Techniky merania v skladových nádržiach

Meranie a evidencia obsahu skladových nádrží majú dlhú tradíciu. Takmer každý používateľ a typ aplikácie majú svoje vlastné špecifické požiadavky, a preto sa za tento čas vyvinulo niekoľko spôsobov meranie a evidencie obsahu skladových nádrží.

Ručné meranie

Meranie obsahu v nádržiach sa začína ručným meraním (obr. 5), a to pomocou kalibrovaných namáčacích oceľových pások alebo meracích tyčiek. Táto technika merania sa ešte stále vo svete používa a stále je to spôsob verifikácie a kalibrácie iných druhov merania. Presnosť merania pomocou zmáčacích pások a tyčiek, ktoré sa používajú pri meraní prepravovaného materiálu medzi obchodnými subjektmi (fakturačné meranie), sa zvyčajne pri novo nakalibrovaných zmáčacích páskach udáva ako ±(0,1 + 0,1L) mm, kde L je výška hladiny v metroch. Pri páskach, ktoré sa už používali, sa vykonáva preciachovanie. Nepresnosť takejto pásky je dvakrát väčšia v porovnaní s novou páskou. Avšak nepresnosť pásky nie je jediným zdrojom chýb.

Presné ručné ponorenie je náročná úloha, obzvlášť pri silnom vetre, zime, počas noci či v prípade, ak sa používajú špeciálne ochranné zariadenia. Navyše k výsledku ručného merania pomocou pások treba pridať chybu spôsobenú človekom minimálne v rozsahu ±2 mm. Ručnému meraniu obsahu nádrží sa komplexne venuje norma API 2545. Ďalšou nevýhodou ručného merania obsahu nádrží je, že pracovníci prevádzkovateľa nie sú často z bezpečnostných dôvodov oprávnení pohybovať sa v nadmerných výškach na nádrži, čím sa zvyšujú náklady na externé zabezpečenie tejto služby a predlžuje sa čas celého merania.

Meranie s plavákom zaveseným na páske

Tento spôsob merania, nazývaný aj automatické meranie obsahu nádrží, sa prvýkrát objavil okolo roku 1930. Uvedené meracie zariadenie využíva veľký ťažký plavák, aby sa dosiahla dostatočná budiaca sila. Plavák bol v minulosti pripojený cez lano na protizávažie s mierkou a ukazovateľom (ručičkou) mimo nádrže, kde sa zobrazovala výška hladiny. Novšie verzie majú plavák prepojený ­pomocou perforovanej pásky s pružinovým motorom s „konštantným“ momentom (obr. 6). Perforácia pohybuje jednoduchým mechanickým počítadlom, ktoré je zároveň miestnym indikátorom výšky hladiny. Presnosť takéhoto mechanického merania je zvyčajne v rozsahu 10 mm. Vzhľadom na mechanické trenie v kladkách, pružinovom motore a ukazovateli je spoľahlivosť tohto typu merania nízka.

Vzdialené odčítavanie výšky hladiny je možné pomocou elektronického vysielača pripojeného k ukazovateľu. Tým sa však nezlepší spoľahlivosť či presnosť mechanického merania obsahu nádrže. Jednou z hlavných nevýhod merania pomocou zariadení využívajúcich plaváky sú neočakávané pohyby spôsobované vírením meranej kvapaliny. Tieto, často prudké pohyby spôsobujú trvalé zrýchľovanie a spomaľovanie pohybového mechanizmu, v dôsledku čoho dochádza k prílišnému opotrebovaniu lokálneho ukazovateľa, vysielača a ostatných zariadení prepojených s meraním. Ukazovací systém a vysielač nedokážu kopírovať tieto reverzné pohyby a zrýchlenia.

Prevodový mechanizmus, poháňajúci ukazovateľ a vysielač sa často uvoľnia, čo vedie k chybnému odčítaniu a desynchronizácii vysielača. V dôsledku toho treba vykonať rozsiahly zásah údržby a takáto chyba vedie aj k strate spoľahlivosti merania. Vzhľadom na to, že na celom svete sa v súčasnosti kladie veľký dôraz na predchádzanie úniku látok z veľkoobjemových nádrží, je veľmi pravdepodobné, že uvedený spôsob merania sa už nebude dlho používať. Avšak vzhľadom na svoju nízku obstarávaciu cenu je ešte stále veľký počet nádrží na celom svete osadených týmto meracím zariadením.

Meranie pomocou servomechanizmov

Meranie obsahu nádrží pomocou servomechanizmov (obr. 7) je podstatným vylepšením zariadení využívajúcich plaváky. Tieto systémy boli vyvinuté v 50. rokoch minulého storočia. Pri tomto type merania sa však namiesto plaváka používa malý posúvač zavesený na silnom flexibilnom meracom lane. Namiesto pružinového motora využíva servo meranie na zdvíhanie a navíjanie posúvača elektrický servomotor. Dômyselný systém váženia kontinuálne meria hmotnosť a vztlak posúvača, na základe čoho riadi servosystém. Motor takisto pohybuje s integrálnym vysielačom. Mechanické trenie v servosystéme, vysielači a lokálnom ukazovateli, ako aj alarmové spínače nemajú vplyv na citlivosť a presnosť merania.

Takisto ani vírenie hladiny kvapaliny v nádrži priamo neovplyvňuje meranie. Integračný člen v riadiacom systéme servopohonu odstraňuje vplyv náhleho pohybu produktu. Tento spôsob merania nielenže poskytuje informácie o priemernej výške hladiny pri výskyte vírenia, ale takisto odstraňuje zbytočné pohyby a znižuje rozsah opotrebovania a výrazným spôsobom predlžuje životnosť meracieho zariadenia. Pôvodné servomechanizmy nevyzerali ako tie zo súčasnosti. Meracie prístroje sa vyvinuli do vysoko spoľahlivých a prepracovaných zariadení a čím ďalej, tým viac nahrádzajú mechanické meranie pomocou plaváka, pričom prinášajú úspory z hľadiska údržby a pozitívne ovplyvňujú riadenie skladových zásob.

Moderné inteligentné servomechanizmy majú len málo pohyblivých častí, vďaka čomu sa dosahuje ich dlhodobá spoľahlivosť a presnosť merania. Zároveň disponujú aj vysokovýkonnými nástrojmi na spracovanie nameraných údajov. Prístroje nielen že merajú výšku hladiny, dokážu merať aj hladiny rozhraní a hustotu produktu v nádrži. Štandardom sú presné programovateľné alarmy hornej a spodnej úrovne hladiny. Pri tomto spôsobe merania možno dosiahnuť presnosť lepšiu ako 1 mm pri výške hladiny 40 m. Táto výnimočná presnosť a spoľahlivosť vyústila do akceptácie uvedeného spôsobu merania a zariadení úradmi zodpovednými za metrológiu a správu daní v mnohých krajinách sveta.

Radarové meranie

Jednou z najnovších techník merania obsahu veľkoobjemových nádrží je využitie radarových snímačov. Systémy na meranie a evidenciu obsahu nádrží, využívajúce radarové meranie boli vyvinuté v 60. rokoch minulého storočia pre dopravné prostriedky prepravujúce surové materiály. Väčšina lodí bola napr. vybavená mechanicky ovládanými plavákovými meracími systémami. Meranie hladiny sa však využívalo len v čase, keď bola loď v prístave, pri nakladaní alebo vykladaní. Nové požiadavky na bezpečnosť týkajúce sa vymývania nádrží v uzavretom stave pri spätnej ceste a potreba naplniť prázdnu nádrž inertným plynom boli dôvodom, že sa začalo preferovať nepriame meranie.

Presnosť nebola pre meranie na prepravných tankeroch až taká dôležitá, pretože presun materiálu medzi obchodnými subjektmi (fakturačné meranie) a fiškálne meranie využívali certifikované systémy na meranie hladiny alebo prietoku ešte v rámci systémov v prístavoch. Radarové systémy na meranie výšky hladiny nemajú žiadne pohyblivé časti a jedinou požiadavkou je inštalácia antény do nádrže. Vďaka tomu sú s týmto meraním spojené len veľmi nízke náklady na údržbu. Aj keď náklady na obstaranie sú v porovnaní s meracími systémami využívajúcimi plaváky vyššie, celkové náklady na vlastníctvo budú výrazne nižšie. Radarové prístroje využívajú na meranie výšky hladiny mikrovlny najčastejšie v rozsahu 10 GHz.

Vzdialenosť, ktorú signál ubehne, sa vypočíta z porovnania vyslaného a odrazeného signálu. Pri meraní obsahu v nádržiach ide o meranie relatívne krátkych vzdialeností. Elektromagnetické vlny sú vysielané takmer rýchlosťou svetla. Vzhľadom na krátku vzdialenosť od niekoľkých centimetrov až do cca 20 m a požadované rozlíšenie možno využiť aj meranie postavené na meraní času. Pri tomto riešení sa mení frekvencia vysielaného signálu a meria sa frekvenčný posun medzi vyslaným a odrazeným signálom. Vzdialenosť, resp. výšku hladiny možno potom vypočítať práve z tohto frekvenčného posunu.

Radarové systémy na meranie výšky hladiny v zásobníkových nádržiach sa v súčasnosti využívajú najmä v rafinériách, termináloch, chemickom priemysle a v nezávislých spoločnostiach prevádzkujúcich uskladňovacie nádrže. Vďaka neprítomnosti pohyblivých častí, kompaktnému vyhotoveniu a meraniu bez priameho kontaktu s meranou látkou sa dosahujú veľmi nízke náklady na údržbu a tento typ merania sa stáva veľmi atraktívny. S cieľom dosiahnuť desaťkrát vyššiu presnosť ako pri aplikáciách zahŕňajúcich námorné prístavy a lode možno v súčasnosti využiť špeciálne antény a úplne digitálne spracovanie signálov.

Staršie radarové systémy boli vybavené veľkými parabolickými anténami alebo anténami z dlhým vlnovodom (lievikom), avšak moderné radarové systémy na meranie výšky hladiny využívajú techniku planárnych antén. Tieto antény sú kompaktné a majú podstatne vyššiu účinnosť, vďaka čomu sa dosahuje výnimočná presnosť. Dostupných je niekoľko typov antén, ktoré dokážu pokryť takmer všetky v súčasnosti existujúce konfigurácie nádrží:

  • voľnopriestorové šírenie je najbežnejšou metódou a používa sa, ak je meracie zariadenie inštalované na vrchole nádrže s pevnou strechou (obr. 8);
  • pri nádržiach s plávajúcou strechou možno nainštalovať ­radarové meracie zariadenie na vodiacom kovovom valci (obr. 9), nespojenej s konštrukciou nádrže;
  • snímanie strechy možno zrealizovať pomocou strešného reflektora a radarového meracieho systému výšky hladiny s anténou vo voľnom priestore;
  • radarový systém na meranie výšky hladiny možno použiť aj v nádržiach s vysokým tlakom; medzi nádrž a merací prístroj možno v takomto prípade nainštalovať oddeľovací ventil; aj keď je prístroj v prevádzke, možno vykonávať jeho verifikáciu a kalibráciu.

Vďaka najnovším technológiám radarového merania obsahu nádrží možno teraz realizovať veľmi presné merania pri produktoch s ­veľmi nízkym tlakom vodnej pary. Každý dodávateľ by mal informovať ­zákazníka o detailoch tejto možnosti. Radarové systémy sú ­logickou voľbou aj pri nádržiach, v ktorých sa nachádzajú veľmi husté a ­lepkavé produkty, ako napr. fúkaný asfalt, obsahujúce produkty a kvapaliny, ktoré sú veľmi „turbulentné“.

Meranie pomocou hydrostatického tlaku

Meranie obsahu nádrží pomocou hydrostatického tlaku (Hydrostatic Tank Gauging – HTG) je jednou z najstarších techník merania. V priemyselných procesoch sa veľmi často vyskytuje meranie výšky hladiny pomocou vysielačov diferenčného tlaku. Zvyčajne sa pri tomto meraní používajú analógové vysielače tlaku s presnosťou 1 %. Avšak analógové vysielače nie sú na meranie obsahu v ­nádržiach vhodné, pretože meranie zásob vyžaduje podstatne vyššiu presnosť. Oveľa vhodnejšie sú špeciálne nakalibrované inteligentné digitálne vysielače tlaku, ktoré poskytujú oveľa vyššiu presnosť. Zabudovaný mikroprocesor umožňuje zahrnúť do merania aj kompenzáciu vplyvu teploty a systematickú chybu vysielača. Metóda HTG využíva tieto presné vysielače na kontinuálne meranie hmotnosti obsahu nádrže (obr. 10).

K dispozícii je niekoľko rôznych variácií metódy HTG:

  • Jednoduchý HTG systém možno zostaviť pomocou jedného ­vysielača umiestneného pri spodku nádrže (P1). Celkovú hmotnosť možno potom vypočítať vynásobením nameraného tlaku zodpovedajúceho plošnému obsahu nádrže.
  • Pridaním druhého vysielača (P2) do známej vzdialenosti od P1 možno zaznamenanú hustotu produktu vypočítať z rozdielu tlakov P1 – P2. Výšku hladiny možno vypočítať z hustoty a tlaku P1.
  • Na elimináciu vplyvu tlaku vodnej pary na vysielače P1 a P2 možno na vrch nádrže pridať aj vysielač P3.

Metóda HTG je menej vhodná pri nádržiach pod tlakom. Veľký rozdiel medzi tlakom v nádrži a malými zmenami hydrostatického tlaku je príčinou nepresných výsledkov. Takisto je často veľmi ­nákladné a neprijateľné prichytenie vysielača na guľových nádržiach. Pri nádržiach s atmosférickým tlakom poskytujú systémy HTG pri meraní hmotnosti nepresnosť 0,5 % alebo ešte nižšiu. Presnosť merania výšky hladiny pomocou HTG je od 40 do 60 mm, čo je dostatočné na určenie zodpovedajúceho plošného obsahu, ale úplne neakceptovateľné pre fakturačné merania alebo správu skladových zásob. Z tohto dôvodu požadujú mnohé spoločnosti pridanie iných metód merania výšky hladiny. Nedostatkom HTG systému je, že jeho meranie hustoty sa vykonáva len v obmedzenom rozsahu pri spodku skladovej nádrže.

Ak je hladina kvapaliny nad úrovňou snímača P2, vypočítaná hodnota vychádza z aktívneho merania. Avšak ak je hladina pod úrovňou P2, neexistuje žiadne meranie ­tlakového rozdielu. To sa môže stať v prípade, ak sa hladina ­kvapaliny ­nachádza vo výške od 1,5 do 2,5 m nad dnom nádrže. V prípade mnohých nádrží bude hustota pri spodku a vo vrchných častiach rozdielna. Takéto rozvrstvenie hustoty má ničivý efekt na vypočítavané hodnoty výšky hladiny a objemu. Nakoľko je meranie výšky hladiny pomocou HTG systému veľmi nepresné, nie je vhodné pre akúkoľvek formu ochrany pred preplnením. Veľmi podstatné sú aj alarmové snímače hornej hranice výšky hladiny.

Pokračovanie v ďalšom čísle.

Zdroj textu: The art of Tang Gauging, Honeywell Enraf, White Paper, 2004

Zdroj obrázkov: Honeywell Enraf, redakcia

Publikované so súhlasom spoločnosti Honeywell