Nezadovoljstvo iskorištavanje instrumenata na razini Arhimedov princip za detekciju razine tekućine kontinuiranim mjerenjem težine predmeta (tzv. nezadovoljstvo) uronjen u procesnu tekućinu. Kako se razina tekućine povećava, istiskivač osjeća veću silu uzgona, zbog čega se čini lakšim senzoru, koji gubitak težine interpretira kao povećanje razine i prenosi proporcionalni izlazni signal.

Nezadovoljstvo instrumenti za niveliranje

U praksi, instrument za mjerenje razine potiskivača obično ima sljedeći oblik. Procesne cijevi u i iz posude su izostavljene radi jednostavnosti - prikazani su samo posuda i njezin instrument za mjerenje razine potiskivača:

Nezadovoljstvo instrumenti za niveliranjeSam po sebi je obično zatvorena metalna cijev, dovoljno otežana da ne može plutati u procesnoj tekućini. Visi unutar cijevi koja se naziva "kavez" i spojena je s procesnom posudom putem dva blok ventila i mlaznica. Ova dva cijevna priključka osiguravaju da razina tekućine unutar kaveza odgovara razini tekućine unutar procesne posude, slično kao kontrolno staklo.

Ako se razina tekućine unutar procesne posude podigne, razina tekućine unutar kaveza podiže se u skladu s tim. To će potopiti veći dio volumena istiskivača, uzrokujući djelovanje sile uzgona prema gore na istiskivač. Imajte na umu da je istiskivač pretežak da bi plutao, pa se ne "njiše" na površini tekućine niti se podiže za isti iznos - već visi na mjestu unutar kaveza, postajući "lakši" kako se sila uzgona povećava. Mehanizam za osjet težine detektira ovu silu uzgona kada osjeti da istiskivač postaje lakši, tumačeći smanjenu (prividnu) težinu kao povećanje razine tekućine. Prividna težina istiskivača doseže minimum kada je potpuno uronjen, kada procesna tekućina dosegne točku od 100% unutar kaveza.

Treba napomenuti da će statički tlak unutar posude imati zanemariv utjecaj na točnost instrumenta za istiskivanje. Jedini faktor koji je važan je gustoća procesne tekućine, budući da je sila uzgona izravno proporcionalna gustoći tekućine ($F=cU$).

Sljedeća fotografija prikazuje pneumatski odašiljač modela Fisher "Level-Trol" koji mjeri razinu kondenzata u bubanj za izbacivanje za uslugu prirodnog plina. Sam instrument se nalazi na desnoj strani fotografije, na vrhu je siva "glava" s dva vidljiva pneumatska mjerača tlaka. "Kavez" istiskivača je okomita cijev odmah iza i ispod glavne jedinice. Imajte na umu da se mjerač razine na kontrolnom staklu nalazi na lijevoj strani komore za izbijanje (ili kondenzacijska zaštita) za vizualnu indikaciju razine kondenzata unutar procesne posude:

Svrha ovog posebnog instrumenta za istiskivanje je mjerenje količine kondenzata prikupljenog unutar "čizme". Ovaj model Fisher Level-Trol dolazi s pneumatskim regulatorom koji šalje signal tlaka zraka ispusnom ventilu kako bi se kondenzat automatski ispustio iz čizme.

Ovdje se prikazuju dvije fotografije rastavljenog instrumenta za istiskivanje Level-Trol, koje pokazuju kako se istiskivač uklapa unutar cijevi kaveza:

Cijev kaveza spojena je s procesnom posudom putem dva blok ventila, što omogućuje izolaciju od procesa. Ispustni ventil omogućuje pražnjenje kaveza od procesne tekućine za servisiranje instrumenta i kalibraciju nule.

Neki senzori razine tipa istiskivača ne koriste kavez, već element istiskivača objese izravno u procesnu posudu. Oni se nazivaju "senzori bez kaveza". Instrumenti bez kaveza su naravno jednostavniji od instrumenata s kavezom, ali ih se ne može servisirati bez smanjenja tlaka (a možda čak i pražnjenja) procesne posude u kojoj se nalaze. Također su osjetljivi na pogreške u mjerenju i "buku" ako se tekućina unutar posude uzburka, bilo zbog velikih brzina protoka u i iz posude, ili zbog djelovanja motorom pokretanih impelera ugrađenih u posudu kako bi se osiguralo temeljito miješanje procesne tekućine (tekućina).

Kalibracija punog raspona može se provesti poplavljivanjem kaveza procesnom tekućinom (a mokar kalibracija) ili vješanjem pomicača pomoću užadi i precizne skale (a suho kalibracija), povlačenjem istiskivača prema gore u točno određenoj količini kako bi se simulirao uzgon na 100% razine tekućine:

Izračun ove sile uzgona je jednostavan. Prema Arhimedovom principu, sila uzgona je uvijek jednaka težini istisnutog volumena tekućine. U slučaju instrumenta za mjerenje razine na bazi istiskivača u punom rasponu, to obično znači da je cijeli volumen istiskivača uronjen u tekućinu. Jednostavno izračunajte volumen istiskivača (ako je cilindar, $U=\mathrm{str.}{r}^{2}l$, gdje $r$ je polumjer cilindra i $l$ je duljina cilindra) i pomnožite taj volumen s gustoćom težine ($c$):

$$F_{bu\mathrm{the}i\mathrm{jedan}nt}=cU$$

$$F_{bu\mathrm{the}i\mathrm{jedan}nt}=c\mathrm{str.}{r}^{2}l$$

Na primjer, ako je gustoća procesne tekućine 57,3 funte po kubnom metru, a istiskivač je cilindar promjera 3 inča i duljine 24 inča, potrebna sila za simuliranje uvjeta uzgona pri punoj razini može se izračunati na sljedeći način:

$$c=\left(\frac{\text{57,3 funte}}{{\text{stopa}}^3}\right)\left(\frac{{\text{1 stopa}}^3}{{12}^3{\text{ u}}^3}\right)=\mathrm{0,0332}\frac{\text{funta}}{{\text{u}}^3}$$

$$U=\mathrm{str.}{r}^{2}l=\mathrm{str.}(\mathrm{1,5}\text{ u}{)}^2(24\text{ u})=\mathrm{169,6}{\text{ u}}^3$$

$$F_{bu\mathrm{the}i\mathrm{jedan}nt}=cU=\left(\mathrm{0,0332}\frac{\text{funta}}{{\text{u}}^3}\right)\left(\mathrm{169,6}{\text{ u}}^3\right)=\mathrm{5,63}\text{ funta}$$

Imajte na umu koliko je važno održavati dosljednost jedinica! Gustoća tekućine dana je u jedinicama funti po kubnom noga i dimenzije istiskivača u inči, što bi uzrokovalo ozbiljne probleme bez pretvorbe između stopa i inča. U svom primjeru rada odlučio sam pretvoriti gustoću u jedinice funti po kubnom inču, ali sam mogao jednako lako pretvoriti dimenzije istiskivača u stope kako bih dobio volumen istiskivača u jedinicama kubnih stopa.

U „mokroj“ kalibraciji, sila uzgona od 5,63 funte bit će stvorena samom tekućinom, a tehničar osigurava da unutar kaveza ima dovoljno tekućine za simuliranje uvjeta od 100%-tne razine. U „suhoj“ kalibraciji, sila uzgona bit će simulirana napetošću koja se primjenjuje prema gore na istiskivač pomoću ručne vage i užadi, a tehničar povlači silom prema gore od 5,63 funte kako bi instrument „mislio“ da osjeća 100%-tnu razinu tekućine, dok je istiskivač zapravo potpuno suh i visi u zraku.

Torzione cijevi Nezadovoljstvo instrumenti za niveliranje

Zanimljiv problem dizajna za transmitere razine istiskivačkog tipa je kako prenijeti osjetljivu težinu istiskivača na mehanizam transmitera, a istovremeno pozitivno zatvoriti tlak procesne pare od istog mehanizma. Najčešće rješenje ovog problema je genijalan mehanizam koji se naziva torziona cijevNažalost, torzione cijevi mogu biti prilično teške za razumjeti osim ako nemate izravan praktični pristup jednoj, stoga će ovaj odjeljak istražiti koncept detaljnije nego što je obično dostupno u referentnim priručnicima.

Zamislite čvrstu, horizontalnu metalnu šipku s prirubnicom na jednom kraju i okomitom polugom na drugom kraju. Prirubnica je pričvršćena na nepomičnu površinu, a uteg je obješen s kraja poluge. Krug s isprekidanom linijom pokazuje gdje je šipka zavarena za središte prirubnice:

Sila utega koji djeluje na polugu prema dolje daje šipki silu uvijanja (moment) zbog čega se ona lagano uvija duž svoje duljine. Što je više utega obješenog na kraju poluge, to će se šipka više uvijati. Sve dok moment koji primjenjuju uteg i poluga ne prelazi granicu elastičnosti šipke, šipka će nastaviti djelovati kao opruga. Ako znamo "konstantu opruge" šipke i izmjerimo njezin torzijski otklon, zapravo možemo upotrijebiti ovo lagano kretanje za mjerenje veličine utega obješenog na kraju poluge.

Primijenjen na instrument za mjerenje razine tipa pomicača, pomicač zamjenjuje uteg na kraju poluge, a torzijski otklon ove šipke služi za označavanje sile uzgona. Kako se tekućina diže, sila uzgona na pomicaču se povećava, zbog čega se pomicač čini lakšim iz perspektive šipke. Lagano pomicanje šipke koje proizlazi iz ove prividne promjene težine, dakle, ukazuje na razinu tekućine.

Sada zamislite da bušite dugu rupu kroz šipku, po dužini, koja gotovo doseže kraj gdje se poluga pričvršćuje. Drugim riječima, zamislite slijepa rupa kroz središte šipke, počevši od prirubnice i završavajući odmah ispod poluge:

Prisutnost ove duge rupe ne mijenja mnogo ponašanje sklopa, osim možda promjene konstante opruge šipke. S manje čvrstog metala, šipka će biti slabija opruga i uvijat će se u većoj mjeri s primijenjenom težinom na kraju poluge. Što je još važnije za potrebe ove rasprave, duga rupa transformira šipku u cijev sa zatvorenim krajem. Umjesto da bude "torzijska šipka", šipka se sada ispravnije naziva torziona cijev, lagano se uvijajući pod utjecajem težine na kraju poluge.

Kako bi se torzijskoj cijevi pružila vertikalna potpora kako se ne bi spuštala prema dolje pod primijenjenom težinom, potreban je potporni element. ležaj s oštricom noža često se postavlja ispod kraja poluge gdje se pričvršćuje na torzijsku cijev. Svrha ove točke oslonca je pružiti vertikalnu potporu za težinu, a istovremeno formirati točku okretanja praktički bez trenja, osiguravajući da je jedini napon koji se primjenjuje na torzijsku cijev okretni moment s poluge:

Konačno, zamislite još jednu čvrstu metalnu šipku (nešto manjeg promjera od rupe) točkasto zavarenu na krajnji kraj slijepe rupe, koja se proteže izvan kraja prirubnice:

Svrha ove šipke manjeg promjera je prenijeti rotacijski pokret krajnjeg dijela torzijske cijevi do točke iza prirubnice gdje se to može osjetiti. Zamislite prirubnicu pričvršćenu za okomiti zid, dok promjenjivi uteg vuče kraj poluge prema dolje. Torzijska cijev će se savijati u rotacijskom pokretu s promjenjivom silom, ali sada možemo vidjeti koliko se točno uvija promatrajući rotaciju manje šipke na bližoj strani zida. Uteg i poluga mogu biti potpuno skriveni od našeg pogleda ovim zidom, ali rotacijski pokret male šipke ipak otkriva koliko se torzijska cijev popušta sili utega.

Ovaj mehanizam s torzionom cijevi možemo primijeniti na mjerenje razine tekućine u posudi pod tlakom zamjenom utega istiskivačem, pričvršćivanjem prirubnice na mlaznicu zavarenu za posudu i poravnavanjem uređaja za mjerenje gibanja s krajem male šipke kako bismo izmjerili njezinu rotaciju. Kako se razina tekućine diže i spušta, prividna težina istiskivača varira, što uzrokuje lagano uvijanje torzione cijevi. To lagano uvijanje zatim se osjeća na kraju male šipke, u okruženju izoliranom od tlaka procesne tekućine.

Fotografija snimljena s prave cijevi za mjerenje torznog toka Fisherovog transmitera razine "Level-Trol" prikazuje njegov vanjski izgled:

Tamni metal je elastični čelik koji se koristi za ovjes težine djelujući kao torzijska opruga, dok je sjajni dio unutarnja šipka koja se koristi za prijenos gibanja. Kao što vidite, sama torzijska cijev nije jako širokog promjera. Da jest, bila bi previše kruta opruga da bi se praktično koristila u libeli tipa pomicača, budući da pomicač obično nije jako težak, a poluga nije dugačka.

