ΤΟΥ ΔΗΜΗΤΡΗ Κ. ΔΕΔΕ*
Μαζί με την θερμοκρασία και πίεση, η μέτρηση στάθμης βρίσκεται στην κορυφή των μετρητικών αναγκών στην βιομηχανία, ναυτιλία αλλά και στην καθημερινή μας ζωή. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι αποτελεί τη βάση για την διαχείριση και έλεγχο στην χημική, πετροχημική βιομηχανία, περιβαλλοντικές εφαρμογές και άλλες σχετιζόμενες βιομηχανίες.
Με την πάροδο των ετών, η πληθώρα των εφαρμογών και η πολυπλοκότητα των συστημάτων επίβλεψης, αυξήθηκε τόσο που οδηγεί την κοινότητα των τεχνικών σε συνεχή έρευνα, επέκταση και βελτίωση των εφαρμοζόμενων αρχών μέτρησης στάθμης.
Ας δούμε αρχικά μερικούς βασικούς ορισμούς στην μέτρηση στάθμης:
• Στάθμη: Η απόσταση της επιφάνειας του μετρούμενου υλικού από ένα σημείο αναφοράς
• Ελάχιστο (minimum) : Η χαμηλότερη αποδεκτή στάθμη
• Μέγιστο (maximum) : Η υψηλότερη αποδεκτή στάθμη
Η μέτρηση της στάθμης κατηγοριοποιείται σε:
• Σημειακή μέτρηση: Η ανίχνευση συγκεκριμένης στάθμης
• Συνεχής μέτρηση: Μέτρηση της ακριβούς τιμής εντός μιας συγκεκριμένης περιοχής μέτρησης (π.χ. Στάθμη καυσίμων στα αυτοκίνητά μας)
Σημειακή μέτρηση στάθμης
Είναι η επίβλεψη του εάν έχει επιτευχθεί ή ξεπεραστεί ένα προκαθορισμένο όριο στάθμης ή εάν η στάθμη έχει πέσει κάτω από ένα κρίσιμο σημείο. Χρησιμοποιείται συνήθως για αποφυγή υπερχείλισης ή εν ξηρών λειτουργίας καθώς και για τήρηση κανονισμών ελαχίστου-μεγίστου ορίου στάθμης.
Οι βασικές μέθοδοι και πλέον διαδεδομένες για την σημειακή μέτρηση στάθμης είναι:
Δονητικός διακόπτης (Vibration)
Αρχή Μέτρησης: Το μετρούμενο φυσικό μέγεθος είναι η ολίσθηση συχνότητας. Ένα δίχαλο ή βέργα δονείται ηλεκτρονικά με συγκεκριμένη συχνότητα από πιεζο-κεραμικό κρύσταλλο ή αντίστοιχο. Όταν έλθει σε επαφή με το μετρούμενο μέσο, αυτή η συχνότητα μειώνεται. Το ηλεκτρολογικό μέρος της συσκευής αναγνωρίζει την αλλαγή της συχνότητας και δημιουργεί σήμα εξόδου βάση αυτής της αλλαγής
Πλεονεκτήματα: Πρόκειται για όργανο εύκολο και απλό στη χρήση. Χωρίς ιδιαίτερες ή καθόλου ρυθμίσεις, χωρίς κινούμενα μέρη, χωρίς περιορισμό στην εγκατάσταση- τοποθέτηση, ανεπηρέαστο από τα φυσικά χαρακτηριστικά του μετρούμενου μέσου, δυνατότητα-τεστ ορθής λειτουργίας.
