Elégedetlenség szintű eszközök kihasználják Arkhimédész elve folyadékszint érzékelése egy tárgy (ún. elégedetlenség) a technológiai folyadékba merítve. Ahogy a folyadékszint emelkedik, a kiszorító nagyobb felhajtóerőt tapasztal, így könnyebbnek tűnik az érzékelő műszer számára, amely a súlycsökkenést szintemelkedésként értelmezi, és arányos kimeneti jelet küld.

Elégedetlenség szintmérő eszközök

A gyakorlatban egy kiszorító szintmérő műszer általában a következő alakú. Az egyszerűség kedvéért a tartályba be- és kivezető folyamatvezetékeket elhagytuk – csak a tartályt és a hozzá tartozó kiszorító szintmérő műszert ábrázoljuk:

Elégedetlenség szintmérő eszközökMaga a folyadék általában egy lezárt fémcső, amely kellően le van súlyozva ahhoz, hogy ne lebegjen a technológiai folyadékban. Egy „ketrecnek” nevezett csőben lóg, amely két zárószelepen és fúvókán keresztül csatlakozik a technológiai tartályhoz. Ez a két csőcsatlakozás biztosítja, hogy a ketrecben lévő folyadékszint megegyezzen a technológiai tartályban lévő folyadékszinttel, hasonlóan egy nézőüveghez.

Ha a technológiai tartályban a folyadékszint emelkedik, a ketrecben lévő folyadékszint is ennek megfelelően emelkedik. Ez a kiszorító térfogatának nagyobb részét elárasztja, ami felfelé ható felhajtóerőt okoz a kiszorítón. Ne feledjük, hogy a kiszorító túl nehéz ahhoz, hogy lebegjen, ezért nem „lebeg” a folyadék felszínén, és nem is emelkedik annyit, mint a folyadék szintje – hanem a ketrecben egy helyben lóg, és a felhajtóerő növekedésével „könnyebbé” válik. A súlyérzékelő mechanizmus érzékeli ezt a felhajtóerőt, amikor a kiszorító könnyebbé válását érzékeli, és a csökkent (látszólagos) súlyt a folyadékszint növekedéseként értelmezi. A kiszorító látszólagos súlya akkor éri el a minimumát, amikor teljesen elmerül, amikor a technológiai folyadék elérte a 100%-os pontot a ketrecben.

Meg kell jegyezni, hogy a tartályon belüli statikus nyomás elhanyagolható hatással van a kiszorító műszer pontosságára. Az egyetlen fontos tényező a technológiai folyadék sűrűsége, mivel a felhajtóerő egyenesen arányos a folyadék sűrűségével ($F=c\mathrm{Be}$).

A következő fénykép egy Fisher „Level-Trol” típusú pneumatikus távadót mutat, amely egy ... kondenzvíz szintjét méri. kiütődob földgázszolgáltatáshoz. Maga a műszer a fénykép jobb oldalán látható, tetején egy szürke színű „fejjel”, amelyen két pneumatikus nyomásmérő látható. A kiszorító „ketrece” a fejegység mögött és alatt található függőleges cső. Megjegyzendő, hogy a kiütőkamra (vagy kondenzvíz-csizma) a folyamattartályban lévő kondenzátum szintjének vizuális jelzéséhez:

Ennek a speciális kiszorító műszernek a célja a „csizmában” összegyűlt kondenzfolyadék mennyiségének mérése. Ez a Fisher Level-Trol modell pneumatikus vezérlőmechanizmussal rendelkezik, amely légnyomásjelet küld egy leeresztőszelepnek, hogy automatikusan leeressze a kondenzvizet a csizmából.

Két fotó látható egy szétszerelt Level-Trol kiszorító műszerről, amelyek azt mutatják, hogyan illeszkedik a kiszorító a kosárcsőbe:

A ketrec csöve két zárószelepen keresztül csatlakozik a folyamattartályhoz, lehetővé téve a folyamattól való elszigetelést. Egy leeresztőszelep lehetővé teszi a ketrec kiürítését a folyamatfolyadékból a műszer szervizeléséhez és a nullpont kalibrálásához.

Néhány kiszorító típusú szintérzékelő nem használ védőkosarat, hanem a kiszorító elemet közvetlenül a technológiai tartályba akasztják. Ezeket „kosár nélküli” érzékelőknek nevezik. A védőkosár nélküli műszerek természetesen egyszerűbbek, mint a védőkosár stílusú műszerek, de nem szervizelhetők a technológiai tartály nyomásának csökkentése (és esetleg kiürítése) nélkül, amelyben találhatók. Mérési hibákra és „zajra” is hajlamosak, ha a tartályban lévő folyadék keveredik, akár a tartályba be- és kiáramló nagy áramlási sebesség, akár a tartályba beépített motoros járókerekek működése miatt, amelyek a technológiai folyadék(ok) alapos keverését biztosítják.

A teljes tartományú kalibráció elvégezhető a ketrec technológiai folyadékkal (pl. nedves kalibráció), vagy a kiszorító felfüggesztésével egy zsinórral és pontos skálával (egy száraz kalibráció), felfelé húzva a kiszorítót pont a megfelelő mértékben, hogy szimulálja a felhajtóerőt 100%-os folyadékszinten:

Ennek a felhajtóerőnek a kiszámítása egyszerű. Arkhimédész törvénye szerint a felhajtóerő mindig megegyezik a kiszorított folyadéktérfogat súlyával. Teljes tartományú, kiszorító alapú szintmérő műszer esetén ez általában azt jelenti, hogy a kiszorító elem teljes térfogata elmerül a folyadékban. Egyszerűen számítsa ki a kiszorító térfogatát (ha hengerről van szó, $\mathrm{Be}=p{r}^{2}l$, ahol $r$ a henger sugara és $l$ a henger hossza), és ezt a térfogatot szorozzuk meg a súlysűrűséggel ($c$):

$$F_{b\mathrm{ban}a\mathrm{és}\mathrm{egy}nt}=c\mathrm{Be}$$

$$F_{b\mathrm{ban}a\mathrm{és}\mathrm{egy}nt}=cp{r}^{2}l$$

Például, ha a technológiai folyadék súlysűrűsége 57,3 font/köbláb, és a kiszorító egy 3 hüvelyk átmérőjű és 24 hüvelyk hosszú henger, akkor a teljes felhajtóerő szimulálásához szükséges erő a következőképpen számítható ki:

$$c=\left(\frac{\text{57,3 font}}{{\text{láb}}^3}\right)\left(\frac{{\text{1 láb}}^3}{{12}^3{\text{ ban}}^3}\right)=\mathrm{0,0332}\frac{\text{font}}{{\text{ban}}^3}$$

$$\mathrm{Be}=p{r}^{2}l=p(1.5\text{ ban}{)}^2(24\text{ ban})=\mathrm{169,6}{\text{ ban}}^3$$

$$F_{b\mathrm{ban}a\mathrm{és}\mathrm{egy}nt}=c\mathrm{Be}=\left(\mathrm{0,0332}\frac{\text{font}}{{\text{ban}}^3}\right)\left(\mathrm{169,6}{\text{ ban}}^3\right)=5.63\text{ font}$$

Figyeljük meg, mennyire fontos a mértékegységek állandóságának megőrzése! A folyadék sűrűségét font/köbméterben adtuk meg. láb és a kiszorító méretei hüvelyk, ami komoly problémákat okozott volna láb és hüvelyk közötti átváltás nélkül. A példamunkámban a sűrűség font per köbhüvelyk mértékegységre való átváltását választottam, de ugyanilyen könnyen átválthattam volna a kiszorító méreteit lábra, hogy megkapjam a kiszorító térfogatát köbláb mértékegységben.

„Nedves” kalibrálás esetén az 5,63 fontos felhajtóerőt maga a folyadék hozza létre, a technikus pedig biztosítja, hogy elegendő folyadék legyen a ketrecben a 100%-os szint szimulálásához. „Száraz” kalibrálás esetén a felhajtóerőt egy kézi mérleggel és zsinórral felfelé ható feszítéssel szimulálják, a technikus 5,63 fontos felfelé húzó erővel „hiteti” a műszerrel, hogy 100%-os folyadékszintet érzékel, miközben valójában a kiszorító teljesen száraz, és a levegőben lóg.

Nyomatékcsövek Elégedetlenség szintmérő eszközök

Az elmozdulásos szinttávadók egyik érdekes tervezési problémája, hogy hogyan lehet az elmozdulásos szinttávadó érzékelt súlyát átvinni az adó mechanizmusára, miközben a folyamatgőz nyomását is pozitívan lezárják ugyanarról a mechanizmusról. Ennek a problémának a leggyakoribb megoldása egy ötletes mechanizmus, az úgynevezett nyomatékcsőSajnos a nyomatékcsövek megértése meglehetősen nehézkes lehet, hacsak nincs közvetlen, gyakorlati hozzáférésed hozzájuk, ezért ez a szakasz részletesebben tárgyalja a koncepciót, mint az a referencia kézikönyvekben általában elérhető.

Képzelj el egy tömör, vízszintes fémrudat, amelynek egyik végén pereme, a másik végén pedig merőleges kar van. A pereme egy rögzített felületre van rögzítve, és egy súly lóg a kar végéről. A szaggatott vonallal bejelölt kör mutatja a rúd perem közepéhez hegesztett helyét:

A karra ható súly lefelé irányuló ereje csavaró erőt (nyomatékot) kölcsönöz a rúdnak, aminek következtében az enyhén elcsavarodik a hosszában. Minél nagyobb súly lóg a kar végén, annál jobban elcsavarodik a rúd. Mindaddig, amíg a súly és a kar által kifejtett nyomaték soha nem haladja meg a rúd rugalmassági határát, a rúd továbbra is rugóként működik. Ha ismerjük a rúd „rugóállandóját”, és megmérjük a torziós elmozdulását, akkor ezt az enyhe mozgást felhasználhatjuk a kar végére függő súly nagyságának mérésére.

Egy kiszorító típusú szintmérő műszer esetében a kiszorító a kar végén lévő súly helyét veszi át, ennek a rúdnak a torziós elmozdulása a felhajtóerőt jelzi. Ahogy a folyadék emelkedik, a kiszorítóra ható felhajtóerő növekszik, így a kiszorító a rúd szemszögéből könnyebbnek tűnik. A rúdnak ez a látszólagos súlyváltozás okozta enyhe mozgása tehát a folyadék szintjét jelzi.

Most képzeld el, hogy egy hosszú lyukat fúrsz a rúdba hosszában, amely majdnem eléri a kar csatlakozási pontját. Más szóval, képzelj el egy zsáklyuk a rúd közepén keresztül, a karimától kezdve és a kar előtt befejezve:

Ennek a hosszú furatnak a jelenléte nem változtat sokat az összeszerelés viselkedésén, talán csak a rúd rugóállandóját változtatja meg. Kevésbé tömör fém esetén a rúd gyengébb rugójú lesz, és nagyobb mértékben csavarodik a kar végére kifejtett súly hatására. Ami azonban a jelen megbeszélés szempontjából még fontosabb, a hosszú furat a rudat egy ...-vá alakítja. cső lezárt véggel. A „torziós rúd” helyett a rudat most helyesebben „torziós rúdnak” nevezik. nyomatékcső, a kar végére helyezett súllyal enyhén elcsavarodva.