Pažljivijim pogledom na svaki kraj cijevi s pogonskim momentom otkriva se otvoreni kraj gdje strši šipka malog promjera (lijevo) i "slijepi" kraj cijevi gdje se pričvršćuje na polugu (desno):

Ako bismo sklop torzijske cijevi prerezali na pola, po dužini, njegov presjek bi izgledao otprilike ovako:

Sljedeća ilustracija prikazuje cijev za okretanje kao dio cijelog odašiljača razine pomaknutog tipa:

Kao što možete vidjeti na ovoj ilustraciji, torzijska cijev služi trima različitim svrhama kada se primjenjuje na mjerenje razine tipa istiskivača: (1) služi kao torzijska opruga koja podupire težinu istiskivača, (2) zatvara tlak procesne tekućine iz mehanizma za mjerenje položaja i (3) prenosi gibanje s dalekog kraja torzijske cijevi u mehanizam za mjerenje položaja.

U pneumatskim transmiterima razine, mehanizam za očitavanje koji se koristi za pretvaranje rotacijskog pokreta torzijske cijevi u pneumatski (zračni tlak) signal obično je od ravnoteža kretanja dizajn. Fisher Level-Trol mehanizam, na primjer, koristi Bourdonovu cijev u obliku slova C s mlaznicom na kraju koja prati pregradu pričvršćenu na malu šipku. Središte Bourdonove cijevi poravnato je sa središtem cijevi s pogonskim momentom. Kako se šipka okreće, pregrada se pomiče prema mlaznici na vrhu Bourdonove cijevi, uzrokujući porast protutlaka, što zauzvrat uzrokuje savijanje Bourdonove cijevi. Ovo savijanje odvlači mlaznicu od pregrade koja se pomiče sve dok se ne postigne ravnotežno stanje. Gibanje šipke stoga je uravnoteženo kretanjem Bourdonove cijevi, što ovo čini pneumatskim sustavom s uravnoteženim kretanjem:

Mjerenje razine pomaka na granici pomicanja

Instrumenti za mjerenje razine istiskivača mogu se koristiti za mjerenje granica tekućina-tekućina na isti način kao i instrumenti za hidrostatski tlak. Jedan važan zahtjev je da istiskivač uvijek bude potpuno uronjen („poplavljen“). Ako se ovo pravilo prekrši, instrument neće moći razlikovati nisku (ukupnu) razinu tekućine od niske razine granice. Ovaj kriterij analogan je upotrebi instrumenata za diferencijalni tlak s kompenziranim krakom za mjerenje razina granice tekućina-tekućina: kako bi instrument reagirao isključivo na promjene razine granice i da ga ne bi „prevarile“ promjene ukupne razine tekućine, obje procesne priključne točke moraju biti uronjene.

Ako instrument za istiskivanje ima vlastiti "kavez", važno je da obje cijevi koje spajaju kavez s procesnom posudom (ponekad se nazivaju "mlaznice") budu uronjene. To osigurava da se površina tekućine unutar kaveza podudara s površinom unutar posude. Ako se gornja mlaznica ikada osuši, isti problem može se dogoditi s instrumentom za istiskivanje s kavezom kao i s mjeračem razine "kontrolno staklo" (vidi odjeljak [problem_sa_sučeljem] početak na stranici za detaljno objašnjenje ovog problema.).

Izračunavanje sile uzgona na istiskivaču zbog kombinacije dviju tekućina nije tako teško kao što se može činiti. Arhimedov princip i dalje vrijedi: sila uzgona jednaka je težini istisnute tekućine (tekućina). Sve što trebamo učiniti je izračunati kombinirane težine i volumene istisnutih tekućina kako bismo izračunali silu uzgona. Za jednu tekućinu, sila uzgona jednaka je gustoći težine te tekućine ($c$) pomnoženo s istisnutim volumenom ($U$):

$$F_{bu\mathrm{the}i\mathrm{jedan}nt}=cU$$

Za granicu između dvije tekućine, sila uzgona jednaka je zbroju dviju istisnutih težina tekućine, pri čemu je svaki izraz težine tekućine jednak gustoći težine te tekućine pomnoženoj s istisnutim volumenom te tekućine:

$$F_{bu\mathrm{the}i\mathrm{jedan}nt}=c_1{U}_1+c_2{U}_2$$

Pod pretpostavkom da je istiskivač konstantne površine poprečnog presjeka po cijeloj svojoj duljini, volumen za svaki istiskivani dio tekućine jednostavno je jednak istoj površini ($\mathrm{str.}{r}^2$) pomnoženo s duljinom istiskivača uronjenog u tu tekućinu:

$$F_{bu\mathrm{the}i\mathrm{jedan}nt}=c_1\mathrm{str.}{r}^2{l}_1+c_2\mathrm{str.}{r}^2{l}_2$$

Budući da područje ($\mathrm{str.}{r}^2$) je zajednički za oba člana uzgona u ovoj jednadžbi, možemo ga faktorizirati radi jednostavnosti:

$$F_{bu\mathrm{the}i\mathrm{jedan}nt}=\mathrm{str.}{r}^2(c_1{l}_1+c_2{l}_2)$$

Određivanje kalibracijskih točaka instrumenta za mjerenje razine tipa istiskivača za primjene na granici granica relativno je jednostavno ako se uvjeti LRV i URV ispituju kao par „misaonih eksperimenata“ baš kao što smo to učinili s mjerenjem hidrostatske razine na granici granica. Prvo zamišljamo kako bi „izgledalo“ stanje istiskivača s granicom granica na donjoj vrijednosti raspona, a zatim zamišljamo drugačiji scenarij s granicom granica na gornjoj vrijednosti raspona. Radi jasnoće preporučuje se skiciranje svakog scenarija.

Pretpostavimo da imamo instrument za istiskivanje koji mjeri razinu granične površine između dvije tekućine specifične težine 0,850 i 1,10, s duljinom istiskivanja od 30 inča i promjerom istiskivanja od 2,75 inča (polumjer = 1,375 inča). Pretpostavimo dalje da je LRV u ovom slučaju mjesto gdje se granična površina nalazi na dnu istiskivanja, a URV mjesto gdje se granična površina nalazi na vrhu istiskivanja. Položaj razina granične površine LRV i URV na krajnjim krajevima duljine istiskivanja pojednostavljuje naše izračune LRV i URV, jer će LRV "misaoni eksperiment" jednostavno biti istiskivanje potpuno uronjeno u laganu tekućinu, a URV "misaoni eksperiment" će jednostavno biti istiskivanje potpuno uronjeno u tešku tekućinu.

Izračun sile uzgona LRV-a:

$$F_{bu\mathrm{the}i\mathrm{jedan}nt}\text{ (Latinska Amerika)}=c_{2}U=c_2\mathrm{str.}{r}^{2}l$$

Izračun sile uzgona URV-a:

$$F_{bu\mathrm{the}i\mathrm{jedan}nt}\text{ (URV)}=c_{1}U=c_1\mathrm{str.}{r}^{2}l$$

Prikaz stvarnih izračuna za ovaj hipotetski primjer:

$$c_1=\left(\mathrm{62,4}\frac{\text{funta}}{{\text{stopa}}^3}\right)(1.10)=\mathrm{68,6}\frac{\text{funta}}{{\text{stopa}}^3}=\mathrm{0,0397}\frac{\text{funta}}{{\text{u}}^3}$$

$$c_2=\left(\mathrm{62,4}\frac{\text{funta}}{{\text{stopa}}^3}\right)(\mathrm{0,85})=\mathrm{53,0}\frac{\text{funta}}{{\text{stopa}}^3}=\mathrm{0,0307}\frac{\text{funta}}{{\text{u}}^3}$$

$$F_{bu\mathrm{the}i\mathrm{jedan}nt}\text{ (Latinska Amerika)}=\left(\mathrm{0,0307}\frac{\text{funta}}{{\text{u}}^3}\right)\mathrm{str.}(1.375\text{ u}{)}^2(30\text{ u})=5.47\text{ funta}$$

$$F_{bu\mathrm{the}i\mathrm{jedan}nt}\text{ (URV)}=\left(\mathrm{0,0397}\frac{\text{funta}}{{\text{u}}^3}\right)\mathrm{str.}(1.375\text{ u}{)}^2(30\text{ u})=7.08\text{ funta}$$

Uzgon za bilo koji postotak mjerenja između LRV (0%) i URV (100%) može se izračunati interpolacijom: