Snímače V

1. Snímače V Střední odborná škola Otrokovice Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je ing. František Kocián Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

2. Charakteristika DUM

3. Snímače V Náplň výuky Snímače hladiny Ultrazvukový snímač Radarový snímač Ionizační snímač Reflektometrickýsnímač hladiny Snímače hladiny s radioaktivním zářičem

4. Skládají se z vysílače ultrazvuku, přijímacího měniče vysokofrekvenčních paprsků a vyhodnocovací elektroniky vesměs na úrovni inteligentních snímačů. Odrazový ultrazvukový hladinoměr měřící kontinuálním způsobem je založen na měření časového intervalu mezi vysláním impulzu ultrazvukového vlnění a přijetím tzv. odraženého echa, tj. impulzu po odrazu od hladiny. Vysílač s úzkou vyzařovací charakteristikou i přijímač jsou umístěny buď nad hladinou nebo na dně nádoby. Vzdálenost Lměřené hladiny od snímače (vysílač i přijímač v jednom pouzdře) lze určit z doby průchodu „t“ ultrazvukové vlny při známé rychlosti šíření ultrazvuku „c“ vrstvou měřené kapaliny, popř. prostředím nad hladinou kapaliny nebo sypké látky o výšce „h“. Ultrazvukový snímač hladiny

5. Ovlivňující veličiny: • hustota prostředí, teplota • přítomnost míchadla, pěna na hladině Ultrazvukový snímač hladiny Obr. 1 : Princip ultrazvukového snímač e Obr. 2: Cesta ultrazvukového signálu

6. Výhody: • nemají pohyblivé součásti • bezkontaktní spojité měření • možnost měření hladiny i znečištěných kapalin, kašovitých a • pastovitých hmot v otevřených i uzavřených nádobách a jímkách • nezávisí na elektrické vodivosti a dielektrických vlastnostech • materiálu • kompaktní provedení snímačů, jednoduché nastavení a údržba • přesnost měření v řádu desetin % měřicího rozsahu • rozlišovací schopnost je až 1 mm • Nevýhody: • ovlivnění signálu • prašné materiály, těžké páry • turbulentní povrchy hladiny • pěna a okolní znečištění • nelze použít pro měření ve vakuu Ultrazvukový snímač hladiny

7. Funkční princip • analogie ultrazvukových hladinoměrů • využití odrazu mikrovlnných vln od měřené hladiny • RADAR - Radio Detecting And Ranging • Principy radarového měření hladiny: • metoda časová (pulzní) • metoda frekvenční (rozmítaný spojitý signál) • Mikrovlnné záření • frekvence vyšší než asi 2 GHz (vlnová délka kratší než asi 0,15 m) • příklady využití mikrovln v rozsahu 2 až 120 GHz • družicová komunikace a vysílání rozhlasu a televize • mikrovlnné trouby (2,45 ± 0,05 GHz) • lodní a letecké radary • měření rychlosti vozidel v silničním provozu • měření hladiny v průmyslu Radarový snímač hladiny

8. Radarové snímače hladin lze rozdělit do dvou skupin: • Bezkontaktní (pulzní nebo se spojitým frekvenčně modulovaným vf. signálem). • Kontaktní (reflexní). • Měření hladiny pulzním radarem • elektromagnetické vlnění je vysíláno anténou v podobě krátkých impulzů • na rozhraní dvou prostředí (na hladině) se vlna částečně odrazí zpět a • částečně prochází do druhého prostředí • z časového údaje mezi vyslanou a přijatou vlnou se stanoví vzdálenost Radarový snímač hladiny c – rychlost šíření mikrovln [ms-1] t – čas [s] L – vzdálenost [m] Obr. 3: Radarový snímač hladiny

9. Radar s rozmítaným spojitým signálem • Metoda frekvenční – FMCW • elektromagnetické vlnění je vysíláno spojitě • frekvence vysílaného signálu je modulována (obvykle pilovitě) • přijímaný signál je směšován s vysílaným a hodnota • mezifrekvenčního kmitočtu je mírou vzdálenosti cíle Radarový snímač hladiny Obr. 4: Radar s rozmítaným spojitým signálem

10. Metoda frekvenční – FMCW • přijímaný odražený signál je proti vysílanému zpožděn o dobu • potřebnou k průchodu vlnění po dráze od vysílací antény k hladině a • zpět • při příjmu signálu o frekvenci f0 vysílá anténa signál o frekvenci f1 • diferenci Δ f = f1 − f0 odpovídá Δ t = t1 − t0 pro vypočet vzdálenosti • rozdíl frekvence (řádově v kHz) je možno stanovit velmi přesně Radarový snímač hladiny Obr. 5: Frekvenční metoda měření radarem

11. Aplikační možnosti radarových snímačů • • vhodné pro měření médií s relativní permitivitou ε > 2 • • materiálem s nízkou permitivitou (izolanty např. oleje) mikrovlnné • záření proniká a odráží se až od rozhraní s vyšší permitivitou • (dno nádoby) • • parazitní odrazy od stěn či míchadla se odlišují softwarově • • vysoká přesnost měření (až ± 1 mm) • Výhody: • vysoká přesnost, spolehlivost • bez pohyblivých mechanických součástí • bez kontaktu s měřenou látkou (neinvazivní metoda) • možnost využití při náročných provozních podmínkách • (vysoká teplota, přetlak i vakuum, mlha, agresivní prostředí) • Nevýhody: • nevhodné pro měření medií s nízkou permitivitou • poměrně vysoká cena Radarový snímač hladiny

12. zvláštní skupinu mezi mikrovlnnými hladinoměry tvoří zařízení • s vedeným mikrovlnným signálem (reflektometrické nebo reflexní • radarové hladinoměry) • mikrovlny jsou "vedeny" tělesem z pevného materiálu (tyčí, lanem, • koaxiál), které je ponořeno do média • v rovině hladiny dochází k odrazu mikrovlnného záření • intenzita odraženého signálu závisí na permitivitě média • vyhodnocuje se časový rozdíl mezi vysláním impulsu a přijetím impulsu odraženého • tento princip se nazývá • TDR – Time Domain Reflection Reflektometrickýsnímač hladiny Obr. 6: Reflektometrickýsnímač hladiny

13. Vlastnosti reflektometrických hladinoměrů • Výhody • impulsy se šíří po vedení, nejsou tlumeny prostředím • na přesnost měření nemá vliv prach, páry, pěna, teplota ani tlak • je možno měřit kapaliny i práškové a granulované materiály • lze použít i pro měření rozhraní dvou kapalin • signál není ovlivňován falešnými a vícenásobnými odrazy • vysoká spolehlivost a opakovatelnost měření • možnost aplikace při teplotách od –50 do +200 °C a tlaku od • -0,1 do 10 MPa • Nevýhoda • kontakt antény s měřeným médiem Reflektometrickýsnímač hladiny

14. princip: – měření zeslabení svazku ionizujícího záření při jeho průchodu monitorovaným hmotným prostorem radioaktivní zářiče: – zdroje gama záření (proniká materiálem, nevyvolává jeho radioaktivitu) – izotopy s delším poločasem rozpadu, např. Co60, Cs137, aby nebylo nutno často kalibrovat detektory – Geiger-Müllerův detektor, scintilační detektory s fotonásobičem Snímače hladiny s radioaktivním zářičem Obr. 7: Snímače hladiny s radioaktivním zářičem

15. Použití radioizotopových hladinoměrů • měření hladiny kapalin i sypkých látek, viskózní média • v náročných provozních podmínkách, u nichž jiné metody • nevyhovují: • vysoké teploty, velmi vysoké tlaky nebo vakuum • vysoká agresivita či toxicita pracovního média • vysoká prašnost, vibrace nádoby • Výhody: • bezkontaktní měření (montáž vně nádrže) • nezávislost na teplotě • nezávislost na tlaku a jeho změnách • nezávislost na změnách chemického složení média • minimální poruchovost i ve ztížených podmínkách • Nevýhody: • nutnost ochrany před radioaktivním zářením • povinnost zajištění kontroly ve smyslu zákona 18/97 Sb. Snímače hladiny s radioaktivním zářičem

16. Výběr vhodného typu snímače hladiny • fyzikální a chemické vlastnosti měřeného média • charakter okolního prostředí a podmínky měření • požadavek na spojité či nespojité snímání stavu hladiny • účel měření – signalizace mezních stavů – regulace úrovně hladiny – zjišťování množství náplně (bilanční účely) • měřicí rozsah • požadovaná přesnost • cena zařízení Snímače hladiny

17. Kontrolní otázky: Ultrazvukový snímač hladiny? Skládají se z vysílače ultrazvuku, přijímacího měniče vysokofrekvenčních paprsků a vyhodnocovací elektroniky. Založeny na využití principu Ohmova zákona. Prvkem na měření je membrána kruhového tvaru uložená mezi příruby komory . 2.Měření hladiny pulzním radarem ? Měřicím principem je využití tlakové závislosti odporu. Měřená veličina je výstupní vysoká frekvence. Elektromagnetické vlnění je vysíláno anténou v podobě krátkých impulzů Radioaktivní zářiče ? Zdroje gama záření (proniká materiálem, nevyvolává jeho radioaktivitu) K měření přetlaků i podtlaků K měření teploty kapaliny

18. Kontrolní otázky – řešení Ultrazvukový snímač hladiny? Skládají se z vysílače ultrazvuku, přijímacího měniče vysokofrekvenčních paprsků a vyhodnocovací elektroniky. Založeny na využití principu Ohmova zákona. Prvkem na měření je membrána kruhového tvaru uložená mezi příruby komory . 2.Měření hladiny pulzním radarem ? Měřicím principem je využití tlakové závislosti odporu. Měřená veličina je výstupní vysoká frekvence. Elektromagnetické vlnění je vysíláno anténou v podobě krátkých impulzů Radioaktivní zářiče ? Zdroje gama záření (proniká materiálem, nevyvolává jeho radioaktivitu) K měření přetlaků i podtlaků K měření teploty kapaliny

19. Seznam obrázků: Obr. 1: Princip ultrazvukového snímače [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/5-FPBT09-Hladina.pdf Obr. 2: Cesta ultrazvukového signálu [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/5-FPBT09-Hladina.pdf Obr. 3: Radarový snímač hladiny [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/5-FPBT09-Hladina.pdf Obr. 4: Radar s rozmítaným spojitým signálem [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/5-FPBT09-Hladina.pdf Obr. 5: Frekvenční metoda měření radarem [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/5-FPBT09-Hladina.pdf Obr. 6: Reflektometrický snímač hladiny [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/5-FPBT09-Hladina.pdf Obr. 7:Snímače hladiny s radioaktivním zářičem [online]. [vid. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/predn/txt-Mgr/5-FPBT09-Hladina.pdf

20. Seznam použité literatury: [1] Automatizace [online]. [cit. 6.7.2013]. Dostupné z: http://web.spscv.cz/~madaj/skra4.pdf [2] CHLEBNÝ, J. a kol. Automatizace a automatizační technika, Computer Press a.s., 2009 ISBN: 978-80-251-2523-6 [3] NĚMEC, Z., Prostředky automatického řízení (Elektrické), Skripta VUT Brno 2002 [4] JENČÍK, J., VOLF,J., a kol., Technická měření, Skripta ČVUT 2003 [5] GARZINOVÁ, R., Prvky řídících systémů, Skripta VŠB-TU Ostrava 2012 [6] Měření výšky hladiny [online]. [cit. 29.8.2013]. Dostupný na WWW: http://uprt.vscht.cz/kminekm/mrt/F4/F4k44-hlad.htm

21. Děkuji za pozornost 