SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

MJERENJA U TEHNOLOŠKIM PROCESIMADRUGI SEMINAR

Osjetila razineBruno Dan

Zagreb, lipanj, 2014

Sadržaj

1. Uvod.....................................................................................................................1

2. Osjetila razine ......................................................................................................22.1 Mjerenje razine pomoću plovka i ronila .........................................................2

2.1.1 Gustoća plovka manja od gustoće tekućine – plovak pluta na površini: ........... 3

2.1.2 Gustoća plovka veća od gustoće tekućine – plovak je uronjen u tekućinu: ...... 4

2.2 Mjerenje razine mjerenjem tlaka ...................................................................52.2.1 Mjerenje razine mjerenjem hidrostatskog tlaka: ............................................... 6

2.2.2 Mjerenje razine pomoću mjehurića zraka ........................................................ 7

2.3 Električni pretvornici razine ...........................................................................82.4 Ultrazvučni pretvornici razine ........................................................................92.5 Radioaktivni pretvornici razine ....................................................................102.6 Optički pretvornici razine.............................................................................11

2.6.1 Mjerenje intenziteta reflektiranog svjetla ....................................................... 12

2.6.2 Mjerenje transmisije...................................................................................... 12

2.6.3 Mjerenje razine temeljeno na totalnoj refleksiji.............................................. 13

2.7 Mjerna osjetila razine sipina i krutina ..........................................................14

3. Zaključak ............................................................................................................16

4. Literatura ............................................................................................................17

5. Sažetak ..............................................................................................................18

1

1. Uvod

Mjerenje je postupak kojim se ostvaruju informacije o fizičkoj ili kemijskoj prirodi

promatranog procesa. Može služiti u svrhu: promatranja procesa, vođenja procesa ili

eksperimentalne analize.

Mjerenje se izvodi mjernim instrumentom. Svaki mjerni instrument se u pravilu sastoji od:

osjetila, pretvornika i pokazivala.

Osjetilo je tehnički element koji neposredno osjeća promjene u procesu i na svom izlazu

daje odziv koji je analogan ulaznoj fizikalnoj veličini.

Pretvornik je tehnički element koji izlaznu veličinu osjetila pretvara u analognu fizikalnu

veličinu prikladnu za prijenos ili dovod na pokazivalo. Energija što je daje pretvornik

obično je mehanička ili električna, iskazana kao standardizirani signal (0.2 - 1 bar ili 4 - 20

mA).

Slog koji služi za osjećanje i pretvorbu naziva se općenito mjerni pretvornik.

Pokazivalo je tehnički element koji na neki način pokazuje vrijednost mjerene veličine.

Mjerni pretvornici, koji se najčešće pojavljuju u vođenju procesa su: mjerni pretvornici

tlaka, temperature, protoka i razine. Njihovo vladanje je usko povezano s tipom mjerene

veličine i osjetila koji se upotrebljavaju za odgovarajuće mjerenje.

Razinu definiramo kao visinu stupca kapljevine (ili sipkog materijala) u nekom spremniku,

reaktoru ili nekoj drugoj procesnoj jedinici. Uobičajena oznaka za razinu je h i izražava se u

metrima, h (m).

2

2. Osjetila razine

Upotrebljavaju se pretvornici za kontinuirano mjerenje razine i pretvornici što služe samo

za dojavu određene razine. Obje ove vrste izvode se sa slijedećim vrstama osjetila:

- plovkom ili ronilom

- tlačnim osjetilom

- osjetilom sile

- električnim, kapacitivnim ili otporničkim osjetilom

- radioaktivnim osjetilima

- optičkim osjetilima

- toplinskim osjetilima

- zvučnim osjetilima

2.1 Mjerenje razine pomoću plovka i ronila

Plovak i ronilo su osjetila koja djeluju na načelu Arhimedova zakona. Plovak se izvodi od

materijala manje gustoće od gustoće kapljevine pa pliva na površini slijedeći neprekidno

njene promjene. Ronilo je izvedeno iz materijala veće gustoće od kapljevine pa je pri

mjerenju uronjeno u kapljevinu. Ronilo ne slijedi neposredno pomake razine, već promjene

razine djeluju na ravnotežu sila ronilo-pero. Pri tomu nastali pomaci ronila mjera su razine.

