Masurarea nivelului

Masurarea nivelului

Masurarea nivelului este necesara in instalatiile unde trebuie cunoscute cantitatile stocate: rezervoare, silozuri etc.

Pentru masurarea nivelului se pot folosi metode de masura directe, cum ar fi masurarea cu joja, indicatoare cu plutitor, indicatoare de nivel etc. Ele pot fi cu citire locala sau cu transmiterea informatiei la distanta. Ca exemple de masuratoare directa se pot cita masurarea nivelului carburantilor in rezervoarele statiilor de benzina, indicatoarele de pe bordul automobilelor.

O alta cale de masurare a nivelului utilizeaza legea hidrostaticii care da legatura intre presiunea statica si inaltimea coloanei de lichid. Toate aceste metode necesita o cunostere precisa atat a proprietatilor fizice ale lichidului stocat, cat si o corelare corecta cu caracteristica geometrica a rezervorului in vederea stabilirii volumului ocupat.

Toate metodele amintite se aplica masurarii nivelului lichidelor, atunci cand exista o limita clara de separatie intre lichid si mediul inconjurator (atmosfera).. In cazul cand la suprafata lichidului se formeaza spuma sau in cazul materialelor solide ( in forma de graunti sau pulberi) ele nu se pot aplica si este nevoie de alte metode de masura.Masurarea atenuarii radiatiilor emise de o sursa radioactiva este utilizata pentru determinarea nivelului in rezervoare sau silozuri, atat pentru lichide cat si pentru materiale solide. Acesta metoda are avantajul aplicarii la volume mari de stocare: rezervoare petroliere, silozuri de cereale, de carbune, de asfalt etc. Sistemele de masura care utilizeaza radiatii ionizante se supun insa reglementarilor nucleare corespunzatoare si necesita masuri de protectie a personalului.

Sistem de masura a nivelului

IntroducerePe 28 martie 1979 mii de persoane au fost evacuate la Three Mile Island (langa Harrisburg, Pennsilvania) cand sistemul de racire al reactorului nuclear s-a defectat. Aceasta situatie periculoasa a aparut ca urmare a indicatiilor senzorilor de nivel din vasul reactorului, care indicau o crestere nepermisa a nivelului la partea superioara a vasului, actionand in sensul inchiderii alimentarii apei in vas. Din pacate in realitate indicatia era falsa, in vas fiind prea putina apa si datorita racirii defectuoase a combustibilului a aparut fierberea masiva si umflarea emulsiei pana la partea superioara a vasului. Aceasta situatie a aratat ca masurarea nivelului este o chestiune mai complexa decat se credea si ca simpla determinare a prezentei sau absentei lichidului la o anumita inaltime nu este suficienta.

Alegerea senzorului de nivelAtunci cand trebuie ales tipul de senzor pentru o anumita aplicatie mai intai trebuie vazut daca:

senzorul de nivel poate fi introdus direct in rezervor sau el trebuie plasat extern,

detectarea nivelului se face continuu sau este mai potrivit un senzor cu citire periodica,

senzorul poate veni in contact cu fluidul masurat sau trebuie sa se afle in spatiul de aer/vapori,

este necesara masurarea directa sau este acceptabila masurarea hidrostatica a coloanei de fluid,

se accepta depresurizarea rezervorului sau oprirea procesului tehnologic atunci cand se face inlocuirea sau intretinerea unor piese din lantul de masura. Prin evaluarea conditiilor de mai sus se poate restrange substantial lista optiunilor posibile pentru senzorul de nivel. Selectia poate fi mai departe facuta luand in considerare conditiile tehnologice: mediu, temperatura, caracteristicile de proiectare ale instalatiei, precizia necesara etc.(Tabelul 1). Atunci cand se masoara nivelul pentru un solid, spuma, tulbureala, sau la interfata dintre doua lichide este bine sa se consulte si recomandarile din tabelul 2.

