Nemulțumire instrumente de nivel exploatate Principiul lui Arhimede pentru a detecta nivelul lichidului prin măsurarea continuă a greutății unui obiect (numită neplăcere) imersat în lichidul de proces. Pe măsură ce nivelul lichidului crește, deplasătorul experimentează o forță de flotabilitate mai mare, făcându-l să pară mai ușor instrumentului de detectare, care interpretează pierderea de greutate ca o creștere a nivelului și transmite un semnal de ieșire proporțional.

Nemulțumire instrumente de nivel

În practică, un instrument de nivel cu dislocționare are de obicei următoarea formă. Conductele de proces care intră și ies din vas au fost omise pentru simplitate - sunt prezentate doar vasul și instrumentul său de nivel cu dislocționare:

Nemulțumire instrumente de nivelDe obicei, tubul metalic etanș, suficient de greutățit încât să nu poată pluti în lichidul de proces. Acesta atârnă într-o țeavă numită „colivie”, conectată la vasul de proces prin două supape de blocare și duze. Aceste două conexiuni ale țevilor asigură că nivelul lichidului din interiorul coliviei se potrivește cu nivelul lichidului din interiorul vasului de proces, la fel ca un vizor.

Dacă nivelul lichidului din interiorul vasului de proces crește, nivelul lichidului din interiorul coliviei crește în mod corespunzător. Aceasta va scufunda o parte mai mare din volumul dislocatorului, provocând exercitarea unei forțe de flotabilitate în sus asupra dislocatorului. Rețineți că dislocatorul este prea greu pentru a pluti, deci nu se „blochează” la suprafața lichidului și nici nu se ridică în aceeași măsură ca nivelul lichidului - dimpotrivă, acesta atârnă pe loc în interiorul coliviei, devenind „mai ușor” pe măsură ce forța de flotabilitate crește. Mecanismul de detectare a greutății detectează această forță de flotabilitate atunci când percepe că dislocatorul devine mai ușor, interpretând greutatea scăzută (aparentă) ca o creștere a nivelului lichidului. Greutatea aparentă a dislocatorului atinge un minim atunci când acesta este complet scufundat, când lichidul de proces a atins punctul de 100% în interiorul coliviei.

Trebuie menționat că presiunea statică din interiorul vasului va avea un efect neglijabil asupra preciziei unui instrument de măsurare a deplasătorului. Singurul factor care contează este densitatea fluidului de proces, deoarece forța de flotabilitate este direct proporțională cu densitatea fluidului ($F=\mathrm{c.}\mathrm{În}$).

Următoarea fotografie prezintă un transmițător pneumatic model Fisher „Level-Trol” care măsoară nivelul condensului într-un tambur knockout pentru serviciul de gaze naturale. Instrumentul în sine apare în partea dreaptă a fotografiei, acoperit de un „cap” gri, cu două manometre pneumatice vizibile. „Colivia” dislocului este conducta verticală imediat în spatele și dedesubtul unității principale. Rețineți că un indicator de nivel cu vizor apare în partea stângă a camerei de evacuare (sau cizmă de condens) pentru indicarea vizuală a nivelului de condens din interiorul vasului de proces:

Scopul acestui instrument de deplasare este de a măsura cantitatea de condens colectată în interiorul „cisternei”. Acest model de Fisher Level-Trol este dotat cu un mecanism pneumatic de control care trimite un semnal de presiune a aerului către o supapă de scurgere pentru a drena automat condensul din cisternă.

Aici apar două fotografii ale unui instrument de deplasare Level-Trol dezasamblat, arătând cum se potrivește deplasătorul în interiorul țevii coliviei:

Conducta coliviei este cuplată la vasul de proces prin două supape de blocare, permițând izolarea de proces. O supapă de golire permite golirea coliviei de lichidul de proces pentru service-ul instrumentului și calibrarea la zero.

Unii senzori de nivel de tip dislocător nu utilizează o colivie, ci agață elementul dislocător direct în vasul de proces. Aceștia se numesc senzori „fără colivie”. Instrumentele fără colivie sunt, desigur, mai simple decât instrumentele cu colivie, dar nu pot fi reparate fără a depresuriza (și poate chiar a goli) vasul de proces în care se află. De asemenea, sunt susceptibili la erori de măsurare și „zgomot” dacă lichidul din interiorul vasului este agitat, fie de viteze mari de curgere în și din vas, fie de acțiunea rotoarelor acționate de motor instalate în vas pentru a asigura o amestecare completă a lichidului (lichidelor) de proces.

Calibrarea pe întregul interval poate fi efectuată prin inundarea coliviei cu lichid de proces (un umed calibrare) sau prin suspendarea deplasătorului cu o sfoară și o scală precisă (o uscat calibrare), trăgând în sus deplasătorul exact cu valoarea potrivită pentru a simula flotabilitatea la 100% din nivelul lichidului:

Calculul acestei forțe de flotabilitate este simplu. Conform principiului lui Arhimede, forța de flotabilitate este întotdeauna egală cu greutatea volumului de fluid deplasat. În cazul unui instrument de nivel bazat pe deplasator la distanță maximă, aceasta înseamnă de obicei că întregul volum al elementului deplasator este scufundat în lichid. Pur și simplu calculați volumul deplasatorului (dacă este un cilindru, $\mathrm{În}=\mathrm{p.}{r}^{2}l$, unde $r$ este raza cilindrului și $l$ este lungimea cilindrului) și înmulțiți acel volum cu densitatea ponderată ($\mathrm{c.}$):

$$F_{b\mathrm{în}\mathrm{cel/cea/cei/cele}\mathrm{şi}o\mathrm{n.}t}=\mathrm{c.}\mathrm{În}$$

$$F_{b\mathrm{în}\mathrm{cel/cea/cei/cele}\mathrm{şi}o\mathrm{n.}t}=\mathrm{c.}\mathrm{p.}{r}^{2}l$$

De exemplu, dacă densitatea fluidului de proces este de 57,3 livre pe picior cub și deplasătorul este un cilindru cu diametrul de 3 inci și lungimea de 24 inci, forța necesară pentru a simula o condiție de flotabilitate la nivel maxim poate fi calculată după cum urmează:

$$\mathrm{c.}=\left(\frac{\text{57,3 livre}}{{\text{picioare}}^3}\right)\left(\frac{{\text{1 picior}}^3}{{12}^3{\text{ în}}^3}\right)=\mathrm{0,0332}\frac{\text{livre}}{{\text{în}}^3}$$

$$\mathrm{În}=\mathrm{p.}{r}^{2}l=\mathrm{p.}(\mathrm{1,5}\text{ în}{)}^2(24\text{ în})=\mathrm{169,6}{\text{ în}}^3$$

$$F_{b\mathrm{în}\mathrm{cel/cea/cei/cele}\mathrm{şi}o\mathrm{n.}t}=\mathrm{c.}\mathrm{În}=\left(\mathrm{0,0332}\frac{\text{livre}}{{\text{în}}^3}\right)\left(\mathrm{169,6}{\text{ în}}^3\right)=\mathrm{5,63}\text{ livre}$$

Rețineți cât de importantă este menținerea consecvenței unităților! Densitatea lichidului a fost dată în unități de livre pe cub. picior și dimensiunile deplasătorului în inci, ceea ce ar fi cauzat probleme serioase fără o conversie între picioare și inci. În lucrarea mea exemplu, am optat pentru convertirea densității în unități de livre pe inch cub, dar aș fi putut la fel de ușor converti dimensiunile dislocatorului în picioare pentru a ajunge la un volum al dislocatorului în unități de picioare cubice.

Într-o calibrare „umedă”, forța de flotabilitate de 2,7 kg va fi creată chiar de lichid, tehnicianul asigurându-se că există suficient lichid în interiorul coliviei pentru a simula o condiție de nivel de 100%. Într-o calibrare „uscată”, forța de flotabilitate va fi simulată prin tensiunea aplicată în sus pe dislocătorul cu un cântar manual și o sfoară, tehnicianul trăgând cu o forță în sus de 2,7 kg pentru a face instrumentul să „credă” că detectează un nivel de 100% al lichidului, când, de fapt, dislocătorul este complet uscat, suspendat în aer.

Tuburi de cuplu Nemulțumire instrumente de nivel

O problemă interesantă de proiectare pentru emițătoarele de nivel cu deplasare este cum să transferi greutatea detectată a dislocrului către mecanismul emițătorului, etanșând în același timp presiunea vaporilor de proces din același mecanism. Cea mai comună soluție la această problemă este un mecanism ingenios numit... tub de torsiuneDin păcate, tuburile de torsiune pot fi destul de dificil de înțeles dacă nu aveți acces direct la unul, așa că această secțiune va explora conceptul mai detaliat decât este disponibil în mod obișnuit în manualele de referință.

Imaginați-vă o tijă metalică solidă, orizontală, cu o flanșă la un capăt și o pârghie perpendiculară la celălalt capăt. Flanșa este montată pe o suprafață staționară, iar o greutate este suspendată de capătul pârghiei. Un cerc cu linie punctată arată unde este sudată tija la centrul flanșei:

Forța descendentă a greutății care acționează asupra pârghiei imprimă o forță de răsucire (cuplu) tijei, determinând-o să se răsucească ușor pe lungimea sa. Cu cât mai multă greutate atârnă la capătul pârghiei, cu atât tija se va răsuci mai mult. Atâta timp cât cuplul aplicat de greutate și pârghie nu depășește niciodată limita elastică a tijei, tija va continua să acționeze ca un arc. Dacă cunoaștem „constanta arcului” a tijei și măsurăm deformarea sa torsională, putem folosi de fapt această ușoară mișcare pentru a măsura magnitudinea greutății atârnate la capătul pârghiei.

Aplicat unui instrument de nivel de tip deplasator, un deplasator ia locul greutății de la capătul pârghiei, deformarea torsională a acestei tije servind la indicarea forței de flotabilitate. Pe măsură ce lichidul se ridică, forța de flotabilitate asupra deplasatorului crește, făcând ca deplasatorul să pară mai ușor din perspectiva tijei. Mișcarea ușoară a tijei rezultată din această schimbare aparentă de greutate indică, așadar, nivelul lichidului.

Acum imaginați-vă că găuriți o gaură lungă prin tijă, pe lungime, care ajunge aproape de capătul unde se atașează pârghia. Cu alte cuvinte, imaginați-vă un gaură oarbă prin centrul tijei, începând de la flanșă și terminând puțin înainte de pârghie:

Prezența acestei găuri lungi nu schimbă prea mult comportamentul ansamblului, cu excepția, poate, a modificării constantei elastice a tijei. Cu un metal mai puțin solid, tija va fi un arc mai slab și se va răsuci într-o măsură mai mare odată cu aplicarea greutății la capătul pârghiei. Mai important însă, în scopul acestei discuții, este că gaura lungă transformă tija într-o tub cu un capăt etanș. În loc să fie o „bară de torsiune”, tija este acum numită mai corect tub de torsiune, răsucindu-se foarte ușor sub greutatea aplicată la capătul pârghiei.

Pentru a oferi tubului de torsiune un suport vertical, astfel încât să nu se lase în jos sub greutatea aplicată, este necesară o rulment cu muchie de cuțit este adesea plasat sub capătul pârghiei unde se atașează la tubul de torsiune. Scopul acestui punct de sprijin este de a oferi suport vertical pentru greutate, formând în același timp un punct de pivot practic fără frecare, asigurându-se că singura tensiune aplicată tubului de torsiune este cuplu de la manetă:

În cele din urmă, imaginați-vă o altă tijă metalică solidă (cu diametrul puțin mai mic decât gaura) sudată în puncte la capătul îndepărtat al găurii înfundate, extinzându-se dincolo de capătul flanșei:

Scopul acestei tije cu diametru mai mic este de a transfera mișcarea de răsucire a capătului îndepărtat al tubului de torsiune către un punct dincolo de flanșă, unde aceasta poate fi detectată. Imaginați-vă flanșa ancorată de un perete vertical, în timp ce o greutate variabilă trage în jos de capătul pârghiei. Tubul de torsiune se va flexa într-o mișcare de răsucire sub influența forței variabile, dar acum putem vedea cât de mult se răsucește urmărind rotația tijei mai mici de pe partea apropiată a peretelui. Greutatea și pârghia pot fi complet ascunse vederii noastre de acest perete, dar mișcarea de răsucire a tijei mici dezvăluie totuși cât de mult cedează tubul de torsiune în fața forței greutății.

Putem aplica acest mecanism al tubului de cuplu la sarcina de măsurare a nivelului lichidului într-un vas sub presiune prin înlocuirea greutății cu un dislocător, atașarea flanșei la o duză sudată pe vas și alinierea unui dispozitiv de detectare a mișcării cu capătul tijei mici pentru a măsura rotația acesteia. Pe măsură ce nivelul lichidului crește și scade, greutatea aparentă a dislocătorului variază, determinând o ușoară răsucire a tubului de cuplu. Această ușoară mișcare de răsucire este apoi detectată la capătul tijei mici, într-un mediu izolat de presiunea fluidului de proces.

O fotografie a unui tub de torsiune real de la un transmițător de nivel Fisher „Level-Trol” arată aspectul său exterior:

Metalul închis la culoare este oțelul elastic folosit pentru a suspenda greutatea, acționând ca un arc de torsiune, în timp ce porțiunea lucioasă este tija interioară folosită pentru a transfera mișcarea. După cum puteți vedea, tubul de torsiune în sine nu are un diametru foarte mare. Dacă ar fi, ar fi un arc mult prea rigid pentru a fi de folos într-un instrument de nivel de tip deplasator, deoarece deplasatorul nu este de obicei foarte greu, iar pârghia nu este lungă.

O privire mai atentă la fiecare capăt al tubului de torsiune dezvăluie capătul deschis unde iese tija cu diametru mic (stânga) și capătul „orb” al tubului unde se atașează la pârghie (dreapta):

Dacă am tăia ansamblul tubului de cuplu în jumătate, pe lungime, secțiunea sa transversală ar arăta cam așa:

Următoarea ilustrație prezintă tubul de cuplu ca parte a unui transmițător de nivel cu deplasare completă:

După cum se poate observa din această ilustrație, tubul de torsiune servește la trei scopuri distincte atunci când este aplicat la o aplicație de măsurare a nivelului de tip deplasator: (1) să servească drept arc torsional care suspendă greutatea deplasatorului, (2) să etanșeze presiunea fluidului de proces față de mecanismul de detectare a poziției și (3) să transfere mișcarea de la capătul îndepărtat al tubului de torsiune în mecanismul de detectare.

În cazul emițătoarelor de nivel pneumatice, mecanismul de detectare utilizat pentru a converti mișcarea de răsucire a tubului de torsiune într-un semnal pneumatic (presiune a aerului) este de obicei de tipul... mișcare-echilibru Design. Mecanismul Fisher Level-Trol, de exemplu, folosește un tub Bourdon în formă de C cu o duză la capăt pentru a urma un deflector atașat la tija mică. Centrul tubului Bourdon este aliniat cu centrul tubului de torsiune. Pe măsură ce tija se rotește, deflectorul avansează spre duza de la vârful tubului Bourdon, provocând creșterea contrapresiunii, ceea ce, la rândul său, determină flexarea tubului Bourdon. Această flexare atrage duza departe de deflectorul care avansează până când există o condiție de echilibru. Prin urmare, mișcarea tijei este echilibrată de mișcarea tubului Bourdon, ceea ce face ca acesta să fie un sistem pneumatic cu mișcare echilibrată:

Măsurarea nivelului interfeței de deplasare

Instrumentele de nivel cu disloc de presiune pot fi utilizate pentru măsurarea interfețelor lichid-lichid, la fel ca instrumentele de presiune hidrostatică. O cerință importantă este ca dislocul de presiune să fie întotdeauna complet scufundat („inundat”). Dacă această regulă este încălcată, instrumentul nu va putea face diferența între un nivel scăzut (total) de lichid și un nivel scăzut la interfață. Acest criteriu este analog cu utilizarea instrumentelor de presiune diferențială cu ramificație compensată pentru măsurarea nivelurilor la interfața lichid-lichid: pentru ca instrumentul să răspundă exclusiv la modificările nivelului la interfață și să nu fie „păcălit” de modificările nivelului total al lichidului, ambele puncte de conectare la proces trebuie să fie scufundate.

Dacă instrumentul de deplasare are propria „colivie”, este important ca ambele țevi care conectează colivia la vasul de proces (uneori numite „duze”) să fie scufundate. Acest lucru asigură că interfața cu lichid din interiorul coliviei se potrivește cu interfața din interiorul vasului. Dacă duza superioară se usucă vreodată, aceeași problemă poate apărea și cu un instrument de deplasare în colivie ca și cu un indicator de nivel cu „vitră” (vezi secțiunea [problemă_interfață] începând de la pagina următoare pentru o explicație detaliată a acestei probleme).

Calcularea forței de flotabilitate asupra unui element deplasator datorată unei combinații a două lichide nu este atât de dificilă pe cât pare. Principiul lui Arhimede este încă valabil: forța de flotabilitate este egală cu greutatea fluidului (fluidurilor) deplasat(e). Tot ce trebuie să facem este să calculăm greutățile și volumele combinate ale lichidelor deplasate pentru a calcula forța de flotabilitate. Pentru un singur lichid, forța de flotabilitate este egală cu densitatea greutății acelui lichid ($\mathrm{c.}$) înmulțit cu volumul deplasat ($\mathrm{În}$):

$$F_{b\mathrm{în}\mathrm{cel/cea/cei/cele}\mathrm{şi}o\mathrm{n.}t}=\mathrm{c.}\mathrm{În}$$

Pentru o interfață cu două lichide, forța de flotabilitate este egală cu suma celor două greutăți ale lichidelor deplasate, fiecare termen de greutate a lichidului fiind egal cu densitatea greutății acelui lichid înmulțită cu volumul deplasat al acelui lichid:

$$F_{b\mathrm{în}\mathrm{cel/cea/cei/cele}\mathrm{şi}o\mathrm{n.}t}={\mathrm{c.}}_1{\mathrm{În}}_1+{\mathrm{c.}}_2{\mathrm{În}}_2$$

Presupunând un deplasator cu o secțiune transversală constantă pe toată lungimea sa, volumul pentru deplasarea fiecărui lichid este pur și simplu egal cu aceeași arie ($\mathrm{p.}{r}^2$) înmulțit cu lungimea deplasătorului scufundat în lichidul respectiv:

$$F_{b\mathrm{în}\mathrm{cel/cea/cei/cele}\mathrm{şi}o\mathrm{n.}t}={\mathrm{c.}}_1\mathrm{p.}{r}^2{l}_1+{\mathrm{c.}}_2\mathrm{p.}{r}^2{l}_2$$

Întrucât zona ($\mathrm{p.}{r}^2$) este comun ambilor termeni de flotabilitate din această ecuație, îl putem elimina pentru simplitate:

$$F_{b\mathrm{în}\mathrm{cel/cea/cei/cele}\mathrm{şi}o\mathrm{n.}t}=\mathrm{p.}{r}^2({\mathrm{c.}}_1{l}_1+{\mathrm{c.}}_2{l}_2)$$

Determinarea punctelor de calibrare ale unui instrument de nivel de tip deplasator pentru aplicații de interfață este relativ ușoară dacă condițiile LRV și URV sunt examinate ca o pereche de „experimente de gândire”, așa cum am făcut cu măsurarea nivelului la interfața hidrostatică. Mai întâi, ne imaginăm cum ar „arăta” starea deplasatorului cu interfața la valoarea inferioară a intervalului, apoi ne imaginăm un scenariu diferit cu interfața la valoarea superioară a intervalului. Se recomandă schițarea ilustrațiilor fiecărui scenariu pentru claritate.

Să presupunem că avem un instrument de măsurare a nivelului interfeței dintre două lichide cu greutăți specifice de 0,850 și 1,10, cu o lungime a deplasătorului de 30 de inci și un diametru al deplasătorului de 2,75 inci (rază = 1,375 inci). Să presupunem în continuare că LRV (valeur limită de referință) în acest caz este locul unde interfața se află în partea de jos a deplasătorului, iar URV (valeur minimă de referință) este locul unde interfața se află în partea de sus a deplasătorului. Plasarea nivelurilor interfeței LRV și URV la capetele extreme ale lungimii deplasătorului simplifică calculele noastre LRV și URV, deoarece „experimentul mental” LRV va fi pur și simplu deplasătorul complet scufundat în lichid ușor, iar „experimentul mental” URV va fi pur și simplu deplasătorul complet scufundat în lichid greu.

Calcularea forței de flotabilitate LRV:

$$F_{b\mathrm{în}\mathrm{cel/cea/cei/cele}\mathrm{şi}o\mathrm{n.}t}\text{ (America Latină)}={\mathrm{c.}}_2\mathrm{În}={\mathrm{c.}}_2\mathrm{p.}{r}^{2}l$$

Calcularea forței de flotabilitate a URV:

$$F_{b\mathrm{în}\mathrm{cel/cea/cei/cele}\mathrm{şi}o\mathrm{n.}t}\text{ (URV)}={\mathrm{c.}}_1\mathrm{În}={\mathrm{c.}}_1\mathrm{p.}{r}^{2}l$$

Se arată calculele efective pentru acest exemplu ipotetic:

$${\mathrm{c.}}_1=\left(\mathrm{62,4}\frac{\text{livre}}{{\text{picioare}}^3}\right)(1.10)=\mathrm{68,6}\frac{\text{livre}}{{\text{picioare}}^3}=\mathrm{0,0397}\frac{\text{livre}}{{\text{în}}^3}$$

$${\mathrm{c.}}_2=\left(\mathrm{62,4}\frac{\text{livre}}{{\text{picioare}}^3}\right)(\mathrm{0,85})=\mathrm{53,0}\frac{\text{livre}}{{\text{picioare}}^3}=\mathrm{0,0307}\frac{\text{livre}}{{\text{în}}^3}$$

$$F_{b\mathrm{în}\mathrm{cel/cea/cei/cele}\mathrm{şi}o\mathrm{n.}t}\text{ (America Latină)}=\left(\mathrm{0,0307}\frac{\text{livre}}{{\text{în}}^3}\right)\mathrm{p.}(1.375\text{ în}{)}^2(30\text{ în})=5.47\text{ livre}$$

$$F_{b\mathrm{în}\mathrm{cel/cea/cei/cele}\mathrm{şi}o\mathrm{n.}t}\text{ (URV)}=\left(\mathrm{0,0397}\frac{\text{livre}}{{\text{în}}^3}\right)\mathrm{p.}(1.375\text{ în}{)}^2(30\text{ în})=7.08\text{ livre}$$

Flotabilitatea pentru orice procent de măsurare între LRV (0%) și URV (100%) poate fi calculată prin interpolare: