Gli interruttori di livello termici, a vibrazione e ottici sono dispositivi speciali sviluppati per risolvere specifici problemi di rilevamento del livello. In genere, vengono utilizzati in applicazioni che non possono essere gestite dai più comuni dispositivi a galleggiante e a sonda, oppure quando i modelli a ultrasuoni, nucleari, radar o a microonde sarebbero troppo sofisticati, costosi o comunque inadatti allo scopo.
Tutti e tre i tipi possono essere utilizzati per rilevare i livelli dei liquidi o le interfacce tra i liquidi. L'interruttore di livello ottico è adatto anche per rilevare livelli elevati di schiuma, se viene lavato a spruzzo dopo ogni evento. In alcune applicazioni specializzate, tutti e tre questi interruttori sono stati messi a punto per identificare materiali specifici o per determinare quando un materiale raggiunge una particolare condizione di viscosità, densità, opacità o conduttività termica.
Tutti e tre i tipi di sonda per interruttori di livello sono semplici, intuitivi e affidabili. Sebbene alcuni siano in grado di rilevare altre proprietà di processo oltre al livello, il loro scopo principale è quello di misurare la presenza o l'assenza di materiale a un determinato livello in un serbatoio.
Questi interruttori sono ideali per l'uso in apparecchiature di processo multiuso, dove devono essere compatibili con una varietà di materiali e condizioni di processo. Non richiedono ricalibrazione tra i lotti e possono essere puliti in loco.
I sensori a sonda vibrante sono spesso utilizzati per rilevare materiali solidi come polveri, solidi sfusi, cereali, farina, granuli di plastica, cemento e ceneri volanti. Offrono prestazioni eccellenti come interruttori di livello alto o basso e possono essere montati sulla parte superiore o sui lati dei serbatoi. La bassa conducibilità termica dei solidi e le atmosfere polverose che possono essere presenti nello spazio di vapore dei silos tendono ad escludere l'uso di interruttori ottici e termici dalla maggior parte delle applicazioni di misurazione del livello dei solidi. In caso i materiali solidi formino cavità o ponti, pochi sensori di livello (ad eccezione dei sensori di carico
cellule o dispositivi a radiazione) funzionano bene. Anche le prestazioni dei sensori a sonda vibrante e a diapason sono discutibili in tali servizi, ma la loro natura vibrante può aiutare a rompere i ponti o a distruggere i rat-hole.
Le sonde a vibrazione e a diapason possono tollerare un discreto accumulo di materiale o, se rivestite con PFA, possono essere autopulenti in alcuni servizi meno difficili. Gli interruttori di livello ottici sono disponibili con lavatori automatici per rimuovere l'accumulo di rivestimento dopo ogni episodio di alto livello. Gli interruttori termici possono continuare a funzionare quando sono leggermente rivestiti, ma l'accumulo di solito aggiunge uno strato termicamente isolante, rallentando in ultima analisi il tempo di risposta.
Dei tre modelli di interruttori di livello discussi in questo capitolo, solo l'interruttore di livello ottico basato su laser è adatto all'uso nel rilevamento del livello di metallo fuso. Tra le altre tecnologie di sensori di livello, anche i galleggianti refrattari, i tubi gorgogliatori refrattari e i rilevatori di capacità di prossimità sono utilizzati nel servizio con metallo fuso.
Interruttori termici
Gli interruttori di livello termici rilevano la differenza tra la temperatura dello spazio di vapore e quella del liquido o, più comunemente, l'aumento della conduttività termica quando una sonda viene immersa nel liquido di processo.
Uno dei modelli più semplici di interruttore termico di livello è costituito da un sensore di temperatura riscaldato con un apporto di calore costante. Finché la sonda si trova nello spazio di vapore, rimane ad alta temperatura, perché i vapori a bassa conduttività non sottraggono molto calore alla sonda. Quando la sonda viene immersa, il liquido assorbe più calore e la temperatura della sonda diminuisce. L'interruttore viene azionato in presenza di questo
variazione di temperatura.
Another type of thermal sensor uses two resistance temperature detectors (RTDs), both mounted at the same elevation. One probe is heated and the other provides an unheated reference. The outputs of both sensors are fed into a Wheatstone bridge (Figure 10-1). While the sensor is in the vapor phase, the heated probe will be warmer than the reference probe, and the bridge circuit will be unbalanced. When both probes are submerged in the process liquid, their temperatures will approach that of the liquid. Their outputs will be nearly equal and the bridge will be in balance. This level switch is actuated when a change in bridge balance occurs.
Since all process materials have a characteristic heat transfer coefficient, thermal level switches can be calibrated to detect the presence or absence of any fluid. Therefore, these switches can be used in difficult services, such as interfaces, slurry, and sludge applications. They can also detect thermally conductive foams if spray-cleaned after each operation.
Un altro tipo di sensore termico utilizza due rilevatori di temperatura a resistenza (RTD), entrambi montati alla stessa altezza. Una sonda viene riscaldata e l'altra fornisce un riferimento non riscaldato. I segnali di uscita di entrambi i sensori vengono immessi in un ponte di Wheatstone (Figura 10-1). Mentre il sensore si trova in fase vapore, la sonda riscaldata sarà più calda della sonda di riferimento e il circuito del ponte sarà sbilanciato. Quando entrambe le sonde sono immerse nel liquido di processo, le loro temperature si avvicineranno a quella del liquido. I loro segnali di uscita saranno quasi uguali e il ponte sarà in equilibrio. Questo interruttore di livello viene azionato quando si verifica un cambiamento nell'equilibrio del ponte. Poiché tutti i materiali di processo hanno un coefficiente di trasferimento termico caratteristico, gli interruttori di livello termici possono essere calibrati per rilevare la presenza o l'assenza di qualsiasi fluido. Pertanto, questi interruttori possono essere utilizzati in servizi difficili, come interfacce, fanghi e applicazioni con fanghi. Possono anche rilevare schiume termoconduttive se puliti a spruzzo dopo ogni funzionamento.
Gli interruttori di livello termico e di interfaccia non hanno parti meccaniche in movimento e sono classificati per pressioni fino a 3.000 psig e temperature di processo da -75 a 175 °C (da -100 a 350 °F). Quando rilevano il livello dell'acqua, il tempo di risposta è in genere di 0,5 secondi e l'accuratezza è compresa tra 2 mm. In generale, gli interruttori di livello termici funzionano al meglio con liquidi non rivestiti e con fanghi con peso specifico compreso tra 0,4 e 1,2 e viscosità compresa tra 1 e 300 cP. Un terzo tipo di interruttore termico utilizza anch'esso due sensori all'interno della stessa sonda verticale. Uno è montato sopra l'altro ed entrambi sono collegati a una fonte di tensione. Quando entrambi si trovano nella fase vapore o entrambi nella fase liquida, la corrente che attraversa i due sensori è la stessa. Se, invece, quello inferiore si trova nel liquido e quello superiore nel vapore, la corrente che attraversa il sensore inferiore sarà maggiore. Un comparatore di corrente può rilevare questa differenza e segnalare che il sensore ha raggiunto l'interfaccia vapore/liquido.
Una caratteristica interessante di questo design è che la capsula del sensore può essere sospesa con un cavo in un serbatoio o in un pozzo e l'uscita del sensore può essere utilizzata per azionare il motore di avvolgimento del cavo. In questo modo, l'interruttore di livello può essere utilizzato come rilevatore continuo della posizione dell'interfaccia vapore/liquido.
Le termocoppie possono anche essere utilizzate per rilevare il livello in processi a temperature più elevate, come la misurazione del livello dell'acciaio fuso negli stampi di colata. Le termocoppie non toccano effettivamente il metallo fuso, ma identificano il punto in cui la temperatura all'esterno dello stampo aumenta improvvisamente. Questo è il livello all'interno dello stampo. Utilizzando più sensori distanziati verticalmente, il sistema può determinare il livello del metallo fuso nello stampo con una precisione di pochi millimetri.
Interruttori a vibrazione
Gli interruttori di livello a vibrazione rilevano lo smorzamento che si verifica quando una sonda vibrante viene immersa in un mezzo di processo. I tre tipi di sensori a vibrazione - reed, sonda e diapason - si distinguono per la loro configurazione e la frequenza di funzionamento (rispettivamente 120, 200-400 e 85 Hz). Il loro funzionamento e le loro applicazioni sono simili. L'interruttore a lamella è costituito da una paletta, un driver e un pickup (Figura 10-2). La bobina del driver induce una vibrazione a 120 Hz nella paletta che viene attenuata quando la paletta viene coperta dal materiale di processo. L'interruttore è in grado di rilevare sia i livelli in aumento che quelli in diminuzione e solo la sua profondità di azionamento (la profondità del materiale sopra la paletta) aumenta al diminuire della densità del fluido di processo. La variazione della profondità di azionamento è solitamente inferiore a un pollice. Un interruttore reed è in grado di rilevare interfacce liquido/liquido, liquido/vapore e solido/vapore, e può anche segnalare variazioni di densità o viscosità.
Quando viene utilizzato su polveri umide, la paletta vibrante tende a creare una cavità nei solidi granulari. In questo caso, si otterranno letture errate, perché il sensore confonderà la cavità con lo spazio di vapore.
È preferibile utilizzare un interruttore reed su applicazioni senza rivestimento o prevedere un lavaggio automatico a spruzzo dopo ogni immersione in fanghi o liquami. I sensori vibranti a sonda sono meno sensibili all'accumulo di materiale o al rivestimento. La sonda vibrante è un elemento rotondo in acciaio inossidabile (simile a un pozzetto termometrico) che si estende nel materiale. Se rivestiti in PFA e inseriti ad angolo, questi dispositivi tendono ad essere autopulenti. Sia l'azionamento che il sensore sono elementi piezoelettrici: uno provoca la vibrazione e l'altro la misura. In caso la sonda sia sepolta sotto il processo
materiale, la sua vibrazione viene smorzata e questa diminuzione attiva l'interruttore.
I sensori a sonda vibrante possono essere utilizzati per monitorare polveri, solidi sfusi e materiali granulari come cereali, farina, pellet di plastica, cemento e ceneri volanti. La loro natura vibrante tende a ridurre al minimo il ponte che si forma nei materiali solidi. I sensori a diapason vengono fatti vibrare a circa 85 Hz da un cristallo piezoelettrico, mentre un altro cristallo piezoelettrico rileva la vibrazione. Quando il fluido di processo sale fino a coprire i diapason, la frequenza di vibrazione cambia.
Come le sonde vibranti, anche i tipi di sonda a diapason possono essere autopulenti se rivestiti in PFA e installati ad angolo. Possono anche essere calibrati per rilevare un'ampia gamma di materiali, tra cui oli lubrificanti, fluidi idraulici, acqua, materiali corrosivi, sabbia, fluidi densi e turbolenti, polveri, granuli leggeri e paste.
I sensori a diapason possono essere costruiti con componenti in PVDF, polipropilene, acciaio inox, acciaio al carbonio e alluminio. Sono disponibili con rivestimenti in PFA o in versioni igieniche per applicazioni sanitarie.
I sensori a vibrazione possono essere utilizzati per determinare i livelli di liquidi, solidi e fanghi. Gli interruttori reed possono funzionare a pressioni fino a 3.000 psig, mentre i diapason e le sonde a vibrazione sono limitati a 150 psig. Le temperature di esercizio vanno da -100 a 150 °C (da -150 a 300 °F) e il tempo di risposta è di circa 1 secondo.
Interruttori ottici
Utilizzando luce visibile, infrarossa o luce LASER, i sensori ottici si basano sulle proprietà di trasmissione, riflessione o rifrazione della luce del materiale di processo per misurarne il livello. L'interruttore di livello ottico può essere di tipo a contatto o
non a contatto.
In un sensore ottico riflettente senza contatto, un fascio di luce viene diretto verso il basso sulla superficie del materiale di processo. Quando il livello di questa superficie sale al setpoint dell'interruttore, il fascio di luce riflesso viene rilevato da una fotocellula. Sia la sorgente luminosa a LED che il fotorilevatore sono alloggiati dietro la stessa lente.
Regolando la fotocellula o l'elettronica di rilevamento, il sensore può essere calibrato per rilevare livelli a distanze comprese tra 0,25 e 12 pollici sotto il sensore. Questi interruttori riflettenti possono misurare i livelli di liquidi trasparenti, traslucidi, riflettenti e opachi. È possibile rilevare anche alcuni solidi. Utilizzando più fotocellule, un sensore può rilevare diversi livelli.
La luce laser può essere utilizzata anche per effettuare misurazioni di livello difficili, come quelle di metalli fusi, vetro fuso, lastre di vetro o qualsiasi altro tipo di materiale solido o liquido che abbia una superficie riflettente. Se il modulo ricevitore è motorizzato, È possibile che il raggio laser riflesso venga seguito mentre il livello sale e scende, fungendo così da trasmettitore di livello continuo.
Un sensore a rifrazione si basa sul principio secondo cui la luce infrarossa o visibile cambia direzione (si rifrange) quando attraversa l'interfaccia tra due mezzi. Quando il sensore si trova in fase vapore, la maggior parte della luce proveniente dal LED viene riflessa all'interno di un prisma (Figura 10-3). Quando il prisma è immerso, la maggior parte della luce si rifrange nel liquido e la quantità di luce riflessa che raggiunge il ricevitore diminuisce notevolmente. Pertanto, una diminuzione del segnale di luce riflessa indica il contatto con il liquido di processo.
Un sensore a rifrazione non può essere utilizzato con fanghi o liquidi di rivestimento, a meno che non venga lavato a spruzzo dopo ogni immersione. Anche poche gocce di liquido sul prisma rifrangono la luce e causano letture errate. I sensori a rifrazione sono progettati per essere immersi nei liquidi; pertanto, è possibile installarne un numero qualsiasi su un tubo verticale per rilevare diversi punti di livello.
I sensori ottici a trasmissione inviano un fascio di luce attraverso il serbatoio. Un sensore di livello dei fanghi di questo tipo utilizza un LED e una fotocellula all'estremità di una sonda, situati alla stessa altezza e separati da pochi centimetri. Per rilevare il livello dei fanghi, un meccanismo (o un operatore, manualmente) abbassa la sonda nel serbatoio fino a quando i sensori incontrano lo strato di fanghi.
Altri sensori a trasmissione si basano sul principio della rifrazione utilizzando un cavo in fibra ottica non rivestito a forma di U. Una sorgente luminosa trasmette un fascio di luce pulsata attraverso il cavo in fibra e il sensore misura la quantità di luce che ritorna. Se il liquido copre il cavo, la luce si rifrange lontano dal cavo. L'uso della fibra ottica rende il sistema immune alle interferenze elettriche e alcuni modelli sono anche intrinsecamente sicuri.
I sensori ottici possono funzionare a pressioni fino a 500 psig e temperature fino a 125 °C (260 °F). Il tempo di risposta è praticamente immediato e l'accuratezza di rilevamento della maggior parte dei modelli è compresa entro 1 mm. Gli interruttori di livello ottici sono progettati anche per applicazioni specifiche o uniche. Ad esempio, sono disponibili interruttori di livello ottici in PFA per rilevare il livello di liquidi ultra puri. Altri modelli unici includono un interruttore di livello che combina un sensore di livello ottico con uno di tipo a conduttività per rilevare la presenza sia di acqua (conduttiva) che di idrocarburi (non conduttivi).
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