Daca pentru o anumita aplicatie se pot propune mai multe metode de masura este indicat sa fie aleasa metoda care in mod traditional este folosita in domeniul respectiv. De exemplu, in industria petroliera la rezervoarele de mare capacitate se folosesc sisteme cu plutitor, in timp ce in industria chimica se folosesc sisteme cu celula de presiune diferentiala.

Daca lichidul este agitat si suprafata lui nu este plana, atunci aparatele cu ultrasunete sau cu radar nu pot fi folosite, iar celulele diferentiale necesita un filtraj al pulsatiilor datorate agitatiei.Corelatia dintre volum si nivel este functie de forma rezervorului. In cazul rezervoarelor verticale acesta relatie este lineara, in timp ce pentru rezervoare cilindrice orizontale sau sferice ea este nelineara (fig.1).

Fig.1. Variatia volumului cu nivelul pentru rezervoare cilindric si sfericTabelul 1. Tipuri de senzori pentru masurarea nivelului

Tabelul 2. Aplicabilitatea senzorilor de nivel

In cele ce urmeaza se va face o evaluare a procedeelor de masura a nivelului pentru diverse situatii.

Primul caz luat in consierare este cel al lichidelor clare. Daca nivelul dintr-un rezervor urmeaza sa fie dedus pe baza presiunii hidrosatatice, atunci e bine sa se foloseasca sisteme cu masurari multiple care sa poata sa detecteze nivelul real atunci cand densitatea sau temperatura procesului variaza, sa masoare atat densitatea cat si nivelul si sa masoare in acest fel si masa si volumul din rezervor. Un astfel de sistem de masura este prezentat in fig.2. Prin masurarea unei temperaturi si a trei presiuni sistemul prezentat este capabil sa masoare simultan volumul (prin nivel), masa (greutatea) si densitatea cu o precizie de 0,3% din domeniul de masura.

Fluide in fierbere si fluide criogenice

Figura 3. Masurarea nivelului in tamburul cazanului de abur

Atunci cand se foloseste o celula de presiune diferentiala pentru a masura nivelul apei in tamburul unui cazan de abur de exemplu (fig.3), transmiterea semnalului se face cu un traductor de presiune 1/x. Racordul traductorului pe partea de inalta presiune HP (pe partea de abur) se face prin intermediul unei oale de condens, pentru a avea apa in conducta de impuls de pe ramura de abur. Pe partea de joasa presiune (LP) a traductorului este masurata presiunea hidrostatica in apa la saturatie din tambur. Semnalul de iesire este invers proportional cu cantitatea de apa din tambur deoarece semnalul (proportional cu inaltimea coloanei de apa din ramura HP) creste cand nivelul apei scade deoarece creste cantitatea de abur din tambur. De aceea este indicat in acest caz un traductor de tip 1/x.

In cazul unui fluid criogenic (de exemplu azot lichid), de regula rezervorul este izolat termic si racit, fiind amplasat intr-o cutie rece. In acest caz, impulsul de presiune joasa (LP) al unui traductor de presiune proportional este conectat pe partea de vapori de deasupra lichidului (fig. 4). Azotul lichid patrunde prin ramura de inalta presiune (HP) a traductorului (care se afla la temperatura ambianta) si temperature lui creste, atingand punctual de fierbere al Figura 4: Masurarea nivelului la lichide criogenice

azotului. Din acest moment conducta de impuls va fi plina de vapori de azot, ceea ce ar putea produce erori in masurare.Pentru evitarea acestei situatii, aceasta conducta de impuls trebuie inclinata catre vas pe portiunea plina cu lichid, iar diametrul ei trebuie sa fie mare (peste 2,5 cm) pentru a reduce la minimum turbulenta cauzata de fierbere si recondensare la interfata fluid-vapori.

Namol, tulbureala, fluide vascoaseMulte lichide tehnologice sunt agresive sau dificil de manipulat. In procesul de masurare este indicat sa se evite contactul fizic, direct. Acest lucru poate fi realizat prin plasarea senzorului fie in afara rezervorului (cazul senzorului cu radiatii) sau in spatiul de vapori de deasupra fluidului (ultrasunete, radar, microunde). Cand nici una dintre aceste optiuni nu este posibila, atunci trebuie aleasa varianta care ofera minimum de operatii de intretinere si de contact fizic cu fluidul masurat.

Figura 5: Variante de instrumentatie pentru namol, tulbureala si fluide vascoaseCand fluidul tehnologic este un namol, tulbureala sau un polimer vascos iar scopul masurarii este de a detecta nivelul intr-un anumit punct, varianta prezentata in fig. 5.a este cea mai indicata. O sursa de semnal optic sau ultrasonor este la o distanta fata de un receptor care sesizeaza prezenta fluidului. Semnalul receptionat comanda descarcarea sau umplerea rezervorului, iar dupa fiecare actionare este actionat si un dispozitiv de spalare.Cand masuratoarea are un caracter continuu montajul trebuie sa evite posibilitatea infundarii sau a locurilor unde materialul se poate aduna. Suprafetele expuse actiunii agresive a fluidului trebuie protejate prin acoperiri (cauciucare etc.) asa cum este prezentat in fig.5.b.In cazul masuratorilor in metale sau sticla lichide metodele precise sunt scumpe, in schimb daca nu este impusa o rezolutie foarte inalta se pot folosi plutitori refractari sau detectori cu barbotare de argon sau azot.

Senzori de nivel care folosesc radiatiile

In 1898 Marie Curie a descoperit radiul, observand ca anumite elemente emit in mod natural energie. Ea a numit aceste emisiuni raze gama. Ele aveau proprietatea misterioasa sa treaca prin materia solida si aparent impenetrabila, chiar daca aceasta trecere le reducea intrucatva intensitatea. Asa s-a descoperit bine-cunoscuta de acum lege a atenuarii intensitatii radiatiilor, in functie de grosimea obiectului si de greutatea lui specifica. In fig.6 este prezentata atenuarea radiatiilor emise de Cesiu-137 in diferite materiale. Se poate observa ca daca se mentine aceeasi grosime de material, atenuarea radiatiilor depinde de materialul prin care radiatiile trec si se absorb, iar intensitatea radiatiei poate fi o masura a grosimii materialului traversat. Considerand ca distanta dintre sursa si detector este constanta, atunci se pot face masurari precise fie ale grosimi (nivelului), fie ale densitatii materialului. IFigura 6. Atenuarea razelor gama emise de Cs-137

Surse de radiatiiDezvoltarea senzorilor nucleari de nivel a inceput odata cu trecerea tehnologiei nucleare din laborator in mediul industrial. Aceasta a presupus atat realizarea pe scara industriala a detectorilor cat si a radioizotopilor.Acest lucru s-a intamplat in anii 1950. Puterea de penetrare a radiatiilor este determinata de lungimea de unda si se exprima in energie (eV). Cel mai folosit izotop radioactiv este cesiu-137 care are o energe a fotonilor de 0,56 MeV. Un alt izotop folosit ocazional este cobalt-60 care emite radiatii cu energia de 1.33 MeV. Chiar daca energia superioara a acestuia pare mai atractiva decat cea a cesiului , timpul sau de injumatatire care dicteaza durata de viata a sursei este mai mic. Timpul de injumatatire pentru cobalt-60 este de 5,3 ani, ceea ce inseamna ca activitatea a 100 mCi (milicurie) Co-60 se reduce in 5,3 ani la 50 mCi. ( Un mCi este definit ca activitatea unui miligram de radiu 226). Atunci cand se utilizeaza pentru masuratori de nivel, variatia continua a puterii sursei necesita o compensare continua si in final chiar inlocuirea ei. Aceasta atrage nu numai costuri legate de achizitionarea unei surse noi dar si costuri legate de depozitarea celei vechi. In contrast, timpul de injumatatire de 33 de ani al cesiului-137 este suficient de lung pentru ca sursa sa functoneze pe toata durata procesului tehnologic. Un alt considerent care trebuie luat in seama este ca, probabil, pe durata de viata a sursei de cesiu perfectionarile tehnologice aduse sensibilitatii detectorilor sa dea posibilitatea utilizatorului sa opteze pentru inlocuirea lor mai degraba decat a sursei. Securitatea radiologicaReglementarile in vigoare limiteaza intensitatea radiatiei la max.5 miliroentgens pe ora (mr/h) la o distanta de 30 cm de detector. Daca aceasta valoare este depasita, atunci zona trebuie avertizata corespunzator. Distanta este o marime critica deoarece intensitatea radiatiei descreste cu patratul distantei de la sursa. Aparatura nucleara de masura a nivelului produce o intensitate a radiatiei care la detector depaseste minimul cerut dar este sub valoarea maxima admisa de 5 mr/h. Pentu camerele de ionizare minimul este de 1 mr/h, pentru contoarele Geiger-Mueller este 0,5 mr/h, iar pentru detectorii cu scintilatie este de 0,1-0,2 mr/h. Deoarece senzorul nuclear de nivel masoara de fapt spatiul liber de deasupra lichidului din rezervor, odata cu cresterea nivelului intensitatea radiatiei scade atingand zero cand rezervorul este plin.Inainte de a ajunge la detector, radiatiile trebuie sa traverseze mai multe straturi de material (fluid, materiale constructive). Iar la detector nivelul radiatiilor trebuie sa fie sub limita maxima impusa (5 mr/h).

Un alt criteriu care poate fi folosit este al dozei echivalente. Ea trebuie mentinuta sub 5 rem (roentgen equivalent man). Daca cineva este expus radiatiilor pe intreg parcursul anului (7/7, 24h) aceasta doza corespunde la o intensitate de 0.57 mr/h. Daca vorbim de un operator care lucreaza 40 ore/saptamana, doza de 5 rem corespunde unei intensitati de 2,4 mr/h in zona de lucru. Deoarece doza totala limita este de 250 rem, acceptarea dozei anuale de 5 rem este de asemenea in functie de varsta operatorului (fig.8).

Figura 8. Doza acumulataSchema de masura

Principiul folosirii masurarii nivelului pe cale nucleara este prezentat in figura.

Dimensionarea surseiSa consideram rezervorul din figura 9. O sursa punctuala de Cs-137 cu puterea de 10 mCi este montata pe rezervorul de apa de inalta presiune, realizat din otel cu grosimea peretelui de 12,5 mm. Trebuie indeplinite doua conditii: intensitatea radiatiei la detector trebuie sa scada cu cel putin 50% cand nivelul creste de la 0-100%, si doza maxima la detector cand rezervorul este gol nu trebuie sa depaseasca limita de siguranta de 2,4 mr/h. Oricum ea trebuie sa fie mai mare de 1 mr/h, necesar pentru actionarea detectorului cu camera de ionizare. Intai se calculeaza intensitatea in aer Da (mr/h) la detectorul aflat la distanta d =130 cm (48 in) considerand ca nu exista nici un rezervor:

Da= 1000 K (mCi)/d2 = 1000 x K x 10 / 482= 2,6 mr/hunde K este constanta sursei de cesiu K= 0,6.Deoarece sursa este ecranata in toate directiile exceptand spre rezervor, operatorul care lucreaza langa detector va primi doza maxima cand rezervorul este gol. Cei doi pereti ai rezervorului cu grosimea de 1.25 cm vor reduce Da conform fig. 6 si transmisia va fi de 49%. Deci intensitatea va fi 0,49 x 2,6 = 1,27 mr/h. Aceasta valoare este sub limita impusa de 2,4 mr/h dar mai mare decat minimul cerut de detector.

Fig 9. Schema de masura in rezervorul de otel

Cand rezervorul este plin, prezenta unui strat de apa cu grosimea de 75 cm (30 in) in calea radiatiilor va lasa sa treaca numai 3,5 % si intensitatea radiatiilor va fi redusa la 0,045 mr/h (0,035x1,27=0.045). Aceasta reducere in intensitate indeplineste conditia ca pe scala de la 0-100% reducerea semnalului sa fie mai mare de 50%, dar ridica problema alegerii corespunzatoare a detectorului. De altfel se poate spune ca odata cu alegerea unui detector mai sensibil puterea sursei poate fi redusa si, deci, si conditiile de iradiere se usureaza.