Annak érdekében, hogy a nyomatékcső függőleges támasztást kapjon, és ne ereszkedjen le az alkalmazott súly hatására, egy tartószerkezetre van szükség. késélcsapágy gyakran a kar vége alá helyezik, ahol a nyomatékcsőhöz csatlakozik. Ennek a forgáspontnak a célja, hogy függőleges támasztást biztosítson a súlynak, miközben gyakorlatilag súrlódásmentes forgáspontot képez, biztosítva, hogy a nyomatékcsőre ható egyetlen terhelés a nyomaték a karról:

Végül képzeljünk el egy másik tömör fémrudat (amelynek átmérője valamivel kisebb, mint a furaté), amelyet ponthegesztéssel rögzítünk a vakfurat túlsó végéhez, és amely túlnyúlik a karima végén:

Ennek a kisebb átmérőjű rúdnak a célja, hogy a nyomatékcső túlsó végének csavaró mozgását a karimán túlra, egy olyan pontra vigye át, ahol az érzékelhető. Képzeljük el, hogy a karima egy függőleges falhoz van rögzítve, miközben egy változó súly lefelé húzza a kar végét. A nyomatékcső a változó erő hatására csavaró mozgást végez, de most már láthatjuk, mennyire csavarodik, ha megfigyeljük a falhoz közelebb eső kisebb rúd forgását. A súlyt és a kart teljesen elrejtheti a fal a szemünk elől, de a kis rúd csavaró mozgása ennek ellenére felfedi, hogy a nyomatékcső mennyire enged a súly erejének.

Ezt a nyomatékcső-mechanizmust alkalmazhatjuk a folyadékszint mérésére egy nyomás alatt álló tartályban úgy, hogy a súlyt egy kiszorítóval helyettesítjük, a peremet a tartályhoz hegesztett fúvókához rögzítjük, és egy mozgásérzékelő eszközt a kis rúd végéhez igazítunk, hogy megmérjük annak forgását. Ahogy a folyadékszint emelkedik és süllyed, a kiszorító látszólagos súlya változik, ami a nyomatékcső enyhe elcsavarodását okozza. Ezt az enyhe csavaró mozgást ezután a kis rúd végén érzékeljük, a technológiai folyadék nyomásától elszigetelt környezetben.

Egy Fisher „Level-Trol” szinttávadó valódi nyomatékcsövének fényképe mutatja a külső megjelenését:

A sötét színű fém az a rugalmas acél, amely torziós rugóként működik, és a súly felfüggesztésére szolgál, míg a fényes rész a mozgás átvitelére használt belső rúd. Amint látható, maga a nyomatékcső átmérője nem túl széles. Ha az lenne, akkor túl merev rugó lenne ahhoz, hogy egy kiszorító típusú szintezőműszerben praktikusan használható legyen, mivel a kiszorító általában nem túl nehéz, és a kar sem hosszú.

A nyomatékcső mindkét végét közelebbről megvizsgálva látható a nyitott vég, ahol a kis átmérőjű rúd kiáll (balra), és a cső „vak” vége, ahol a karhoz csatlakozik (jobbra):

Ha hosszában kettévágnánk a nyomatékcső-szerelvényt, a keresztmetszete valahogy így nézne ki:

A következő ábra a nyomatékcsövet egy teljes elmozdulás-szerű szinttávadó részeként mutatja be:

Amint az ábrán látható, a nyomatékcső három különböző célt szolgál, ha kiszorító típusú szintmérési alkalmazásban alkalmazzák: (1) torziós rugóként működik, amely felfüggeszti a kiszorító súlyát, (2) lezárja a technológiai folyadék nyomását a helyzetérzékelő mechanizmustól, és (3) átadja a mozgást a nyomatékcső túlsó végéről az érzékelő mechanizmusnak.

A pneumatikus szinttávadókban a nyomatékcső csavaró mozgását pneumatikus (légnyomás) jellé alakító érzékelő mechanizmus jellemzően a következő: mozgás-egyensúly kialakítás. A Fisher Level-Trol mechanizmus például egy C alakú bourdon csövet használ, amelynek végén egy fúvóka található, amely a kis rúdhoz rögzített terelőlemezt követi. A bourdon cső közepe egy vonalban van a nyomatékcső közepével. Ahogy a rúd forog, a terelőlemez a bourdon cső hegyénél lévő fúvóka felé halad, ami ellennyomás növekedését okozza, ami viszont a bourdon cső hajlását okozza. Ez a hajlékonyság elhúzza a fúvókát az előrehaladó terelőlemeztől, amíg kiegyensúlyozott állapot nem áll fenn. A rúd mozgását tehát a bourdon cső mozgása egyensúlyozza ki, így ez egy mozgáskiegyensúlyozó pneumatikus rendszer:

Elmozduláshatár-szint mérés

A kiszorító szintmérők ugyanúgy használhatók folyadék-folyadék határfelületek mérésére, mint a hidrosztatikus nyomásmérők. Az egyik fontos követelmény, hogy a kiszorító mindig teljesen elmerüljön („elárasztva”). Ha ezt a szabályt megsértik, a műszer nem lesz képes különbséget tenni az alacsony (teljes) folyadékszint és az alacsony határfelületi szint között. Ez a kritérium analóg a kompenzált lábú differenciálnyomás-mérők folyadék-folyadék határfelületi szintek mérésére való használatával: ahhoz, hogy a műszer kizárólag a határfelületi szint változásaira reagáljon, és ne „tévessze meg” a teljes folyadékszint változása, mindkét folyamatcsatlakozási pontot elmerülve kell tartani.

Ha a kiszorító műszernek saját „ketrece” van, fontos, hogy a ketrecet a technológiai tartállyal összekötő mindkét cső (néha „fúvókáknak” is nevezik) elmerüljön. Ez biztosítja, hogy a ketrecben lévő folyadékfelület illeszkedjen a tartályban lévő felülethez. Ha a felső fúvóka kiszárad, ugyanaz a probléma fordulhat elő egy ketreces kiszorító műszerrel, mint egy „nézőüveges” szintmérővel (lásd a 4. szakaszt). [interfész_hiba] oldalon található a probléma részletes magyarázata).

Egy kiszorító elemre ható felhajtóerő kiszámítása két folyadék kombinációja miatt nem olyan nehéz, mint amilyennek hangzik. Arkhimédész elve továbbra is érvényes: a felhajtóerő megegyezik a kiszorított folyadék(ok) súlyával. A felhajtóerő kiszámításához mindössze annyit kell tennünk, hogy kiszámítjuk a kiszorított folyadékok együttes súlyát és térfogatát. Egyetlen folyadék esetében a felhajtóerő megegyezik a folyadék súlysűrűségével ($c$) szorozva a kiszorított térfogattal ($\mathrm{Be}$):

$$F_{b\mathrm{ban}a\mathrm{és}\mathrm{egy}nt}=c\mathrm{Be}$$

Két folyadék közötti határfelület esetén a felhajtóerő megegyezik a két kiszorított folyadék súlyának összegével, ahol minden folyadék súlytag megegyezik a folyadék súlysűrűségének és a folyadék kiszorított térfogatának szorzatával:

$$F_{b\mathrm{ban}a\mathrm{és}\mathrm{egy}nt}=c_1{\mathrm{Be}}_1+c_2{\mathrm{Be}}_2$$

Feltételezve, hogy egy kiszorító keresztmetszeti területe teljes hosszában állandó, az egyes folyadékok kiszorításához szükséges térfogat egyszerűen megegyezik ugyanazzal a területtel ($p{r}^2$) szorozva a folyadékba merített kiszorító hosszával:

$$F_{b\mathrm{ban}a\mathrm{és}\mathrm{egy}nt}=c_{1}p{r}^2{l}_1+c_{2}p{r}^2{l}_2$$

