Som det framkommet i andre artikler i serien ”Nivå fra A til Å” er det mange teknologier for nivåmåling, alt ut i fra hva slags oppgave og hva slags medie det skal måles på.
Klassisk kapasitansmåling
Dette gjelder også i høyeste grad når det er snakk om grensesnitt eller interfacemåling. Vi vil i denne artikkelen konsentrere oss om måling mellom to lag eller væsker.
Et av de eldste måleprinsippene for grensesnittmåling er kapasitans. I petrokjemisk industri har det tradisjonelt vært mye benyttet for måling mellom vann og hydrokarboner. Ofte kan slike målinger også være basert på displacermetoden, da forskjellen på den relative densitet av disse produktene er betydelig, 1000 kg/m3 for vann og cirka 800 kg/m3 for hydrokarboner.
Aldri skarpt skille
Imidlertid, forskjellen i relativ permittivitet (dielektrisitetskonstant, hvor godt et elektrisk felt ledes), mellom vann og for eksempel olje, er også markant: 31 for vann og 2 for olje. Derfor vil et kapasitivt system ha mange fordeler ved målinger på produkter med relativ tetthet. I praktiske situasjoner er grenseskillet aldri 100 prosent klart definert. Og avhengig av relativ tetthet og produktets viskositet, sammen med dets kjemiske egenskaper, vil det være et lag av emulsjon mellom de to produktene. Dette emulsjonslaget vil kunne variere fra 100 prosent lag A til 100 prosent lag B.
I kapasitanstermer kan det vurderes som 50 prosent av produkt A og 50 prosent av produkt B. For å si det litt enkelt vil en kapasitiv måling kunne detektere vann i hydrokarboner, men ikke hydrokarboner i vann. Generelt sett, kontinuerlig metode brukes alltid for å detektere posisjonen av væskeoverflaten, uansett om et emulsjonslag er tilstede eller ikke.
Ulikt oppsett
Metoden for å sette opp en kapasitiv måler for interfacemåling er ganske forskjellig fra å sette opp en måler for toppnivåmåling. For målingen av interface vil systemet kalibreres til å vise 0 prosent når hele følerens måleområdet er dekket med olje, dielektrisitetskonstant ca. 2, og 100 prosent når føleren er helt dekket med vann, dielektrisitetskonstant = 80. Ut fra det vil det eksakte nivåsjiktet bestemmes, og målesignalet kan for eksempel benyttes til å styre et avtappingssystem, enten direkte fra releer eller via et kontrollsystem.
Avhengig av om det er et emusjonslag tilstede eller ikke, må forriglingen skje slik at det ved for eksempel måling i en oljeseparator, forhindres at olje tømmes ut. Det har tidligere vært, med rette, innvending mot bruk av kapasitive givere i separatorer på grunn av påbyggingsproblematikk. Imidlertid har de nyeste målerne på markedet i dag avanserte metoder for å eliminere slike problemer.
Gammamåling
Et annet velbrukt måleprinsipp for grensesnittmåling er radiometrisk måling, eller gammamåling som det ofte kalles. Dette er et system som ved hjelp av flere strålekilder og mottakere også kan måle profil.
Radiometrisk måling er i prinsippet en tetthetsmåler. Måleprinsippet virker slik at det registrerer mengden stråling som penetrerer mediet. Gammamåleren kan derfor godt konstrueres slik at den kan måle oljen, emulsjonslaget, vann og eventuelt sand, alt avhengig av hvordan kilden og detektorene plasseres.
Trykkompensering
Begrensingen for grensesnittmålingen er avstanden mellom kilde og detektor. Dette må kalkuleres nøye. Gammamåling har en stor fordel i at den ikke er i berøring med prosessen, og er derfor helt uavhengig av prosesstrykk/vakuum og temperatur. Det skal dog nevnes at ekstreme prosessforhold med store trykkvariasjoner, i for eksempel oljeseparatorer, kan kreve trykkompensering for pålitelige nivåmålinger. Dette kan for eksempel gjøres i kontrollsystemet.
Ledet Radar
Guided/ledet radar kan også brukes for å måle grensesnitt. Målerne er utviklet med spesielle algoritmer, og signalkommunikasjon for interfacemåling i væsker. Typiske applikasjoner er tilsvarende målinger som beskrevet ovenfor, og prinsippet baserer seg på medienes relative forskjellige tetthet. Det er vitalt at det øverste produktet har en lavere dielektrisitetskonstant enn det nederste produktet. Sjekk produktdata for væskene!
Mikrobølgepulsen fra radaren blir ledet langs wiren/staven hvor noe av energien blir reflektert fra overflaten av det første ikke-ledende produktet. Den gjenværende energien passerer gjennom det første produktet og blir reflektert fra grensesnittet mellom de to produktene. De to refleksjonene kan da bli evaluert som henholdsvis toppnivå og interface.
Dette er essensielt for interfacemålinger med ledet/guided radar:
- Det må være ett klart skille mellom det øverste og det nederste produktet. Det vil si ingen vesentlig emulsjon.
- Det øverste produktet må være mer enn 10 cm tykt, og ha en dielektrisitetskonstant <10. Det er også viktig at dielektrisitetskonstanten ikke endrer seg.
- Forskjellen i dielektrisitetskonstanten, mellom det øverste og det nederste produktet, må være mer enn 10.
Monteres opp/ned?
I de nevnte applikasjoner betegnes nivået som om det øverste laget har en lavere dielektrisitetskonstant enn det nederste, men dette er ikke alltid tilfelle. Noen ganger vil det være et lag vann over en kjemisk væske, og da må måleren monteres opp ned, enten fra tankbunn eller siderør.
De fleste instrumenteringsleverandører har i dag PC-basert programvare som forenkler inngangkjøring av slike avanserte måleoppgaver vi har beskrevet i denne artikkelen.
Fjerner feilmålinger
Grensesnittmålinger, eller interface, brukes for å kunne måle nivåer hvor det er to eller flere separerte lag med forskjellig densitet. Det kan også være ønskelig å måle lag som består av en miks, emulsjonslag, mellom medier. Mest typiske applikasjoner er målinger mellom olje/vann og kjemikalier/vann.
De enkleste og hyppigste måleoppgavene vil ofte være å ha kontroll på vann som kondenserer i lukkede tanksystemer. Ved kondensering skilles vannet ut, og sammen med en væske med lavere tetthet vil vannet samle seg i bunnen av tanken. Har den andre væsken en høyere tetthet, vil vannet legge seg over. Et typisk problem er at ved utpumping vil det kunne komme vann i stedet for væske. Og er det for eksempel fyringsolje, vil kjelen slukke.
En annen måleoppgave er ”Inventory Control”, eller logistikkontroll i tanker og siloer. Lageroversikten skal ikke innehold annet enn nettonivået/mengden av for eksempel bensin eller olje. For å kunne ha oversikt over hvor mye verdier som er på lager, er det viktig å trekke fra eventuelt vann som er i tanken, samtidig som det er viktig å pumpe ut vannet slik at det ikke forringer produktet.
Andre applikasjoner
En vanlig interfaceapplikasjon er måling av et nivå med mye skum over. Ved å bruke en flottør, som flyter på væskeoverflaten med en stang og refleksjonsplate, kan for eksempel en enkel ultralydtransmitter måle mot refleksjonsplaten, mens en annen ultralydsmåler kan måle på skummet. Ved å kompensere for flottørens måleavvik, vil en PLS eller et kontrollsystem kunne gi ut signal tilsvarende væskehøyde og skumtykkelse.
Grensesnittmåling er også brukt i kjemisk industri for detektering av nivå mellom kjemikalier med forskjellige egenvekter.
I næringsmiddelindustrien er fettfeller og lignende aktuelle applikasjoner. Et signal gis når nivået av fett er så høyt at det må fjernes, enten manuelt eller automatisk. Når føleren ikke lenger er i vann, vil det bli en drastisk endring i kapasitansen og instrumentet vil endre utgangssignal.
Profilmålinger
Profilmålinger, dvs. en ”analyse” av profilen i hele tanken/siloen, gjøres gjerne med displacere, radiometrisk (gamma) og i noe mindre grad ultralyd. For de mest krevende profilmålingene, kan det være nødvendig å benytte mer enn et måleprinsipp, og kommer også denne tilnærmingen til kort, kan siste utvei være en dedikert profilmåler.
