Nepresnosti pri meraní výšky hladiny v zásobníkoch
Aby sme dokázali porovnať rôzne systémy na určovanie objemu, treba analyzovať všetky parametre vplývajúce na celkovú nepresnosť každého meracieho systému. Katalógové listy prístrojov zvyčajne udávajú len presnosť pri referenčných podmienkach. Presnosť merania hmotnosti a objemu odvodená z týchto údajov je často príliš optimistická. Aby boli údaje uvádzané v katalógových listoch interpretované správne a aby bolo správne aj zdôvodnenie výberu konkrétnych prístrojov, treba vziať do úvahy aj chyby spôsobené ich inštaláciou.
Avšak to môže byť náročné. V rámci organizácií venujúcich sa normalizácii sa už venovalo veľa času vytvoreniu správneho spôsobu na výpočet alebo určenie výslednej nepresnosti.
Analýza nepresností s ohľadom na meranie vo veľkokapacitných zásobníkoch bola vyvinutá s cieľom lepšie pochopiť využívané mechanizmy a vyskytujúce sa parametre. Na základe tejto analýzy sa vytvorilo množstvo tabuliek a grafov, ktoré ilustrovali nepresnosti meracích systémov spomínaných aj v tomto seriáli článkov.
Analýzy boli spracované s ohľadom na prepravu skladových zásob aj na dávkový odber. Všetky nepresnosti sú vyjadrené ako relatívne hodnoty, t. j. percento zásob alebo prepravovaného objemu, ako je to obvyklé pri kontrole strát alebo preprave medzi obchodnými subjektmi. Toto porovnávanie využíva všeobecné špecifikácie nepresností pre zariadenia na meranie výšky hladiny, veľkokapacitné zásobníky a inštaláciu. Tieto údaje sú nezávislé od výrobcov.
Zdroje chýb
Celková nepresnosť určovania objemu je súčtom všetkých nepresností každého parametra zvlášť. Aby sme dosiahli optimálnu presnosť špecifického merania, je potrebná veľmi presná a dôsledná inštalácia. To sa vzťahuje na všetky spôsoby (typy) merania výšky hladiny vo veľkokapacitných zásobníkoch. Na obr. 16 sú naznačené hlavné zdroje chýb pri meraní výšky hladiny.
Veľkokapacitné zásobníky nie sú konštruované tak, aby slúžili ako meracie nádoby. Ich tvar v súčasnosti ovplyvňujú mnohé faktory. Výpočtovými prostriedkami možno kompenzovať niektoré z týchto efektov. Aby sa dosiahla čo najlepšia presnosť merania výšky hladiny, treba zabezpečiť čo najstabilnejšiu konštrukciu na meranie. Dostupnými a bežne využívanými pri zásobníkoch s pohyblivou strechou alebo bez nej sú podporné rúrky. Výhodou využitia týchto rúrok je, že aj pri výbere meracích prístrojov v rámci projektu modernizácie sa dosiahne najvyššia možná presnosť merania. Existujúce rúrky možno využiť aj pri meraní pomocou radarových snímačov, vďaka čomu sa zabezpečí ich mechanická stabilita. Pri zásobníkoch s vysokým tlakom sa odporúča inštalácia vložky s referenčnými kolíkmi (pinmi).
Pri meraní je často podceňovaným parametrom teplota. Presné meranie priemernej teploty je základom získania presných výpočtov zásob. Ak je teplota skladovaného produktu rozvrstvená, nie je vhodné používať bodové meranie teploty.
Zariadenia používané v rámci hydrostatického systému merania sa inštalujú externe mimo zásobníka. Pri existujúcich zásobníkoch môže byť možným riešením metóda inštalácie počas prevádzky (hot tapping), ak to dovoľujú predpisy spoločnosti. Táto metóda inštalácie je v súčasnosti už dostatočne prepracovaná, avšak názory sa rôznia, pokiaľ ide o bezpečnosť. Vysielač tlaku P1 (obr. 10 z 2. časti seriálu, ATP Journal 3/2013, pozn. red.) musí byť inštalovaný čo najnižšie, ale nad maximálnou úrovňou hladiny vody a usadenín. Je dôležité si uvedomiť, že produkt nachádzajúci sa pod meracím otvorom P1 sa vlastne nedá zmerať. Toto obmedzenie zásadne ohraničuje minimálne množstvo, ktoré možno zmerať na účely fakturácie a výpočtu daní.
Podľa štúdie, ktorú spracovala holandská organizácia Dutch Weight & Measures, môže vietor pri zásobníku s výškou 10 m spôsobiť chyby merania až 0,2 %. Pri zásobníku s pevnou strechou možno túto chybu kompenzovať externým spojením medzi vysielačmi P1 a P3 (obr. 10). Vysoké nominálne prevádzkové tlaky, ktoré sa objavujú pri guľových a elipsových zásobníkoch, vyžadujú špeciálne vyhotovené vysielače. Meranie malého signálu superponovaného na vysokom tlaku znižuje jeho presnosť.
Prehľad nepresností
Na obr. 17 a 18 sú zobrazené nepresnosti merania zásob a dávkovej prepravy pri použití meracích systémov založených na meraní výšky hladiny (servo/radar), hybridných (HIMS) a hydrostatických (HTG) meracích systémov.
Pozn.: Pri systémoch založených na meraní výšky hladiny sa hustota získava z laboratórnej analýzy odobranej vzorky produktu; nepresnosť sa pohybuje na úrovni ±0,1 %.
Bezpečnosť
Nebezpečenstvo vzniku požiaru a explózií
Väčšina systémov na meranie obsahu veľkokapacitných zásobníkov je inštalovaných na zásobníkoch obsahujúcich horľavé produkty. Meracie prístroje umiestnené na takýchto zásobníkoch alebo v okolitom prostredí s nebezpečenstvom výbuchu musia byť na to certifikované. Obvody, ktoré sa nachádzajú vnútri zásobníka, napr. meracie systémy teploty, musia byť iskrovo bezpečné. V minulosti mala každá krajina svoje vlastné normy týkajúce sa bezpečnosti, avšak v súčasnosti sú už realitou medzinárodné platné a harmonizované normy.
Európske normy vydané CENELEC a americké normy vydané NFPA sú akceptované mnohými krajinami. Bezpečnosť, t. j. stav, keď zariadenia s nevýbušným vyhotovením alebo iskrovo bezpečné zariadenia spĺňajú podmienky noriem, musí byť certifikovaná nezávislou organizáciou s príslušným oprávnením, napr. PTB (Nemecko), Factory Mutual Research (USA), SAA (Australia), JIS (Japonsko) a CSA (Kanada).
Pokročilé meracie systémy pre veľkokapacitné zásobníky nielenže tieto medzinárodné normy spĺňajú, ale ich vďaka využívaniu najmodernejších technológií už teraz predstihujú. Medzi takéto požiadavky patrí odstránenie hliníkových častí z vnútorných častí zásobníka (zóna 0) a obmedzenie kinetickej energie pohyblivých častí meracie systému na hodnoty podstatne nižšie ako tie, pri ktorých môže dôjsť k iniciácii požiaru, resp. výbuchu.
Ochrana meracích systémov veľkokapacitných zásobníkov pred účinkami blesku
Blesk môže byť príčinou vzniku nebezpečných situácií, a preto treba vhodnými opatreniami ochrániť inštaláciu na zásobníku a meracie systémy pred takýmto nebezpečenstvom. Moderné meracie systémy na uvedené použitie obsahujú množstvo elektronických obvodov. Umiestnením meracích prístrojov na vrchu zásobníkov sa vystavujú podstatne väčšiemu riziku zásahu bleskom ako iné typy priemyselných zariadení. V súčasnosti používané komunikačné systémy prepájajú všetky prevádzkové zariadenia prostredníctvom jednej siete, ktorá sa rozprestiera na čoraz väčšej ploche, čo zvyšuje pravdepodobnosť poruchy činnosti zariadení. Jednou z najdôležitejších požiadaviek na moderné meracie systémy pre veľkokapacitné zásobníky je použitie vhodných, v praxi overených metód ochrany pred účinkami blesku. Na obr. 20 je merací prístroj používaný v inštaláciách veľkokapacitných zásobníkov pri vysokonapäťovom teste.
Zásah blesku do sústavy zásobníkov spôsobuje rozdiel potenciálov medzi meracím prístrojom, ktorý je na jednom konci uzemnený o konštrukciu zásobníka a na druhom o hlavný vysielač. Výsledkom je rozdiel potenciálov medzi káblom a meracím prístrojom alebo káblom a vysielačom. Tento rozdiel medzi zariadením a káblom sa snaží vyrovnať a hľadá cestu s najmenším odporom medzi sústavou obvodov pripojených ku káblu a zemou. V momente, keď rozdiel potenciálov prekročí izolačné napätie, nastane rozpojenie medzi elektronikou a zemou. Prechodové prúdy sa navyše naindukujú na susedné komponenty a káblovanie.
Prúdy pretekajúce cez elektroniku spôsobia nevratné zmeny. Všetky polovodiče, ktoré nie sú dostatočne rýchle alebo schopné spracovať takéto prúdy aspoň počas krátkeho časového úseku, budú zničené. Aby sa minimalizoval dosah účinkov blesku, používajú sa dve základné techniky: odrušenie a oddelenie.
Odrušovacie obvody
Pomocou špeciálnych obvodov zaradených na vstupe a výstupe prístroja, možno odrušiť veľkosť prechodových prúdov, ktoré sa môžu na prístroji objaviť (obr. 21). Jadrom takéhoto systému je plynová výbojka. Plynové výbojky sa používajú ako ochrana pred prepätím pri rozsahu od 60 až do 1 000 V. Ich reakčný čas je niekoľko mikrosekúnd, po ktorého uplynutí sa vytvorí vodivé ionizované spojenie. Ak sú však úplne vodivé, neposkytujú žiadnu ďalšiu ochranu.
Na zvýšenie úrovne ochrany možno pridať Zenerovu diódu alebo varistor v kombinácii s odporom a pokiaľ možno tlmivkou. Tieto polovodiče reagujú v priebehu nanosekúnd a obmedzujú napätie. Hlavným problémom však je, že vždy, keď prechodový odpor zaúčinkuje, aj degraduje. Spoľahlivosť je teda chabá, čo z týchto zariadení robí nepoužiteľné riešenie pre kritické aplikácie, ako sú merania obsahu veľkokapacitných zásobníkov.
Oddeľovacie obvody
Oddelenie (obr. 22) je podstatne spoľahlivejšou a vhodnejšou technikou na ochranu elektronických obvodov meracích prístrojov pred účinkami blesku. Moderné systémy ochrany kombinujú oddelenie s tienením a kompletnou galvanickou izoláciou. Ide o techniku, pri ktorej sú vysokonapäťové špičky „presmerované“ a nie „rozptýlené“.
Na všetky vstupy a výstupy sa používajú špeciálne vyhotovené izolačné transformátory. Obsahujú dve oddelené uzemnené tienenia medzi primárnym a sekundárnym vinutím a jadrom transformátora. Externé káble sú fyzicky oddelené od interných káblov a uzemnenie je súčasťou každej dosky plošných spojov, aby chránilo elektroniku. Tento spôsob ochrany však nie je vhodný pre obvody s jednosmerným prúdom. V takomto prípade možno použiť konvenčnú ochranu s dodatočnou galvanickou izoláciou.
Uzemnenie a tienenie
Vhodne zrealizované uzemnenie a tienenie takisto pomáha pri ochrane zariadení a systémov pripojených prostredníctvom káblov proti zničeniu pri zásahu bleskom. Vybíjacia cesta, ktorá môže viesť cez prírubu prístroja (napr. pri snímačoch výšky hladiny) a príslušnej montážnej príruby, by mohla mať takmer nulový odpor, čím sa predíde vytvoreniu rozdielu potenciálov.
Skúsenosti z prevádzky
V priebehu posledných 15 rokov boli použité rôzne metódy internej ochrany pred účinkami blesku, pričom boli nainštalované na viac ako 50-tisíc prístrojoch. Takmer 100 % z týchto prístrojov je nainštalovaných na vrchu zásobníkov a sú prepojené pomocou siete WAN. Veľký počet inštalácií je situovaných v oblastiach, ktoré sú známe výskytom početných búrok a bleskov. Doteraz však bolo zaznamenaných len niekoľko udalostí, keď boli účinky blesku príčinou porúch. Rozsah poškodenia bol lokálny a vyžiadal si len opravu na mieste a bez veľkých nákladov. Avšak pred tým, ako sa začali používať moderné metódy ochrany zariadení, bolo zaznamenaných podstatne viac prípadov zničujúcich účinkov blesku.
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.
