, C3 kapacitet između elektroda u tečnoj fazi i C2 kapacitet u gasnoj<br />
fazi. Na osnovu relacije za kapacitet cilindričnog kondenzatora, dobija se da<br />
je ekvivalentni kapacitet linearno proporcionalan sa merenim nivoom h:<br />
C<br />
e<br />
= C<br />
1<br />
2πε<br />
2 ( )<br />
0ε<br />
h πε 0ε<br />
g H − h<br />
t + +<br />
= k<br />
D<br />
D<br />
ln( ) ln( )<br />
d<br />
d<br />
3.15<br />
1<br />
+ k h.<br />
U proračunima statičke karakteristike kapacitivnog senzora za neprovodne<br />
tečnosti uzima se da je C1 konstanta i da je dielektrična konstanta εg gasa ili<br />
pare približno jednaka jedinici.<br />
2
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
εg<br />
εt<br />
d<br />
Ce<br />
D<br />
(a)<br />
C1<br />
C2<br />
C3<br />
R<br />
Slika 13. Kapacitivni senzori <strong>nivoa</strong><br />
Za merenje <strong>nivoa</strong> provodnih tečnosti, tj. tečnosti sa specifičnom provodnošću<br />
većom od 10 -4 S/cm 2 , unutrašnja elektroda presvučena je slojem kvalitetnog<br />
čvrstog izolacionog materijala, obično plastikom ili teflonom (Slika 13b.).<br />
Zbog izolacije, otpor tečnosti nema uticaja na merenje i takva sonda<br />
primenljiva je i za provodne i neprovodne tečnosti. Ekvivalentni kapacitet<br />
proporcionalan je merenom nivou<br />
C2C2<br />
C3C3<br />
Ce = C1<br />
+ + = k3<br />
+ k4h<br />
'<br />
'<br />
C + C C + C<br />
2<br />
'<br />
2<br />
Praktični problemi nastaju kada se na oblogu unutrašnje elektrode natalože<br />
provodljive nečistoće. Sa opadanjem <strong>nivoa</strong>, vlažni deo elektrode spaja se na<br />
masu, pa izlaz postaje proporcionalan ne aktuelnoj, već staroj vrednosti<br />
<strong>nivoa</strong>. Uzemljenje može da se ostvari i zbog prodora vodene pare na mestu<br />
gde je priključen kabl ili zbog kondenzacije.<br />
Tačnost kapacitivnih senzora je ±0.5 –2.5%, opseg im je od 0 – 0.4 m do 0 -<br />
20 m, mogućnost primene u radnom mediju na temperaturi do 300 o C i<br />
pritisku do 10 kPa. Poželjno je da sonda ima što veću promenu kapaciteta na<br />
mernom opsegu, a obično je ∆C>10 pF. Kao što se vidi iz jednačina,<br />
kapacitet izolatora (zaptivača) i kapacitet priključnih vodova smanjuju<br />
osetljivost. Kao mera dobre konstrukcije senzora uzima se da odnos između<br />
maksimalne promene kapaciteta sonde ∆C i kapaciteta C0 kada je rezervoar<br />
prazan bude 0.25
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
veća promena kapaciteta pri malim promenama <strong>nivoa</strong>. Ako su elektrode blizu<br />
jedna drugoj, senzor radi u prekidačkom režimu. Ovakvi signalizatori <strong>nivoa</strong><br />
rade sa tačnošću od ±10 mm. Za kontinualno praćenje pomeranja kontaktne<br />
površine, tj. <strong>nivoa</strong>, jedna elektroda je fiksirana u horizontalnom položaju, a<br />
druga elektroda je materijal čiji se nivo meri. Pri tome materijal mora biti<br />
provodan, a takvim se mogu smatrati svi materijali koji imaju sadržaj vlage<br />
veći od 15%.<br />
Dobre osobine kapacitivnih senzora su: jednostavnost konstrukcije, nemaju<br />
pokretnih delova, otporni su na koroziju, a loše osobine su zavisnost tačnosti<br />
od promena koje utiču na dielektričnu konstantu materijala i pojava provodne<br />
obloge na sondi. Na kraju treba istaći da su kapacitivni senzori <strong>nivoa</strong> skuplji<br />
od ranije razmotrenih.<br />
Način ugradnje kapacitivnih senzora<br />
Pri ugradnji kapacitivnih senzora potrebno je pre svega obratiti pažnju na<br />
mesto postavljanja senzora. Naime, senzor ne sme biti izložen mehaničkim<br />
udarima. Uzastopne vibracije senzora mogu dovesti do greške pri merenju.<br />
Na Slici 14. prikazan je primer ugradnje kapacitivnih senzora.<br />
Slika 14. Primer ugradnje kapacitivnih senzora<br />
3.17
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Otpornički senzori <strong>nivoa</strong><br />
Princip rada otporničkih senzora <strong>nivoa</strong><br />
O<br />
tpornički senzori <strong>nivoa</strong> rade na principu promene otpornosti provodnika<br />
sa promenom njegovih dimenzija.<br />
Praktična realizacija otporničkog senzora <strong>nivoa</strong><br />
Sastoje se od zategnute metalne trake i otporničke žice (Slika 15.). Ispod<br />
površine provodne tečnosti ili sipkastog materijala, traka i žica su u kratkom<br />
spoju.<br />
Metalna traka<br />
3.18<br />
Izolator<br />
Otpornik<br />
Slika 15. Otpornički senzor <strong>nivoa</strong><br />
Otpor u petlji iznad površine proporcionalan je merenom nivou<br />
R = ( H − h)<br />
A<br />
ρ<br />
gde su A poprečni presek otpornika i ρ specifični otpor materijala od kojeg je<br />
napravljen otpornik.<br />
Za neprovodne tečnosti upotrebljava se isti senzor, pri čemu su traka i<br />
otpornik obavijeni elastičnom folijom, koja služi kao dobra izolacija od<br />
hemijske agresije tečnosti, ali i kao membrana koja detektuje hidrostatski<br />
pritisak. Membrana se projektuje tako da bude osetljiva na mali bočni<br />
pritisak. Čim je pritisak veći od 100 Pa, traka i otpornik su u kratkom spoju.<br />
Otpor u petlji iznad površine proporcionalan je merenom nivou. Pritisak za<br />
aktiviranje membrane određuje se prema njenim karakteristikama i vrsti<br />
tečnosti. Na primer: za vodu iznosi oko 100 Pa -a za tečnost sa manjom<br />
gustinom do nekoliko stotina paskala. Praktično to znači da do kratkog spoja
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
neće doći na samoj površini, već na dubini koja odgovara pritisku za<br />
aktiviranje membrane. Sistematska greška koja se time čini lako se otklanja u<br />
mernoj šemi za očitanje <strong>nivoa</strong>.<br />
Otpornički senzori primenjuju se za nivoe do 60 m. Njihova tačnost je ±20 -<br />
100 mm. To su jednostavni i relativno jeftini senzori. Najbolji rezultati ovim<br />
senzorima postižu se u kontinualnom merenju <strong>nivoa</strong> suvih granulastih<br />
materijala u silosima.<br />
Prethodno navedeni otpornički senzor <strong>nivoa</strong> obezbeđuje kontinualno<br />
praćenje promene <strong>nivoa</strong>. Otpornički senzori mogu takođe biti realizovani u<br />
vidu signalizatora krajnjih vrednosti <strong>nivoa</strong>, maksimalnog ili minimalnog.<br />
3.19
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Ultrazvučni senzori <strong>nivoa</strong><br />