Μειονεκτήματα: Υλικά παχύρρευστα ή κολλώδη μπορούν να δημιουργήσουν πρόβλημα, καθώς και στερεά με μεγάλη κοκομετρία μπορούν να φράξουν το δίχαλο (και τα δύο αυτά μειονεκτήματα ελαχιστοποιούνται με τη χρήση δονητικού διακόπτη τύπου βέργας-VIBRATION ROD)
Εφαρμογές: Συναντά εφαρμογές σε υγρά και στερεά για έλεγχο στάθμης, έλεγχο μέγιστου-ελάχιστου, προστασία υπερχείλισης κ.λ.π
Χωρητικός διακόπτης (Capacitive)
Αρχή Μέτρησης: Το μετρούμενο φυσικό μέγεθος είναι η χωρητικότητα. Ο αισθητήρας (probe) με το μεταλλικό τοίχωμα της δεξαμενής δημιουργεί ένα πυκνωτή που μεταβάλλει τη τιμή του καθώς προσθφαιρείται υλικό στην δεξαμενή.
Πλεονεκτήματα: Αποτελεί μέθοδο γενικής χρήσης, χωρίς κινούμενα μέρη και με αρκετά καλή ακρίβεια. Είναι όργανα κατάλληλα και για στερεά υλικά.
Μειονεκτήματα: Τα κολλώδη υλικά μπορούν να δημιουργήσουν πρόβλημα. Η εγκατάσταση μπορεί να είναι δύσκολη λόγω εξωτερικών παραμέτρων όπως το υλικό της δεξαμενής, επιρροή του καλωδίου (π.χ. χωρητικότητα). Η διηλεκτρική σταθερά (Εν) του προς μέτρηση υλικού πρέπει να είναι περίπου μεγαλύτερη από 1,4 (Εν>1,4)
Μερικές τιμές Εν: Τσιμέντο (1,5…4), Αλεύρι (4,5), Οινόπνευμα (3), Βενζίνη (1,3…3), Νερό (80), Λάδι (2,1)
Εφαρμογές: Συναντά εφαρμογές σε υγρά και στερεά, αγώγιμα και μη αγώγιμα. Καλύπτουν ευρεία γκάμα εφαρμογών σημειακής μέτρησης.
Ηλεκτρόδια αγωγιμότητας (Conductive Electrodes)
Αρχή Μέτρησης: Ένα ή περισσότερα ηλεκτρόδια διαμορφώνουν ένα probe (στέλεχος μέτρησης) και έχουν διαφορετικά μήκη. Τοποθετούνται σε δοχεία με αγώγιμο υγρό. Εάν η στάθμη του υλικού ανέβει έως το ηλεκτρόδιο “κλείνει” κύκλωμα μεταξύ δύο ηλεκτροδίων και δημιουργία σήματος εξόδου.
Εφαρμογές: Συναντά εφαρμογές στον έλεγχο στάθμης, έλεγχο ελάχιστου-μέγιστου για εύκολες και χαμηλού κόστους λύσεις.
Μαγνητικός αισθητήρας (Magnetic Immersion Probe)
Αρχή Μέτρησης: Το μέσο μέτρησης είναι ένας οδηγούμενος πλωτήρας που φέρει ενσωματωμένο μαγνήτη. Καθώς ο πλωτήρας κινείται βάση της στάθμης επάνω σε μία βέργα, ο μόνιμος μαγνήτης που περιέχεται μέσα στο πλωτήρα, ενεργοποιεί επαφές reed τοποθετημένες εντός της βέργας, με αποτέλεσμα αντίστοιχες ενεργοποιήσεις εξόδων.
Πλεονεκτήματα: Πρόκειται για απλή μέθοδο, εύκολη στην εγκατάσταση, χωρίς ανάγκες συντήρησης και με μεγάλη αξιοπιστία μετρήσεων.
Μειονεκτήματα: Η πλευστότητα εξαρτάται από το μέγεθος του πλωτήρα (float), τα μήκη δεν ξεπερνούν τα 3 με 5 μέτρα. Η πυκνότητα του υλικού θα πρέπει να είναι συνήθως μεγαλύτερη από 0.6 με 0.7 g/cm3.