Marimea sursei poate fi de asemenea redusa prin plasarea sursei in varful unei sonde care se deplaseaza relativ aproape de peretele rezervorului. In cazul unor rezervoare de mari dimensiuni pot fi utilizate surse liniare in loc de surse punctforme.

Precizia celor mai multe detectoare nucleare de nivel este de 1% din domeniul de masura. Daca se cere o precizie mai mare, atunci atat sursa cat si detectorul pot fi plasate pe dispozitive de deplasare actionate electric si pozitionate la nivelul de separatie.

Cuplarea in lantul de masura a unui computer permite ca prin utilizarea softului adecvat sa se poata face calcule pentru orice fel de geometrii sau criterii de proiectare. Cea mai mare problema este nu calculul in sine, ci inputul corect. De aceea trebuie luate in consideratie cu mare grija toate componentele constructive prin care radiatia trece si toate distantele (grosimile) traversate.Alegerea detectoruluiCel mai simplu si vechi tip de detector de radiatii este contorul Geiger- Mueller. Elementul activ al acestuia il constituie un cilindru metalic care se constituie in unul din electrozi si este umplut cu un gaz inert. O sarma subtire in centrul lui (izolata cu dopuri de sticla) se constituie in al doilea electrod, iar intre electrozi se aplica o tensiune de 700-1000 V c.c. Cand tubul este expus radiatiilor gama, gazul se ionizeaza iar ionii si electronii liberi transporta sarcinile la electrozi permitand numararea pulsurilor de curent provocate de ionizare. Cu cat intensitatea radiatiei este mai mare, cu atat ionizarea este mai puternica si se genereaza mai multe pulsuri care sunt numarate de electronica asociata contorului si afisate ca pulsuri/secunda. Acest tip de detector poate fi utilizat ca un comutator de nivel daca este calibrat sa actioneze un releu atunci cand intensitatea radiatiei indica conditia de nivel maxim sau minim. Contorul G-M poate fi folosit numai ca senzor punctual. Avantajele lui sunt legate de costul relativ scazut, dimensiunile reduse si fiabilitatea ridicata.

Detectorul cu camera de ionizare este un senzor de nivel continuu. El consta dintr-un tub cu diametrul de 10-15 cm cu lungimea de pana la 6 m, umplut cu un gaz inert la o presiune de cativa bar. O mica diferenta de potential este aplicata unui electrod mare, plasat in centrul camerei de ionizare. Radiatia gama produce un semnal sub forma unui curent foarte mic (de ordinul picoamperilor) ca rezultat al ionizarii gazului. Acest curent, care este proportional cu intensitatea radiatiilor, este amplificat si transmis ca semnal de masura pentru nivel.

In aplicatiile in care se masoara nivelul, camera de ionizare da semnalul maxim atunci cand nivelul este minim. Pe masura ce nivelul creste, curentul de iesire al detectorului scade deoarece creste cantitatea de material absorbant din calea radiatiilor. Sistemul este calibrat sa citeasca nivelul de 0% cand semnalul de iesire este maxim si nivelul de 100% cand semnalul de iesire are cea mai mica valoare. Nelinearitatile din interiorul acestui domeniu sunt corectate cu ajutorul softului, care tine seama de efectul pe care il au componentele constructive din interiorul rezervorului: pereti despartitori, agitatoare, sicane etc., sau din exteriorul lui.

Detectoarele cu contor de scintilatie sunt de 5-10 ori mai sensibile decat camerele de ionizare si de aceea, desi costul lor este mai ridicat, utilizatorii accepta sa le achizitioneze fie pentru ca permit folosirea unor surse mai slabe, fie doresc o detectie mai precisa. Cand razele gama lovesc atomii materialului scintilator ( de exemplu fosfor) energia este transformata intr-o unda luminoasa vizibila. Numarul fotonilor creste odata cu intensitatea radiatiei incidente. Acesti fotoni traverseaza printr-un material clar al scintilatorului si sunt colectati de un tub foto-multiplicator care converteste fotonii in electroni. Semnalul de iesire este proportional cu intensitatea radiatiilor gama care lovesc scintilatorul.

Detectoarele cu scintilatie sunt disponibile intr-o larga varietate de forme, dimensiuni si lungimi. Unul din ultimele modele consta dintr-un cablu cu fibre optice care permite cresterea sensibilitatii detectorului prin instalarea mai multor fire intr-un fascicol. Un alt avantaj al cablului de fibre optice este ca poate fi fabricat la lungimi mari, suficient de flexibil pentru a se potrivi geometriei vasului. Aceasta simplifica masurarea nivelului in vasele de forma sferica, conica sau complexa. AplicatiiAplicatiile nucleare pentru masurarea nivelului sunt luate in calcul acolo unde alte metode de masura nu pot fi folosite, sau atunci cand montarea unor senzori in procesul tehnologic ar prezenta un risc pentru viata personalului, pentru mediu sau pentu integritatea instalatiei. Lichidele sau solidele vrac care se masoara cu metode nucleare trebuie sa se afle in categorie materialelor periculoase, presurizate, toxice, corozive, explozive sau cancerigene. Deoarece instrumentatia este montata in afara peretilor recipientelor, ea poate fi montata, modificata si intretinuta in timpul derularii procesului tehnologic, cu cheltuieli minime si fara scapari accidentale.Instalarea aparaturii de masura nucleare presupune existenta unei autorizatii CNCAN, obtinuta in baza procedurilor legale in vigoare. Ea trebuie sa sigure securitatea personalului de exploatare. Pe masura ce detectoarele devin mai sensibile si sunt asistate de computere dimensiunile surselor scad si nivelele de radiatii scad si ele. In acest fel, in timp, securitatea nucleara a personalulu in aceste instalatii se va imbunatati si ea.

Alegerea componentelor lantului de masuraPentru alegerea componentelor unui lant de masura care foloseste radiatiile va trebui sa cunoastem caracteristicile constructive ale instalatiei si ale procesului tehnologic.Pentru a obtine o masurare de calitate va trebui sa stabilim valoarea minima a intensitatii radiatiilor tinand seama de:

atenuarea in materialele care alcatuiesc instalatia si fac parte din procesul tehnologic,

sensibilitatea detectorului si

precizia de masurare ceruta.

Rezervoare de bitumIn cazul rezervoarelor metalice sau al silozurilor de beton radiatiile emise de sursa trebuie sa traverseze pereti in general grosi, care atenueaza mult radiatiile care le traverseaza. In alegerea materialului de sursa trebuie sa raspundem la intrebarile: ce fel de radiatii alegem, ce energie trebuie ele sa aiba si care este timpul de utilizare (durata de viata) al sursei. De aceea alegerea tipului de radiatii tine seama de necesitatea ca aceste radiatii sa fie penetrante. Aceasta conditie recomanda ca sursa sa emita radiatii gama care sunt mult mai penetrante decat radiatiile beta sau X.O alta conditie se refera la timpul de utilizare al materialului de sursa. El este corelat cu timpul de injumatatire. Este important ca pe perioada de utilizare puterea sursei sa nu varieze semnificativ. De aceea este de preferat ca timpul de injumatatire al izotopului ales sa fie de ordinul zecilor de ani.

In tabelul 3 sunt prezentati principalii izotopi radioactivi si caracteristicile lor.Tabelul 3. Izotopi radioactivi IzotopMod de dezintegrare primara (Energia in MeV)T1/2(ani)

Americium (Am-241) (5.638), (0.060)455

Cesium (Cs-137) (1.176), (0.662)33

Cobalt (Co-60) (2.824), (1.172, 1.333)5.5

Strontium (Sr-90) (0.546 & 2.280 din Y-90)28.78

Krypton (Kr-85) (0.687)10.76

In ceea ce priveste alegerea tipului de detector, criteriile de baza care trebuie luate in consideratie se refera la: conditiile de lucru si mediu, complexitatea procesului tehnologic,

sensibilitate,

precizie de masurare,

cost.