Princip rada ultrazvučnih senzora <strong>nivoa</strong><br />
O<br />
dbijanje zvučnih, ultrazvučnih i mikrotalasnih zračenja od razdelne<br />
površine između dva fluida efikasno se primenjuje u tehnici merenja<br />
<strong>nivoa</strong>. Nivo je proporcionalan vremenu T za koje talas pređe od izvora do<br />
prijemnika zračenja (Slika 16a.):<br />
ν<br />
h = T<br />
2<br />
gde je ν brzina zvučnih talasa u mernom mediju.<br />
Praktična realizacija ultrazvučnih senzora <strong>nivoa</strong><br />
Kao izvor ultrazvuka uzima se kvarcni ili keramički pijezoelement, koji se<br />
pobuđuje električnim impulsima frekvencije oko 30 KHz (Slika 16a.). Vreme<br />
prelaza impulsa u mernom kanalu je:<br />
2h<br />
T<br />
1 =<br />
Vreme odbijanja impulsa od razdelne površine medija čiji se nivo meri<br />
proporcionalno je rastojanju razdelne površine od senzora (Slika 17.).<br />
Ultrazvučnim senzorom moguće je meriti i udaljenost razdelne površine<br />
između dva fluida koji se ne mešaju (Slika 16b.).<br />
(a)<br />
Ulrazvučni<br />
predajnik/<br />
prijemnik<br />
3.20<br />
ν<br />
(b)<br />
Slika 16. Ultrazvučni senzori <strong>nivoa</strong>
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Amplituda<br />
impulsa<br />
Slika 17. Veza vremena prostiranja impulsa i rastojanja senzora od razdelne površine<br />
Na slabljenje impulsa tokom prostiranja utiče više faktora (Slika 18.).<br />
11. . Snaga emitovanog ultrazvučnog<br />
signala<br />
22. . Gubitak snage usled vlaženja<br />
33. . Snaga ultrazvučnog signala na<br />
razdelnoj površini<br />
44. . Gubitak snage usled upijanja od<br />
strane razdelne površine<br />
55. . Snaga ultrazvučnog signala<br />
reflektovanog o razdelnu površinu<br />
66. . Gubitak snage usled vlaženja<br />
77. . Snaga ultrazvučnog signala na<br />
prijemniku senzora<br />
Slika 18. Slabljenje ultrazvučnog impulsa tokom prostiranja<br />
Osnovne odlike ultrazvučnih senzora su: tipični opseg od 0.6 do 70 m,<br />
tačnost ±0.1%, napon napajanja 24 V, 110 V, 220 V frekvencije 50 do 60 Hz,<br />
ili 24 V jednosmerne struje, te mogućnost rada pri temperaturi od -30 do +75<br />
o C i pritisku od 0.03 do 0.3 MPa. Za pravilan rad ultrazvučnog senzora<br />
neophodna je mirna površina i odsustvo lažnih refleksa sa bočnih zidova ili<br />
sa gornjeg zida rezervoara.<br />
3.21<br />
Emitovani<br />
impuls<br />
Primljeni<br />
impulsa<br />
Vremenska<br />
osa<br />
2<br />
4<br />
1 7<br />
6<br />
3<br />
5
Savremena merenja i regulacija-osnovni kurs<br />
Način ugradnje ultrazvučnih senzora<br />
Pri ugradnji ultrazvučnih senzora kod tečnosti i sitnozrnastih materijala<br />
potrebno je obraditi pažnju da senzor registruje nivo najmirnijeg dela<br />
razdelne površine, kao i pravilno usmeravanje ultrazvučnog snopa (Slika<br />
19.).<br />
Slika 19. Položaj ultrazvučnih senzora pri ugradnji<br />
Ultrazvučni senzori <strong>nivoa</strong> mogu se primeniti i za merenje protoka na<br />
otvorenom kanalu, pri čemu se profil kanala mora precizno definisati (Slika<br />
20.).<br />
Slika 20. <strong>Merenje</strong> protoka na otvorenom kanalu<br />
3.22