Mivel a terület ($p{r}^2$) mindkét felhajtóerő-tag közös ebben az egyenletben, az egyszerűség kedvéért kihagyhatjuk a tényezőkből:

$$F_{b\mathrm{ban}a\mathrm{és}\mathrm{egy}nt}=p{r}^2(c_1{l}_1+c_2{l}_2)$$

Egy kiszorító típusú szintmérő kalibrációs pontjainak meghatározása interfész alkalmazásokhoz viszonylag egyszerű, ha az LRV és URV feltételeket két „gondolatkísérletként” vizsgáljuk, ahogyan azt a hidrosztatikus interfész szintméréssel is tettük. Először elképzeljük, hogyan „nézne ki” a kiszorító állapota az alsó tartományú interfész esetén, majd egy másik forgatókönyvet képzelünk el a felső tartományú interfész esetén. Az áttekinthetőség kedvéért ajánlott az egyes forgatókönyvek illusztrációinak vázlatos elkészítése.

Tegyük fel, hogy van egy kiszorító műszerünk, amely két, 0,850 és 1,10 fajsúlyú folyadék közötti határfelületi szintet méri, a kiszorító hossza 30 hüvelyk (76 cm), átmérője pedig 2,75 hüvelyk (sugár = 1,375 hüvelyk). Tegyük fel továbbá, hogy az LRV (alacsonyabb referenciaérték) ebben az esetben az a pont, ahol a határfelület a kiszorító alján van, az URV pedig az a pont, ahol a határfelület a kiszorító tetején van. Az LRV és URV határfelületi szintek elhelyezése a kiszorító hosszának szélső pontjain leegyszerűsíti az LRV és URV számításainkat, mivel az LRV „gondolatkísérlet” egyszerűen az lesz, hogy a kiszorító teljesen elmerül a könnyű folyadékban, az URV „gondolatkísérlet” pedig egyszerűen az lesz, hogy a kiszorító teljesen elmerül a nehéz folyadékban.

Az LRV felhajtóerő kiszámítása:

$$F_{b\mathrm{ban}a\mathrm{és}\mathrm{egy}nt}\text{ (Latin-Amerika)}=c_2\mathrm{Be}=c_{2}p{r}^{2}l$$

Az URV felhajtóerő kiszámítása:

$$F_{b\mathrm{ban}a\mathrm{és}\mathrm{egy}nt}\text{ (URV)}=c_1\mathrm{Be}=c_{1}p{r}^{2}l$$

A hipotetikus példa tényleges számításait mutatjuk be:

$$c_1=\left(\mathrm{62,4}\frac{\text{font}}{{\text{láb}}^3}\right)(1.10)=\mathrm{68,6}\frac{\text{font}}{{\text{láb}}^3}=\mathrm{0,0397}\frac{\text{font}}{{\text{ban}}^3}$$

$$c_2=\left(\mathrm{62,4}\frac{\text{font}}{{\text{láb}}^3}\right)(\mathrm{0,85})=\mathrm{53,0}\frac{\text{font}}{{\text{láb}}^3}=\mathrm{0,0307}\frac{\text{font}}{{\text{ban}}^3}$$

$$F_{b\mathrm{ban}a\mathrm{és}\mathrm{egy}nt}\text{ (Latin-Amerika)}=\left(\mathrm{0,0307}\frac{\text{font}}{{\text{ban}}^3}\right)p(1.375\text{ ban}{)}^2(30\text{ ban})=5.47\text{ font}$$

$$F_{b\mathrm{ban}a\mathrm{és}\mathrm{egy}nt}\text{ (URV)}=\left(\mathrm{0,0397}\frac{\text{font}}{{\text{ban}}^3}\right)p(1.375\text{ ban}{)}^2(30\text{ ban})=7.08\text{ font}$$

Az LRV (0%) és URV (100%) közötti bármely mérési százalékhoz tartozó felhajtóerő interpolációval számítható ki: