Pinnankorkeuden mittaus

Säiliön pinnankorkeuden mittaamiseen on olemassa monenlaisia teknologioita, joista kukin hyödyntää jotakin fysikaalista periaatetta.

 Monessa teollisessa prosessissa tarvitaan tietoa säiliöiden ja muiden astioiden sisältämästä raaka-aineen määrästä. Kiinnostavia parametrejä ovat yleisesti pinnantaso, tilavuus tai yksinkertaisesti raaka-aineen pinnan korkeus tietyllä tasolla. 

Tietoa voidaan tarvita havaitsemaan ylä- ja alarajatasot hälytyksiä tai tankkauksien ohjauksia  varten. Pinnankorkeutta mitattaessa käytetään sekä jatkuvatoimista pintamittausta että pintakytkimiä.

Jatkuvatoimiset pinnankorkeuden mittaukset välittävät tiedon pinnan liikkeistä lähettimillä (analoginen signaali) automaatiojärjestelmään, jonka perusteella voidaan edelleen ohjata säätöventtiileitä ja pumppuja annettujen parametrien mukaisesti.

 Pintakytkimet välittävät tiedon (digitaalinen signaali) pinnan saavutettua ennalta määrätyn korkeuden. Automaatiojärjestelmä ohjaa prosessia saadun signaalin perusteella.

Pinnanosoittimen avulla nähdään paikallisesti, millä korkeudella pinta on säiliössä. 

Pinnankorkeuden mittauksessa käytetään sekä suoraa- ja epäsuoraa mittausta. Suorassa mittauksessa käytetään pinnanvaihteulua suoraan mittauksen saamiseksi. 

Epäsuorassa mittauksessa pinnan taso mitataan käyttämällä luotettavaa muuttujaa, joka muuttuu pinnan tason mukaan. Esimerkiksi paine-erolähettimillä voidaan määritellä pinnankorkeus hydrostaattisen paineen avulla. Lisäksi voidaan käyttää ultraääni aaltoja, kuormitusantureita sekä kapasitanssin muutosta.

Paine-eromittausta käytettäessä pitää ottaa huomioon mitataanko avointa vai suljettua säiliötä. Avoimen säiliön mittauksessa pitää huomioida ilmanpaineen aiheuttama vaikutus hydrostaattiseen paineeseen kun suljetun säiliön kohdalla paine-eron aiheuttava mittauspiste pitää valita niin, että säiliössä vaikuttava paine tulee mitatuksi ja lähtösignaali on verrannollinen nesteen pintaan, kun nesteen tiheys ja painovoima tunnetaan.

Mittaustavan ratkaisee yleensä mitattava aine; onko se nestettä vai kiinteää ainetta. Lisäksi on otettava huomioon kerrostumiset, esim. mitattavalla pinnalla oleva vaahto voi häiritä tiettyjä mittaustapoja. Mitattavan raaka-aineen ominaisuudet saattaa olla esimerkiksi kemiallisesti aggressiivista, mikä on otettava huomioon mittalaitetta valittaessa. Raaka-aine voi olla kerrostuva, eli raaka-aine kertyy sopivissa olosuhteissa mittaavan anturin pintaan ja aiheuttaa toimintahäiriön.

Mitattavan säiliön muoto, asennuspaikka ja ympäristöolosuhteet ovat myös valinnan kannalta merkittäviä tekijöitä.

Mittaustavat

Erilaiset nesteet säiliössä

Esimerkki pinnankorkeuden mittauksesta, jossa kaksi nestettä muodostaa rajapinnan, on veden esiintyminen yhdessä öljypohjaisten aineiden, kuten dieselpolttoaineen kanssa. 

Vesi on useimpia öljyjä tiheämpää, ja nämä kaksi nestettä ovat sekoittumattomia, mikä tarkoittaa, että tiheämpi vesi muodostaa erillisen kerroksen kevyemmän öljyn alle. 

Toinen rajapinnan mittauksen sovellus on öljy- ja kaasuteollisuudessa, jossa vesi on erotettava öljyfluideista, jotka tulevat syvälle maan alle poratuista öljylähteistä. 

Nämä vesi/öljy/kaasu-erottimet ovat kriittisiä osia kaikissa öljylähdejärjestelmissä, ja veden ja öljyn välinen nestepintojen rajapinta on tärkeä prosessisuure, jota on mitattava ja valvottava.

Vasemmalla olevassa kuvassa nähdään, kuinka näyttölasissa oleva vesipatsas näyttää alempaa (kokonais-)pinnan korkeutta kuin seos, jossa on sekä vettä että öljyä prosessisäiliössä. 

Koska öljykerros on säiliön kahden liitäntäsuuttimen (nozzle) välillä, öljy ei pääse näyttölasiputkeen. Näin ollen näyttölasi näyttää edelleen vain veden pinnan, vaikka säiliössä todellinen kokonaispinta on korkeampi veden ja öljyn yhteisen korkeuden vuoksi.

Ainoa tapa varmistaa kahden nesteen rajapinnan oikea näyttö näyttölasissa on pitää molemmat liitännät upotettuina nesteeseen.

Tällainen tilanne esiintyy usein kattiloiden pinnankorkeusnäyttölaseissa, joissa näyttölasissa oleva vesi jäähtyy merkittävästi verrattuna sen aikaisempaan lämpötilaan kattilarummun sisällä.

Tarkasteltaessa näyttölasi-järjestelmää jälleen U-putkemanometrina, voidaan havaita, että eri korkuiset nestepatsaat voivat olla keskenään tasapainossa, jos nesteiden tiheydet eroavat toisistaan.

Veden tiheys on normaalilämpötilassa noin 1000 kg/m³, mutta se voi laskea jopa noin 580 kg/m³ lämpötiloissa, jotka ovat tyypillisiä voimalaitoskattiloissa.

Jos säiliön sisällä oleva neste on pyörteistä tai turbulenttista, saattaa olla tarpeen käyttää ohjausvaijereita sen varmistamiseksi, että kellukkeen vaijeri pysyy pystyasennossa.

Ohjausvaijerit kiinnitetään säiliön pohjaan ja kanteen, ja ne kulkevat kellukkeessa olevien rengas­silmukoiden läpi, jotta kelluke ei pääse liikkumaan sivusuunnassa.

Yksi nauha- ja kelluketyyppisten pinnankorkeusmittausjärjestelmien mahdollisista haitoista on se, että nauha ja ohjausvaijerit voivat likaantua tai takertua, jos mitattava aine on tahmeaa tai epäpuhtauksia sisältävää.

Pinnankorkeuden mittauksessa uimurikytkimiä käytetään yleensä rajapintamittauksissa. Mittauksissa voi olla yksi tai useampi pintaraja. 

Yksinkertainen ja luotettava periaate pinnankorkeuden indikointiin ja se soveltuu laajalti erilaisiin olosuhteisiin. Se toimii luotettavasti vaikeissa olosuhteissa kuten

• • • •  vaahtoavassa aineessa,

      •  johtavassa – ja eristävässä aineessa, 

      • paineessa, 

      • vakuumissa,

      • korkeassa lämpötilassa, 

      • tärinässä,

      •  kiehuvassa aineessa, 

      • höyryävässä aineessa ja kondensoituvassa olosuhteessa. 

Säiliön pohjasta mitattu paine voi antaa verrannollisen tiedon nesteen korkeudesta vain, jos nesteen tiheys on tunnettu ja pysyy vakiona. Tämä tarkoittaa, että nesteen tiheys on erittäin tärkeä tekijä, kun halutaan mitata tilavuutta hydrostaattiseen paineeseen perustuvilla menetelmillä. Jos nesteen tiheys vaihtelee satunnaisesti, myös paineeseen perustuvan pinnan- tai tilavuusmittauksen tarkkuus heikkenee vastaavasti.

Epäsuorassa pinnankorkeuden mittauksessa käytetään erilaisia paineen mittausinstrumetteja. Sovelluksesta riippuen painetta mitataan joko uppoantureilla tai muilla paineantureilla, jotka asennetaan mitattavan säiliön pohjaan.

