Nepatika līmeņa instrumenti izmanto Arhimēda princips lai noteiktu šķidruma līmeni, nepārtraukti mērot objekta svaru (sauktu par neapmierinātība) iegremdēts procesa šķidrumā. Palielinoties šķidruma līmenim, izspiedējs izjūt lielāku peldspēju, tāpēc sensors to uztver vieglāku, un tas interpretē svara zudumu kā līmeņa pieaugumu un pārraida proporcionālu izejas signālu.

Nepatika līmeņa instrumenti

Praksē izspiedēja līmeņa instruments parasti ir šādā formā. Vienkāršības labad nav parādītas procesa cauruļvadu sistēmas ieejas un izejas no tvertnes — parādīts tikai trauks un tā izspiedēja līmeņa instruments:

Nepatika līmeņa instrumentiPats par sevi parasti ir noslēgta metāla caurule, kas ir pietiekami nosvērta, lai tā nevarētu peldēt procesa šķidrumā. Tā karājas caurulē, ko sauc par "būru" un kas savienota ar procesa trauku caur diviem blokvārstiem un sprauslām. Šie divi cauruļu savienojumi nodrošina, ka šķidruma līmenis būrī atbilst šķidruma līmenim procesa traukā, līdzīgi kā novērošanas stikls.

Ja šķidruma līmenis procesa traukā paaugstinās, šķidruma līmenis būrī paaugstinās atbilstoši. