U nastavku teksta, uglavnom se obradjuju merenja nivoa u vodi, odnosno, u tecnosti. Merenje nivoa praskastih materijala se ne obradjuje detaljnije, mada se na par mesta spominje. Naravno, merenje nivoa kod gasova nema smisla!
U upotrebi su cesto razliciti termini: nivo, dubina, kota, vodostaj, ...
U oblasti hidrologije, odnosno hidrometrije pod pojmom nivoa se podrazumeva apsolutna kota povrsine vodotoka merena od nulte kote (kote mora), dok se razlika izmedju kote vode Z i nulte kote neke vodomerne letve H = Z - Z0 naziva vodostaj.
Ovde se pod pojmom nivo podrazumeva granica izmedju fluida gustine r1 i drugog fluida r2 pri cemu je uvek r1 > r2 . Najces\'ce je taj drugi fluid vazduh, pa je r1 >> r2 .
Figure 7.1: Definisanje pojmova nivoa i vodostaja
Merenje nivoa podrazumeva odredjivanje polozaja granice fluida r1 u odnosu na neki usvojeni referentni sistem, slika 7.1. Podrazumeva se da VERUJEMO referentnom sistemu, i da se nece menjati kroz vreme!
Figure 7.2: Merenje nivo znaci odredjivanje polozaja granice fluida r1 u odnosu na neki usvojeni referentni sistem
Primer za prvi slucaj je vec dat u poglavlju sa greskama, kao izvor sistematske greske, kad je nivo vode u rezervoaru meren od vrha rezervoara do vode, a Uprava Vodovoda misli da su to merenja dubine....(Paracin 1996: Slika uliva u rezervoar)
Dubina je rastojanje od nivoa fluida do posmatrane tacke. Za neku tacku A vezuje se samo pojam dubine i kote a ne i pojam nivoa, slika 7.3.
Figure 7.3: Dubina je rastojanje od nivoa fluida do posmatrane tacke
Kota je visina bilo koje tacke merena od morske povrsine. Kota tacke B je istovremeno i nivo tecnosti ako je Zref na koti 0.00 mnm . Sam polozaj referentne kote mora, mnm odredjuje drzava i MOZE PO NEKAD DA SE PROMENI.
Staticki nivo je nivo fluida u mirovanju ili nivo fluida u jednom preseku pri cemu je brzina jednaka srednjoj brzini toka, slika 7.4.
Ukupni nivo je staticki uve\'can ili umanjen za dinamicki nivo, pri cemu je dinamicki posledica ubrzavanja ili usporavanja fluidne struje.
Cesta greska: nivo reke se meri sa mosta koji je znacajno poremetio tok vode!
Figure 7.4: Staticki i dinamicki nivo u otvorenom toku
Direktno merenje pomo 'u merne igle sa nonijusom izgleda prosto i tacno merenje, do nivoa tacnosti nonijusa (obicno je to 0,1 mm). Da li je bas tako? Sta najvise kvari takvo merenje?
Cesto se koristi - ili sa direktnim pokazivanjem ugla ili sa shaft enkoderom1 koji pretvara ugao u apsolutnu poziciju - digitalni podatak sa unapred usvojenom rezolucijom, slika 7.7. Kod ovakvih uredjaja bitno je konstruktivno obezbediti lako postavljanje "nultog citanja" - podesavanje nule.
Figure 7.7: Odredjivanje nivoa direktnim merenjem ugla: apsolutnog ili relativnog
(U knjizi finalnoj dati detaljnije dijagram slabljenja UZV-a, dijagram sirenja snopa UZV-a, ... iz velikog kataloga E&H, strana 470/472)
Mada kao merni uredjaji izgledaju idealno (nisu u kontaktu sa fluidom, apsolutno merenje, ...) imaju i svojih mana:
mora postojati "mrtva zona" u kojoj nije mogu\'ce meriti nivo ( HM je i do 1 m), sto moze bitno uticati na ukupnu tacnost (odredjenim trikovima proizvodja\v{c} mo\v{z}e da smanji ovo rastojanje).
Figure 7.9: Izmedju ultrazvucnog primo-predajnika i povrsine vode postoji odredjena "mrtva zona", od 0.5 do 1 m
(Objasni razlog zasto mora postojati "mrtva zona" kod UZV-a - nacrtaj dijagram u kome se vidi da se salje paket impulsa, i da treba jos neko vreme dok se elektronika prebaci na prijem - tek onda moze da stigne prvi odbijeni talas.)
UZV je osetljiv na temperaturnu stratifikaciju vazduha (odnosno na promenu gustine vazduha) jer je brzina propagacije c = Ö{[(E)/(r)]} .
Figure 7.10: Ultrazvucni pretvaraci nivoa su osetljivi na temperaturnu stratifikaciju vazduha
Problem sa UZV pretvaracima je promenljiva brzina zvuka u vazduhu, prema:
c=
æ Ö
E
r
Resava se temperaturnom kompenzacijom ugradnjom temperaturnog senzora unutar glave UZV sonde. Takodje, neki proizvodjaci ugradjuju kalibracioni metar (u knjizi dati skicu!).
Zasto li se ovi dobri ljudi pazljivo naginju nad saht? Mozda zato sto su iskusni... KLIK (saht na islustu kanalizacionog sistema u Visnjici)
relativno veliki je potrosac energije, pa je problem ako treba baterijsko napajanje.
7.2.2 Merni pretvaraci za kontinualno merenje nivoa
Preko mernih pretvaraca, nivo tecnosti se konvertuje u drugu velicinu, a zatim u elektricini izlaz.
Merenje pritiska
Nivo se racuna iz merenog pritiska kao:
h =
p
rg
gde je p hidrostaticki pritisak, a r je gustina koja se mora poznavati.
Figure 7.11: Pri koris\'cenju senzora za pritisak za merenje nivoa tecnosti, treba biti siguran koji pritisak se meri?
Relativno jednostavan i pouzdan nacin merenja, ali treba biti siguran u to koji pritisak se meri, slika7.11. Cesto se smatra da je atmosferski pritisak konstantan, te da se moze njegov uticaj zanemariti. Promenom atmosferskog pritiska patm \'ce se dobiti:
paps = patm + rgh = f ( patm , h )
pa za promene pritiska od ±40 mBar (od 960 - 1040 mBar) izlaz iz pretvaraca \'ce pri konstantnom mernom h pokazivati promenu od ±0.4 m. Da bi se izbegla ova greska, prave se potopljeni pretvaraci pritiska koji imaju pijezometarsko crevo za kompenzaciju promene patm , slika 7.12.
Figure 7.12: Da bi pretvarac pritiska bio u spoju sa atmosferom, kroz signalne kablove se provlaci i pijezometarsko crevo
Ovakvo crevo je dosta skupo (oko 4 - 5 evra po metru) pa se kod dugackih sondi (obicno za duboke bunare i pijezometre) koristi za kompenzaciju druga sonda, koja se nalazi u vazduhu i meri barometarski pritisak.
Pretvaraci na principu pritiska kada su u stalnom kontaktu sa vodom se lako zaprljaju. U terenskim uslovima ces\'ce se koriste pneumatski sistemi - dovodi se gas pod pritiskom tako da polako izlaze mehuri\'ci - merni pretvarac daje pritisak koji je p = rgh (ako je mali protok gasa!!!), slika 7.14
Figure 7.13: Princip pneumatskog merenja nivoa tecnosti: pretvarac pritiska nije u kontaktu sa tecnos\'cu ve\'c sa gasom koji se koristi za merenja
Prednost je sto se izlazne cevi teze zapuse, a pretvarac nije u direktnom kontaktu sa tecnos\'cu. Zbog toga se cesto koristi za merenje nivoa u rekama:
Figure 7.14: Pneumatsko merenja nivoa reka (izvor gasa je mala baterijska pumpa)
Ranije je bio nedostatak sto je trebalo obezbediti boce sa gasom pod pritiskom. Danas se koriste male pumpe za vazduh, koje kontrolise elektronika iz uredjaja. Primer nekih komercijalnih uredjaja:
- primer OTT Nimbus - unutrasnjost
- primer SEBA PsLight - ceo uredjaj.
Veliki nedostatak moze biti sto treba znati gustinu fluida.
Ako nije poznata gustina r merne tecnosti, diferencijalnim pneumatskim merenjem je mogu\'ce i nju odrediti. Na slici 7.15 je prikazan nacin povezivanja dva pretvaraca za pritisak, jedan za hidrostaticki p odakle se racuna nivo fluida h1, a drugi diferencijalni Dp iz koga se dobija nepoznata gustina:
r =
Dp
gh2
Figure 7.15: Koris\'cenjem pneumatskog merenja nivoa tecnosti, mogu\'ce je meriti istovremeno i nivo i gustinu
Kapacitivni pretvaraci
Veoma popularni pretvaraci za merenje nivoa tecnosti. Merni princip se zasniva na razlici dielektricne konstante e za vazduh i merni fluid, slika 7.16.
C=C0
é ë
1+K(eVOD - 1)
h
H
ù û
Figure 7.16: Kapacitivni pretvaraci koriste princip razlicitih dielektricnih konstanti e za vazduh i merni fluid
Senzorski deo se cesto naziva "antena" i pravi se od izolovanog cilindra, slika 7.17. Merna antena se moze praviti razlicitih oblika, kao kruta (obicno duzine do 2 m) ili fleksibilna. Izolacija antene je obicno teflonom, jer se smanjuje talozenje.
Vazno: kapacitivni pretvaraci nivoa nisu linearni, pa je potrebno procesiranje izlaznog signala. Primer: pogledati diplomski rad Predraga Vojta odakle je uzeta slika 7.18 ( KLIKNI za link na sajtu ili KLIKNI za link u lokalu )
Isti merni princip se moze koristiti i za odredjivanje sadrzaja vlage kod praskastih i zrnastih supstanci (zito, pesak, ... ).
Magnetostriktivni pretvaraci
Imaju slican princip rada kao i ultrazvucni: emituje se impuls koji putuje duz celicne sipke - odbija se na mestu gde stalni magnet u plovku pravi kruzno magnetno polje pa se meri vreme putovanja impulsa, slika 7.19.
Figure 7.19: Magnetostriktivni pretvaraci nivoa
Magnetostriktivni pretvaraci imaju veoma malu mernu neizvesnost - reda delova milimetra, ali su skupi pretvaraci (cesto se koriste za pozicioniranje u masinskoj industriji.
KLIKNI)
Postoji problem sa prljanjem sipke - zaglavljivanje plovka magneta.
Pretvaraci na bazi potiska
Pomo\'cu pretvaraca za silu ili za merenje momenta, prave se meraci nivoa vode, slika 7.20.
Figure 7.20: Pretvaraci nivoa na bazi potiska
Merni deo je cilindar konstantnog poprecnog preseka. U zavisnosti od dubine vode h , menja se sila potiska F = rVODgAh .
Ako se cilindar ne pomera, momenat M je funkcija nivoa fluida i njegove gustine.
Ovi pretvaraci su skupi ali i robustni. Mogu da posluze i za merenje gustine tecnosti ako je nivo poznat (nivo se meri na neki drugi nacin).
Mogu da se naprave i u "kucnoj radinosti" (prezentacija: RAZVOJ PRECIZNOG NIVOMERA ZA LABORATORIJSKE POTREBE, Predrag Vojt, Subotica, april 2018).
Meri se kolicina apsorbovanog zracenja. Najces\'ce se koristi Cs137 , Co60 ili Ra226 . Koristi se za merenje nivoa istopljenog gvozdja, debljinu limova, ... Dobar je metod (u nekim slucajevima prakticno i jedino mogu\'c) jer je potpuno bezkontaktan (i izvor i detektor su van posude).
Figure 7.21: Pretvaraci nivoa na bazi apsorpcije radioaktivnog zracenja
U praksi cesto postoji potreba za pretvaracima koji \'ce samo detektovati da li je nivo tecnosti iznad ili ispod odredjene tacke. Na primer, pomo\'cu informacija o tome da li je nivo u rezervoaru iznad ili ispod odredjene kote, upravlja se radom pumpi i stiti se rezervoar od prelivanja, slika 7.22:
Figure 7.22: Upravljanje radom pumpe na bazi diskretnih nivoa u uzvodnom i nizvodnom rezervoaru
Izlazi iz pretvaraca 1 i 2 su:
U1 =
ì ï í
ï î
1
zaZR1 ³ Z1
0
zaZR1 < Z1
U2 =
ì ï í
ï î
0
zaZR2 ³ Z2
1
zaZR2 < Z2
Pumpa koja prazni rezervoar R1 a puni rezervoar R2 se moze ukljuciti samo ako je U1ANDU2 = 1 . Nije potrebno kontinualno merenje nivoa, ve\'c samo da li je Z > Zpreset. ili je Z < Zpreset. .
Cak i ako postoji kontinualno merenje nivoa, ugradjuju se diskrektni transmiteri jer su po pravilu pouzdaniji.
Postoji niz razlicitih metoda:
Kod provodnih tecnosti dolazi do promene otpornosti R kada tecnost dodirne elektrode, slika 7.23
Figure 7.23: Otporni diskretni merac nivoa
Kod dielektricnih tecnosti kapacitet se pove\'cava potapanjem vazdusnog kondenzatora, slika 7.24
Figure 7.24: Kapacitivni diskretni merac nivoa
U tecnostima disipaciona konstanta metalnih NTC (ili PTC) otpornika ima 4 do 5 puta ve\'cu vrednost pa se meri struja kojom se zagreva otpornik NTC, slika 7.25
Figure 7.25: Termicki diskretni merac nivoa
Optoelektronski princip zasnovan na promeni refleksije na stranicama prizmi za providnu tecnost, slika 7.26
Figure 7.26: Opticki diskretni merac nivoa sa promenom refleksije
Ako je tecnost neprovidna, izlaz iz fotodetektora \'ce se smanjiti kada tecnost ispuni prostor izmedju sijalice i fotodetektora, slika 7.27
Figure 7.27: Opticki diskretni merac nivoa sa promenom opaciteta
Kada se piezoelektricni materijal pobudi na oscilacije u vazduhu ima male gubitke (veliki Q faktor) pa sa malom pobudom moze da osciluje. Kada ga potopi tecnost (ili pena, praskasti materijal, ... ), otpori rastu (Q raste) pa oscilator prestaje sa radom i zahteva ve\'cu pobudu, slika 7.28
Figure 7.28: Oscilatorni diskretni merac nivoa
Postoji mnogo verzija indikatora nivoa sa plovkom - cesto se koristi sa prekidacima osetljivim na magnetno polje, gde je magnet pricvrs\'cen sa druge strane poluge, slika 7.29, ili se meri promena tezine plovka (G) usled potiska (G - F), slika 7.30
Figure 7.29: Diskretni merac nivoa sa plovkom
Figure 7.30: Diskretni merac nivoa na bazi potiska
Opste karakteristike svih diskretnih pretvaraca:
Pouzdanost - pa se uglavnom upotrebljavaju u upravljanju kao alarmni indikatori
Niska cena
Prilagodjenost mernom mediju - ne postoji jedan najbolji uredjaj ve\'c ih treba prilagoditi
Elektricni izlaz - potreban za upravljanje procesom
Brz odziv, i
Mali histerezis, odnosno, kontrolisani histerezis koji je prema zelji korisnika.
7.3 Dinamicke karakteristike sistema za merenje nivoa
Mnogi pretvaraci za merenje nivoa su nultog reda (opticki, UZV, kapacitivni, radarski). Da bi se uklonili nepozeljni podaci usled talasanja povrsine, uvode se dodatni filteri izlaznog signala, cime se merni sistem prevodi u sistem prvog reda, slika 7.31.
Figure 7.31: Neki pretvaraci za merenje pritiska su sistemi nultog reda, ali se dodatnim filtriranjem prevode u sistem prvog reda
Merni nivo osciluje (spore promene koje nas interesuju sa superponiranim talasima koji verovatno smetaju merenjima ili kasnijoj obradi) pa to kod pretvaraca nultog reda direktno prelazi u napon. Da bi uklonili nepozeljna talasanja koristi se filter koji pusta samo frekvencije nize od zeljene f0 (low pass) pa se dobija stabilan izlazni signal.
Treba pravilno odabrati filter ( f0 ) tako da korisne informacije (spori talasi frekvencije f1 ) ne budu oslabljene, a nepotrebna talasanja ( f2 ) uklonjena.
Svi pretvaraci koji imaju neku masu (plovkove, termoelemente, pretvaraci pritiska) su sistemi drugog reda koje treba pravilno uklopiti u merni sistem da ne dodje do pojacanja nepozeljnih oscilacija, slika 7.32.
Figure 7.32: Kod pretvaraca za merenje pritiska koji predstavljaju sistem drugog reda treba frekventno dobro uklopiti merni sistem
Filter moze biti i merni bunar, koji je sa spojnom cevi (ili kroz manju spojnu rupu) prikljucen na izvor signala. Pogledati studentsku vezbu za 2007-2008, Grupa 1 ( KLIKNI za link na sajtu ili KLIKNI za link u lokalu )
Camnasio, E., E. Orsi. (2008). Experimenting with a new calibration method for current meters. 7th international conference on hydraulic efficiency measurements (IGHEM), Milano (http://www.ighem.org/IGHEM2008/home.html).
Drenthen, J.G. (1987). Accoustic Discharge Measuring Devices. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Durst, F. (1987). Discharge Measuring Methods in Pipes. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Eckelmann, H. (1987). Hot-film and Hot-wire Anemometers. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Endress, U. (1987). Vortex Shedding Flow Meters. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Fingerston, L.M. (1987). An Introduction to Laser Doppler Anemometry. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Mass, H.G., A. Gruen i D. Papantoniou. (1992). Particle Tracking Velocimetry in Three Dimensional Turbulent Flows - Part I: Photogrammetric Determination of Particle Coordinates. Flow Visualization and Flow Structures. Short course by IAHR program of continuing education. Editor: A. Müler.
Maksimovi\'c, C., J. Despotovi\'c, P. Trisi\'c, M. Simi\'c. (1986). Accuracy and reliability of rainfall and runoff measurements - Examples. Urban Drainage Modelling - Supplements. Editori: C. Maksimovi\'c and M. Radojkovi\'c. Dubrovnik.
Malik, N.A., T. Dracos, D. Papantoniou i H.G. Maas. (1992). Particle Tracking Velocimetry in Three Dimensional Turbulent Flows - Part II: Particle Tracking and Lagrangian Trajectories. Flow Visualization and Flow Structures. Short course by IAHR program of continuing education. Editor: A. Müler.
Merzkirch, W. (1987). Methods of Flow Visualization. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Merzkirch, W. (1992). Methods of Flow Visualization. Flow Visualization and Flow Structures. Short course by IAHR program of continuing education. Editor: A. Müler.
Mettlen, D. (1987). Mass Flow Measurement. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Müller, A. i H.G. Maas. (1992). Methods of Flow Visualization. Flow Visualization and Flow Structures. Short course by IAHR program of continuing education. Editor: A. Müler.
Prodanovi\'c, D., A. Spoljari\'c, M. Iveti\'c i C. Maksimovi\'c. (1985). Dynamic characteristics of a pressure measuring system. Symposium on Measuring Techniques in Hydraulic Research. Delft.
Prodanovi\'c, D. (1992). Eksperimentalno izucavanje uticaja dva tipa regulacionih zatvaraca na fluidnu struju. Magistarski rad. Gradjevinski fakultet Univerziteta u Beogradu.
Patel, V.C. (1987). An Introduction to Measurement of Velocity. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Staubli, T. (1987). Propeller-type Current Meters. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Utami, T. i T. Ueno. (1987). Experimental Study on the Coherent Structure of Turbulent Open-channel Flow Using Visualization and Picture Processing. Journal of Fluid Mechanics. Knjiga 174, strane 399-440.
Vojt, P. (2006). Pove\'canje tacnosti merenja nivoa vode kapacitivnom sondom sa primenom na hidraulickoj analizi vodostana sa prigusivacem. Diplomski rad. Gradjevinski fakultet Univerziteta u Beogradu.
Westerweel, J. (1992). Particle Image Velocimetry. Flow Visualization and Flow Structures. Short course by IAHR program of continuing education. Editor: A. Müler.
White, W.R. (1987). Discharge Measuring Methods in Open Channels. Discharge and Velocity Measurement. Short course by IAHR Section on Hydraulics Instrumentation. Editor: A. Müler.
Footnotes:
1Obe\'cavam da \'cu u finalnoj verziji knjige na\'ci prevod na naski!
File translated from
TEX
by
TTH,
version 3.85. On 26 Apr 2010, 10:10.