Εφαρμογές : Συναντά εφαρμογές ευρείας γκάμας σε σημειακή μέτρηση στάθμης σε υγρά
Πλωτήρες (Float Switches)
Η κίνηση /θέση του πλωτήρα καθώς βυθίζεται και ανυψώνεται βάση της
στάθμης του υγρού, ανιχνεύεται από ένα ενσωματωμένο διακόπτη που δίνει σήμα εξόδου.
Εφαρμογές: Συναντά εφαρμογές στον έλεγχο αντλιών, σε βιολογικούς καθαρισμοί και αποτελεί γενικά απλή και οικονομική λύση για σημειακή μέτρηση στάθμης.
Έχουν αναπτυχθεί και ειδικές μέθοδοι για ιδιάζουσες εφαρμογές όπως: διακόπτες υπερήχων, ραδιομετρικός διακόπτης στάθμης, φωτοαισθητήρια στάθμης, διακόπτης πτερωτής, κ.λ.π.
Συνεχής μέτρηση στάθμης
Είναι η συνεχής μέτρηση της τρέχουσας της στάθμης υγρών ή στερεών καθώς αυτή αυξομειώνεται. Χρησιμοποιείται συνήθως για την συνεχή επίβλεψη, διαμόρφωση στρατηγικού ελέγχου, έλεγχο διεργασιών, εξαγωγή στατιστικών και πληροφοριών σχετικών με την κατανάλωση, αποφυγή απωλειών κ.λ.π.
Οι βασικές μέθοδοι και πλέον διαδεδομένες για την συνεχή μέτρηση στάθμης είναι:
Αισθητήρας υπερήχων (Ultrasonic)
Αρχή Μέτρησης: Ο αισθητήρας μετρά το χρόνο που χρειάζεται το κύμα υπερήχου για να ταξιδέψει από τον αισθητήρα έως την επιφάνεια του υλικού και να ανακλαστεί πίσω στον αισθητήρα. Ο χρόνος αυτός έχει άμεση σχέση με την απόσταση και άρα τη στάθμη του υλικού. Η ηλεκτρονική μονάδα της συσκευής μεταφράζει αυτή τη τιμή σε αναλογικό σήμα.
Πλεονεκτήματα: Ο αισθητήρας δεν έρχεται σε επαφή με το μετρούμενο υλικό. Η μέτρηση είναι ανεξάρτητη από την πυκνότητα του υλικού. Δεν έχει κινητά μέρη, έχει στιβαρή κατασκευή.
Μειονεκτήματα: Η ταχύτητα του ήχου εξαρτάται κατά πολύ από τη θερμοκρασία και πίεση. Ο σχηματισμός αερίου επάνω από την επιφάνεια του υλικού μπορεί να επηρεάσει τη ταχύτητα του ήχου, ύπαρξη αφρού απορροφά μεγάλο μέρος των υπερήχων. Μηχανικά μέρη στην δεξαμενή (π.χ. άλλα εσωτερικά αισθητήρια, αναδευτήρες, προεξοχές κ.α) μπορούν να παρεμποδίσουν το σήμα.
Οι σύγχρονοι αισθητήρες διαθέτουν συστήματα αντιστάθμισης θερμοκρασίας, υπολογισμού απορρόφησης σήματος, καθώς και απόρριψης ζωνών μέτρησης για να μειωθούν οι πιθανότητες εσφαλμένης μέτρησης.
Εφαρμογές: Συναντά εφαρμογές σε μετρήσεις στάθμης σε υγρά και στερεά υλικά. Μεγάλο πεδίο εφαρμογών σε βιολογικούς καθαρισμούς, σιλό δημητριακών, άμμο, τσιμέντο, δεξαμενές υγρών κ.λ.π.
Αισθητήρας μικροκυμάτων (Guided Microwave or Radar)
Αρχή Μέτρησης: Η φυσική παράμετρος που μετράται είναι οι παλμοί οδηγούμενων μικροκυμάτων. Ο εκπεμπόμενος παλμός μικροκυμάτων κινείται επάνω στην μεταλλική βέργα και ανακλάται πίσω, επάνω στην επιφάνεια του υλικού. Η στάθμη του υλικού υπολογίζεται από την ηλεκτρονική μονάδα και βασίζεται στον συνολικό χρόνο αποστολής-λήψης του παλμού.
