Sadržaj

Senzori nivoa i protoka......................................................................................................1

Metode za mjerenje protoka..........................................................................................................1

Termalni anemometri.....................................................................................................................2

Mjerenje razlike pritisaka...............................................................................................................2

Vrtložni senzori...............................................................................................................................4

Senzori za mjerenje zapreminskog protoka...................................................................................4

Turbinski senzori protoka...............................................................................................................7

Senzori masenog protoka...............................................................................................................7

Elektromagnetni senzori protoka(indukcioni senzori)...................................................................8

Ultrazvučni senzori.........................................................................................................................8

Laserski Doplerovi senzori protoka................................................................................................9

Izbor odgovarajućeg senzora protoka..........................................................................................11

Instalacija i održavanje.................................................................................................................12

Kalibracija.....................................................................................................................................14

Održavanje....................................................................................................................................14

Skorašnji napreci kod senzora protoka.........................................................................................15

Senzori nivoa....................................................................................................................... 16

Tipovi senzora za mjerenje nivoa tečnnosti.................................................................................16

Hidrostatička metoda...................................................................................................................16

Ultrazvučni senzori nivoa.............................................................................................................17

RF Kapacitivni senzori nivoa.........................................................................................................17

Magnetostriktivni senzori nivoa...................................................................................................18

Mikrotalasni radarski senzori nivoa..............................................................................................19

GWR..............................................................................................................................................19

„Throught air“ Radar....................................................................................................................20

Izbor odgovarajuće tehnologije za mjerenje nivoa.......................................................................21

Aplikacioni standardi....................................................................................................................22

Literatura......................................................................................................................................23

Senzori nivoa i protoka

Senzori protoka se koriste u mnogim aplikacijama kontrole i praćenja,za mjerenje protoka kako tečnosti tako i vazduha. Postoji mnogo načina definisanja protoka (maseni protok,zapreminski protok,laminarni protok,turbulentni protok). Obično je najvažnije mjeriti količinu supstance koja teče (maseni protok), ali ako je gustina fluida (supstance) konstantna mjerenje zapreminskog protoka je korisna zamjena i generalno u većini slučajeva se lakše obavlja. Postoje brojne pouzdane tehnologije i tipovi senzora koji se koriste za ovu svrhu. Neke metode se primjenjuju za mjerenje protoka i gasa i tečnosti zbog toga što njihov princip rada važi i u jednoj i u drugoj aplikaciji. Postoje pak i druge metode koje su specificirane samo za mjerenje ili protoka gasa ili protoka tečnosti. U ovom odjeljku govorićemo o nekoliko najčešćih metoda za mjerenje protoka i tečnosti i gasa. Komplementarno mjerenju protoka je mjerenje nivoa tečnosti. Kad se koriste zajedno , senzori za mjerenje protoka i senzori za mjerenje nivoa daju odgovor na jedno od najosnovnijih pitanja “ koliko?” u laboratorijama i industrijskim postrojenjima širom svijeta. Oba mjerna procesa takođe dijele još jednu odliku a to je da su veoma komplikovani.

10.1 metode za mjerenje protoka

Protok se obično u mjerenju dobija tako što se prvo mjeri brzina fluida u cijevi,kanalu ili nekoj drugoj strukturi a zatim se množi sa poznatom površinom poprečnog presjeka date cijevi ,kanala ili strukture u tački u kojoj je izvršeno i mjerenje brzine. Metode za mjerenje protoka vazduha uključuju termalne anemometre,mjerne sisteme na bazi razlika pritisaka i vrtložne senzora. Metode za mjerenje protoka tečnosti obuhvataju mjerne sisteme na bazi razlike pritisaka(diferencijalnih pritisaka) , vrtložne senzore , senzore pozitivnih pomjeraja,senzore protoka na bazi turbina kao magnetne senzore protoka i ultrazvučne senzore protoka.

Termalni anemometri (termoanemometri)

Termalni (ili “hot wire”) anemometri su bazirani na principu da količina toplote koju oduzme tekući fluid sa zagrijanog temperaturnog senzora samim svojim proticanjem može biti u vezi sa brzinom proticanja tog fluida. Ovi senzori uobičajeno koriste drugi, nezagrijani temperaturni senzor da kompenzuju promjene u temperaturi vazduha. “Hot wire” senzori su dostupni u određenom mjestu kao instrumenti za testne namjene ili kao nizovi senzora u više tačaka za fiksnu ugradnju. Ovi senzori su bolji za mjerenje malih protoka vazduha od senzora baziranih na razlici pritisaka (senzori diferencijalnog pritiska) i obično se koriste za mjerenje protoka vazduha čija je brzina od 50 do 12000 metara u minuti.

Mjerenje razlike pritisaka

Senzorska metoda koja se zasniva na mjerenju razlike pritisaka se može koristiti i za mjerenje protoka vazduha i za mjerenje protoka tečnosti. Danas se na tržištu nalaze raznovrsni senzori koji se baziraju na mjerenju razlike pritisaka i obično se koriste za mjerenje protoka tečnosti.Protokmetri bazirani na razlici pritisaka su najčešći uređaji u upotrebi posebno kad je u pitanju mjerenje protoka tečnosti. Rad diferencijalnog protokmetra je baziran na konceptu da je pad pritiska na dužini od jednog metra srazmjeran kvadratu brzine protoka;dakle brzinu protoka dobijamo tako što mjerimo razliku pritisaka i vadimo kvadratni korijen iz nje.

Uređaji na bazi razlike pritisaka kao i većina protokmetara imaju primarne i sekundarne elemente. Primarni element izaziva promjenu kinetičke energije stvarajući tako razliku pritisaka u cijevi. Uređaj mora biti korektno podešen za veličinu cijevi, uslove protoka kao i osobine tečnosti čiji protok mjerimo. Pored toga mjerna preciznost uređaja mora biti dobra unutar razumnih granica. Sekundarni element mjeri razliku pritisaka i daje signal na izlazu koji se potom konvertuje u stvarne vrijednosti protoka.

