Specyfika przebiegu wielu procesów technologicznych nakłada konieczność automatyzacji operacji pomiaru poziomu stanu lub objętości. Dużą korzyścią płynącą z automatyzacji operacji pomiaru jest możliwość pozyskiwania danych pomiarowych w sposób ciągły – nie zaś tylko w postaci dyskretnych wyników pomiaru uzyskiwanych w określonych odstępach czasu. Jeśli zużycie zmienia się w sposób możliwy do przewidzenia, dane otrzymywane w postaci dyskretnych wyników pozyskiwanych w ściśle określonych momentach czasu mogą być wystarczające – w przeciwnym wypadku pomiary prowadzone w sposób ciągły są bardziej praktyczne i efektywne.
Dostępnych jest wiele rozwiązań technologicznych umożliwiających dokonywanie pomiarów zarówno w trybie ciągłym, jak i kroków dyskretnych. Co więcej, większe zróżnicowanie występuje nawet wśród czujników przeznaczonych do pomiarów ciągłych. Przykładem są tu chociażby zastosowania w wykorzystywanych „od wieków” różnorodnych systemach technicznych.
Weźmy pod uwagę typowy cylindryczny zbiornik zainstalowany na boku. W takim przypadku nieliniowość objętości substancji wynika ze stale zmieniającej się średnicy magazynowanej substancji wraz ze zmianą poziomu cieczy w zbiorniku. Wyzwaniem staje się obliczenie rzeczywistej objętości substancji w odniesieniu do tych zmian. Odpowiedź leży w geometrii zbiornika pozwalającej na obliczenie rzeczywistego poziomu w oparciu o znane parametry zbiornika, tj. wysokość i średnicę.
Wyprowadzanie równań nie jest w tym przypadku konieczne – wystarczy tylko sięgnąć do właściwych źródeł, by znaleźć gotowe równania z niewiadomymi w postaci promienia i długości zbiornika oraz bieżącej wysokości cieczy w zbiorniku. W aktualnych warunkach przemysłowych użytkownik zazwyczaj nie musi nawet robić takich obliczeń. Zainstalowane czujniki wykorzystują wiele technologii pomiaru, mając same w sobie zdolność określania objętości dla nieregularnych kształtów z jednoczesną możliwością przeliczenia jej na ciężar, masę itp. Po wprowadzeniu znanych parametrów – na przykład średnicy zbiornika i wykorzystywanych jednostek miary – oraz maksymalnej wartości skali odpowiadającej napełnieniu zbiornika na poziomie 100%, czujnik ma możliwość wykorzystania standardowego algorytmu dla tego typu parametrów, ustalając dane na wyjściu w postaci objętości substancji magazynowanej w oparciu o dane dotyczące bieżącego poziomu cieczy w zbiorniku. W przypadku zastosowania tego typu algorytmów ma miejsce zmniejszenie dokładności odczytu – jest ono jednakże niewielkie. W zastosowaniach wymagających niskiego poziomu niepewności pomiaru, między innymi takich jak aplikacje kontrolujące bieżący poziom zapasów, może się okazać, że wykorzystanie tego typu wewnętrznych kalkulacji jest niewystarczające.
Technologia pomiaru poziomu stanu
Technologia pomiaru poziomu stanu jest kluczowym zagadnieniem wielu systemów kontroli w procesach związanych z przemysłem chemicznym, rafineryjnym czy ochroną środowiska. Oprócz określania wartości granicznych zabezpieczających przed przepełnieniem, kontroli stanów min.–maks., ma ona również ogromne znaczenie w przypadku zabezpieczania przed przelaniem się lub „pracy na sucho”. Zagadnienie ciągłego pomiaru poziomu stanu jest również bardzo istotne z punktu widzenia problematyki precyzyjnego zarządzania stanem zapasów.
Poza gotowością operacyjną i niezawodnością działania, istotnymi korzyściami ciągłego pomiaru poziomu są również dokładność pomiaru i koszt posiadania. W dzisiejszych czasach bardziej niż kiedykolwiek każda decyzja musi być poprzedzona uważną oceną tego, które z technik pomiarów są odpowiednie w stosunku do konkretnych procesów i środków oraz jak będzie kształtował się długookresowy trend w odniesieniu do kosztów użytkowania systemu. Należy pamiętać, że żadna z technologii pomiaru nie jest uniwersalna i tym samym satysfakcjonująca w przypadku każdego zastosowania przemysłowego.
Czujniki sterowane mikrofalami
Systemy sterowane mikrofalami są na dzisiejszym rynku coraz bardziej popularne. W przeciwieństwie do systemów radiolokacyjnych czy ultradźwiękowych, w tym przypadku pomiary wykonywane są przez kontakt z substancją znajdującą się w zbiorniku. Impulsy mikrofalowe nie są nadawane swobodnie, lecz prowadzone za pośrednictwem przewodu lub pręta czujnika. Czas przelotu impulsu odpowiada odległości mierzonej pomiędzy łącznikiem procesu i powierzchnią produktu.
Czujniki sterowane mikrofalami są przyrządami, których działanie zostało oparte na czasie przelotu i pracują zgodnie z zasadami reflektometrii w dziedzinie czasu (TDR – time-domain reflectometry). Transmitują one powtarzalne impulsy w przedziałach mikrosekundowych z czasem trwania impulsu (szerokością impulsu) mierzonej w skali nanosekundowej. Impulsy te odbijane są od powierzchni medium (substancji w zbiorniku) i wyznaczana jest ich wartość poprzez próbkowanie z czasem przesunięcia jako charakterystyka odbicia echa.
Specjalne algorytmy i wielokrotne próbkowanie charakterystyk odbicia echa dają dokładne odwzorowanie przestrzennej sytuacji pomiędzy źródłem fali a miejscem jej odbicia. Charakterystyka echa jest przeliczana na proporcjonalną odległość lub poziom sygnału o rozkładzie zaledwie kilku milimetrów. Pomiar nie jest wrażliwy na temperaturę, ciśnienie czy warstwy gazów w zbiorniku. Dokładność pomiaru jest niezależna od zmiany substancji w zakresie gęstości lub wilgoci. Z drugiej jednak strony obok korzyści płynących ze sposobu przekazywania sygnałów i rzeczywistego braku wpływu czynników zewnętrznych występują zjawiska niekorzystne wynikające z konieczności kontaktu z magazynowaną substancją.
Czujniki sterowane mikrofalami doskonale nadają się do zastosowania w niemal wszystkich procesowo-powiązanych systemach, w których istnieje konieczność pomiaru poziomu napełnienia zbiornika cieczami lub innymi towarami płynnymi lub w stanie sypkim. Są one bardzo często wykorzystywane w rozwiązaniach stosowanych w branży chemicznej, przemyśle petrochemicznym, a także przemyśle zajmującym się przetwórstwem surowców mineralnych, wody lub odpadów wodopochodnych. Korzyści z zastosowania czujników sterowanych mikrofalami zauważalne są również w obszarach, gdzie niezawodność pomiarów dotąd stanowiła problem – na przykład w małych zbiornikach przetwórczych, w których występowało zjawisko pienienia się lub burzliwości albo w przypadku substancji o niskim poziomie dielektryczności. Korzyści takie to między innymi:
• niezawodność pomiarów substancji proszkowych nawet w trakcie napełniania,
• możliwość realizacji pomiarów substancji ciekłych nawet w przypadku kapania lub tworzenia się piany,
• rzeczywisty brak zakłóceń powodowanych przez instalowane elementy lub podpory, chropowate ściany zbiornika, falistość pokrycia zbiornika czy wąskie cele silosów,
• niezależność pomiaru od właściwości substancji ciekłych lub sypkich, takich jak gęstość, wartość dielektryczna, korozyjność chemiczna czy przewodnictwo,
• wysoka niezależność od wpływu czynników przetwórczych, takich jak ciśnienie, temperatura, ruchoma powierzchnia substancji w zbiorniku, piana, mgła i kurz.
Aspekt ekonomiczny
Uniwersalność i zakres dostępnych aplikacji daje technologii sterowania mikrofalami wyraźną przewagę i stanowi obiecującą alternatywę w stosunku do innych technologii ciągłego pomiaru poziomu stanu. Znaczącymi elementami, które przyczyniają się do takiego stanu rzeczy, są: nieskomplikowane działanie, elastyczna instalacja oraz niskie wymagania konserwacyjne aplikacji opartych na tej technologii. Prosty pulpit operatora z obsługiwanym przez menu interfejsem użytkownika i interfejsem PC umożliwiają jego konfigurowanie w zależności od dodatkowych potrzeb – umożliwiając na przykład zachowanie krzywej charakterystyk dla potrzeb linearyzacji zbiornika.
Krytycznymi czynnikami ekonomicznego i efektywnego wykorzystania zastosowanego systemu pomiarowego są konkretne warunki, w których będzie on wykorzystywany, oraz wskaźnik cena/uzyskiwane wyniki. Zawsze należy pamiętać, że żaden z systemów pomiarowych nie oferuje optymalnego rozwiązania dla dowolnego zastosowania. W większości przypadków zastosowanie mogą jednak znaleźć systemy oparte na pomiarze czasu przelotu.
Mike Mendicino jest menedżerem produktu w firmie Pepperl+Fuchs.
Czujniki pomiaru sterowane mikrofalami stają się obiecującą na przyszłość technologią ciągłego pomiaru poziomu stanu
Autor: Mike Mendicino
