Niveaumeettechnieken in de Industrie: Principes en Toepassingen

Doel van niveaumetingen

Niveaumetingen hebben als doel:

• Te weten hoeveel vloeistof of vaste stof in een vat, tank of silo zit.
• Te bepalen of aanvoer of afvoer nodig is.
• Te weten hoeveel materiaal er is opgeslagen.

Niveaumeting wordt meestal toegepast op vloeistoffen, hoewel sommige technieken ook geschikt zijn voor het meten van vaste stoffen.

Mechanische en visuele meetmethoden

Peilstok

Een houten of metalen lat met een duidelijke schaalverdeling wordt tot de bodem van de tank neergelaten. De overgang van nat naar droog toont de hoogte van het niveau. Het volume van een cilinder wordt berekend met de formule:

V = 4πd²h (waarbij V het volume in m³ is, d de diameter in m, en h de vloeistofhoogte in m).

Peilglas

Het peilglas werkt volgens het principe van de communicerende vaten: het niveau in het peilglas is gelijk aan het niveau in de tank. Naast het glas kan een schaalverdeling staan (in cm, m, liter of m³).

• Voordelen: Visueel en zeer simpel in gebruik.
• Nadelen: Breekbaar, gevoelig voor vervuiling en gevaarlijk bij breuk (vanwege druk, hoge temperatuur of giftige stoffen).
• Oorzaken van breuk: Mechanische schade, te hoge druk of trillingen.

Reflectie-peilglas

Dit type is ontworpen voor hoge druk of vuile vloeistoffen. Een speciale structuur in het glas reflecteert het licht alleen op de plaatsen waar geen vloeistof aanwezig is. Hierdoor is het niveau duidelijk leesbaar zonder dat een volledig transparant glas nodig is.

Peilglas met magnetische vlotter

Dit systeem maakt gebruik van een vlotter met een ingebouwde magneet in het peilglas. De magneet geeft buiten de buis de positie mechanisch of elektrisch weer. Dit is een ideale oplossing voor kleverige of slecht zichtbare vloeistoffen.

Mechanische vlotter

Een drijvende vlotter beweegt mee met het niveau en brengt deze beweging via een katrol over naar een schaal of indicator. Dit is een eenvoudig systeem, maar het vereist veel onderhoud en is gevoelig voor slijtage. Het wordt vooral gebruikt voor niveaudetectie en minder voor exacte metingen.

Hydrostatische niveaumeting

De hydrostatische druk wordt berekend met de formule:

p = ρ · g · h

Waarbij:

• p = druk in Pa
• ρ = dichtheid in kg/m³
• g = valversnelling (9,81 m/s²)
• h = hoogte in m

De druk hangt uitsluitend af van de dichtheid (ρ), de zwaartekracht (g) en de hoogte (h); de vorm van de tank heeft hierop geen invloed. De massa kan worden berekend via de formules F = p · A en F = m · g, wat leidt tot:

m = (p · A) / g (waarbij de oppervlakte van een cirkel A = π · r² is).

Druktransmitter bij een open tank

De sensor meet de druk onderaan de tank. Als de sensor lager hangt dan de bodem, ontstaat er een extra hoogte (h_y). De druk wordt dan berekend als:

p = ρ · g · (h_x + h_y)

Bij een lege tank is de druk: p_leeg = ρ · g · h_y. Dit wordt opgelost door een nulpuntverschuiving toe te passen, zodat een leeg vat overeenkomt met 0 Pa.

Druktransmitter bij een gesloten tank

In een gesloten tank is er sprake van een beleggingsdruk (gasdruk boven de vloeistof) die de meting beïnvloedt. Daarom wordt er gebruikgemaakt van een verschildrukmeting:

• Het "+"-been meet de hydrostatische druk plus de beleggingsdruk.
• Het "–"-been meet enkel de beleggingsdruk.

Het resultaat is: Δp = ρ · g · h.

Om condensatie in het "–"-been te vermijden, kan men spoelen met inert gas, het been verwarmen, of een "nat been" gebruiken met een bekende vloeistofhoogte h_x (wat leidt tot een complexere berekening).

Elektrische en elektronische meetmethoden

Capacitieve niveaumeting (condensatorprincipe)

De capaciteit wordt berekend met de formule: C = ε · A / d (waarbij A de oppervlakte van de platen is, ε de diëlektrische constante, en d de afstand tussen de platen).

Niet-geleidende vloeistoffen

De tankwand fungeert als plaat 1, de meetstaaf als plaat 2, en de vloeistof dient als het diëlektricum. Wanneer het niveau stijgt, neemt de oppervlakte (A) met vloeistof ertussen toe, waardoor de capaciteit (C) stijgt. De computer kent de diëlektrische constante (ε) uit een tabel. De lucht heeft een eigen diëlektrische constante die eveneens moet worden meegerekend.

Geleidende vloeistoffen

Aangezien een geleidende vloeistof zelf geen diëlektricum kan zijn, wordt de meetsonde geïsoleerd. Deze isolatie fungeert dan als het diëlektricum. Lucht speelt hierbij geen rol. Een stijging van het niveau zorgt direct voor een stijging van de capaciteit (C).

Echo-niveaumeting

De zender stuurt een signaal uit dat wordt gereflecteerd door het vloeistofoppervlak. De tijd die verstrijkt tussen het zenden en ontvangen bepaalt de afstand tot het product.

Ultrasone niveaumeting

Deze methode werkt met frequenties groter dan 20 kHz. Het meetbereik bedraagt 0,3 tot 15 meter voor vloeistoffen en tot 7 meter voor vaste stoffen. De zender moet minimaal 30 tot 50 cm boven het maximale niveau worden geplaatst. Beïnvloedende factoren zijn:

• Temperatuur: Heeft een invloed van 0,17% per °C (de computer corrigeert de temperatuur automatisch).
• Gas boven de vloeistof: Bijvoorbeeld helium beïnvloedt de geluidssnelheid (± 970 m/s).
• Vochtigheid en druk: Hebben een klein effect op de meting.

Radar niveaumeting

Deze technologie werkt met microgolven in het GHz-bereik met een snelheid die nagenoeg gelijk is aan de lichtsnelheid (± 300.000 km/s). De radarsensor kan vlak boven de vloeistof worden geplaatst en detecteert veranderingen in de diëlektrische constante (in tegenstelling tot ultrasone meting, die afhankelijk is van de dichtheid).

Voordelen ten opzichte van ultrasone meting:

• Geschikt voor toepassingen met hoge druk.
• Werkt betrouwbaar in stoomomgevingen.
• Is minder afhankelijk van het aanwezige gas.
• Werkt probleemloos met verschillende soorten beleggingsgassen.

Trilvork niveaudetectie

Deze methode is niet bedoeld voor continue meting, maar werkt als een stemvork op een resonantiefrequentie van ongeveer 400 Hz. Wanneer de vork wordt ondergedompeld, verandert de frequentie met circa 20% (tot ongeveer 80 Hz). Piëzo-elementen genereren de trilling, terwijl ontvangstkristallen de frequentie meten. Het resulterende signaal geeft aan dat het niveau is bereikt (alarm). Dit systeem wordt veelvuldig gebruikt voor limietdetectie in zowel vloeistoffen als bulkgoederen (bulk solids).