Jak efektywnie mierzyć poziom cieczy i materiałów sypkich
chinnawat – Adobe StockKontrola poziomu mediów w zbiornikach to jedno z podstawowych zadań automatyki przemysłowej. Choć są często niedoceniane, czujniki poziomu odgrywają ogromną rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa, ciągłości procesów i jakości produkcji. Od prostych pływaków po zaawansowane radary – każde z tych urządzeń ma swoje miejsce, a ich dobór wymaga znajomości zarówno właściwości medium, jak i warunków pracy instalacji.
Czujniki poziomu są nieodzownym elementem współczesnej techniki. To właśnie one informują np., czy w zbiorniku nie zabrakło surowca, kiedy pompa pracuje na sucho lub gdy grozi przepełnienie silosu. Bez nich trudno wyobrazić sobie funkcjonowanie zakładów chemicznych, energetycznych, spożywczych czy wodociągowych.
Jeszcze kilkadziesiąt lat temu dominowały rozwiązania mechaniczne – proste, tanie, ale ograniczone pod względem dokładności i niezawodności. Dziś coraz większe znaczenie odgrywają metody bezkontaktowe, które wykorzystują fale radarowe lub ultradźwiękowe, a także czujniki komunikujące się zdalnie i diagnozujące własny stan pracy.
Najważniejszy typy czujników poziomu
Czujniki pływakowe
Najbardziej znanym i intuicyjnym rozwiązaniem są czujniki pływakowe. Działają one na zasadzie unoszącego się elementu (pływaka), który porusza się wraz ze zmianą poziomu cieczy i aktywuje styk lub kontaktron. To prosta, a zarazem niezawodna technologia, która od wielu dekad znajduje zastosowanie w zbiornikach wodnych, instalacjach chłodniczych lub innych instalacjach technologicznych.
W nowoczesnych wersjach stosuje się układy magnetyczne i wielopunktowe przełączanie, co zwiększa dokładność i elastyczność działania. Warto dodać, że odpowiednio zaprojektowane czujniki pływakowe mogą być stosowane również w strefach zagrożonych wybuchem, w tym przy cieczach łatwopalnych, pod warunkiem spełnienia wymogów certyfikacji ATEX.
Czujniki pojemnościowe
Czujniki pojemnościowe działają na zasadzie zmiany pojemności elektrycznej w obecności medium. Dzięki temu mogą mierzyć poziom zarówno cieczy, jak i materiałów sypkich. Najczęściej pełnią funkcję sygnalizatorów poziomu granicznego, zapobiegając przepełnieniu zbiornika, a także pracy pompy na sucho. Ich zaletą jest możliwość pracy w wielu sektorach przemysłu – od spożywczego i wodno-ściekowego, po transport, stocznie i instalacje mechaniczne. Sprawdzają się także w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia, a także w strefach zagrożonych wybuchem.
Czujniki ultradźwiękowe
Sondy ultradźwiękowe służą do monitorowania poziomu cieczy, w tym substancji agresywnych chemicznie. Montowane na górze zbiornika pracują bez kontaktu z medium, wysyłając fale ultradźwiękowe i mierząc czas ich odbicia od powierzchni cieczy. To rozwiązanie jest proste, precyzyjne i bezpieczne – idealne tam, gdzie kontakt z substancją byłby problematyczny. Sprawdzają się m.in. w oczyszczalniach ścieków, zbiornikach na oleje i instalacjach wodnych.
Dodatkowo charakteryzują się stosunkowo wysoką odpornością na zabrudzenia i zmienne warunki środowiskowe. Ograniczeniem są jednak zakłócenia powodowane przez pianę lub silne turbulencje powierzchni.
Czujniki radarowe
Technologia radarowa reprezentuje najbardziej zaawansowane rozwiązania w pomiarach poziomu cieczy i materiałów sypkich. Radary wysyłają fale elektromagnetyczne, a następnie analizują sygnał odbity od powierzchni medium. Mogą pracować zarówno w wersji impulsowej TOF (Time of Flight), jak i z modulacją częstotliwości FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave). Dzięki temu znajdują zastosowanie w wielu branżach – od chemii i energetyki po gospodarkę wodną.
Główną zaletą jest odporność na trudne i zmienne warunki środowiskowe. Radzą sobie z wysokim ciśnieniem, temperaturą, zapyleniem, a także z bardzo wąskimi zbiornikami czy wysokimi silosami. Nowoczesne radary o częstotliwości 80 GHz osiągają dokładność pomiaru do ±1 mm. Oferują niezwykle wąską wiązkę (nawet 3 stopnie), co umożliwia precyzyjne pomiary w wąskich studniach, rurach czy zbiornikach o skomplikowanej geometrii. Zapewniają wysoką dokładność tam, gdzie inne technologie zawodzą.
Czujniki wibracyjne
Sensory wibracyjne od kilkudziesięciu lat należą do najpewniejszych rozwiązań w zakresie sygnalizacji poziomu. Działają na zasadzie drgających elementów – gdy zetkną się z medium, jego obecność tłumi oscylacje, co jest interpretowane jako osiągnięcie zadanego poziomu. Umożliwia to niezawodną detekcję zarówno cieczy, jak i materiałów sypkich.
Najczęściej stosuje się je do sygnalizacji poziomu minimalnego, pośredniego lub maksymalnego w zbiornikach i rurociągach. Doskonale sprawdzają się jako zabezpieczenie pomp przed suchobiegiem i jako elementy układów blokujących w automatyce przemysłowej. Ich konstrukcja bez ruchomych części zapewnia długą żywotność i minimalne wymagania serwisowe, nawet w trudnych warunkach pracy. Dzięki tym cechom od lat cieszą się opinią urządzeń niezawodnych i odpornych na zakłócenia procesowe.
Czujniki hydrostatyczne
Czujniki hydrostatyczne należą do najbardziej podstawowych, a jednocześnie niezawodnych metod pomiaru poziomu cieczy. Ich działanie opiera się na prawie hydrostatyki: ciśnienie wywierane przez ciecz na określonej głębokości jest proporcjonalne do wysokości słupa cieczy nad tym punktem. Im wyższy poziom medium w zbiorniku, tym większe ciśnienie rejestruje umieszczony na dnie czujnik. Sonda hydrostatyczna mierzy to ciśnienie i przekształca je na wartość odpowiadającą wysokości cieczy.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Ze względu na swoją prostotę i trwałość czujniki hydrostatyczne znajdują zastosowanie w wielu sektorach przemysłu. Mogą być montowane zarówno w niewielkich zbiornikach, jak i w rozbudowanych instalacjach przemysłowych. W gospodarce wodno-ściekowej służą do monitorowania poziomu wody w studniach, zbiornikach retencyjnych czy reaktorach biologicznych.
W przemyśle chemicznym i petrochemicznym są wykorzystywane do pomiaru poziomu agresywnych chemikaliów, olejów lub ropy naftowej. Charakteryzują się wysoką odpornością na zmienne warunki środowiskowe, choć wymagają okresowej konserwacji – szczególnie w środowiskach z osadami i zanieczyszczeniami, które mogą wpływać na dokładność pomiaru.
Inne metody pomiaru poziomu
Poza opisanymi wyżej, najczęściej stosowanymi czujnikami istnieje wiele innych metod, które wykorzystuje się w specyficznych aplikacjach. W niektórych procesach stosuje się sondy przewodnościowe, które wymagają obecności medium przewodzącego prąd. W przemyśle materiałów sypkich popularne są mechaniczne sygnalizatory łopatkowe i bariery mikrofalowe, które działają na zasadzie przerwania wiązki. W najtrudniejszych warunkach przemysłowych, takich jak wysokie ciśnienie czy ekstremalna temperatura, stosuje się pomiary izotopowe, które wykorzystuje promieniowanie gamma. Choć są to rozwiązania niszowe, stanowią istotne uzupełnienie oferty dostępnych technologii.
Nowoczesne trendy i kierunki rozwoju
Współczesne czujniki poziomu coraz częściej wykraczają poza funkcję prostego detektora i stają się integralną częścią systemów sterowania. Są wyposażane w interfejsy komunikacyjne, takie jak Modbus, Profibus czy Ethernet/IP, które umożliwiają przesyłanie danych bezpośrednio do sterowników PLC lub systemów komputerowych SCADA. Dzięki temu pomiar poziomu staje się nie tylko dokładniejszy, ale także łatwiejszy do integracji w złożonych procesach produkcyjnych.
W dobie Przemysłu 4.0 dużą popularność zyskują rozwiązania bezprzewodowe. Czujniki, komunikujące się poprzez sieci LoRaWAN czy NB-IoT, mogą być instalowane w miejscach trudno dostępnych, które eliminują potrzebę kosztownego prowadzenia przewodów. Umożliwia to ich wykorzystanie w aplikacjach mobilnych i rozproszonych.
Wiele nowoczesnych urządzeń oferuje funkcje samokalibracji, które pozwalają na automatyczne dopasowanie parametrów pracy do rodzaju medium czy zmieniających się warunków procesowych. W coraz większym stopniu pojawia się diagnostyka predykcyjna – układy samodzielnie sygnalizują konieczność konserwacji lub czyszczenia.
Rosnące znaczenie ma cyberbezpieczeństwo. Ponieważ czujniki często komunikują się z systemami nadrzędnymi przez sieci przewodowe i bezprzewodowe, stanowią potencjalny punkt dostępu do infrastruktury przemysłowej. Nowsze modele oferują szyfrowanie end-to-end (E2EE) oraz uwierzytelnianie urządzeń zgodne z wymaganiami normy bezpieczeństwa cybernetycznego IEC 62443-4-2, co pozwala chronić dane procesowe i zachować integralność całego systemu automatyki.
Czujniki poziomu odgrywają istotną rolę w utrzymaniu ciągłości i bezpieczeństwa procesów przemysłowych. Od prostych i niezawodnych pływaków, przez wszechstronne rozwiązania pojemnościowe i hydrostatyczne, aż po zaawansowane radary i sondy ultradźwiękowe – każde z nich znajduje swoje miejsce w praktyce. Dobór odpowiedniego typu zawsze powinien wynikać z analizy medium i warunków pracy. Współczesne czujniki to już nie tylko proste detektory, lecz elementy inteligentnych systemów, które wspierają automatyzację i efektywność produkcji.
