Metodele folosite pentru masurarea nivelului intr-un rezervor

Metodele folosite pentru masurarea nivelului intr-un rezervor

. Metoda conductivitatii electrice

. Metoda ultrasonica si sonica

. Metoda capacitatii electrice

. Metoda presiunii hidrostatice

. Metoda cu microunde

Alegerea metodei potrivite pentru o aplicatie particulara se poate face intelegand principiul de functionare si teoria lui.

1 Metoda conductivitatii electrice

Nivelul unui lichid conductor se poate determina masurand conductanta electrica intre doi electrozi introdusi in vasul ce trebuie monitorizat. Metoda este simpla si ieftina. Conductanta electrica K este inversul rezistentei electrice R:

K=1/R= S/(r ·l) = H·L/(r ·l) [K]_SI = W^-1 = Siemens unde:

r - rezistivitatea electrica a lichidului [W ·m]

l - distanta dintre electrozi

S = H·L - aria electrozilor acoperita de lichid

L - latimea electrozilor

H - nivelul lichidului.

Figura 3. Masurarea conductiva a nivelului cu doua sonde care detecteaza nivelul maxim si minim dintr-un rezervor.

Se poate mentine nivelul intre doua limite folosind doua perechi de electrozi cu lungimi diferite. Cand nivelul lichidului atinge perechea scurta se opreste alimentarea rezervorului, iar cind este sub nivelul perechii lungi se porneste alimentarea rezervorului.

Fenomenul de electroliza poate coroda electrozii sau contamina lichidul vizat. Se minimizeaza aceste efecte folosind pentru electrozi materiale inerte chimic si tensiuni de masura sub 1V.

2 Metoda ultrasonica si sonica

Se emite un impuls acustic scurt catre suprafata lichidului si timpul dupa care revine sunetul (ecoul) determina nivelul materialului din rezervor. Mai precis, distanta D dintre sursa acustica si suprafata lichidului din rezervor determina timpul:

t= D/v = Distanta / viteza sunet

Domeniul frecventelor utilizate este ultrasonic ~20-200kHz sau audibil ~10kHz.

Figura 4. In metoda sonica de masurare a nivelului un traductor montat in partea de sus a rezervorului trimite impulsuri sonore in jos spre materialul din rezervor pentru a-i determina nivelul.

Materialele piezoelectrice se folosesc pentru conversia semnalelor electrice in unde sonore si pentru sesizarea undelor acustice. In aplicatii trebuie stiut ca:

• Viteza sunetului in aer variaza cu temperatura. Un senzor de temperatura va trebui sa compenseze aceasta variatie ce influenteaza distanta calculata si masuratoarea de nivel.
• Spuma de la suprafata materialului actioneaza ca absorbant de sunet. In anumite cazuri acest fenomen exclude folosirea ultrasunetului.
• Turbulenta mare a lichidului poate cauza fluctuatii ale indicatiilor instrumentului. Medierea semnalului ajuta la diminuarea acestei probleme ca si utilizarea unui ghid de unda.

3 Metoda capacitatii electrice

Metoda foloseste modificarea capacitatii electrice pentru masurarea nivelului dintr-un vas. Este utila pentru lichide, paste sau granule izolante electric. Frecventele folosite sunt de la 30kHz la 1MHz. Doi conductori plani separati de distanta 'd' au capacitatea electrica:

C = e_o·e_r·A/d unde:

e_o = permitivitatea absoluta a vidului
        e_r = permitivitatea relativa a materialului izolator (lichidul)
Figura 5. Principiul de functionare pentru metoda capacitatii.

Electrodul sesizor este o bara inserata in rezervor, iar peretele metalic al rezervorului este celalalt electrod. Pentru rezervoarele nemetalice trebuie introdus si al doilea electrod in rezervor. Cu vasul gol dielectricul este aerul si avem o valoare minima a capacitatii. Cand in vas este o anumita cantitate din materialul izolator monitorizat se modifica constanta dielectrica dintre electrozi pe portiunea acoperita de material. Capacitatea creste liniar cu cresterea nivelului din vas.

Pentru materiale conductoare se foloseste un electrod central acoperit cu un strat izolator (Teflon sau Kynar). Celalalt electrod este chiar lichidul conductor conectat electric la vasul metalic. Capacitatea este proportionala cu nivelul. Masuratoarea nu este afectata de schimbarile de temperatura sau de compozitia materialului procesat.  

Figura 6. Electrodul sesizor din metoda capacitiva pentru masurarea nivelului lichidului este conectat la un transmitator din exteriorul vasului.

Depunerile de pe electrozi ce apar in anumite cazuri afecteaza precizia masurarii de nivel. Un circuit capabil sa determine componenta rezistiva si capacitiva a impedantei poate deosebi semnalul capacitiv util datorat schimbarii de nivel de cel parazit al depunerilor de pe electrodul de sesizare. Impedanta este:

Z = R + 1/(j·2·p ·f C) (2) unde:    

R = rezistenta in ohmi            
            j = (-1)^1/2 C = capacitatea
            p = 3,1416              f = frecventa de masurare

4 Metoda presiunii hidrostatice

O metoda veche si mult folosita pentru determinarea nivelului unui lichid foloseste masurarea presiunii hidrostatice exercitate de coloana de lichid asupra vasului. Relatia de baza este:

P = d·g·H sau H = P/(d·g) unde:    

P = presiunea
            g = acceleratia gravitationala
            H = inaltimea coloanei de lichid
            d = densitatea

Densitatea lichidului variaza cu temperatura. Pentru masurari de precizie ridicata se impune compensarea variatiei densitatii cu temperatura, ca in cazul jojelor hidrostatice (hydrostatic tank gauging, HTG).

Instrumentele pentru masurarea presiunilor diferentiale (celulele DP), folosite initial la masurarea caderii de presiune pe un orificiu (diafragma) dintr-o conducta pentru monitorizarea debitului, se pot adapta usor pentru masurarea nivelului. Pentru rezervoarele deschise se conecteaza conducta de presiune mare la fundul vasului, iar cealalta catre atmosfera. Pentru rezervoarele presurizate conducta de presiune mare se conecteaza la fundul vasului, iar cea de presiune mica la partea de sus a vasului, astfel instrumentul raspunde doar la schimbarile de nivel ale lichidului.

Figura 7. Joja hidrostatica, sau metoda presiunii diferentiale, determina nivelul lichidului din rezervor (hydrostatic tank gauging HTG).

Pot crea probleme lichidele 'murdare' si cheltuielile pentru instalarea conductelor de masura.

Sistemele HTG furnizeaza informatii precise privind nivelul, masa, densitatea si volumul continutului din fiecare rezervor, permitind un inventar corect al transferurilor de lichid in depozite. Valorile masurate se pot transmite digital intr-o retea catre un computer centralizator.

Sistemul simplificat din figura are doar un transmitator de presiune (PT) cu un transmitator de temperatura (TT) si un transmitator de nivel (LT) pentru detectarea acumularii de apa in partea de sus a rezervorului. Masa (greutatea) continutului se calculeaza din presiunea hidrostatica (masurata de PT) inmultita cu aria bazei rezervorului. Cu relatia temperatura-densitate a lichidului se calculeaza volumul si nivelul. Datele se trimit unui sistem computerizat pentru monitorizare continua si eventual facturare.

Transmitatorul de nivel (LT), montat oblic in partea de sus a rezervorului, detecteaza acumularile de apa pe suprafata petrolului si permite corectarea precisa a nivelului de petrol.

Sistemele mai noi utilizeaza un transmitator de presiune de forma unei tevi din otel inox (similar probelor termometrice). Joja se introduce pina la fundul rezervorului. Conexiunile electrice din partea superioara merg catre un sistem de afisare care transmite informatia spre centrul de monitorizare, inregistrare si control.

Metoda cu microunde

Metoda foloseste de obicei microunde din banda X (10 GHz). Din partea de sus a rezervorului se trimite un fascicul de microunde spre suprafata continutului din rezervor. Fasciculul reflectat este receptionat dupa un anumit timp. Acest timp este utilizat pentru determinarea nivelului.

In metoda undei continue modulate in frecventa (frequency-modulated continuous wave FMCW) se transmite un semnal la care frecventa variaza liniar in timp pe o banda de frecvente data. Din cauza intirzierii fasciculul receptionat va avea alta frecventa decat cel ce se transmite. Prin heterodinarea (amestecul) celor doua semnale se obtine un nou semnal cu frecventa proportionala cu distanta. Noua frecventa este o masura foarte precisa a nivelului din rezervor. Frecventa variaza de la 0 la ~200 Hz cind distanta variaza de la 0 la 60 m. Metoda are o mare imunitate la zgomote.

Metoda in impuls masoara timpul de tranzit al impulsului de microunde pentru a calcula nivelul lichidului. Fiind de putere mai mica decat FMCW, performanta tehnologiei este influentata de obstructiile dimensionale din rezervor, spuma si de constanta dielectrica mica a materialului vizat (e_r<2).

Antenele folosite pot fi parabolice, 'farfurie' sau conice. Cele conice creaza un fascicul mai ingust. Alegerea antenei este dictata de existenta gituirilor (sicane) in rezervor, a spumei sau turbulentelor in fluidul vizat.

Figura 8. Metoda radar (cu microunde) de masurare a nivelului poate utiliza oricare din cele doua tipuri de antene plasate in partea de sus a vasului monitorizat.

Metoda ghidului de unda (guided-wave radar GWR) este invaziva si utilizeaza o bara sau un cablu pentru ghidarea microundelor. Baza teoretica a metodei GWR o constituie reflectometria in domeniul timp (time-domain reflectometry TDR), care a fost utilizata de ani de zile pentru localizarea rupturilor in cablurile subterane lungi sau in peretii cladirilor.

Un generator TDR genereaza 200 000 pulsuri de microunde pe secunda ce se vor propaga in sus si in jos prin ghidul de unda. Constanta dielectrica a fluidului masurat schimba impedanta ghidului si reflecta unda. Timpul de tranzit al pulsurilor este o masura a nivelului.

Propagarea eficienta a microundelor in ghidul de unda minimizeaza degradarea semnalului. Se pot astfel masura materiale cu constanta dielectrica mica (e_r<1,7) fara influente din partea turbulentelor din lichid, spumei, depunerilor sau obstructiilor mecanice din rezervor. Fiind o metoda invaziva, joja poate fi afectata de coroziune din partea lichidului vizat sau de lovire din partea agitatoarelor mecanice.

Selectarea celei mai bune metode de masurare a nivelului:

Figura 9. Costurile initiale variaza cu tehnologia de masurare a nivelului

Cinci informatii definesc tipul tehnologiei de masurare a nivelului:

. Materialul de masurat.

. Caracteristicile materialului: consistenta (lichid, pasta, solid, granule, pulbere), interfata, constanta dielectrica, conductivitatea electrica (S/m), viscozitatea centipoise (cP) si densitatea (kg/m³).

. Procesul tehnologic: ce valori minime si maxime de temperatura si presiune sunt, prezenta turbulentei, materialul din care e realizat rezervorul, gradul de protectie antiexploziva si corozivitatea.

. Functia rezervorului: reactor, stocare, separare si o schema a vasului cu precizarea nivelului 0% si 100%, prezenta unui agitator si a altor obstructii interne.

. Alimentarea electrica: 220 V~, 24 V~, etc.