\chapter{Pomiar poziomu cieczy}
\label{pomiar}

\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[height=8cm]{img/pomiar_poziomu}
		\caption{Pomiar poziomu cieczy \cite{eh}}
		\label{pomiar_poziomu}
	\end{center}
\end{figure}

Pomiar poziomu (zarówno cieczy jak i materiałów sypkich) najczęściej sprowadza się do pomiaru długości lub odległości. W zależności od mierzonego medium zakresy pomiarowe mogą wynosić od kilku centymetrów (np. w samochodowych zbiornikach paliwa) do kilkudziesięciu metrów (np. w silosach zbożowych). W przemyśle najczęściej dokonuje się pomiarów poziomu cieczy, past, szlamów, gazów ciekłych, drobnoziarnistych materiałów sypkich i kruszyw, zgromadzonych w zbiornikach stacjonarnych i przenośnych, magazynowych i buforowych. Pomiary tego typu wykorzystywane są praktycznie w każdej gałęzi przemysłu, dlatego też środowisko w jakim są one wykonywane jest bardzo zróżnicowane. Pomiarów dokonuje się przy temperaturach zarówno bardzo niskich (bliskich zeru bezwzględnemu) jak i wysokich (kilkaset stopni Celsjusza). Ciśnienie panujące w zbiornikach jest również bardzo zróżnicowane.

Istnieje wiele różnych metod pomiaru, które są uzależnione najczęściej od charakteru mierzonego medium. Najczęściej stosowanymi metodami są ultradźwiękowa, elektromechaniczna, pojemnościowa, przewodnościowa, różnicy ciśnień, hydrostatyczna radiometryczna, optyczna i inne. 


\newpage
\section{Metoda ultradźwiękowa}

\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[height=8cm]{img/pomiar_ultrasonic}
		\caption{Pomiar ultradźwiękowy \cite{eh}}
		\label{pomiar_ultrasonic}
	\end{center}
\end{figure}

Jest to jedna z częściej spotykanych metod pomiaru.
Nadajnik czujnika emituje krótkie impulsu ultradźwiękowe, które po odbiciu od powierzchni produktu wracają do anteny, pracującej jednocześnie jako odbiornik. Zasada działania urządzenia opiera się na pomiarze czasu przelotu $t$ fali akustycznej pomiędzy czujnikiem a powierzchnią medium. Czujnik wykorzystuje zmierzony czas $t$ oraz informację o prędkości dźwięku $c$ do wyliczenia odległości $D$ zgodnie z zależnością:
\begin{equation}
D = {c \cdot \frac{t}{2}} 
\label{eqn:ultradzw1}
\end{equation}
gdzie c - prędkość dźwięku

Informacja o wysokości zbiornika $E$ pozwala na wyliczenie poziomu $L$ z równania \ref{eqn:ultradzw2}: 
\begin{equation}
L=E-D
\label{eqn:ultradzw2}
\end{equation}

Czujniki tego typu często posiadają wbudowany czujnik temperatury służący do kompensacji zmian prędkości rozchodzenia się fali
ultradźwiękowej przy zmianach temperatury.

\newpage
\section{Metoda elektromechaniczna}

\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[height=8cm]{img/pomiar_plywakowy}
		\caption{Pomiar elektromechaniczny \cite{eh}}
		\label{pomiar_plywakowy}
	\end{center}
\end{figure}


Zasada działania pływakowego przetwornika poziomu oparta jest na pomiarze przemieszczenia czujnika wypieranego przez ciecz. Mały czujnik pływakowy jest dokładnie pozycjonowany w cieczy za pomocą serwomechanizmu elektromagnetycznego. Jest on zawieszony na lince pomiarowej, nawiniętej na precyzyjnie rowkowany bęben, umieszczony w obudowie. Bęben jest sterowany przez serwomechanizm ze sprzężeniem magnetycznym, całkowicie odizolowany od obudowy bębna. Magnesy zewnętrzne znajdują się na bębnie, natomiast magnesy wewnętrzne - na elektrycznym silniku napędowym. Obrót magnesów wewnętrznych, na skutek przyciągania magnetycznego, powoduje również obracanie się magnesów zewnętrznych, a tym samym ruch obrotowy całego zespołu bębna. Masa pływaka zawieszonego na lince wytwarza moment obrotowy oddziaływający na magnesy zewnętrzne, powodując tym samym zmianę strumienia magnetycznego. Zmiany strumienia, generowane pomiędzy elementami zespołu bębna, wykrywane są przez przetwornik elektromagnetyczny o unikatowej konstrukcji, znajdujący się na magnesie wewnętrznym. Utrzymanie sygnału sterującego, generowanego przez zmiany strumienia magnetycznego, na wymaganym poziomie, tj. zgodnym z wprowadzoną nastawą jest zapewnione przez właściwe kontrolowanie silnika napędowego.

W czasie opuszczania czujnika pływakowego, po zetknięciu z cieczą jego masa ulega zmniejszeniu ze względu na siłę wyporu cieczy.  W efekcie, moment obrotowy mechanizmu ze sprzężeniem magnetycznym ulega zmianie, która mierzona jest przez 5 par czujników Halla z kompensacją temperaturową. Sygnał odzwierciedlający pozycję pływaka jest przesyłany do układu sterowania silnikiem. Podczas, gdy poziom cieczy podnosi się i opada, pozycja pływaka jest regulowana linką przez silnik napędowy. Poziom cieczy jest wyznaczany z dokładnością ok $1 mm$, na podstawie dokładnej analizy ruchu obrotowego bębna z nawiniętą linką pomiarową.


\newpage
\section{Metoda pojemnościowa}

\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=15cm]{img/pomiar_pojemnosciowy}
		\caption{Pomiar pojemnościowy \cite{eh}}
		\label{pomiar_pojemnosciowy}
	\end{center}
\end{figure}


Zasada pomiaru metodą pojemnościową bazuje na wyznaczaniu zmiany pojemności kondensatora, którego jedną elektrodę stanowi sonda, natomiast drugą ściana zbiornika lub rura osłonowa (materiał przewodzący). Zmiana poziomu cieczy powoduje zmianę pojemności utworzonego w ten sposób kondensatora. Podczas, gdy sonda znajduje się w powietrzu, mierzona jest określona pojemność początkowa. Po napełnieniu zbiornika cieczą, pojemność kondensatora wzrasta proporcjonalnie do stopnia zakrycia sondy. 

Dla cieczy o przewodności większej od $100 \frac{\mu{s}}{cm}$, pomiar jest niezależny od wartości stałej dielektrycznej ($DK$) medium. W efekcie, zmiany wartości $DK$ nie wpływają na wskazanie wartości mierzonej. Ponadto, w przypadku sond z częścią nieaktywną, konstrukcja przyrządu pozwala wyeliminować wpływ osadu
i kondensacji przy przyłączu technologicznym.



\newpage
\section{Metoda przewodnościowa}
\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[height=8cm]{img/pomiar_przewodn}
		\caption{Pomiar przewodnościowy \cite{eh}}
		\label{pomiar_przewodn}
	\end{center}
\end{figure}

W pustym zbiorniku między czujnikami prętowymi występuje różnica potencjałów. Po napełnieniu zbiornika, między elektrodą odniesienia, i na przykład, czujnikiem prętowym maksymalnego poziomu, popłynie prąd i nastąpi przełączenie wyjścia sygnalizatora. Natychmiast po odkryciu przez ciecz tego czujnika następuje przełączenie do stanu początkowego. W przypadku regulacji dwustanowej, przełączenie urządzenia do stanu początkowego następuje dopiero po odsłonięciu obu czujników - stanu maksymalnego i minimalnego. 

Stosowanie napięcia przemiennego zapobiega korozji czujników prętowych lub ich zniszczeniu na skutek elektrolizy. Materiał, z którego wykonane są ścianki zbiornika nie jest istotny, ponieważ system został zaprojektowany w postaci zamkniętego obwodu bezpotencjałowego obejmującego czujniki
prętowe i moduł elektroniki. Nie ma niebezpieczeństwa, jeśli w czasie pracy czujniki prętowe zostaną dotknięte.


\newpage
\section{Metoda różnicy ciśnień}
\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[height=8cm]{img/pomiar_rcisnien}
		\caption{Pomiar różnicy ciśnień \cite{eh}}
		\label{pomiar_rcisnien}
	\end{center}
\end{figure}

Ciśnienie procesowe działające na membranę czujnika, powoduje jej ugięcie. Zmiana odległości między bardzo precyzyjnie naniesionymi złotymi elektrodami, powoduje zmianę pojemności po obydwu stronach. Na tej podstawie wyznaczany jest stosunek pomiędzy nadciśnieniem a ciśnieniem hydrostatycznym (aby pomiar był dokładny, nie powinien być większy niż $4:1$). Metoda ta ma przewagę nad metodą hydrostatyczną gdyż na wynik pomiaru nie wpływa nadciśnienie w zbiorniku. Jest to główny powód, dla którego metodę tę stosuje się w zbiornikach ciśnieniowych.

\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=15cm]{img/pomiar_rcisnien_czujnik}
		\caption{Spotykane konstrukcje przetworników ciśnień \cite{eh}}
		\label{pomiar_rcisnien_czujnik}
	\end{center}
\end{figure}

\newpage
\section{Metoda hydrostatyczna}

\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[height=8cm]{img/pomiar_hydrostatic}
		\caption{Pomiar hydrostatyczny \cite{eh}}
		\label{pomiar_hydrostatic}
	\end{center}
\end{figure}

Ciężar słupa cieczy powoduje powstanie ciśnienia hydrostatycznego działającego na membranę czujnika. Zakładając stałą gęstość produktu ciśnienie hydrostatyczne jest liniową funkcją wysokości słupa cieczy:  
\begin{equation}
p_{hydrostat} = \varrho \cdot g \cdot h
\label{eqn:hydrostat}
\end{equation}
$\varrho =$ gęstość \newline
$g =$ stała grawitacji $(9.81 \frac{m}{s^2} )$ \newline
$h =$ odległość pomiędzy powierzchnią cieczy, a środkiem membrany czujnika \newline

Zaletami tej metody pomiaru są:
\begin{itemize}
 \item prosta konstrukcja układu pomiarowego
 \item wewnętrzne elementy zbiornika, zapienienie i turbulencje powierzchni cieczy nie zakłócają pomiaru

\end{itemize}



\newpage
\section{Metoda radiometryczna}

\begin{figure}[!ht]
	\begin{center}
		\includegraphics[width=14cm]{img/pomiar_radiometryczny}
		\caption{Pomiar radiometryczny \cite{eh}}
		\label{pomiar_radiometryczny}
	\end{center}
\end{figure}

Ta metoda pomiaru stosowana jest jedynie w ekstremalnych warunkach procesowych bądź tam, gdzie zastosowanie innych metod pomiaru jest niemożliwe.

Zasada pomiaru tą metodą polega na wykrywaniu absorpcji promieniowania $\gamma$ przechodzącego przez mierzone medium. Źródło promieniowania jonizującego (w postaci izotopu cezu lub kobaltu) umieszcza się na ścianie zbiornika, fale przechodząc przez medium ulegają osłabieniu na skutek absorpcji. Zamontowany po przeciwległej stronie zbiornika detektor wykrywa wiązkę promieniowania wykorzystując efekt fotoluminescencji. Przykładowe techniki pomiaru tą metodą z wykorzystaniem czujnika Gammapilot M firmy Endress+Hauser znajdują się na rysunku \ref{pomiar_radiometryczny}. 

Jak podaje producent, czujniki tego typu można również wykorzystać do następujących celów\footnote{Więcej informacji na stronie producenta: \url{http://www.pl.endress.com/gammapilot_m}}:
\begin{itemize}
  \item pomiar poziomu, również w trybie kaskadowym (konfiguracja szeregowa przetworników) lub zwielokrotniania czułości (konfiguracja równoległa przetworników)
  \item sygnalizację poziomu (monitorowanie poziomu minimalnego lub maksymalnego)
  \item detekcja rozdziału faz
  \item pomiar gęstości
  \item pomiar koncentracji
  \item pomiar przepływu masowego z wykorzystaniem przepływomierza objętościowego
 \end{itemize}