Za mjerenje protoka vazduha,uređaji za mjerenje protoka na bazi razlike pritisaka obuhvataju Pitoove cijevi kao i brojne mnoge druge vrste cijevi,mreža i nizova za detekciju pritiska i brzine (slika1). Svi ovi elementi su kombinovani sa predajnikom diferencijalnog pritiska koji proizvodi signal proporcionalan kvadratnom korijenu iz brzine fluida.Pitoova cijev se sastoji iz dvije cijevi koje mjere pritisak na različitim mjestima jedne iste cijevi. Jedna cijev mjeri statički pritisak obično na zidu cijevi dok druga mjeri ukupni pritisak (statički pritisak +dinamički pritisak ili pritisak koji stvara brzina fronta fluida). Što je veća brzina protoka to je ukupni pritisak veći. Pitoove cijevi koriste razliku između ukupnog pritiska i statičkog pritiska za računanje brzine protoka. Pitoove cijevi su jeftini uređaji ali imaju nedostatak da mjere protok samo u jednoj tački i da moraju buti instalirane na mjestu na kojem je maksimalan protok u cijevi. Promjene u

profilu brzine mogu izazvati velike greške u mjerenju protoka.Pitoove cijevi su takođe i sklone začepljenju. Prosječna Pitoova cijev ima nekoliko portova za mjerenje protoka na više lokacija što omogućava da se da se i promjena brzine protoka uzme u obzir prilikom računanja protoka.

Slika 1. Pitoova cijev

Slika 2 pokazuje primjer mjerenja brzinskog(dinamičkog) pritiska sa manometrom tipa U cijevi. Neki sistemi za mjerenje protoka koji su bazirani mjerenju razlike pritisaka sadrže i predajnike i imaju i sposobnost da elektonski računaju kvadratni korijen iz izmjerene razlike pritisaka i obezbijede sgnal koji je linearan a sve to ako se pretpostavi da je brzina protoka konstantna. Drugi obezbjeđuju signal koji je proporcionalan izmjerenom pritisku i zavise od kontrolnog sistema koji proračunava kvadratni korijen iz izmjerenog pritiska. Kada se brzina dobije protok se nalazi tako što se data brzina množi sa površinom poprečnog presjeka kanala odnosno cijevi kroz koju fluid teče. Opseg u kome se brzina može mijenjati je ograničen opsegom i rezolucijom predajnika pritiska koji se koristi. Većina uređaja koji rade na bazi mjerenja razlike pritisaka je ograničena na minimalnu brzinu u opsegu od 400 do 600 stopa u minuti. Maksimalna brzina je ograničena samo trajnošću senzora. Za mjerenje protoka vode uređaji na bazi razlike pritisaka(diferencijalnog pritiska) obično mjere ili brzinski pritisak ili mjere pad pritiska u poznatim ograničenjima(cijevi , mlaznice...). Protočne mlaznice Venturijeve i Pitoove cijevi su

najčešći tipovi ograničenja koji se koriste.

Slika2.mjerenje brzinskog pritiska korištenjem U cijevi kao manometra

Umetna cijev senzora protoka se obično pravi od cijevi sa većim brojem otvora (rupa) u zidu cijevi dužinom same cijevi kako bo dobili prosječnu razliku brzina duž cijevi a takođe ima i unutrašnju pregradu između uzvodnih i nizvodnih otvora za dobijanje razlike pritisaka.

Prigušnica ili cijev sa kružnim grlićem(otvorom) je najjednostavniji i najjeftiniji uređaj na bazi diferencijalnog pritiska. Grlić posude se steže čime smanjuje protok tečnosti a to prouzrokuje razliku pritisaka duž cijevi(slika3). Rezultat toga je visok pritisak uzvodno i nizak pritisak nizvodno koji je prooprcionalan kvadratu brzine protoka. Prigušnica obično izaziva veći ukupni gubitak pritiska nego drugi protočni elementi. Jedna od prednosti ovog uređaja je ta da se cijena uređaja ne povećava značajno sa porastom veličine cijevi.

Slika3. Prigušnica

Venturijeve cijevi su najveći i najskuplji uređaji na bazi diferencijalnog pritiska. One rade tako što mjere pad pritiska koji nastaje postepenim sužavanjem prečnika cijevi.(slika4)

Slika 4.Venturijeva cijev

Širi dio cijevi potom vraća protok blizu svom prvobitnom pritisku. Kao i kod prigušnice izmjerena razlika pritisaka se prevodi(konvertuje) u odgovarajuću brzinu protoka. Venturijeve cijevi se tipično mogu koristiti samo u onim aplikacijama koje zahtijevaju mali pad pritiska i visoku tačnost očitanja. One se često koriste kod cijevi sa velikim poprečnim presjekom.

Protočne mlaznice su zapravo varijacija Venturijevih cijevi sa mlaznicom koja se otvara eliptičnim ograničenjem(valjda zatvarač) ali bez oduška(ispusta) za oporavak pritiska (slika5).

Slika 5. Protočna mlaznica

Slavine ( otvori, čepovi) za pritisak se nalaze na oko polovinu prečnika cijevi za nizvodni dio i na dužini od jednog prečnika uzvodno. Protočne mlaznice su zređaji koji se koriste pri velikim brzinama protoka. Takođe se koriste i za mjerenje protoka gdje je turbulencija velika( Rejnoldsov broj iznad 50000) kao i za aplikacije u kojima se mjeri protok pare. Pad pritiska na mlaznici je između vrijednosti padova pritisaka na Venturijevoj cijevi i onog na posudi sa grlićem (30 %do 90 %).

Prednosti instrumenata na bazi diferencijalnog pritiska se ogledaju u njihovoj niskoj cijeni, jednostavnosti rada i ugradnje kao i provjerenih performansi. To je dobro razumljiva i poznata tehnologija. Nedostaci ovih uređaja su: trajni gubitak pritiska, gomilanje prljavštine u njima i česta začepljenja, glomaznost pojedinih uređaja kao i neprikladnost za rad sa pojedinim vrstama fluida.

