Principer för nivåmätning

Två huvudtyper av nivåmätningstekniker används inom industrin beroende på processkraven: kontinuerlig mätning och punktnivåmätning. Skillnaden mellan punktnåvåmätning och kontinuerlig nivåmätning är att med punktnivåmätning görs detekteringen med hjälp av nivåvakter som endast kommer att detektera nivånärvaro på en viss punkt eller ett visst läge. När sensorn detekterar nivånärvaron utlöses en binär kopplingsutgång.

Vid kontinuerlig nivåmätning mäter en nivåtransmitter fortlöpande nivån i en anläggning i intervallet 0 till 100 %, vilket ger en analog signal proportionell mot den uppmätta nivån.

Normalt används nivåvakter som säkerhetsanordningar mot överfyllnad och torrkörningsskydd för pumpar i kombination med en kontinuerlig nivåtransmitter, men enklare tillämpningar av nivåkontroller kan även utföras med endast nivåvakter.

Figur 1 - Kontinuerlig mätning och punktnivåmätning

Figur 2 - Frirumsradar (vänster) och styrda mikrovågor (höger)

Radarnivågivare är kontinuerliga nivåmätare för vätskor och granulat som använder elektromagnetiska vågor som mätmetod. Radarnivåmätare är lämpliga för många olika tillämpningar inom alla industrier. Några exempel är bufferttankar, floder, havsnivåer, aggressiva medier, kemiskt avfall, vinförvaring, vatten och avloppsvatten, kalkmjölk, bitumen, cement och flödesmätning i öppna kanaler.

Två utvärderingsmetoder finns för denna typ av instrument: Time-of-Flight (flygtid) – ToF och Frequency Modulated Continuous Waves (frekvensmodulerade kontinuerliga vågor) – FMCW. I ToF-metoden avges en elektromagnetisk puls från instrumentets givare, pulsen rör sig genom luften, reflekterar på mediets yta och återgår till instrumentet, nivån kan utvärderas genom att mäta den tid pulsen tar för att återvända till instrumentet.

I FMCW-metoden avges en kontinuerligt modulerad frekvens av elektromagnetiska vågor från instrumentet som färdas genom luften och reflekteras på underlagets yta, förändringar i nivån kommer att orsaka ett frekvensskifte. Skillnadsfrekvensen mellan den utsända och den reflekterade signalen används för att bestämma nivån.

En annan typ av radar som vanligtvis förekommer i industrier är med styrda mikrovågor, den använder ToF som mätmetod, men den här gången färdas pulserna till vätskeytan med hjälp av en metallsond. Detta gör att signalen koncentreras till ett mindre område, vilket är särskilt intressant för installationer i små utrymmen och med vätskor med låg dielektrisk konstant, såsom oljor.

Till radarnivågivarna

Radarnivågivarnas fördelar:

• Radarteknik kan användas med fasta ämnen och vätskor
• Mätningen är oberoende av processförhållanden som densitet, temperatur, tryck och viskositet
• Beröringsfri mätning, förutom för styrda mikrovågor
• Hög noggrannhet och tillförlitlighet i jämförelse med andra nivåmätningstekniker
• Kan fungera i höga temperatur- och trycknivåer

Radarnivågivarnas begränsningar:

• En tillräcklig dielektrisk konstant för mediet krävs för en tillförlitlig mätning
• Kraftig turbulens på underlagets ytan kan påverka mätningen
• Interna strukturer på tanken som omrörare, nivåomkopplare och värmebatterier kan orsaka störningar
• Rradar med styrda mikrovågor rekommenderas inte för klibbiga medier
• Dyra jämfört med annan teknik

Ultraljudsnivågivare är kontinuerliga nivåmätare för vätskor och fasta ämnen som använder ultraljudsljudvågor, eller med andra ord högfrekventa mekaniska vågor , som mätmetod. Ultraljudsnivåmätare kan användas för olika tillämpningar, såsom nivåmätning på underjordiska vattentankar, oljetankar, dammar, sjöar, fasta partiklar på silor och lager samt flödesmätning i öppna kanaler.

Ultraljudsnivågivare använder ToF-principen som utvärderingsmetod, precis som radarsystemen, men den här gången, istället för att använda elektromagnetiska vågor, använder den ljudvågor, som är mekaniska vågor. Instrumentet avger en puls som färdas genom luften, reflekteras på mediets yta och återvänder till instrumentet. Nivån kan fastställas genom att mäta den tid det tar för den utsända ljudvågen att återgå till instrumentet.

Upptäck ultraljudsnivågivare

Figur 3 - Ultraljudsnivågivare

Ultraljudsnivågivarnas fördelar:

• Beröringsfri mätning
• Mätningen är inte beroende av vätskans dielektriska konstant, bra alternativ för oljor
• Påverkas inte av densitetsförändringar

Ultraljudsnivågivarnas begränsningar:

• Rekommenderas inte för tillämpningar med skum och turbulent vätskeyta
• Damm, ångor, kondens och temperaturförändringar kan påverka mätningen
• Den oregelbundna formen inuti tryckkärlet kan orsaka signalförlust
• Ej tillämpliga på tankar med vakuum
• Temperatur- och tryckbegränsningar jämfört med annan teknik

Figur 4 - Direktmontering (vänster), nedsänkbar sond (höger)

Direktmonterade tryckgivare

En processtryckgivare kan monteras i botten eller i sidled på tankar utan tryck för att mäta vätskenivån. Nivån är direkt proportionell mot trycket som utövas av vätskekolonnen ovanför sensorn , som tumregel motsvarar 100 mbar en vattenkolonn på 1 meter. Det är viktigt att tänka på att olika vätskor har olika densitetsvärden, förhållandet mellan tryck och nivå kan därmed vara olika.

Hitta processtryckgivare här

Nedsänkbara sonder

I situationer där det inte är möjligt att montera en trycktransmitter i tanken eller i en underjordisk reservoar kan nedsänkbara trycktransmittrar, även känd som hydrostatiska trycktransmittrar, användas enligt samma mätprincip. Tryckgivaren är nu placerad invändigt i tanken, nedsänkt i vätskan.

Till hydrostatiska tryckgivare

För att mäta vätskenivån med en trycktransmitter i tryckkärl är det nödvändigt att kompensera för behållarens tryck så att den inte ska påverka den hydrostatiska tryckmätningen. Detta kan göras med en differenstrycksgivare.

Differenstrycktransmittern är konstruerad för att kunna mäta tryckskillnaden mellan två punkter. En mätpunkt tas på tankens botten som känner av det hydrostatiska trycket som summeras med huvudtrycket, den andra mätpunkten tas på tankens överdel som bara känner av behållarens tryck. Instrumentet kan sedan kompensera för behållartrycket, vilket ger endast det hydrostatiska trycket. En annan lösning för detta scenario är att använda två separata processtryckgivare, men då måste kompensationsberäkningen göras externt i styrsystemet .

Figur 5 – Nivåmätning med differenstrycksgivare

Nivåmätning med differenstrycksgivare; fördelar:

• Enkel och billig lösning för nivåmätning
• Välkänd mätmetod
• Tillförlitlig och noggrann mätning

Nivåmätning med differenstrycksgivare; begränsningar:

• Kan endast tillämpas med vätskor
• Temperaturförändringar påverkar vätskedensiteten, vilket påverkar mätningens exakthet
• Direktkontakt med det flytande, aggressiva underlaget kan kräva ytterligare tillbehör, till exempel tätningskärl
• Rekommenderas inte för högviskösa vätskor
• Omrörare kan orsaka tryckpulser som påverkar mätningen

Figur 6 - Lasernivågivare

Lasernivågivarnas fördelar:

• Liten strålningsvinkel
• Lasersändaren kan monteras var som helst på tanklocket, inklusive längs tankväggen
• Mycket höga uppdateringsfrekvenser kan uppnås
• Laserteknik kan användas med fasta ämnen och vätskor
• Mätningen påverkas inte av materialtäthet eller dielektrisk konstant

Lasernivågivarnas begränsningar:

• Uppvirvlat damm kan störa laserstrålen
• Rekommenderas inte för tillämpningar där skum kan förekomma
• Ej lämpligt för transparenta vätskor

Kapacitiva nivågivare används för kontinuerlig nivåmätning av vätskor, eftersom det är ett enkelt, tillförlitligt och billigt instrument jämfört med annan teknik, kapacitiva nivåmätare kan vara en bra lösning för mätning av vatten, oljor och syror.

Kapacitiva nivågivare, som namnet antyder, fungerar baserat på en kapacitansprincip. Instrumentsonden och tankens väggarna bildar en kondensator, nivåvariationen förändrar kapacitansen hos den bildade kondensatorn. Instrumentelektroniken kan sedan relatera kapacitansvärdet till vätskenivån. I scenariot där tanken är gjord av ett icke-ledande material, som plast, behövs det en jordningssond, vissa modeller av kapacitiva nivåsändare kan ha en inbyggd jordningssond för detta ändamål.

Upptäck kapacitiva nivågivare

Video 1: Grunderna för kapacitiv nivåmätning (engelska)

Kapacitiva nivågivare; fördelar:

• Lämpliga för ledande och icke-ledande vätskor
• Mätning av vätskans kontaktyta
• Kostnadseffektiv teknik
• Specialmodeller kan användas för klibbiga medier

Kapacitiva nivågivare; begränsningar:

• Tekniken i kontakt med mediat
• Installation på plasttankar kräver en jordningssond
• Ändringar av mediats elektriska konstant kan påverka mätningen

Kapacitiva nivåvakters fördelar:

• Kapacitiva nivåvakter finns för fasta och flytande ämnen
• Kostnadseffektiv teknik
• Specialmodeller kan användas för klibbiga media

Kapacitiva nivåvakters begränsningar:

• Tekniken i kontakt med mediat
• Installation på plasttankar kräver en jordningssond
• För fasta ämnen är en minimal dielektrisk konstant nödvändig

Video 2: Grunderna för vibronisk nivåmätning (engelska)

Vibrationsnivåvakter, även kända som vibroniska nivåvakter, är instrument som används för punktnivådetektering av vätskor och granulat, och är en av de mest använda och tillförlitliga lösningarna för punktnivåmätning i olika industrier, såsom för mat och dryck, läkemedel, kemikalier och i petrokemisk industri.

Vibrationsnivåvakterna fungerar baserat på en stämgaffels resonansfrekvens, en enhet exciterar stämgaffeln till sin resonansfrekvens, så snart gaffeln täcks av vätska dämpar vätskan oscillationen och orsakar en förskjutning i resonansfrekvensen. Enhetens elektronik kan detektera förändringen i frekvens; sålunda detekteras vätskan.

På vibrationsnivåvakter för granuat är funktionen mycket likartad, men den här gången övervakas oscillationsamplituden och inte frekvensen. Förekomsten av bulkmaterial kommer att förändra oscillationsamplituden , som detekteras av instrumentelektroniken.

Hitta vibrationsnivåvakter här

Vibrationsnivåvakternas fördelar:

• Vibrationsnivåvakterna är kompakta och enkla att installera
• Inget underhåll krävs
• Påverkas inte av vätskeegenskaper såsom konduktivitet, densitet, tryck och temperatur
• Lämplig för tillämpningar med vätsketurbulens, skum eller bubblande vätskor
• Belagda varianter finns för kemisk kompatibilitet

Vibrationsnivåvakternas nackdelar:

• Tekniken i kontakt med mediat
• Rekommenderas inte för klibbiga media med kraftig uppbyggnad

Konduktiva nivåvakter används för punktnivådetektering av vätskor, eftersom det är en kostnadseffektiv metod, särskilt för enkla tillämpningar, som tvåpunktsnivåkontroll av vattencisterner och behållare samt pumpars torrkörningsskydd.

Kort sagt, en konduktiv nivåvakt består av en jordsond och en eller flera detektionssonder. En växelspänning tillämpas på jord- och detekteringssonderna. Så snart vätskan täcker både, jord- och detekteringssond, bildas en elektrisk krets. Instrumentelektroniken detekterar en elektrisk strömcirkulation på denna krets, på så sätt detekteras nivån.

För metalltankar kan själva tanken användas som marksond, i detta fall kan en enkelsensor-nivåvakt användas.

Alternativspänningen förhindrar korrosion och elektrolytisk förstöring av sonderna. Den applicerade spänningen är helt ofarlig och det finns ingen risk för elektrisk stöt om sonderna berörs.

Till konduktiva nivåvakter

Figur 7 - Konduktiva nivåvakter

Konduktiva nivåvakters fördelar:

• Enkel och kostnadseffektiv lösning för punktdetektering
• Sonden kan kapas till önskad längd, beroende på modell
• Flera detekteringspunkter, beroende på modell

Kapacitiva nivåvakters begränsningar:

• Fungerar endast med konduktiva vätskor
• Temperatur- och tryckbegränsningar

Figur 8 - Paddelvakter

Paddelvakter är är nivåvakter avsedda för punktnivådetektering av granulat, som spannmål, socker, krita, pulver, flis etc. Beroende på mediats täthet kan olika paddelutformning väljas.

Paddelvakten består av en elektrisk motor som gör att paddeln roterar. Så snart paddeln börjar täckas av fasta ämnen, stoppas motorn och instrumentelektroniken kan fastställa nivåns närvaro.

Upptäck paddelvakterna

Paddelvakternas fördelar

• Enkel design och funktion
• Lämplig för olika kornstorlekar och densiteter
• Oberoende av materialets elektriska egenskaper

Paddelvakternas begränsningar:

• Kan endast tillämpas med fasta ämnen
• Rörliga delar kan förslitas med tiden
• Tekniken i kontakt med mediat

Flottörvakter är en av de enklaste metoderna för mätning av vätskenivå, och är en mycket kostnadseffektiv lösning för enkla tillämpningar, till exempel pumpstyrning på vattencisterner. Flottörvakter kan ha olika konstruktioner och arbetsprinciper, beroende på tillverkare och modell, men de delar alla ett gemensamt föremål: en flytande kropp.

I en av de enklaste versionerna har en flytande kropp av plastmaterial en metallkula inuti som stänger och öppnar de elektriska kontakterna. När det inte finns någon vätska pekar flottören nedåt, när det finns vätska pekar flottören uppåt. Metallkulan följer denna rörelse och bryter de elektriska kontakterna.

Gå till flottörvakterna

Figur 9 - Flottörvakters funktion

Flottörvakters fördelar:

• Kostnadseffektiv lösning
• Enkel installation och idrifttagning
• Grundmodeller kräver ingen strömförsörjning

Flottörvakters begränsningar:

• Tekniken i kontakt med mediat
• Endast lämpliga för vätskor
• Normalt konstruerad med enkla material som kan förslitas över tid eller reagera med vissa vätskor
• Rekommenderas inte för klibbiga media med kraftig uppbyggnad
• Temperatur- och tryckbegränsningar

Behöver du hjälp med att välja en nivåmätare för din tillämpning? Vårt tekniska team är redo att hjälpa dig med din förfrågan:

Skicka ett mejl till våra skickliga ingenjörer

Ring proffsen

Hitta flödesmätare av hög kvalitet här:

Gå till nivåmätningskategorin