Πλεονεκτήματα: Η βαθμονόμηση μπορεί να γίνει και χωρίς να έχει τοποθετηθεί. Δεν έχει κινούμενα μέρη. Κατάλληλο και για στερεά υλικά (σε μορφή πούδρας, σκόνης, κόκκων). Υψηλή ακρίβεια μέτρησης. Ανεπηρέαστο από τη θερμοκρασία, πίεση.
Μειονεκτήματα: Κολλώδη υλικά μπορεί να δημιουργήσουν πρόβλημα. Η διηλεκτρική σταθερά του μετρούμενου υλικού θα πρέπει να είναι μικρότερη από 1,8 (Εν<1,8). Δεν ισχύει αυτός ο περιορισμός για τα radar sensors. Η αρχή του radar είναι αντίστοιχη με την αναφερθείσα, μόνο που η εκπομπή γίνεται στον αέρα και όχι επάνω σε βέργα μεταλλική.
Αισθητήρας πίεσης (Hydrostatic Pressure)
Αρχή Μέτρησης: Η μετρούμενη φυσική παράμετρος είναι η πίεση (μέσω κεραμικού χωρητικού αισθητήρα ή αντίστοιχου) του υγρού η οποία μεταβάλλεται σε σχέση με τη στάθμη. Το σήμα εξόδου του μεταδότη είναι ανάλογο της στάθμης του προς μέτρηση υγρού.
Πλεονεκτήματα: Προσφέρει μεγάλη ακρίβεια στη μέτρηση. Δεν έχει κινούμενα μέρη, δεν απαιτεί συντήρηση, κατάλληλο για μέτρηση σε απόβλητα, παχύρρευστα υλικά κ.λ.π.
Μειονεκτήματα: Η αντιστάθμιση της θερμοκρασίας είναι απαραίτητη για τη μεταβολή της πυκνότητας. Σε κλειστά δοχεία πρέπει να γίνεται αντιστάθμιση της πίεσης του αερίου επάνω από τη στάθμη του υγρού. Μεταβολές της πυκνότητας μπορεί να οδηγήσουν σε εσφαλμένη μέτρηση.
Εφαρμογές: Συναντά εφαρμογές σε μετρήσεις σε υγρά και παχύρρευστα υγρά, δεξαμενές αποβλήτων κ.λ.π.
Μαγνητικός αισθητήρας (Magnetic Immersion Probe)
Αρχή Μέτρησης: Οδηγούμενος πλωτήρας. Καθώς ο πλωτήρας κινείται ανάλογα με τη στάθμη του υγρού, επάνω σε μία βέργα, ο μόνιμος μαγνήτης που περιέχεται μέσα στο πλωτήρα, ενεργοποιεί επαφές reed τοποθετημένες εντός της βέργας που μεταβάλλουν την συνολική αντίσταση (μέσω των ανοιγο-κλεισιμάτων των reed διακοπτών). Αυτή η συνολική αντίσταση μετατρέπεται από την ηλεκτρονική μονάδα σε σήμα εξόδου ανάλογο της στάθμης υγρού.
Σχετικά με τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα ισχύει ότι και για τους μαγνητικούς αισθητήρες για σημειακή μέτρηση στάθμης.
Υπάρχουν ακόμη χωρητικοί αισθητήρες για συνεχή μέτρηση, μεταδότες συνεχούς μέτρησης μέσω ραδιοϊσοτόπων (ραδιομέτρηση), ηλεκτρομηχανικοί μέθοδοι (Υο-Υο) κ.τ.λ.
Ο κ. Δέδες είναι Μηχανικός Αυτοματισμού– Υπεύθυνος Τεχνικής Υποστήριξης ΟΥΤΕΚΟ ΑΒΕΕ.
