Недоволство инструменти на ниво експлоатиране Принципът на Архимед за откриване на нивото на течността чрез непрекъснато измерване на теглото на обект (наречен недоволство) потопен в технологичната течност. С повишаване на нивото на течността, изместващият елемент изпитва по-голяма плаваща сила, което го прави да изглежда по-лек за сензора, който интерпретира загубата на тегло като повишаване на нивото и предава пропорционален изходен сигнал.

Недоволство инструменти за ниво

На практика, нивомерът с изместващ елемент обикновено приема следната форма. За по-голяма простота, технологичните тръбопроводи в и извън съда са пропуснати – показани са само съдът и неговият нивомер с изместващ елемент:

Недоволство инструменти за нивоСамата тя обикновено е запечатана метална тръба, достатъчно утежнена, така че да не може да плува в технологичната течност. Тя виси в тръба, наречена „клетка“, свързана с технологичния съд чрез два блокови клапана и дюзи. Тези две тръбни връзки гарантират, че нивото на течността в клетката съответства на нивото на течността в технологичния съд, подобно на наблюдателно стъкло.

Ако нивото на течността в технологичния съд се повиши, нивото на течността в клетката ще се повиши съответно. Това ще потопи по-голяма част от обема на изместващия елемент, което ще доведе до упражняване на плаваща сила нагоре върху него. Не забравяйте, че изместващият елемент е твърде тежък, за да плава, така че той не се „люлее“ на повърхността на течността, нито се издига със същото количество, колкото нивото на течността – по-скоро той виси на място вътре в клетката, ставайки „по-лек“ с увеличаване на плаващата сила. Механизмът за отчитане на теглото открива тази плаваща сила, когато усети, че изместващият елемент става по-лек, интерпретирайки намаленото (видимо) тегло като увеличение на нивото на течността. Видимото тегло на изместващия елемент достига минимум, когато е напълно потопен, когато технологичната течност е достигнала точката от 100% вътре в клетката.

Трябва да се отбележи, че статичното налягане вътре в съда ще има незначителен ефект върху точността на изместващия инструмент. Единственият фактор, който има значение, е плътността на технологичния флуид, тъй като силата на плаваемост е право пропорционална на плътността на флуида ($Ф=вВ$).

Следната снимка показва пневматичен предавател Фишър модел „Ниво-Трол“, измерващ нивото на кондензат в нокаутен барабан за обслужване на природен газ. Самият инструмент се показва от дясната страна на снимката, увенчан със сива „глава“ с два видими пневматични манометра. „Клетката“ на изместващия механизъм е вертикалната тръба непосредствено зад и под главния модул. Обърнете внимание, че от лявата страна на избиващата камера (или) се вижда нивомер с зрително стъкло кондензатен ботуш) за визуална индикация на нивото на кондензата вътре в технологичния съд:

Целта на този конкретен изместващ инструмент е да измерва количеството кондензатна течност, събрана вътре в „ботуша“. Този модел Фишър Ниво-Трол е оборудван с пневматичен контролер, който изпраща сигнал за въздушно налягане към дренажен клапан, за да се източи автоматично кондензатът от ботуша.

Тук са показани две снимки на разглобен изместващ инструмент Ниво-Трол, показващи как изместващият инструмент се вписва в тръбата на клетката:

Тръбата на клетката е свързана с технологичния съд чрез два блокови клапана, което позволява изолиране от процеса. Дренажен клапан позволява изпразването на клетката от технологична течност за обслужване на инструмента и калибриране на нулата.

Някои сензори за ниво от изместващ тип не използват клетка, а по-скоро окачват изместващия елемент директно в технологичния съд. Те се наричат ​​„безклетъчни“ сензори. Разбира се, безклетъчните инструменти са по-прости от инструментите от клетъчния тип, но не могат да бъдат обслужвани без намаляване на налягането (и евентуално дори изпразване) на технологичния съд, в който се намират. Те са също така податливи на грешки в измерването и „шум“, ако течността вътре в съда се разбърква, било то от високи скорости на потока в и извън съда, или от действието на моторно въртящи се лопатки, монтирани в съда, за да осигурят цялостно смесване на технологичната(ите) течност(и).

Калибрирането в пълен обхват може да се извърши чрез наводняване на клетката с технологична течност (a мокър калибриране) или чрез окачване на изместващия механизъм с връв и прецизна скала (a сух калибриране), издърпване нагоре на изместващия елемент с точното количество, за да се симулира плаваемост при 100% ниво на течността:

Изчисляването на тази плаваща сила е проста задача. Според принципа на Архимед, плаващата сила винаги е равна на теглото на изместения обем течност. В случай на нивелир, базиран на изместващ елемент, в пълен обхват това обикновено означава, че целият обем на изместващия елемент е потопен в течността. Просто изчислете обема на изместващия елемент (ако е цилиндър, $В=\mathrm{стр.}{р}^2л$, където $р$ е радиусът на цилиндъра и $л$ е дължината на цилиндъра) и умножете този обем по плътността на теглото ($в$):

$${Ф}_{бв\mathrm{на}иант}=вВ$$

$${Ф}_{бв\mathrm{на}иант}=в\mathrm{стр.}{р}^2л$$

Например, ако плътността на технологичния флуид е 57,3 паунда на кубичен фут и изместващият елемент е цилиндър с диаметър 3 инча и дължина 24 инча, необходимата сила за симулиране на състояние на плаваемост при пълно ниво може да се изчисли, както следва:

$$в=\left(\frac{\text{57,3 фунта}}{{\text{фута}}^3}\right)\left(\frac{{\text{1 фут}}^3}{{12}^3{\text{ в}}^3}\right)=\mathrm{0,0332}\frac{\text{фунт}}{{\text{в}}^3}$$

$$В=\mathrm{стр.}{р}^2л=\mathrm{стр.}(1.5\text{ в}{)}^2(24\text{ в})=169.6{\text{ в}}^3$$

$${Ф}_{бв\mathrm{на}иант}=вВ=\left(\mathrm{0,0332}\frac{\text{фунт}}{{\text{в}}^3}\right)\left(169.6{\text{ в}}^3\right)=5.63\text{ фунт}$$

Обърнете внимание колко е важно да се поддържа постоянство на мерните единици! Плътността на течността е дадена в единици паундове на кубичен метър. крак и размерите на изместителя в инчове, което би причинило сериозни проблеми без преобразуване между футове и инчове. В моята примерна работа избрах да преобразувам плътността в единици паундове на кубичен инч, но можех също толкова лесно да преобразувам размерите на изместващия елемент във футове, за да получа обем на изместващия елемент в единици кубически футове.

При „мокро“ калибриране, плаваемата сила от 5,63 паунда ще бъде създадена от самата течност, като техникът се уверява, че има достатъчно течност вътре в клетката, за да симулира състояние на 100% ниво. При „сухо“ калибриране, плаваемата сила ще бъде симулирана чрез опън, приложен нагоре върху изместващия елемент с ръчна везна и връв, като техникът дърпа нагоре със сила от 5,63 паунда, за да накара инструмента да „мисли“, че отчита 100% ниво на течността, когато всъщност изместващият елемент е напълно сух, висящ във въздуха.

Тормозни тръби Недоволство инструменти за ниво

Интересен конструктивен проблем за нивомерите от изместващ тип е как да се прехвърли усетеното тегло на изместващия елемент към механизма на предавателя, като същевременно се уплътни налягането на технологичните пари от същия този механизъм. Най-често срещаното решение на този проблем е гениален механизъм, наречен торсионна тръбаЗа съжаление, торсионните тръби могат да бъдат доста трудни за разбиране, освен ако нямате директен практически достъп до такава, така че този раздел ще разгледа концепцията по-подробно, отколкото е обичайно налично в справочните ръководства.

Представете си плътен, хоризонтален метален прът с фланец в единия край и перпендикулярен лост в другия край. Фланецът е монтиран към неподвижна повърхност, а тежест е окачена на края на лоста. Пунктирана линия показва къде прътът е заварен към центъра на фланеца:

Силата надолу от тежестта, действаща върху лоста, предава усукваща сила (въртящ момент) на пръта, карайки го леко да се усуква по дължината си. Колкото повече тежест е окачена в края на лоста, толкова повече ще се усуква прътът. Докато въртящият момент, приложен от тежестта и лоста, никога не надвишава границата на еластичност на пръта, прътът ще продължи да действа като пружина. Ако знаем „константата на пружината“ на пръта и измерим неговото усукващо отклонение, всъщност можем да използваме това леко движение, за да измерим големината на тежестта, окачена в края на лоста.

Приложен към нивелир тип „буксир“, буксирът замества тежестта в края на лоста, като торсионното отклонение на този прът служи за индикация за сила на изтласкване. С издигането на течността, силата на изтласкване върху буксира се увеличава, което го прави да изглежда по-лек от гледна точка на пръта. Лекото движение на пръта, произтичащо от тази видима промяна в теглото, следователно показва нивото на течността.

Сега си представете, че пробивате дълъг отвор през пръта, по дължина, който почти достига до края, където се закрепва лостът. С други думи, представете си сляпа дупка през центъра на пръта, започвайки от фланеца и завършвайки точно под лоста:

Наличието на този дълъг отвор не променя много поведението на сглобката, освен може би да промени константата на пружината на пръта. С по-малко плътен метал, прътът ще бъде по-слаба пружина и ще се усуква в по-голяма степен с приложената тежест в края на лоста. По-важното за целите на това обсъждане обаче е, че дългият отвор превръща пръта в... тръба със запечатан край. Вместо да бъде „торсионна греда“, прътът сега е по-правилно да се нарича торсионна тръба, усуквайки се съвсем леко с приложената тежест в края на лоста.

За да се осигури вертикална опора на торсионната тръба, така че да не се свлича надолу под приложеното тегло, се използва опора. лагер с острие на нож често се поставя под края на лоста, където се закрепва към торсионната тръба. Целта на тази опорна точка е да осигури вертикална опора за тежестта, като същевременно образува практически безтриеща се точка на въртене, гарантираща, че единственото напрежение, приложено към торсионната тръба, е въртящ момент от лоста:

Накрая, представете си друг плътен метален прът (малко по-малък диаметър от отвора), заварен точково към далечния край на глухия отвор, простиращ се отвъд края на фланеца:

Целта на този прът с по-малък диаметър е да прехвърли въртящото се движение на далечния край на торсионната тръба до точка след фланеца, където може да се усети. Представете си фланец, закрепен към вертикална стена, докато променлива тежест дърпа надолу в края на лоста. Торсионната тръба ще се огъне в въртящо се движение с променливата сила, но сега можем да видим колко точно се усуква, като наблюдаваме въртенето на по-малкия прът от близката страна на стената. Тежестта и лостът може да са напълно скрити от погледа ни от тази стена, но въртящото се движение на малкия прът въпреки това разкрива доколко торсионната тръба се поддава на силата на тежестта.

Можем да приложим този механизъм с торсионна тръба към задачата за измерване на нивото на течността в съд под налягане, като заменим тежестта с изместващ елемент, прикрепим фланеца към дюза, заварена към съда, и подравним устройство за измерване на движение с края на малкия прът, за да измерим неговото въртене. С покачването и спадането на нивото на течността, видимото тегло на изместващия елемент се променя, което води до леко усукване на торсионната тръба. Това леко усукващо движение след това се усеща в края на малкия прът, в среда, изолирана от налягането на технологичния флуид.

Снимка на истинска торсионна тръба от нивомер Фишър „Ниво-Трол“ показва външния ѝ вид:

Тъмно оцветеният метал е еластичната стомана, използвана за окачване на тежестта, действайки като торсионна пружина, докато лъскавата част е вътрешният прът, използван за предаване на движение. Както можете да видите, самата торсионна тръба не е с много голям диаметър. Ако беше, тя би била твърде твърда пружина, за да бъде практически използвана в нивелир тип „буксир“, тъй като буксирът обикновено не е много тежък, а лостът не е дълъг.

Поглеждайки по-отблизо към всеки край на тръбата с въртящ момент, се виждат отвореният край, където стърчи пръчката с малък диаметър (вляво), и „слепият“ край на тръбата, където тя се закрепва към лоста (вдясно):

Ако разрежем торсионната тръба наполовина по дължина, нейното напречно сечение ще изглежда по следния начин:

Следващата илюстрация показва торсионната тръба като част от цялостен датчик за ниво с изместващ тип:

Както можете да видите от тази илюстрация, торсионната тръба служи за три различни цели, когато се прилага в приложение за измерване на ниво от тип изместващ механизъм: (1) да служи като торсионна пружина, окачваща тежестта на изместващия механизъм, (2) да изолира налягането на технологичния флуид от механизма за отчитане на положението и (3) да прехвърли движението от далечния край на торсионната тръба към сензорния механизъм.

В пневматичните нивомерни предаватели, сензорният механизъм, използван за преобразуване на въртящото се движение на торсионната тръба в пневматичен сигнал (въздушно налягане), обикновено е от баланс на движението Дизайн. Механизмът Фишър Ниво-Трол, например, използва C-образна тръба на Бурдон с дюза в края, която следва преграда, прикрепена към малкия прът. Центърът на тръбата на Бурдон е подравнен с центъра на торсионната тръба. Докато прътът се върти, преградата се придвижва към дюзата на върха на тръбата на Бурдон, което води до повишаване на обратното налягане, което от своя страна кара тръбата на Бурдон да се огъва. Това огъване издърпва дюзата далеч от придвижващата се преграда, докато се постигне балансирано състояние. Следователно движението на пръта се балансира от движението на тръбата на Бурдон, което прави тази пневматична система с балансирано движение:

Измерване на нивото на интерфейса на изместване

Нивомерите с изместващ механизъм могат да се използват за измерване на границите течност-течност, точно както и инструментите за хидростатично налягане. Едно важно изискване е изместващият механизъм винаги да е напълно потопен („наводнен“). Ако това правило бъде нарушено, инструментът няма да може да прави разлика между ниско (общо) ниво на течността и ниско ниво на границата на разделяне. Този критерий е аналогичен на използването на инструменти за диференциално налягане с компенсиран крак за измерване на нивата на границата течност-течност: за да може инструментът да реагира единствено на промените в нивото на границата на разделяне и да не бъде „заблуден“ от промените в общото ниво на течността, и двете точки на свързване към процеса трябва да бъдат потопени.

Ако изместващият инструмент има собствена „клетка“, важно е и двете тръби, свързващи клетката с технологичния съд (понякога наричани „дюзи“), да бъдат потопени. Това гарантира, че интерфейсът на течността вътре в клетката съвпада с интерфейса вътре в съда. Ако горната дюза някога се изсуши, същият проблем може да възникне при изместващ инструмент с клетка, както и при нивомер с „контролно стъкло“ (вижте раздел [проблеми_с_интерфейса] започвайки на страница за подробно обяснение на този проблем.).

Изчисляването на плаваемата сила върху изместващ елемент, дължаща се на комбинация от две течности, не е толкова трудно, колкото може да звучи. Принципът на Архимед все още е валиден: плаваемата сила е равна на теглото на изместената(ите) течност(и). Всичко, което трябва да направим, е да изчислим комбинираните тегла и обеми на изместените течности, за да изчислим плаваемата сила. За една течност, плаваемата сила е равна на тегловната плътност на тази течност ($в$) умножено по изместения обем ($В$):

$${Ф}_{бв\mathrm{на}иант}=вВ$$

За интерфейс между две течности, силата на плаваемост е равна на сумата от двете изместени тегла на течностите, като всеки член на теглото на течността е равен на плътността на теглото на тази течност, умножена по изместения обем на тази течност:

$${Ф}_{бв\mathrm{на}иант}={в}_1{В}_1+{в}_2{В}_2$$

Ако приемем, че изместващият елемент е с постоянна площ на напречното сечение по цялата му дължина, обемът за изместване на всяка течност е просто равен на същата площ ($\mathrm{стр.}{р}^2$) умножено по дължината на изместващия елемент, потопен в тази течност:

$${Ф}_{бв\mathrm{на}иант}={в}_1\mathrm{стр.}{р}^2{л}_1+{в}_2\mathrm{стр.}{р}^2{л}_2$$