Vrtložni senzori

Ovi senzori protoka koriste (Fon Karmanov) princip da kada fluid teče okolo prepreke(grub objekat) koja se nalazi unutar strujnice(mlaza) kružne strujnice ili vrtložnice se prolivaju naizmjenično nizvodno od objekta. Frekvencija vrtloga je proporcionalna brzini isticanja fluida Nailaskom na prepreku , brzina fluida raste , a pritisak opada.Na taj način se na prednjoj strani prepreke formira niži a na zadnjoj strani viši pritisak .Pojedinačni senzori ovog tipa se koriste u malim kanalima dok se nizovi ovakvih senzora koriste u većim kanalima kao i sa drugim vrstama instrumenata za mjerenje protoka vazduha. Vrtložni senzori se koriste kod brzina vazduha koje su u opsegu od 350 do 6000 stopa u minuti. Ovi su uređaji pogodni kako za mjerenje brzine protoka tako i ukupnog protoka. Njihova upotreba za rad sa ljepljivim i visoko-viskoznim fluidima nije preporučljiva.

Senzori za mjerenje zapreminskog protoka

Ovi uređaji za mjerenje protoka se koriste gdje je potrebna velika preciznost i veliki odnos između ukupnog mjernog opsega uređaja i minimalne mjerljive vrijednosti protoka i gdje neki stalni gubici pritiska neće izazvati prekomjernu potrošnju energije. Ovi uređaji rade sa odvojenim tečnostima u mjernim segmentima. Pogodni su za mjerenje protoka viskoznih fluida. Neke od osnovnih vrsta senzora za mjerenje zapraminskog protoka su zupčasti mjerači,mjerači

sa navrtnim diskom, mjerači sa rotirajućim krilcima (propelerima) kao i mjerači sa oscilujućim klipom. Ovi se uređaji tipično prave od metala kao što su: mesing, bronza,liveno gvožđe, ali se takođe mogu praviti i od plastike u zavisnosti od namjene.

Zbog bliskih tolerancija između pokretnih dijelova ovih uređaja oni mogu biti podložni mehaničkim kvarovima koje prouzrokuju čvrsta tijela(valjda se misli na prljavštine) koje se nalaze u tečnosti čiji protok mjerimo. Ovi uređaji imaju ugrađene i indikatore protoka i sabirače tako da se očitavanje može vršiti i ručno. Ovakvi ali i slični uređaji su relativno skupi.

Turbinski senzori protoka

Uređaji na bazi turbina i propelera koriste osobinu da tečnost koja protiče kroz turbinu ili propeler izaziva obrtanje rotora a brzina obrtanja rotora je direktno u vezi sa brzinom protoka. Elektični impulsi se broje i sabiraju. Ovi uređaji su dostupni u verzijama sa punom cijevi, linijski montiranoj verziji a ima i verzija(umetni senzori) koja se koristi tamo gdje je potrebno mjeriti samo dio protoka koji prolazi preko rotirajućeg elementa. Senzori protoka na bazi turbina ako se ispravno i po specifikaciji ugrade nude dobru preciznost mjerenja posebno kad su u pitanju mjerenja kod fluida male viskoznosti. Umetni senzori(nešto tipa senzora sonde) se koriste za manje kritična mjerenja međutim često su su lakši za održavanja i ispitivanja jer mogu biti uklonjeni iz cjevovoda bez njegovog razmontiranja.

Senzori masenog protoka

Procesi povezani sa masom kao što su hemijske reakcije,prenos toplote, itd zahtijevaju mnogo preciznije mjerenje protoka i sve ovo je dovelo do pojave mjerača masenog protoka. Mnogi tipovi i dizajni ovih uređaja postoje ali najčešći u upotrebi je Koriolisov senzor čiji se rad zasniva na fenomenu poznatom pod nazivom koriolisova sila. Koriolis je pravi maseni senzor koji mjeri brzinu masenog protoka direktno za razliku od mjerenja zapreminskog protoka. Kad se masa ne mijenja mjerenje je linearno bez potrebe za nadoknađivanjem zbog promjena osobina tečnosti.Takođe nije potrebna ni kompenzacija zbog promjene temperature i pritiska. Ovaj tip protokmetra se posebno koristi za mjerenje kod tečnosti čija se viskoznost mijenja sa promjenom brzine na datim temperaturama i pritiscima.

Koriolis mjerači su dostupni u različitim dizajnima. Jedan popularni uređaj se sastoji od cijevi u obliku slova U zatvorene u senzorsko kućište i povezane na elektronsku jedinicu. Senzorsko kućište i elektronska jedinica su dvije zasebne cjeline. Senzorska jedinica može biti direktno ugrađena u bilo koji proces a elektronska jedinica može biti smještena na udaljenosti i do 500 stopa od senzorske jedinice. Unutar senzorskog kućišta cijev u obliku slova U vibrira na svojoj sopstvenoj (prirodnoj) frekvenciji pobuđena magnetnim uređajem koji se nalazi na krivini cijevi. Ovo je slično vibracijama zvučne viljuške pokrivajući 0.1 in. i završavajući pun ciklus za

oko 80 puta u minuti. Kako tečnost protiče kroz cijev ona je prisiljena na vertikalne pokrete u cijevi. Posledica ovoga je da tečnost dejstvuje određenom silom na cijev izazivajući njeno uvrtanje. Veličina uvrtanja direktno je proporcionalna brzini masenog protoka tečnosti koja teče kroz cijev. Magnetni senzori koji se nalaze na svakoj od strana protočne cijevi mjere brzinu protoka koja se mijenja isto kao i uvrtanje cijevi. Senzori potom pohranjuju informaciju u elektronsku jedinicu gdje se ta informacija procesira i konvertuje u napon proporcionalan brzini masenog protoka. Ovaj protokmetar se može primjeniti u širokom rasponu mjernih aplikacija od mjerenja protoka kod boja maziva i ljepila do mjerenja protoka kod tečnog azota.

Elektromagnetni senzori protoka(indukcioni senzori)

Rad ovih senzora se zahtijeva na Faradejevom zakonu elektromagnetne indukcije koji kaže da će se indukovati napon u provodniku ako se provodnik kreće u magnetnom polju.

U našem slučaju provodnik je tečnost a magnetno polje stvara zavojnica koja se nalazi izvan protočne cijevi. Indukovani napon je proporcionalan brzini protoka. Elektrode smještene u zid cijevi detektuju indukovani napon koji se mjeri uz pomoć sekundarnog elementa. Elektomagnetski mjerači protoka se primjenjuju u mjerenjima brzine protoka provodnih tečnosti (uključujući i vodu) gdje je potreban visok kvalitet mjerenja i malo održavanje sistema.

Cijena elektromagnetnih senzora protoka je relativno visoka u odnosu na druge senzore protoka. Elektromagnetni senzori imaju mnoge prednosti uključujući i te da mogu da mjere protoke teških i korozivnih tečnosti kao i to da mogu da mjere obrnuti tok.

slika6. Elektromagnetni senzor protoka

Ultrazvučni senzori protoka

Ultrazvučni senzori protoka se mogu podijeliti na Doplerove senzore i tranzitne ili „time-of-travel“ senzore. Doplerovi senzori mjere frekvenciju pomjeranja izazvanu proticanjem tečnosti.

Dva pretvarača (transdjusera) se postavljaju na jednu stranu cijevi; signal poznate frekvencije se predaje tečnosti kako bi se izvršilo mjerenje. Mjehurići čvrsta tijela ili bilo koji drugi diskontinuiteti u tečnosti izazivaju to da se impuls reflektuje ka prijemnom elementu. Razlika frekvencija (reflektovane i poslane) ili Doplerova frekvencija prporcionalna je brzini tečnosti.

Kod tranzit ili „time-of-travel“ senzora davači se montiraju na svakoj strani cijevi tako da su zvučni talasi koji putuju između uređaja pod uglom od 45 stepeni u odnosu na pravac proticanja fluida. Brzina signala koji putuje između transdjusera povećava se ili smanjuje se u pravcu prenosa i brzine tečnosti čiji protok mjerimo. Vremensko-diferencijalna veza proporcionalna protoku može se dobiti šaljući signal naizmjenično u oba pravca. Jedno od ograničenja kod ovog tipa senzora je da tečnost čiji protok mjerimo mora da buda čista od čvrstih tijela i mjehurića gasova kako bi se smanjilo rasipanje signala i apsorpcija.

Prednost ultrazvučnih senzora je da im je cijena umjerena. Mnogi modeli su dizajnirani kao spona na već postojećim cijevima.

Laserski Doplerovi senzori protoka

Laserski Doplerov anemometar (LDA) je dobro poznata i široko rasprostranjena tehnika koja se koristi u mjerenjima u dinamici fluida već više od 30 godina. Osjetljivost na smjer i druge korisne osobine kod LDA čini ga korisnim kad je potrebno mjeriti protok promjenljivog smjera , protok hemijski reaktivnih i visokotemperturnih supstanci kao i za mjerenje protoka u rotirajućim mehanizmima gdje je druge senzore teško ili nemoguće koristiti. Kakogod ova tehnika zahtijeva tragač čestica u toku fluida.

Glavne prednosti LDA za mjerenje protoka tečnosti nudi u sledećem;

-mjerenje je bezkontaktno

-nije potrebna kalibracija

-udaljenost mjerenja može se kretati u opsegu od centimetra do metra

-vrijednost brzine protoka može se mijenjati od nule do nadzvučne

-može mjeriti protok kod tokova promjenljivog smjera

Osnovna konfiguracija LDA (slika7) se sastojiod:

-kontinualnog laserskog talasa

-optičkog predajnika koji sadrži djelitelj snopa kao i fokusirajući objektiv

-prijemna optika koja se sastoji od fokusirajućeg objektiva interferencijskog filtra i fotodetektora

-prilagođivača signala i procesora signala

slika 7. LDA konfiguracija

U principu LDA šalje monohromatski laserski snop prema meti i skuplja reflektovano zračenje. Prema Doplerovom efektu promjena talasne dužine reflektovanog zračenja je funkcija relativne brzine pogođenog objekta. Prema tome brzina objekta se može odrediti mjerenjem promjene u talasnoj dužini reflektovane laserske svjetlosti. To se radi formiranjem graničnog interferencionog obrazca (obrazac za svijetle i tamne pruge) putem superponiranja originalnog i reflektovanog signala.

Bragova ćelija se najčešće koristi kao djelitelj snopa. To je kristal stakla sa vibrirajućim pijezo kristalom zakačenim na njega (slika8). Vibracija generiše akustične talase koji djeluju poput optičkih mreža. Dva snopa jednakih intenziteta napuštaju Bragovu ćeliju sa frekvencijama f0 i fpomjereno i fokusirani su na optičko vlakno koje ih vodi na sondu. U sondi paralelni izlazni snopovi iz vlakna se fokusiraju objektivom i sjeku se u oblasti nazvanoj mjerenje jačine koja je uobičajeno udaljena par milimetara i gdje se mjerenje i obavlja. Intenzitet svjetlosti je podešen (modulisan) usled interferencije između leserskih snopova koje proizvode paralelne ploče visoke svjetlosne osjetljivosti (planparalelne ploče valjda) rasrtojanje između ploča df je definisano talasnom dužinom laserske svjetlosti i uglom između snopova.

Informacija o brzini protoka dolazi od raspršene svjetlosti koju raspršuju malene čestice koje nosi fluid odnosno dok se kreću kroz mjernu oblast. Raspršena svjetlost sadrži Doplerovu

pomjerenu i Doplerovu fD frekvenciju koja je proporcionalna komponenti brzine normalnoj na površinu u kojoj leže dva laserska snopa koja odgovara x osi(komponenti) mjerene jačine.

slika8. Bragova ćelija koja se koristi kao djelitelj snopa

Prijemnik objektiva skuplja raspršenu svjetlost i fokusira je na fotodetektor. Interferentni filtar postavljen ispred fotodetektora propušta samo svjetlost tražene talasne dužine uklanjajući šum iz ambijentalnog svjetla i svjetlosti drugih talasnih dužina. Fotodetektor konvertuje intenzitet fluktuirajuće svjetlosti u električni signal takozvani Doplerov prasak. Doplerov prasak se filtrira i pojačava u procesoru signala koji utvrđuje fD za svaku česticu, često putem frekventne analize koristeći algoritam brze Furijeove transformacije(FFT). Razmak između paralelnih ploča(fringe) df pruža informaciju o dužini koju su prešle čestice. Doplerova frekvencija fD daje nam informaciju o vremenu :t=1/fD. Pošto je brzina jednaka udaljenosti podjeljenoj sa vremenom izraz za brzinu postaje V=df*fD.

Što se tiče rasejavanja čestica čest je slučaj da tečnosti imaju odgovarajuće prirodno rasijanje , ali tipično gasovi moraju biti rasijani. Idealno čestice bi trebalo da budu dovoljno male da prate tok fluida ali i dovoljno velike da obezbijede dovoljno raspršenje svjetlosti kako bi se postigao dobar odnos signal-šum na izlazu fotodetektora. Okvir veličine čestica je obično između 1μm i 10μm. Materijal od koga su sastavljene čestice može biti čvrst(prah) ili tečan(kapljice).

1.2 Izbor odgovarajućeg senzora protoka

90% problema sa protokmetrima se dešava zbog neadekvatnog izbora uređaja za rad.Najvažniji zahtjev prilikom izbora senzora je u stvari razumijevanje šta on treba da uradi. Ovo su neka od važnih pitanja koje treba postaviti u toku procesa selekcije odgovarajućeg uređaja:

-Da li se mjerenje koristi za kontrolu nekog procesa gdje je ponovljivost glavna briga ili se koristi za računovodstvene ili nadzorne transfere gdje je bitna preciznost?-Da li je indikacija signala lokalna ili se zahtijeva daljinska indikacija? Ako se zahtijeva daljinski izlaz da li će to biti proporcionalan signal i da li će blizina kontakta pustiti u rad ili zaustaviti neki drugi uređaj , jednom rječju da li će naš senzor ometati rad nekog drugog uređaja?-Da li je tečnost čiji protok mjerimo čista, viskozna?- Da li je tečnost čiji protok mjerimo provodna u električnom smislu?-Kolika je specifična zapreminska težina i gustina tečnosti čiji protok mjerimo?-Koje su radne temperature i pritisci procesa?

-kolika tačnost , opseg, linearnost, ponovljivost, i zahtjevi cjevovoda moraju biti ispunjeni?Takođe je potrebno znati šta određeni protokmetar ne može da uradi prije nego li napravimo konačni izbor. Svaki tip senzora ima svoje prednosti i nedostatke i zadovoljavanje performansi je u direktnoj vezi sa tim koliko dobro sposobnosti i mane instrumenta se podudaraju sa zahtjevima aplikacije. Većina snadbjevača senzorima se trudi da pomogne svojim klijentima da izaberu odgovarajući senzor za određenu aplikaciju.Mnogi daju upitnike i liste pitanja kao i liste specifikacija dizajnirane tako da dobiju ključne informacije potrebne da se izabere odgovarajući protokmetar za posao. Tehnološki napredak takođe mora biti uzet u obzir. Jedna od uobičajenih grešaka je da izaberete dizajn koji je bio popularan za datu aplikaciju prije godinu dana pod prtpostavkom da je još uvijek najbolji izbor. Mnoge promjene i inovacije mogu se odnositi na protokmetarsku tehnologiju u skorijim godinama pa za tu posebnu aplikaciju mogu dati mnogo veći izbor.

1.3 Instalacija i održavanje

Vazdušni senzori protoka rade najefikasnije u dijelovima cijevi i kanala koji imaju uniforman protok. Da bi mjerenja bila pouzdana vazdušni senzori moraju biti ugrađeni po reporuci proizvođača senzora da uzvodno ili nizvodno u odnosu na pravac toka.. Neki proizvođači nude i elemente za ispravljanje toka koji se ugrađuju uzvodno od senzorskog niza kako bi poboljšali nepovoljne uslove protoka. Ovo treba uzeti u obzir kada uslovi ne dozvoljavaju ugradnju u određenom pravcu kanala uzvodno ili nizvodno od senzora. Svi senzori protoka tečnosti najbolje rade kada mjere uniforman i potpuno ispunjen tok tečnosti. Kao i senzore protoka vazduha i ove senzore je neophodno ugraditi prema preporuci proizvođača u cilju dobijanja najpouzdanijih mjerenja. Iako većina proizvođača nudi instalaciju svoje opreme većina korisnika se odlučuje na instalaciju sopstvene opreme. Ovo može dovesti do gore opisanih grešaka.Svaki senzorski dizajn ima određeni nivo tolerancije za nestabilne brzinske uslove u cijevi, ali takođe i svi uređaji zahtijevaju određene uslove za cijev kako bi radili ispravno i efikasno. Protokmetri su takođe mogu biti instalirani natraške (nazad) , posebno je to primjetno kod posuda sa grlićem.Kod uređaja sa električnim komponentama ,unutrašnja bezbijednost se mora uzeti u obzir u opasnim uslovima. Zalutala magnetna polja mogu se javiti u mnogim industrijskim postrojenjima. Prenosni vodovi, releji, zavojnice transformatori , motori i generatori doprinose elektromagnetskoj interferenciji i smetnjama tako da korisnik

mora da osigura uslov da je protokmetar koji je izabrao bude imun na gore navedene smetnje. Većina problema se javlja kod elektronskih komponenti koje moraju biti zaštićene. Striktno poštovanje preporuka proizvođača prilikom instalacije uređaja obično će spriječiti ovakve i slične probleme.

KalibracijaInicijalna kalibracija je neophodna je svim protokmetrima;obično kalibraciju obavlja proizvođač. Međutim ako je kvalifikovana osoba i sam kupac može izvršiti kalibraciju. Neophodnost ponovne kalibracije u mnogome zavisi od toga koliko dobro uređaj odgovara datoj aplikaciji. Neke tečnosti koje prolaze kroz protokmetar su abrazivne , erozivne, korozivne tako da s vremenom dijelovi uređaja će se pokvariti dovoljno da utiče na njegove performanse. Neki dizajni su podložniji oštećenjima od drugih. Na primjer habanje pojedinačnih lopatica turbine može izazvati promjene performansi. Ako je u pitanju neka kritična aplikacija onda tačnost protokmetra treba provjeravati češće. U drugim slučajevima ponovna kalibracija možda neće biti neophodna zato što aplikacija nije kritična i zbog toga što ništa u okruženju ne utiče na mjerne performanse protokmetra. Neki protokmetri zahtijevaju specijalnu opremu za kalibraciju. Većina proizvođača će obezbijediti ovu uslugu u svom postrojenju ili u objektu korisnika gdje će donijeti opremu za kalibraciju na lice mjesta.

OdržavanjeProtokmetri koji nemaju pokretne dijelove obično zahtijevaju manje pažnje u održavanju nego uređaji koji imaju pokretne dijelove, ali svi protokmetri zahtijevaju neki tip održavanja. Kod protokmetara na bazi diferencjalnog pritiska primarni elementi zahtijevaju široke ventile, cijevi i ostalu opremu kada se povezuju na sekundarne elemente tako da održavanje može biti često i naporno. Protokmetri koji sadrže pokretne dijelove zahtijevaju česte periodične kontrole pogotovo ako je tečnost čiji protok mjerimo viskozna ili prljava. Ugradnja filtera ispred takvog uređaja pomoćiće u smanjenju mogućnosti začepljenja i habanja. Kod ultrazvučnih ili elektromagnetskih protokmetara problemi se javljaju obično kod njihovih sekundarnih elemenata odnosno elektronskih komponenti. Senzori pritiska u sekundarnim elementima treba da se periodično skidaju i pregledaju.Aplikacije u kojima može da dođe do premazivanja(izolacije) predstavljaju potencijalne probleme za uređaje kao što su elektromagnetski i ultrazvučni uređaji. Ako dođe do izolacije premazivajem rad magnetnih i ultrazvučnih protokmetara će biti oslabljen ako se elektrode izoluju od tečnosti. Kod ultrazvučnih mjerača protoka uglovi prelamanja mogu se promjeniti i zvučna energija apsorbovana od strane premaza izazvaće neoperativnost uređaja.

10.4 Skorašnji napreci kod senzora protoka

Nedavna studija koju su sproveli Flow Research i Ducker Worldwide širom svijeta pokazala je da je najveci pomak na polju mjerenja protoka napravljen sa senzorima baziranim na novim tehnologijama (“new technology” protokmetri) . Protokmetri na bazi novih tehnologija u ovoj studiji su definisani kao magnetni , ultrazvučni , Koriolis , vrtložni , senzori na bazi razlike pritisaka (diferencijalni protokmetri).Ove 4 funkcije su im zajedničke:1.) Otkriveni (konstruisani )su u zadnjih 50 godina2.) Oni koriste tehnološki napredak kako bi se riješili neki od stalnih problema koji su se javljali kod starijih tipova uređaja za mjerenje protoka.3.) Imaju dominantnu ulogu odnosno u fokusu su prilikom razvijanja novih uređaja od strane proizvođača4.) Njihove osobine uključujući i tacnost su bolje u odnosu na tradicionalne protokmetarske tehnologjeOvi protokmetri obično imaju i neke dodatne funkcije.To uključuje softverske mogućnosti , više aplikacijski specifičnih paketa, izuzetno izdržljiv način konstrukcije. Samodijagnostika je takode jedna od osobina koju korisnici traže kod protokmetara.Najnovije inovacije je pretrpio protokmetar na bazi razlike pritisaka što obuhvata razvoj diferencijalnog predajnika veoma velike tačnosti, upotrebu multivarijabilnih predajnika kao i predajnike razlike pritisaka koji sadrže integrisani primarni element.Veoma značajan razvoj (napredak) je bio pronalazak integrisanog diferencijalng protokmetra. U prošlosti korisnici su kupovali primarne elemente od jedne kompanije a predajnike od druge.Sada u ponudi imamo predajnike koji su integrisani zajedno sa primarnim elementom.Najnoviji trendovi idu ka konstrukciji pametnijih i još preciznijih predajnika. Medutim treba shvatiti i to da je predajnik samo jedan element u cijelom sistemu , a ostale promjenljive utiču na preciznost mjerenja. Pojavom ultrazvučnih protokmetara dobili smo novu klasu preciznih , jeftinih uredaja za mjerenje protoka kroz cijevi malog prečnika(0.25-2 inča u prečniku) . Oni su bazirani na mikroelektromehaničkim sistemima (MEMS) i signal-mješovitom integrisanom kontrolnom čipu (ASIC) koji je specifičan za određenu aplikaciju.Ova tehnika nudi alternativu između tradicionalnih mehaničkih mjerila ili još skupljih vrtložnih ili masenih protokmetara za odgovarajuću aplikaciju sa malim prečnikom cijevi.Elektronski izlaz može direktno biti povezan sa procesom kontrole i praćenja.Takođe uredaj može i da vrši samotestiranje. Dobro je prilagoden za mjerenje protoka gasa.

10.5 Senzori nivoa

Tipovi senzora za mjerenje nivoa tečnosti

Kao što je već ranije rečeno mjerenje nivoa je usko povezano a mjerenjem protoka.Najčešće aplikacije za mjerenje nivoa su mjerenje nivoa u rezervoarima i kontrola zadatog nivoa.Danas je dostupan veliki broj tehnologija i metoda za izradu senzora nivoa : ultrazvučna,hidrostatičkog pritaiska , RF kapacitivnosti , magnetostriktivno-bazirane a tu su i radarski sistemi za mjerenje.

