Metodele folosite pentru masurarea nivelului intr-un rezervor sunt:

• 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.

Metoda conductivitati 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 1. 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 cand 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.

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:

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

Figura 2. 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 temperature 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.

Metoda foloseste modificarea capacitati electrice pentru masurarea nivelului dintr-un vas. Este utila pentru lichide, paste sau granule izolante electric. Frecventele folosite sunt de la 30kHz la 1MHz.

Doi conductori plani separati de distanta "d" au capacitatea electrica:

unde: e_o = permitivitatea absoluta a vidului
        e_r = permitivitatea relativa a materialului izolator (lichidul)
        A = aria suprafetei comune a conductorilor

Figura 3. Principiul de functionare pentru metoda capacitatii.

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

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

Substanta	er
Alcool izopropilic Benzina Kynar Ulei mineral Apa pura Nisip Zahar Teflon	18.3 1.8 8.0 2.1 80.0 4.0 3.0 2.0

Figura 4. Electrodul sesizor din metoda capacitiva pentru masurarea nivelului lichidului este conectat 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
            p = 3,1416
            f = frecventa de masurare
            C = capacitatea

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 ).

Figura 5. Joja hidrostatica, sau metoda presiunii diferentiale, determina nivelul lichidului din rezervor (hydrostatic tank gauging HTG).

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

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

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

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

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

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.

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

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

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

Figura 6. Metoda radar (cu microunde) de masurare a nivelului poate utiliza oricare din cele doua tipuri de antene plasate in partea de sus a vasului monitorizat.

3. Metoda ghidului de unda (guided-wave radar GWR) este invaziva si utilizeaza o bara sau un cablu pentru ghidarea microundelor. Baza teoretica a metodei GWR o constituie reflectometria in domeniul timp (time-domain reflectometry TDR), care a fost utilizata de ani de zile pentru localizarea rupturilor in cablurile subterane lungi sau in peretii cladirilor. Un generator TDR genereaza 200 000 pulsuri de microunde pe secunda ce se vor propaga in sus si in jos prin ghidul de unda. Constanta dielectrica a fluidului masurat schimba impedanta ghidului si reflecta unda. Timpul de tranzit al pulsurilor este o masura a nivelului.

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 lichiului vizat sau de lovire din partea agitatoarelor mecanice.

Selectarea celei mai bune metode

Ghideaza-te dupa figurile 7 si 8.

Figura 7. Unei aplicatii date ii corespunde o anumita tehnica de masurare a nivelului.

Figura 8. 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), vascozitatea 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.

Bibliografie

1. Bacon, J.M. June 1996. “The changing world of level measurement,” InTech.
2. Boyes, W. Feb. 1999. “The Changing State of the Art of Level Measurement,” Flow Control.
3. Carsella, B. Dec. 1998. “Popular level-gauging methods,” Chemical Processing.
4. Considine, D.M. 1993. “Fluid Level Systems,” Process/Industrial Instruments & Control Handbook. 4th Ed. New York, McGraw-Hill:4.130-4.136.
5. Gillum, D.R. 1995. “Industrial Pressure, Level, and Density Measurement,” ISA Resources for Measurement and Control Series. Research Triangle Park, NC, Instru ment Society of America.
6. Johnson, D. Nov. 1998. “Process Instru mentation’s ‘Utility Infielder,’ ” Control Engi neering.
7. Koeneman, D.W. July 2000. “Evaluate the Options for Measuring Process Levels,” Chemi cal Engineering.
8. “Level Measurement.” 1995. Instrument Engineer’s Handbook: Process Measure ments and Analysis, B.E. Liptak, Ed., 3rd Ed., Vol. 2. Radnor, PA, Chilton Book Co.:269-397.
9. “Level Measurement and Control.” Apr. 1999. Measurements & Control:142-161.
10. “Level Measurement Systems.” 1995. Omega Complete Flow and Level Measure ment Handbook and Encyclopedia. Vol. 29, Stamford, CT, Omega Engineering Inc.
11. “Level measurement, tank gauging sectors grow, diversify,” Apr. 1999. Control Engi neering:13.
12. Owen, T. Feb. 1999. “Advanced Elec tronics Overcome Measurement Barriers,” Control.
13. Parker, S. 1999. “Selecting a level device based on application needs,” Chemical Proc essing, 1999 Fluid Flow Manual:75-80.
14. Paul, B.O. Feb. 1999. “Seventeen Level Sensing Methods,” Chemical Processing.
15. Ramirez, R.C. Oct. 1999. “Microwaves calm down black liquor recovery,” InTech:50-53.
16. RF Level Measurement Handbook. 1999. Princo Instruments Inc.