Niveaumeters in de procesindustrie

Niveaumeting procesindustrie opslagtank
Illustratie: Avigator Fortuner / Shutterstock.com

Niveaumetersin de procesindustrie – meet en regeltechniek

Niveaumeters in de procesindustrie | Onder niveau verstaan we in dit verband de hoogte waarop een vloeistof zich bevindt in een vat, bassin, tank of ketel. Het meten van vaste stoffen in silo’s of bunkers laat ik hier buiten beschouwing vanwege de vaak zeer specifieke eisen.

De meting van een vloeistofniveau moet een van de oudste vormen zijn van de metrologie. Onze voorouders zullen immers van tijd tot tijd nieuwsgierig geweest zijn naar het niveau in hun waterput. Zeer waarschijnlijk hebben ze daarvoor een peilstok of het emmertje als vlotter gebruikt. Een vlotter geeft al meer mogelijkheden voor een meting ‘op afstand’. Denk hierbij aan de niveau-indicatie op de zijwand van een tank, die met een kabel is verbonden aan de vlotter. Hierbij hoeft door de operator geen contact te worden gemaakt met de vloeistof (wat potentieel een gevaar kan zijn).

Lees hier het laatste nieuws over niveaumeters

Niveaumeters uitdagingen

Aangezien onze moderne controlesystemen graag gevoed worden met elektronische signalen, zodat aflezing en controle op afstand plaats kan vinden, worden meestal elektronische schakelaars dan wel transmitters gebruikt. Vanwege operationele eisen worden deze vaak in combinatie met peilglazen en dergelijke geïnstalleerd. Bij eventueel falen van de elektronica, bijvoorbeeld spanninguitval, moet het immers mogelijk blijven het niveau te zien. Ook voor een quick-check van de aanwijzing van de elektronische apparatuur is het zeer handig om even in het glaasje te kunnen kijken. Let wel, kalibreren is en gaat anders!

Elektronische niveaumeters beperkt zich allang niet meer tot het weergeven van alleen het niveau, maar kan door geïmplementeerde algoritmen informatie verschaffen over het volume, gewicht, soortelijke massa en dergelijke. Dat door het toenemen van de mogelijkheden ook het aantal valkuilen toeneemt moge duidelijk zijn. Overleg daarom tijdens de selectie van een instrument, uitgebreid met uw proces engineer en leverancier, om alle procesen productparameters duidelijk te krijgen. Want de uiteindelijke kosten zitten niet in de eenmalige aanschaf, maar in de cost of ownership.

Principes en technieken niveaumeters procesindustrie

Grofweg kunnen we de niveaumeters indelen in drie categorieën:

  1. Lokale meting/indicatie
  2. Eindwaarde/schakelpunt metingen
  3. Proportionele metingen

Lokale meting/indicatie

  • Peilstok
  • Peilglas
  • Vlotter/displacer

Peilstok

De peilstok spreekt voor zich en wordt vaak toegepast waar een continumeting niet praktisch of nodig is. Denk hierbij aan open drainputten maar ook aan voorraadtanks voor brandstoffen bij bijvoorbeeld benzinestations en bij tankparken.

Peilglas

Bij de selectie van een peilglas zijn (hoge) druk, temperatuur of corrosieve en etsende producten vaak de bepalende factor. Let wel, peilglas is enigszins misleidend, omdat het doorzichtige materiaal ook van een bepaalde kunststof gemaakt kan zijn. Verder bestaan er diverse glassoorten zoals natronkalkglas, keramisch glas, kwartsglas, al dan niet gehard.

Volledig gesloten ‘stalenbuis’ peilglazen zijn een optie. Hierbij zorgt een magnetische overbrenging voor de indicatie van het niveau. Deze stalenbuissystemen zijn zeer geschikt voor applicaties waar het niveau achter glas moeilijk afleesbaar zou zijn, bij etsende vloeistoffen, of waar een eventuele breuk van het glas verstrekkende gevolgen zou hebben.

Tegenwoordig worden peilglazen vaak gecombineerd met eindwaarde schakelaars voor alarmering, of met transmitters voor proportionele aflezing op afstand. Voordeel hiervan is dat het aantal aansluiten potentiële lekpunten op een vat minder is.

Het peilglas werkt uiteraard op het principe van de wet van de communicerende vaten. Wees echter bedacht op het feit dat de viscositeit en capillaire werking van de vloeistof een miswijzing kan veroorzaken. Ook verkeerd aflezen door vervuiling komt vaak voor. Zorg daarom dat de mogelijkheid bestaat om het peilglas tijdelijk van het vat te isoleren, en door te spoelen dan wel te drainen. Omdat u niet wilt dat het product op dat moment over uw schoenen loopt, is een drainleiding aan te raden.

Vlotters verbonden met een lokaal afleesmechanisme bestaan al zo lang als de procestechniek zelf. Het gaat hier vaak om relatief simpele mechanische constructies met kabel of afleesband. Een vloeistofen gasdichte doorvoering kan van groot belang zijn, maar soms moeilijk te verwezenlijken door de mechanische overbrenging. Een goede oplossing is de op een flens gemonteerde uitvoering met een kabelof tapemechanisme en schaalverdeling in een drukvast huis.

Een bijzondere uitvoering van een vlotter is de verdringer of displacer. De displacer wordt gebruikt voor het meten van het scheidingsvlak of interface in tanks of vaten waar vloeistoffen in voorkomen met verschillende soortelijke massa (bijvoorbeeld water/olie). De volledig in de vloeistof ondergedompelde displacer werkt volgens de Wet van Archimedes, de opwaartse kracht die een lichaam in een stof ondervindt is even groot als het gewicht van de verplaatste stof.

Hierbij zijn drie grootheden van belang, waarbij het dus in principe mogelijk is wanneer twee bekend zijn, de derde te meten:

  • de massadichtheid
  • de zwaartekrachtversnelling
  • het volume V (van de displacer of vlotter)

Vlotter/displacer

Zowel voor vlotter als displacer geldt dat de materiaalkeuze, vorm en volume van groot belang zijn. Denk hierbij aan chemische bestendigheid, corrosie maar ook waar vaten onder overdruk staan, de krachten die op het oppervlak van de vlotter of displacer inwerken. U zult niet de eerste zijn die een geïmplodeerde vlotter of displacer uit een tank of vat vist.

Lees hier het laatste nieuws over niveaumeters

Eindwaarde/schakelpunt metingen

Bij niveaumeters is men geïnteresseerd in een ‘eindwaarde’ (bijvoorbeeld een alarmering of signalering bij laag of hoog niveau). Niveauschakelaars zijn er in vele soorten, al naar gelang de toepassing:

  • Mechanisch
  • Thermisch
  • Vibratie
  • Optisch/Ultrasoon/Laser
  • Radar
  • Geleidbaarheid/capacitief
  • Hydrostatisch

De mechanische, thermische en vibratieschakelaars werken meestal met een on/off contact. Alle andere uitvoeringen zijn in feite proportionele apparaten die het 0-100% uitgangssignaal gebruiken om alarm of schakelpunten vast te leggen.

Mechanische schakelaars kunnen bovenop, in of aan de wand van de tank middels een flens verbinding worden gemonteerd. De aan de wand gemonteerde vlotters zijn vaak gecombineerd met een magnetische koppeling en schakelaar, om een vloeistofdichte doorvoer te bewerkstelligen. Let bij selectie en montage op de doorvoer-diameter nodig voor de vlotter. Het gebeurt nogal eens dat de binnendiameter van de tapping aan het vat, ook tengevolge van het doorlassen, net iets kleiner is dan de buitendiameter van de vlotter! Een vlotter die al een paar jaartjes zijn werk heeft gedaan en door vervuiling wat dikker is geworden en er dus niet meer uit wil, kan ook voor hoofdpijn zorgen.

Thermische niveaumeters maken gebruik van twee RTD sensoren (Resistance Temperature Detector). De ene sensor is de reference en wordt op een constante temperatuur gehouden terwijl de tweede sensor wordt opgewarmd tot een temperatuur boven die van de vloeistof. De mate van afkoeling van deze tweede sensor wanneer die in contact komt met de vloeistof, is de maat voor het niveau.

De constructie en installatie van de vibratieswitch is vergelijkbaar met die van de thermische switch. De elektronica detecteert de frequentie of amplitudeverandering wanneer de licht trillende vork wordt ondergedompeld in de vloeistof (of vaste stof).

Proportionele metingen

De proportionele meting is wellicht de meest voorkomende in de meet en regeltechniek, dus ook bij niveaumeters in de procesindustrie. Gemakshalve spreken we over een transmitter. Het scala aan meetprincipes is groot. We beperken ons hier tot de voornoemde vier groepen.

  1. Optische/ultrasoon en laser niveaumeters behoren alle tot de contactloze meetprincipes. Dit type apparatuur wordt meestal boven op de tank of vat gemonteerd, al dan niet in een stilling well vanwege turbulentie of vervorming van de tank. Grote spelbrekers kunnen hier zijn foam op het oppervlak of damp boven de vloeistof.
  2. Radarniveaumeetsystemen bestaan zowel in contactloze apparatuur (vergelijkbaar met de optische, ultrasoon en dergelijke) dan wel via een ’guided-wave’ middels kabel of probe. Voordeel van deze guided wave methode is dat ook het interfaceniveau kan worden gemeten.
  3. Geleidbaarheid of capacitieve niveaumeters maken gebruik van het verschil in de diëlektrische constante van vloeistoffen en gassen. Zo zijn bijvoorbeeld de gemiddelde diëlektrische constanten van: water 80, olie 3 en lucht 1. Al doende kan men met de capacitieve probe zowel de interface meten tussen lucht en vloeistof (topniveau) en/of de interface tussen twee vloeistoffen. Vaak bestaat dit instrument uit twee probes die vanaf de top in de tank of vat steken. Eén referentieprobe en één actieve probe. Wanneer de wand van de tank of vat gebruikt kan worden als referentieprobe, hoeft er maar één probe aan het instrument te zitten. Derde mogelijkheid is de actieve probe te plaatsen in een stilling well die op zijn beurt dan fungeert als referentieprobe. Men moet wel bedacht zijn op eventuele vervuiling van de probe, met als mogelijk gevolg miswijzing.
    Verder bestaat er nog het nucleonic meetprincipe waarbij een licht radioactieve bron wordt gebruikt. Deze apparatuur meet het gehele spectrum van wat zich in het vat bevindt en verschaft veel meer informatie dan alleen het niveau.
  4. Een van de meest gebruikte niveaumeters is ongetwijfeld de drukverschil of DP transmitter. Bij dit type meting is het mogelijk om niet alleen de hoogte van het vloeistofniveau te meten, maar ook de maximaal toegestane druk op de zijwand van de tank, en eventueel de soortelijke massa bij wisseling van product. Het gaat hier immers om de Wet van Pascal die in principe luidt: Druk = hoogte x soortelijke massa.
    Vergeet bij deze toepassing niet dat dit basisprincipe uitgaat van een atmosferische tank of vat. Wanneer er een overdruk heerst boven de vloeistof (een paar millibar blanketing of sweeping-gas is al voldoende), zal die opgeteld worden bij de gemeten druk, en zal de miswijzing moeten worden gecorrigeerd. Het uitgangssignaal van meestal 4-20 mA komt overeen met 0-100% van het meetgebied, wat niet het totale niveau hoeft te zijn. Immers, de bodem van het vat of de tank is vaak enigszins hol, en hierin wilt u niet de aansluiting maken voor de transmitter vanwege eventueel bezinksel dat voor verstopping kan zorgen. Op zijn minst werkt u hier met een insert (stomp die in het vat steekt tot boven het eventuele bezinksel) of met een aansluiting aan de zijkant van het vat.

Soms doet zich hier het verschijnsel voor dat de aansluiting van de lagedrukzijde zich vult met vloeistof (overloop uit het vat, condens et cetera). De aansluitmethode met ‘het natte been’ kan hier uitkomst bieden. Hierbij wordt de lagedrukaansluiting permanent gevuld met vloeistof. Het uitgangssignaal van het instrument moet hiervoor eenmalig worden gecorrigeerd. Bij deze methode komt het echter voor dat het vloeistofniveau in het lagedrukbeen niet constant blijft, met als gevolg een fout uitgangssignaal. Regelmatige controle is dan ook nodig.

Een andere aansluitmethode, die bijvoorbeeld bij corrosieve of paraffine vormende vloeistoffen wordt toegepast, is middels het diafragma. Het diafragma vormt hier de fysieke scheiding tussen het te meten product en het meetelement in de niveaumeter.

Niveaumeters ervaringen en merkwaardigheden niveaumeting

Let bij montage van levelapparatuur op eventuele internals in het vat of tank. Denk hierbij aan verwarmingsen filterelementen en mixers. Verder moet bij de keuze van de apparatuur natuurlijk ook rekening gehouden worden met gebiedsclassificaties en de explosieveiligheid (ATEX).

Verder zegt de IEC 61511 dat SIS (Safety Instrumented Systems) die zijn geïnstalleerd vanwege de SIL (Safety Integrity Level) eisen, volle dig gescheiden dienen te zijn van de normale controlfuncties. Dit geldt dus ook voor de veldinstrumentatie en betekent onder andere aparte instrumenten en aansluitingen aan tank of vat.

Bij nucleonic niveaumetingen moet u rekening houden met het feit dat u een licht radioactieve bron in huis heeft. Voor transport, opslag, gebruik, onderhoud en uiteindelijk verwijdering, krijgt u ongetwijfeld te maken met een stelsel van vergunningen.

Nog even terug naar de hardware. De aansluiting op een vat of tank wordt vaak nog traditioneel gedaan. Het kan echter ook heel goed met een block-bleed-block valve, die aan één zijde met een flensje aan het vat zit, en aan de andere zijde een close-coupled adapter heeft waar het instrument op gemonteerd wordt. Voordelen zijn geen tubing, minder lekpaden, snelle montage, mogelijkheid tot volledig veilig isoleren van het instrument et cetera. Let wel op de locatie. Een moeilijk te bereiken instrument aan een fraaie block-bleed-block valve op 10 meter hoogte is niet erg praktisch.

Onderhoud of maintainability

Een good practice tip zoals al even aangehaald bij de block-bleedblock: bedenk bij het kiezen van de montageplek dat u vroeg of laat voor onderhoud of storing het instrument veilig moet kunnen bereiken, demonteren en installeren. Te hoog of te ver betekent al gauw dat er een bordes eventueel met kooiladder moet worden geïnstalleerd.

Ook mogen een instrument en aanverwante apparatuur geen obstructie vormen in een eventuele vluchtroute. Ook niet wanneer er tijdelijk wat groter materieel nodig is voor demontage of montage. Een karretje of vorkheftruck nodig bij de werkzaamheden kan immers op dat moment ook de doorgang blokkeren. En u weet tenslotte maar nooit wanneer u of uw collega’s die escaperoute werkelijk nodig hebben.

Lees hier het laatste nieuws over niveaumeters

Trends en ontwikkelingen niveaumeters

De trend bij niveaumeters in de procesindustrie en niet alleen bij niveau is, waar niet strikt noodzakelijk of vereist, de schakelende apparatuur te vervangen door elektronische proportionele apparatuur. De voordelen zijn evident. Een 0-100% signaal van het gehele of gedeeltelijke meetgebied, overeenkomend met bijvoorbeeld 4-20 mA, geeft de mogelijkheid om of in het instrument, of in het centrale controle systeem (DCS) één of meerdere alarmpunten te definiëren. Dit verschaft een grotere speelruimte bij het eventueel finetunen van uw proces.

Een waarschuwing is hier echter op zijn plaats. Doordat het relatief eenvoudig is een ingesteld alarmpunt te wijzigen, wat grote gevolgen kan hebben, is het noodzaak te zorgen voor een waterdichte procedure in deze. Het moet zo geregeld zijn dat alleen geautoriseerde medewerkers deze alarmpunten kunnen wijzigen.

Een ander voordeel van deze ontwikkeling is, dat waar bijvoorbeeld meerdere niveaumeters in de procesindustrie kunnen worden vervangen door één proportioneel instrument, het aantal aansluitingen aan het vat of de tank vermindert, wat een verhoging van de intrinsieke veiligheid van uw proces betekent. Immers, het aantal mogelijke lekpaden wordt verminderd. Ook het kostenaspect zal positief zijn. Minder aansluiten onderhoudskosten.

Lees ook:

close

Digitale Nieuwsbrief

SCHRIJF JE IN VOOR ONZE WEKELIJKSE NIEUWSBRIEF EN BLIJF OP DE HOOGTE VAN ALLE INDUSTRIËLE EN TECHNISCHE ONTWIKKELINGEN!

Door jouw inschrijving voor de nieuwsbrief, ga je akkoord met onze privacy voorwaarden.