Merilnik nivoja materiala z metodo TDR
MERILNIK NIVOJA MATERIALA Z METODO TDR KROHNE - OPTIFLEX 1300c Seminarska naloga Datum: 26. maj 2010 Avtorica: Tanja Lavrih Podpis: Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C 1. KAZALO VSEBINE 1. KAZALO VSEBINE ........................................................................................................................ 1 2. ZAHVALA ....................................................................................................................................... 2 3. UVOD .............................................................................................................................................. 3 4. PREGLED METOD MERJENJA NIVOJA .................................................................................... 4 Hidrostatična metoda ........................................................................................................................ 4 Vzgonska metoda ............................................................................................................................. 4 Kapacitivna metoda .......................................................................................................................... 4 Uporovna metoda ............................................................................................................................. 4 Radioaktvina metoda ........................................................................................................................ 5 Laserska metoda ............................................................................................................................... 5 Ultrazvočna metoda .......................................................................................................................... 5 Radarska metoda .............................................................................................................................. 5 TDR metoda .................................................................................................................................... 5 5. MERILNA METODA TDR ............................................................................................................. 7 Določevanje dielektričnosti materiala .............................................................................................. 9 Vrste vodil ........................................................................................................................................ 9 Enojno vodilo ............................................................................................................................... 9 Dvojno vodilo ............................................................................................................................. 10 Koaksialno vodilo ....................................................................................................................... 10 6. OPTIFLEX 1300C ......................................................................................................................... 11 Izgled in priključitev OPTIFLEXa 1300c ...................................................................................... 11 Uporaba TRD metode .................................................................................................................... 12 Uporaba merilnika .......................................................................................................................... 12 Meritev nivoja tekočine .............................................................................................................. 12 Merjenje mejne plasti ................................................................................................................. 12 Merjenje nivojev trdnih snovi..................................................................................................... 13 Merjenje tekočin v obvodni cevi ................................................................................................ 13 Merjenje tekočin v posodi z ovirami .......................................................................................... 13 Ločena izvedba prikaza .............................................................................................................. 13 Prikaz rezultatov na osebnem računalniku ................................................................................. 14 Omejitve meritev ........................................................................................................................ 15 7. ZAKLJUČEK ................................................................................................................................. 16 8. VIRI ................................................................................................................................................ 17 1 Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C 2. ZAHVALA Zahvaljujem se Darkotu Miklavčič iz podjetja Mimos za njegovo strokovno razlago merilne metode TDR, za razlago delovanja merilnika OPTIFLEX1300c, za demonstracijo uporabe merilnika in za pomoč pri iskanju literature. Skratka za vso njegovo pomoč pri nastajanju te seminarske naloge. 2 Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C 3. UVOD Merilnike nivoja snovi danes lahko najdemo že skoraj v vsaki industriji. Z njimi merimo nivoje moke, peska, žita, apna, raznih tekočin v posodah, nivoje rek, nivoje medija v odprtih kanalih… A niso vsi merilniki dobri za vse vrste materiala, saj uporabljajo različne metode merjenja. Zato je potrebno vedeti kaj želimo meriti in kakšni so delovni pogoji, da se potem pravilno odločimo pri sami izbiri merilnika. V tej seminarski nalogi bom natančneje predstavila eno izmed aktualnih merilnih metod in sicer merilno metodo TDR (Time Domain Reflectometry), ki deluje na principu odboja elektromagnetnega signala od materiala. Predstavila pa bom tudi sam merilnik OPTIFLEX1300c, ki deluje na principu TDR merilne metode in so ga razvili v podjetju KROHNE, katerega v Sloveniji zastopa podjetje Mimos iz Ljubljane. 3 Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C 4. PREGLED METOD MERJENJA NIVOJA Meritve nivoja so ena izmed najpomembnejših meritev v procesni industriji in so tako ozko povezane tudi z avtomatskim vodenjem. Nivo v posodi je izražen z višino medija, običajno od dna posode. V splošnem bi lahko rekli, da merjenje nivoja pomeni indikacijo položaja meje med dvema medijema različne gostote glede na neko horizontalno površino, ki jo jemljemo kot referenčno. Glede na zahteve porabnikov so proizvajalci skozi čas razvili mnogo metod za rešitev tega problema. V nadaljevanju so na kratko opisane danes najpomembnejše in najuporabnejše metode: Hidrostatična metoda Pri tej metodi se uporabi tlačni senzor, katerega se namesti na dno posode in meri razliko tlaka. Prednost: nizki stroški Slabosti: meritev je zelo odvisna od gostote medija, atmosferskega tlaka → meritev je odvisna od množice zunanjih vplivov Vzgonska metoda Pri tej metodi uporabljamo razne plovce → metoda s plovci. Zaznavamo položaj plovca, katerega gravitacijska sila mora biti manjša od vzgona → nivo je enak ravnovesju gravitacijske sile in vzgona (Arhimedov zakon). Prednosti: relativno nizki stroški Slabosti: le za tekočine; meritev je odvisna od gostote medija; opravka imamo z gibljivimi mehanskimi elementi, ki se obrabljajo, torej je potrebno redno vzdrževanje Kapacitivna metoda Merimo kapacitivnost med elektrodo potopljeno v tekočino in steno zbiralnika. Prednosti: pri dobrih nastavitvah je to dobra metoda Slabosti: zahtevna nastavitev; nizka točnost; odvisnost od tekočin in spremenjenih pogojev Uporovna metoda Imenovana tudi prevodna metoda in temelji na mostični vezavi. Merimo tok, ki trenutno teče skozi elektrodo v trenutku ko pride v stik s tekočino. Uporablja se pri merjenju tekočin. Slabosti: posoda mora biti kovinska 4 Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C Radioaktivna metoda Hitrost potovanja gama žarkov se spreminja (ko gredo skozi medij so počasnejši kot pa v atmosferi). Tu se izkorišča odboj žarkov. Merimo čas potovanja poslanega žarka in odboja. Prednost: brezkontaktno merjenje Slabosti: izpostavljenost sevanju; kalibracija je zelo zahtevna in zaradi sevanja tudi nevarna Zaradi nevarnosti na okolje se ta metoda opušča. Laserska metoda Zaznava odbojni čas laserskih žarkov s površine medija. Merimo čas potovanja izvornega in odbitega žarka. Prednosti: brezkontaktna meritev; zelo visoka natančnost; ozek snop žarkov; hitra meritev Slabosti: cena Ultrazvočna metoda Oddajamo ultrazvočni signal in sprejemamo odbiti signal od površine. Merimo čas potovanja paketa signalov od izvora do medija in nazaj do sprejemnika. Prednost: brezkontaktno merjenje. Slabosti: počasno potovanje valov → občutljivost na temperaturo, tlak in vrsto medija; zahteva visoko dielektrično konstanto medija; pena, hlapi, para močno vplivajo na jakost odbojnega signala Radarska metoda Poznamo dve vrsti radarskih metod. V starejši izvedbi merimo čas potovanja pulznega signala od izvora do medija in nazaj do antene. Sodobnejše izvedbe radarjev kontinuirano oddajajo radarski signal in tudi kontinuirano spremljajo odboj od površine. Od medija odbiti signali se pasovno ločijo od ostalih odbitih signalov. Večja je širina obravnavanih odbitih signalov, natančnejša je meritev. Prednosti: brezkontaktna meritev Slabosti: stara metoda zahteva relativno veliko dielektrično konstanto medija; pri novejših metodah pa je ovira le še pena in ravna močno nagnjena odbojna površina TDR metoda Merilna metoda temelji na prenosu elektromagnetnega valovja po vodilu in njegovi okolici. Temelji na delnem in polnem odboju ob spremembi vrste medija v neposredni bližini vodila ali v njem. Merimo čas potovanja valovanja. Prednosti: v veliki meri neodvisna od oblike posode; neobčutljiva na medij; zaznava tudi manjše odboje signala; dobra natančnost Slabosti: kontaktna meritev 5 Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C Vidimo da zadnjih pet metod izkorišča odbijanje izvornega signala od medija in da se meri čas potovanja izvornega in odbitega signala (žarka). Izmed teh je najslabša metoda z gama žarki, saj je nevarna. Sledi ji metoda z ultrazvočnimi signali, saj je potovanje teh signalov zelo počasno in zato hitro pride do motenj. Hkrati mora biti tu površina medija ravna, da ne pride do odboja pod kotom → merilnik ne zazna odbitega signala. Naslednja je radarska metoda. Sledi ji laserska metoda, ki je zelo hitra a tudi tu mora biti površina medija ravna, da ne pride do odbojnega kota. Najširši spekter uporabe pa ima trenutno TDR metoda, saj signal potuje po vodilu, kar zmanjšuje možnost motenj in ne zahteva ravnih površin. Zaradi možnosti nastavitve občutljivosti zelo enostavno izločimo delne odboje, ki jih povzročajo motnje. Slika 1: Elektromagnetni frekvenčni spekter 6 Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C 5. MERILNA METODA TDR TDR metoda (Time Domain Reflectometry) se uporablja že vrsto let in je še vedno najuporabnejša in zelo natančna metoda. Uporablja se v geodetskih meritvah, za odkrivanje poškodovanih kablov, za izračun izgub v kablih, za določitev dielektrične konstante materiala, za merjenje nivoja medija v posodi… TDR metoda se za merjenje nivoja materiala uporablja od sredine 90-ih let in tu valovi ne potujejo po zraku, temveč po vodilu. Vodilo pa je lahko različno. Predvsem se uporablja enojno vodilo, dvojno vodilo in koaksialno vodilo pa se uporabljata za posebne namene. Slika 2: Blok shema TDR merilnika Senzor merilne naprave pošilja impulze po vodilu, ki je potopljeno v material. Ko impulzi dosežejo površino materiala, ki se meri, se večina impulza od površine odbije in potuje nazaj po vodilu z intenzivnostjo, ki je odvisna od dielektrične konstante, r , materiala (na primer voda, ima visoko dielektrično konstanto in odraža odbiti signal nazaj na vezje v vrednosti 80% svoje prvotne jakosti). Intenzivnost odbitega signala lahko zapišemo z enačbo: R 1 r 1 r 7 Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C odboj [%] Intenzivnost odboja 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0 0 20 40 60 80 100 dielektrična konstanta Slika 3: Graf intenzivnosti odboja od medija Naprava meri čas od trenutka, ko impulz posreduje, do trenutka ko ga prejme: polovico tega časa je enaka razdalji od referenčne točke naprave do površine materiala. Časovna vrednost se pretvori v izhodni tok v območju 4 ... 20 mA in / ali v digitalni signal. Prah, pena, para, vznemirjene površine, vrele površine, spremembe tlaka, spremembe temperature in sprememba gostote nimajo vpliva na delovanje naprave. Spodnji diagram prikazuje časovni potek meritve: t0: pošljemo impulz t1: impulz potuje s svetlobno hitrostjo c0 navzdol po vodilu t2: impulz se odbije od medija t3: odbiti impulz potuje nazaj navzgor po vodilu t4: sprejemnik zazna in sprejme odbiti impulz Slika 4: Časovni potek meritve 8 Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C Določevanje dielektričnosti materiala Vidimo da v tehnologiji TDR na intenzivnost odboja impulza vpliva dielektričnost medija od katerega se odbije. Dielektričnost je snovna konstanta, ki opisuje obnašanje dielektrika v električnem polju. V rabi sta dve definiciji. Po prvi je dielektričnost definirana kot razmerje gostote električnega polja D in jakosti električnega polja E v snovi, ki izpolnjuje ves prostor, kjer je električno polje: D E 0 r Tako definirana dielektričnost ima enako enoto kot influenčna konstanta [As/Vm]. Po drugi definiciji je dielektričnost (tudi relativna dielektričnost) brez razsežna količina, definirana kot razmerje med gostoto električnega polja v snovi, ki izpolnjuje ves prostor, kjer je električno polje, in gostoto električnega polja v praznem prostoru, če dielektrik odstranimo iz električnega polja: Vs 0 4 10 7 1 D Am 0 , kjer je r m c0 0 0 E0 co 299792458s 0 …permeabilnost praznega prostora c0 …hitrost svetlobe v vakuumu Vrste vodil Ko signal potuje po vodilu se pojavi elektromagnetno polje s pomočjo katerega zaznavamo medij v različnih radijih okoli vodila. Oblika elektromagnetnega polja pa je odvisna od oblike vodila. Enojno vodilo Tu se magnetno polje oblikuje v krog s premerom cca.60cm Imamo na izbiro gibko ali trdno vodilo. Trdno je krajše, a lahko meri medije z nižjo dielektričnostjo, medtem ko je gibko vodilo daljših dimenzij. Slika 5: Enojno vodilo 9 Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C Dvojno vodilo Pri dvojnem vodilu gre v bistvu za dva enojna vodila, ki sta med seboj vzporedna. Da kljub prisotnosti medija in velikih dolžin ostaneta vzporedna sta med seboj povezana s plastičnimi distančniki. Pri tem vodilu se pojavi magnetno polje drugačne oblike kot pri enojnem vodilu in zato lahko s tem vodilom merimo v površini v obliki elipse 5x20cm. Zaradi tega je to vodilo primerno za ozke posode ali za posode, kjer so še dodatne ovire (lestve, mešalniki ob robu…) Tudi tu imamo na razpolago gibko in trdno vodilo. Slika 6: Dvojno vodilo Koaksialno vodilo Tu gre v bistvu za enojno vodilo, ki je postavljeno v dodatno zaščitno cev. Tako se magnetno polje pojavlja le v notranjosti cevi. V cevi so majhne luknjice, skozi katere medij pride v njo in tako se signal, ki pride po vodilu odbije in potuje nazaj do merilnika. Koaksialno vodilo je primerno za tekočine. Slika 7: Koaksialno vodilo 10 Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C 6. OPTIFLEX 1300C Merilnik OPTIFLEX 1300c so razvili v podjetju Krohne leta 2005 in je naslednik merilnikov BM100, BM100a in BM102. V primerjavi s starejšimi generacijami ima OPTIFLEX1300c boljšo natančnost, enostavnejše montažne pogoje, širši spekter uporabe, zelo dobro časovno stabilnost in omogoča boljšo ponovljivost, katera vodi k večji zaupljivosti. OPTIFLEX 1300c je vodilni radar merjenja nivojev na trgu. Merilnik vedno meri razdaljo, z matematičnimi operacijami pa lahko izračunamo nivoje, volumne ali maso medija, ki ga merimo. Uporaba in nastavitev merilnika je enostavna saj ima enostavno navigacijo. S pomočjo zaslona na dotik brez odpiranja ohišja, opravimo vse nastavitve merilnika. Podjetje Krohne nudi svojim uporabnikom možnost, da pri naročilu navedejo vrsto medija in aplikacijske pogoje. Skladno z dielektrično konstanto medija v tovarni nastavijo vse aplikacijske parametre. V takih primerih kalibracija na lokaciji ni potrebna. Izgled in priključitev OPTIFLEXa 1300c Slika 8: OPTIFLEX1300c Slika 9: Priključitev merilnika 11 Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C Uporaba TRD metode OPTTFLEX za merjenje uporablja merilo metodo TDR in omogoča merjenje nivoja tekočin, paste, granulatov, praškov. Ena izmed prednosti uporabe TDR metode je ta, da merilnik lahko meri skoraj vse vrste materiala, ki imajo dielektrično konstanto višjo kot 1.05. Če ima medij zelo nizko dielektrično konstanto ( r 1.6 ), OPTIFLEX 1300c samodejno preklopi na TBF (Time Bottom Following – signal iz elektronike pošljemo navzdol po vodilu do uteži in merimo čas potovanja po vodilu navzgor) in osnovni način delovanja se tako ne spremeni. OPTIFLEX 1300c ima večjo dinamiko signala in ostrejši impulz od običajnih naprav TDR. Zato ima boljšo ponovljivost in natančnost. TDR metoda je edina, ki omogoča merjenje mejne plasti → merilnik opcijsko nudi drugi tokovni izhod, ki se uporablja za prikazovanje in merjenje mejne plasti. Kljub motnjam, kot so močno razgibana površina, pena, obloga na sondi oziroma prah v rezervoarju, bo OPTIFLEX 1300c, prav zaradi uporabe TDR metode, opravljal meritve tam, kjer konkurenčne naprave prenehajo delovati. Uporaba merilnika Meritev nivoja tekočine OPTIFLEX 1300c lahko izmeri raven nivoja tekočih izdelkov, vključno z utekočinjenim naftnim plinom in utekočinjenim zemeljskim plinom. Merilnik ne zahteva kalibracije ali zagona. Omogoča merjenje vseh vrst tekočin, v okviru navedenih območij tlaka in temperature. (Podatki so navedeni v tehnični specifikaciji merilnika) Na voljo so številni zaključki vodila, ki so potrebni za korektno izvedbo meritve. Slika 10: Uporaba1 Merjenje mejne plasti Z merilnikom OPTIFLEX 1300c lahko merimo tudi mejne plasti tekočin. Pogoj za natančno meritve je, da se medija med seboj v dielektričnosti razlikujeta vsaj za 10 enot. Dielektrični konstanti medija se lahko razlikujeta tudi manj kot 10 enot, vendar je v takih primerih potrebno več časa za ločitev medijev ali pa je mejna plast določena z manjšo natančnostjo. Slika 11: Uporaba2 12 Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C Merjenje nivojev trdnih snovi OPTIFLEX 1300c je lahko opremljen z vodilom premera 8mm. V takih primerih je v merilnik vgrajena varovalka, ki prenese maso treh ton. Gibko vodilo je namenjeno za merjenje prahu in granulatov v silosih z višino do 35m. 4mm vodilo ima vgrajeno eno tonsko varovalko in se uporablja za manjše silose ali tekočine. Obstaja še 2mm vodilo, ki je namenjeno enostavnim aplikacijam. Slika 12: Uporaba3 Merjenje tekočin v obvodni cevi OPTIFLEX 1300c lahko natančno meri tudi razburkano površino tekočin. Prisotnost pene ni ovira za kvalitetno meritev. Če je posoda polna ovir, kot so mešala in ojačitve, KROHNE priporoča namestitev merilnika v obvodno cev. Slika 13: Uporaba4 Merjenje tekočin v posodi z ovirami Vseeno lahko OPTIFLEX 1300c namestimo tudi direktno v posodo kljub temu, da v njej obstajajo vrtinci, mešala ali druge ovire. V tem primeru je priporočljivo, da se vodilo vstavi v dodatno cev v posodi, hkrati pa je priporočljiva uporaba ''čarovnika OPTIFLEX'' (program za nastavljanje - izločanje motenj), ki nam omogoča, da bomo kljub motnjam v tanku dobili najboljše možne rezultate meritev. Z vgradnjo vodila v zaščitno cev, dejansko spremenimo vodilo iz običajnega v koaksialno vodilo. Slika 14: Uporaba5 Ločena izvedba prikaza Če je težko ali nemogoče prebrati podatki z integriranega zaslona OPTIFLEXa, ki je na vrhu rezervoarja, KROHNE priporoča možnost prestavitve zaslona na bolj dostopno mesto. Na voljo je kabel dolg do 14.5m in nosilec za montažo. Slika 15: Uporaba6 13 Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C Prikaz rezultatov na osebnem računalniku S pomočjo HART usmernika in računalniškega programa PACTware lahko rezultate meritev opazujemo na osebnem računalniku. HART vmesnik (Highway Addressable Remote Transducer) je dvosmerni komunikator, ki s pomočjo pravilne programske opreme omogoča pretok podatkov med dvema napravama, na primer med merilno napravo in računalnikom. S program PACTware in pravilnim DTM-jem (programom za določeno vrsto merilnika) lahko preko računalnika nastavljamo parametre merilnika in spremljamo meritve. Slika 16: Priključitev merilnika za uporabo osebnega računalnika Primer nastavitve pomembnejših parametrov in izpis rezultatov: Parameters: Installation Type: Tank Height: Probe Lenght: Blocking Distance: Detection Delay: Mesuring Mode: Level Treshold: Level Signal: Output Function: Level 4 mA: Level 20 mA: Error Handling: Nastavljeni parametri: Oblika montaže: Višina tanka: Dolžina vodila: Zaprto območje: Zakasnitev meritve Način meritve: Občutljivost merjenja: Kvaliteta signala: Funkcija izhoda: Nivo 4 mA Nivo 20 mA Signal v primeru napake: 14 Socket 9,000 m 9,000 m 0,400 m 0,400 m Direct 0,390 V (0,744 – 60% Signala) 0,744 V pri Gain 6 Level 0,000 m 8,600 m 22 mA Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C Slika 17: Primer izpisa rezultatov meritve Omejitve meritev 1 Zgornja mrtva cona; 2 Spodnja mrtva cona; dolžina na koncu sonde, kjer merjenje ni mogoče. 3 D=cona, kjer merjenje ni mogoče izvediti 4 Zrak v posodi 5 Material v posodi 6 L=dolžina vodila (po naročilu stranke) 7 Višina posode/tanka Slika 18: Omejitve merilnika OPTIFLEX1300c 15 Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C 7. ZAKLJUČEK Ob izdelovanju te seminarske naloge sem se veliko naučila o merjenju nivoja medija v posodi. Spoznala sem različne metode in ugotovila, da je zaenkrat najboljša TDR metoda in da je merilnik OPTIFLEX1300c zelo uporaben, predvsem pa je zelo enostaven za uporabo. Uporabnik ga mora le namestiti na željeno mesto, ga priključiti in merilnik že meri. Imela sem tudi priložnost nastaviti parametre merilnika OPTIFLEX1300c s pomočjo računalniškega paketa PACTware. Tu sem bila prijetno presenečena, saj sama nastavitev sploh ni težavna in jo lahko hitro opravimo. Sam izpis merilnih rezultatov pa je zelo pregleden. S končno obliko seminarske sem zadovoljna, saj mislim da sem zajela vso potrebno vsebino za razumevanje delovanja merilnika, ki deluje na principu merilne metode TDR. 16 Merilnik nivoja materiala z metodo TDR KROHNE – OPTIFLEX 1300C 8. VIRI http://www.mimos.si/ http://www.krohne.com/OPTIFLEX_1300_C__Level_Measurement__en.6434.0.html http://www.krohne.com/Measuring_principle_TDR__Level_Measurement__en.809.0.html http://encyclopedia.thefreedictionary.com/Time+Domain+Reflectometry http://www.krohne.com/Dielectric_Constants.6840.0.html CD Optiwave & Optiflex with the wizard driver setup (Merilniki nivoja- šolanje IGM januar 2006) Prospekti: KROHNE 09/2004 7.02465.21.00 KROHNE 04/2004 7.02316.24.00 KROHNE 04/2004 7.02463.21.00 Anton R. Sinigoj, Osnove elektromagnetike; založba FE in FRI 17
© Copyright 2024