Slika 1: Pretvornici razine s plovkom

3

2.1.1 Gustoća plovka manja od gustoće tekućine – plovak pluta na površini:

Izvode se kao diskretna i kao kontinuirana mjerila razine:

Slika 2: Mjerenje razine pomoću plovka manje gustoće od tekućine

Karakteristike mjerila razine s plovkom:

- točnost: 1% pune skale

- u izvedbi diskretnog mjerila razine često se koriste u kombinaciji s

drugim kontinuiranim mjerilima razine (ultrazvučni, kapacitivni, ..)

- zahtjev za čistoćom zbog pokretnih dijelova

4

2.1.2 Gustoća plovka veća od gustoće tekućine – plovak je uronjen u tekućinu:

Za razliku od plovka koji se pomiče zajedno s površinom tekućine čija razina se mjeri,

kod ove izvedbe tijelo je više ili manje uronjeno u tekućinu.

Slika 3: Gustoća plovka veća od tekućine

Karakteristike:

- točnost: 0.5% pune skale.

- standardne izvedbe pokrivaju raspon od 0.35 m do 1.5 m, posebne izvedbe do 18 m.

- nisu prikladni za mjerenje razine ljepljivih tekućina

5

2.2 Mjerenje razine mjerenjem tlaka

Povezanost hidrostatskog tlaka i razine se koristi za tlačna mjerila. Jednostavan način

mjerenja je ugradnja dvaju manometara pri dnu i na vrhu spremnika.

Manometar pri dnu pokazuje tlak P2 koji je jednak zbroju hidrostatskog tlaka i tlaka

iznad kapljevine P2 = ρ*g*h + P1 . Razlika dvaju tlakova omogućuje mjerenje razine:

Promjena sastava kapljevine, ili temperatura, mogu utjecati na varijacije gustoće tako da je

potrebno točno poznavati gustoću za precizno mjerenje razine. Drugi način tla- čnog

mjerenja razine zasniva se na mjerenju tlaka zraka u kapilari. Pomoću regulatora tlaka zraka

u kapilari postepeno se otvara ventil i povećava tlak. U početku kada je tlak u kapilari manji

od hidrostatskog tlaka povećanje otvora ventila ima za posljedicu poveća- nje tlaka, sve dok

se tlak u kapilari ne izjednači sa hidrostatskim tlakom. Pri tom tlaku iz kapilare izlazi zrak u

obliku mjehurića i daljnjim otvaranjem ventila se tlak više ne mije- nja. Razina se

izračunava iz hidrostatske formule.

Slika 4: Tlačno osjetilo razine

6

2.2.1 Mjerenje razine mjerenjem hidrostatskog tlaka:

Slika 5: Mjerenje hidrostatskog tlaka

Karakteristike:

-točnost:o 0.5 do 2% pune skale za diskontinuirana mjerila razine (prekidači)o 0.1 do 0.5% pune skale za mjerila razine s diferencijalnim mjerilom tlakao 0.1 do 0.2% pune skale za mjerila razine s diferencijalnim mjerilom tlaka i

temperaturnom kompenzacijom.Raspon: gornja granica je ograničena samo fizičkim dimenzijama rezervoara, budući dasu diferencijalna mjerila tlaka raspoloživa u rasponu do 7MPa.

7

2.2.2 Mjerenje razine pomoću mjehurića zraka

Budući da nije uvijek moguća ugradnjamjerila tlaka na dno rezervoara, rješenje je"prenijeti" hidrostatski tlak s dna napovršinu.

Najčešće se koristi kod otvorenih rezervoarakoji sadrže korozivnu, ljepljivu ili viskoznutekućinu.

Tlak p u sustavu će ovisiti o razinitekućine

Mjehurić se stvara kada se izjednačihidrostatski tlak i tlak u sustavu.

Slika 6: Mjerenje razine pomoćumjehurića zraka

8

2.3 Električni pretvornici razine

Izvode se na načelu promjene električnog otpora ili kapaciteta između elektroda uronjenih

u kapljevinu.

Slika 7: Električna osjetila razine

9

2.4 Ultrazvučni pretvornici razine

Potrebno je imati predajnik i prijamnik ultrazvuka. Trajanje putovanja zvučnog vala mjera

je razine.

Slika 8: Ultrazvučni pretvornici razine

10

2.5 Radioaktivni pretvornici razine

Zrake iz prikladno smještenog izvora zračenja prolaze kroz posudu do detektora

redioaktivnog zračenja. Što je razina viša, to je veća apsorpcija radioaktivnih zraka i signal

na izlazu iz detektora je manji. Ovi pretvornici razine su prikladni za mjerenje različitih

vrsta tvari i jedino se iz zdravstvenih razloga ne primjenjuju u prehrambenoj industriji.

Slika 9: Radioaktivna osjetila razine

11

2.6 Optički pretvornici razine

Princip rada se temelji na apsorpciji svjetlosnih zraka u kapljevini ili na

refleksiji svjetlosnih zraka od površine kapljevine.

Slika 10: Optička osjetila razine

12

2.6.1 Mjerenje intenziteta reflektiranog svjetla

Senziranje određene vrijednosti razine.

Slika 11: Bezkontaktno osjetilo razine

2.6.2 Mjerenje transmisije

Dolaskom prepreke između odašiljača i prijamnika, dolazi do promjene intenziteta ili

potpunog prekida svjetlosne trake.

Slika 12: Transmisijsko optičko osjetilo razine

13

2.6.3 Mjerenje razine temeljeno na totalnoj refleksiji

Uranjanjem prizme u tekućinu gubi se uvjet totalne refleksije.

Slika 13: Refleksiono optičko osjetilo razine

14

2.7 Mjerna osjetila razine sipina i krutina

Pri mjerenju razine sipina i krutina iskorištena su načela poznata pri mjerenju razine

kapljevina, ali uz određene preinake ili usavršenja:

a. u plovak se ugrađuje vibrator, pa neprekidne vibracije što ih proizvodi omogućuju

plovku "plivanje" na površini materijala,

b. plovak se može periodički dizati i spuštati do površine materijala,

c. tlak materijala na metalnu dijafrgamu ugrađenu u plašt spremnika ili posude kao osjetilo

tlaka mjera je razine materijala,

d. razina se može učiniti razmjerna težini, pa je spremnik oslonjen na pretvornik sile.

Slika 14: Osjetila razine sipina i krutina

Razina sipina i krutina može se mjeriti uz pomoć vijka s lopaticama. Kada se vijak vrti u

praznom prostoru snaga motora je mala. Raste li razina sipine i prekrije li vijak porasti će i

potrebna snaga motora.

Pri mjerenju razine sipina i praškastih materijala u metalurgiji česta je i upotreba

radioaktivnih i ultrazvučnih mjerila.

Slika 15: Pretvornik razine vijkom

15

Slika 16: Mjerenje razine sipina i krutina uz pomoć radioaktivnog i ultrazvučnog pretvornika

16

3. Zaključak

Današnji mjerni instrumenti najčešće se izvode tako, da se mjerni signali neelektričkih

veličina pretvaraju iz primarnih u sekundarne, a zatim se sekundarni pretvaraju u analogne

električne signale. Električni signali se onda pretvaraju u standardizirane naponske ili strujne

signale. Signali neelektričnih veličina mogu se pretvoriti i u standardizirane pneumatske ili

hidraulične signale s pomoću odgovarajućih pretvornika signala.

Signal mjerene veličine se s izlaza mjernog pretvornika do pokazivala prenosi prijenosnim

mjernim slogom. Oni mogu biti mehanički, pneumatski i hidraulični prijenosni vodovi, te

električni vodovi.

Tablica 1: Područje primjene

17

4. Literatura

[1] J. Božičević i surad., Tehnika mjerenja i automatskog reguliranja, Zavod za

unapređenje stručnog obrazovanja SRH, Zagreb, 1969.

[2] R. Žanetić, R. Stipišić, Mjerni pretvornici u procesnoj industriji, Zavod za kemijsko

inženjerstvo – Kemijsko tehnološki fakultet u Splitu, Split, 2005.

18

5. Sažetak

Mjerenje razine kapljevina i krutina u spremnicima i posudama služi u osnovi kao

mjera njihova volumena ili mase. Različite karakteristike tvari te različite posude i

uvjeti u kojima se te tvari nalaze u posudama čine katkada zadatak mjerenja razine

vrlo složenim.