Hidrostatička metoda

Mjerenje nivoa uz pomoć diferencijalnog hidrostatičkog pritiska se bazira na principu razlika pritisaka koji vladaju na samom vrhu stuba tečnosti i na njegovom dnu i povezana je sa gustinom tečnosti i visinom stuba tečnosti (tj samim nivoom).Predajnici pritiska koriste se za aplikacije u kojima se prati nivo tečnosti. Instrumenti za mjerenje pritiska mogu biti smješteni na određenoj udaljenosti od samog senzora.Međutim ovo zahtijeva kalibraciju oblasti predajnika kako bi se kompenzovala razlika u visini između samog senzora i nivoa koji se njime mjeri.Hidrostatički uređaji za mjerenje nivoa sa mjehurom (plovkom valjda) su razvijeni za mjerenje nivoa u podzemnim rezervoarima ,rezervoarima za otpadne vode i drugim aplikacijama gdje nije moguce montirati predajnik iznad mjesta gdje se nivo mjeri (ili se mora skloniti zbog oranja tla ???)

Tačnost hidrostatičkih senzora nivoa je povezana sa tačnošcu senzora pritiska koji koristimo.Pametni predajnici diferencijalnog pritiska (differential-pressure (DP) transmitters) mogu se lako prilagoditi mjerenju nivoa i intenzivno se koriste u industriji tako doprinose popularnosti ove tehnologije. Pametni predajnici i 4-20ma signali (mislim da je u pitanju strujna petlja) se koriste za komunikaciju sa udaljenim sistemima za distribuciju i kontrolu distributed control systems (DCSs) ,programabilnim logičkim kontrolerima (PLCs) i drugim upravljačkim sistemima.Rezultati mjerenja nivoa se mogu prenositi u digitalnom obliku preko mreže i tako ostvariti daljinski pristup senzorskoj mreži i pojedinom senzoru preko računara.

Ultrazvučni senzori nivoa

Ultrazvučni senzori nivoa emituju zvučne talase , a površina tečnosti te iste talase reflektuje nazad ka izvoru. Vrijeme za koje putuje talas do površine tečnosti i nazad je proporcionalno udaljenosti izmedu predajnika i površine tečnosti. Ovi senzori su idealni za bezkontaktno mjerenje nivoa nekih veoma viskoznih tečnosti kao što su mazut , lateks i veziva. Praktično postoji par ogranicenja za ovu metodu , što uključuje:-pjena na površini tečnosti može da apsorbuje zvuk-brzina zvuka varira sa temperaturom okoline-turbulencija može da dovede do pogrešnih ocitavanja vrijednosti sa senzora

RF kapacitivni senzori nivoa

Kapacitivni senzori nivoa i predajnici rade na principu da se kondenzator može formirati između sonde i zida posude.(dielektrik je tečnost čiji nivo mjerimo)Kapacitivnost ovog kondenzatora se mijenja sa promjenom nivoa tečnosti, zato što sve uobičajene tečnosti imaju dielektričnu konstantu veću od konstante za vazduh.Sonda se povezuje na RF predajnik smješten spolja na rezervoaru. Prenos vrijednosti izmjerenog

nivoa može biti u različitim formama a prijemni uredaj može biti PC računar , grafički zapisnik , sistem za prenos i kontrolu- upravljanje (distributed control system (DCS)) programabilni logički kontroler itd. Ovi senzori su korisni za mjerenje nivoa "vodenih" tečnosti, organskih tečnosti , veziva , maziva , tečnih hemikalija kao što je kalcijum oksid. Takođe imamo i kapacitivne senzore nivoa sa dvije sonde koji se koriste za mjerenje nivoa dvije tečnosti različitih dielektričnih konstanti ( ovo valjda ako su u istom rezervoaru ili šta vec).Ovi senzori su robustni jednostavni za upotrebu , nemaju pokretnih dijelova i jednostavni su za cišćenje i održavanje. Oni mogu biti dizajnirani i za aplikacije u kojima se primjenjuju veliki pritisci i temperature.Takođe postoje varijacije osnovnih RF sistema koji se nazivaju RF impedansni i RF admitansni sistemi.(Impedansa predstavlja ukupni otpor protoku struje u nekom AC ili DC kolu; admitansa je recipročna vrijednost impedanse)Ove tehnike nude neka poboljšanja u odnosu na osnovne RF kapacitivne tehnologije senzora kao što su bolja pouzdanost i širi dijapazon aplikacija.

Magnetostriktivni senzori nivoa

Magnetostriktivni senzori nivoa se baziraju na principu da spoljašnje magnetno polje se može iskoristiti tako da izazove refleksiju elektromagnetnog talasa u talasovodu konstruisanom od magnetostriktivnog materijala.Sonda se sastoji od tri koncentrična dijela.Poslednji od dijelova je zaštićen spoljašnjom cijevi.Unutar spoljašnje cijevi je talasovod koji je načinjen od elementa od magnetostriktivnog materijala. Ispitni impuls niske strujne vrijednosti se generiše u elektronici u predajniku (transmiteru) i potom se šalje niz talasovod, što izaziva elektromagnetno polje duž cijelog talasovoda. Kada ovo magnetno polje interaguje sa magnetnim poljem stalnog magneta koji je smješten unutar plovka to rezultuje pojavom torzionog impulsa naprezanja ili pojavom da se talasovod uvija.Ovo uvijanje talasovoda se detektuje kao povratni impuls. Vrijeme izmedu početka ispitnog impulsa i detekcije povratnog impulsa se koristi kako bi se obavilo mjerenje nivoa sa visokim stepenom tačnosti i pouzdanosti.U zadenjih 10 godina , mikrotalasna ili radarska tehnologija za mjerenje nivoa se sve češce koristi. Ova oblast se brzo mijenja. Ranije se ova tehnologija koristila samo u aplikacijama gdje je zahtijevana velika tačnost , ali razvoj novih tehnika i masovna proizvodnja doveli su do toga da radar postane dostupniji za mnoge različite aplikacije.

Slika 10.5.1 Magnetostriktivni senzor nivoa

Mikrotalasni radarski senzori nivoa

Svi mikrotalasni radarski senzori nivoa rade na istom principu slanja mikrotalasa nadole sa senzora koji se nalazi na vrhu rezervoara ili neke druge posude; dio energije se reflektuje od površine supstance čiji nivo mjerimo. Vrijeme koje signel sa senzora pređe u oba pravca se koristi za mjerenje nivoa.Radarski senzori nivoa mogu se podijeliti u dvije velike grupe: through-air radar and guidedwave radar (GWR) koji se još zovu mikrosnažni impulsni radari.Through-air radari se mogu podijeliti u dvije kategorije:oni sa vremenom putovanja pulsirajućeg talasa i oni sa frekventno-modulisanim kontinualnim talasima (FMCW). Iako obadvije grupe koriste mikrotalasne signale koji se šalju kroz otvoreni prostor iznad supstance čiji nivo mjerimo obrada reflektovanog signala manipulacija i računanje udaljenosti se razlikuje kod obje grupe.

GWR

Za razliku od "through- air" radarskih sistema , GWR je tehnologija u naletu.Ova tehnologija je slična RF admitansnoj senzorskoj tehnologiji , ali nema iste mogućnosti da se izbori sa ekstremnim vrijednostima pritiska , temperature. Elektromagnetni impulsi koji nose energiju emituju se sa baze predajnika niz talasovod (kabal )Kada signal dode do tacke u kojoj se mijenja vrijednost dielektrične konstante , a to je obično površina senzora , jedan dio signala se reflektuje nazad. Iznos refleksije signala je proporcionalan razlici u dielektričnim konstantama izmedu talasovoda i supstance. Ukratko , supstanca ima vecu dielektričnu/ provodnost i omogućava jači povratak signala.

Samo mjerenje nivoa je u funkciji vremena koje protekne od onog trenutka kad se elektromagnetni signal emituje do trenutka kada se primi reflektovani dio tog signala.Ovu vrstu radarske tehnologije još često nazivaju i Radarska reflektometrija u vremenskom domenu ( time domain reflectometry (TDR) radar).Prostiranje signala duž talasovoda eliminiše lažne odjeke (refleksije) i sprečava gubitak signala zbog prašine i pare koji može da se dogodi ako se signal prostire kroz slobodni prostor.Takođe moguć je i rad u aplikacijam gdje dolazi do promjene vlažnosti vazdušne pare ili fluktuacije nekog gasa sa različitom dielektricnom konstantom.Takođe treba primjetiti da kod svih radarskih meoda slabo dielektricni materijali mogu izazvati probleme.Pored toga vodiči (e sad dal misli na talasovode il provodnnike ??) se mogu oštetiti ili korodirati.Postoje i ovakvi sistemi i sa jednim i sa dva talasovoda , u zavisnosti od aplikacije. Sistemi sa 2 talasovoda teže da obezbijede nešto veću fleksibilnost i pogodni su za mjerenja da niskodielektričnim materijalima ili onim materijalima gdje se javlja pjena na površi tečnosti i može izazvati problem apsorpcije signala.

„Through-air“ radar

Impulsni radar ( or pulsed time-of-flight) je sličan ultrazvučnom senzoru nivoa.Impuls radara (snop) je usmjeren ka površini supstance čiji nivo mjerimo a vrijeme putovenja impulsa od radara do površine tecnosti i nazad se koristi za računanje vrijednosti nivoa tečnosti. Ovaj metod koristi manje energjie (snage) nego FMCW a na njegov rad štetnomogu uticati pjena ,prepreke na posudi u kojoj je tečnost i (slabo) nisko-dielektricni materijali.FMCW sistemi emituju kontinualan signal čiste (swept)???? frekvencije.Kod ovog tipa radarske tehnologije udaljenost (pa valjda i nivo) se izračunava iz razlike u frekvencijama predatog (emitovanog) i primljenog (reflektovanog) signala u bilo kom vremenskom trenutku.Ova tehnika omogućuje i "inferential" mjerenja i ona mogu biti veoma precizna. Izbor odgovarajuće vrste i veličine antena kod ovih senzora nivoa je ključni faktor. Samo tako cemo adekvatno foksirati i primiti reflektovani snop (signal).I konusne i parabolicne antene se koriste u ovim senzorskim tehnologijama.Konusne antene teže da zadrže signal u užem fokusiranijem "kanalu " dok antene u obliku tanjira teže da proizvedu širi i raspršeniji signal. Faktori kao što su pjena u rezervoaru razne prepreke i turbulencija mogu da utiču na tip i veličinu antene prilikom njenog izbora.

Izbor odgovarajuće tehnologije za mjerenje nivoa

Izbor odgovarajućeg tipa i veličine antene je jedan od krucijalnih faktora prilikom izbora tehnologije (metode) za mjerenje nivoa.Kada biramo metodu za bilo koju pojedinačnu aplikaciju mnogi faktori pored početnih troškova moraju se uzeti u razmatranje.Najvažniji faktori koje proizvođač senzora mora da zna o mjerenju nivoa su:

-ime i karakteristika supstance (materije) čiji nivo mjerimo, da li je u pitanju supstanca u čvrstom , tečnom , ljepljivom (slurry) , praškastom ili zrnastom stanju.Vrijednost dielektrične konstante K supstance je od posebnog značaja isto kao i osobine kao što su viskoznost , gustina ,provodnost, i konzistentnost(uljna , vodena i td) .

-informacije o procesu , kao što su pritisak i temperatura , stepen turbulentnosti i

materijal od koga je rezervoar ili posuda u kojoj je supstanca.

-energetski zahtjevi (zahtijevi po snazi).-Što se tiče posude u kojoj se nalazi supstanca moramo znati njenu veličinu oblik i poziciju prepreka u njoj ako postoje.

10.6 Alpikacioni standardi

NIST grupa za protok fluida uspostavlja, održava i širi standarde za U.S: industriju za brzinu protoka fluida i mjerenja količine fluidaMeđunarodna elektrotehnička komisija Uspostavlja medunarodne standarde za proces kontrole i za protokmetre (senzore protoka).API prirucnik za naftna mjerenja se najčešce navodi kao referenca prilikom mjerenja u stacionarnim rezervoarima za naftu ( a mislim i za ostale energente).OIML R85(E) je širokorasprostranjeni standard za nadzor prenosa iz Organizacije za Internacionalnu Meteorologiju i on specificira performanse instrumenata za mjerenje nivoa.

Litreratura

Jon Wilson, William Hennessy, BMT Scientific Marine Services, Inc.:

Sensor tehnology handbook M.Popović: Senzori i mjerenja, Beograd 2000.