Suljetuissa tankissa kaasun paine nesteen yläpuolella on otettava huomioon, kun mitataan hydrostaattista painetta ja se on vähennettävä nesteen hydostaattisesta paineesta . Tämä voidaan tehdä kahdella tavalla käyttämällä kahta erillistä paineanturia tai paine-erolähetintä, jossa on kaksi sovellukseen suunniteltua prosessiliitäntää.

Paineen mittausinstrumentit, joita käytetään pinnankorkeuden mittauksessa, ovat suunniteltu siten, että ne kestävät erilaisia mitattavia aineita ja kykenevät mittaamaan pieniä mitattavia alueita. Antureiden ja kaapelin tiiviyden on oltava täydellistä erityisesti varsinkin uppoanturisovelluksissa, joissa mitattava syvyys saattaa olla satoja metrejä. 

Räjähdysvaarallisissa sovelluksissa , kuten porausreiät ja  jalostamot, mittausinstrumentti ei saa aiheuttaa kipinää. Instrumentin on oltava myös ohut erityisesti kun sitä käytetään porausrei’issä ja sen on kestettävä vaativia olosuhteita.  

Niin kauan kuin aallon nopeus on tunnettu ja pysyy vakiona, voidaan saavuttaa hyvä mittaustarkkuus. 

Koska äänen nopeus riippuu aaltoliikkeestä, ultraäänitasomittarin lähtösignaalit voivat myös häiriintyä äänen nopeuden muuttuessa ympäristön kosteuden, lämpötilan ja paineen vuoksi. Nykyiset lähettimet pystyvät tekemään korjaavia toimia parantaakseen mittauksen tarkkuutta. 

Ultraääni tarvitsee väliaineen, jossa se kulkee (yleensä ilma). Muutokset väliaineessa vaikuttavat mittaukseen, kuten esimerkiksi siilossa oleva höyry, mahdollinen vaahto ja kuplat aineen pinnassa voivat aiheutua ongelmaksi. 

Kun mitataan kiinteitä aineita, aineen epätasainen pinta voi aiheuttaa signaalin heijastumisen väärään suuntaan.

Useat yleiset kemikaalit voivat vahingoittaa antureita jotka ovat kosketuksissa mitattavan aineen kanssa.  Tämän takia ultraääni mittaus soveltuu hyvin kemian teollisuuteen.

Ultraääni tarvitsee väliaineen, jossa se kulkee (yleensä ilma). Muutokset väliaineessa vaikuttavat mittaukseen, kuten esimerkiksi siilossa oleva höyry, mahdollinen vaahto ja kuplat aineen pinnassa voivat aiheutua ongelmaksi.

Kiintoaineiden mittaus

Magnetostriktiivisilla mittalaitteilla voidaan mitata myös neste–neste-rajapintoja.

Jos aaltosauvaan liitetään kelluke, jonka tiheys on sellainen, että se kelluu kahden nesteen rajapinnalla — eli on raskaampi kuin ylempi (kevyt) neste, mutta kevyempi kuin alempi (raskas) neste — silloin kellukkeen kohdalla syntyvä mekaaninen ääniaalto vastaa juuri rajapinnan korkeutta.

Magnetostriktiiviset lähettimet voidaan lisäksi varustaa kahdella kellukkeella:

• toinen mittaa neste–neste-rajapinnan, ja

• toinen neste–kaasu-rajapinnan.

Näin laite voi mitata samanaikaisesti sekä rajapinnan tason että kokonaispinnan korkeuden.

Jotta magnetostriktiivinen ilmiö olisi riittävän voimakas, kellukkeen sisällä oleva magneetti on oltava hyvin lähellä aaltosauvaa.
Tämä tarkoittaa, että donitsin muotoisen kellukkeen sisähalkaisijan on oltava vain hieman suurempi kuin aaltosauvan ulkohalkaisija.

Jos aaltosauvan tai kellukkeen pinnalle kertyy epäpuhtauksia, kuten kiintoaineita, lietettä tai puolikiinteitä aineita, ne voivat aiheuttaa kitkaa tai jumiutumista.
Tällöin kelluke ei pääse liikkumaan vapaasti, eikä laite pysty seuraamaan pinnankorkeuden muutoksia tarkasti.