Тъй като районът ($\mathrm{стр.}{р}^2$) е общо за двата члена на плаваемостта в това уравнение, можем да го извадим от множители за по-голяма простота:

$${Ф}_{бв\mathrm{на}иант}=\mathrm{стр.}{р}^2({в}_1{л}_1+{в}_2{л}_2)$$

Определянето на калибровъчните точки на нивелир тип „изместващ“ за приложения на интерфейса е сравнително лесно, ако условията на LRV (лоша въздушна скорост) и УВР (горна въздушна скорост) се изследват като двойка „мисловни експерименти“, точно както направихме с хидростатичното измерване на нивото на интерфейса. Първо, представяме си как би „изглеждало“ състоянието на изместващия се с интерфейса на долната стойност на диапазона, след което си представяме различен сценарий с интерфейса на горната стойност на диапазона. За по-голяма яснота се препоръчва скициране на илюстрации на всеки сценарий.

Да предположим, че имаме изместващ инструмент, измерващ нивото на границата на раздела между две течности със специфични тегла от 0,850 и 1,10, с дължина на изместващия елемент от 30 инча и диаметър от 2,75 инча (радиус = 1,375 инча). Нека предположим допълнително, че LRV (линия на допустимото отклонение) в този случай е мястото, където границата на раздела е в долната част на изместващия елемент, а УРВ (крайна граница на допустимото отклонение) е мястото, където границата на раздела е в горната част на изместващия елемент. Разположението на нивата на границата LRV и УРВ в крайните краища на дължината на изместващия елемент опростява нашите изчисления за LRV и УРВ, тъй като „мисловният експеримент“ на LRV (Лаборатория за ниско натоварване) ще бъде просто изместващият елемент, напълно потопен в лека течност, а „мисловният експеримент“ на УВР ще бъде просто изместващият елемент, напълно потопен в тежка течност.

Изчисляване на плаващата сила на LRV (Лаборатория за ниско натоварване):

$${Ф}_{бв\mathrm{на}иант}\text{ (Латинска Америка)}={в}_2В={в}_2\mathrm{стр.}{р}^2л$$

Изчисляване на плаващата сила на УВР:

$${Ф}_{бв\mathrm{на}иант}\text{ (УВР)}={в}_1В={в}_1\mathrm{стр.}{р}^2л$$

Показване на действителните изчисления за този хипотетичен пример:

$${в}_1=\left(62.4\frac{\text{фунт}}{{\text{фута}}^3}\right)(1.10)=68.6\frac{\text{фунт}}{{\text{фута}}^3}=\mathrm{0,0397}\frac{\text{фунт}}{{\text{в}}^3}$$

$${в}_2=\left(62.4\frac{\text{фунт}}{{\text{фута}}^3}\right)(0.85)=53.0\frac{\text{фунт}}{{\text{фута}}^3}=\mathrm{0,0307}\frac{\text{фунт}}{{\text{в}}^3}$$

$${Ф}_{бв\mathrm{на}иант}\text{ (Латинска Америка)}=\left(\mathrm{0,0307}\frac{\text{фунт}}{{\text{в}}^3}\right)\mathrm{стр.}(1.375\text{ в}{)}^2(30\text{ в})=5.47\text{ фунт}$$

$${Ф}_{бв\mathrm{на}иант}\text{ (УВР)}=\left(\mathrm{0,0397}\frac{\text{фунт}}{{\text{в}}^3}\right)\mathrm{стр.}(1.375\text{ в}{)}^2(30\text{ в})=7.08\text{ фунт}$$

Плаваемостта за всеки процент на измерване между LRV (0%) и УВР (100%) може да се изчисли чрез интерполация: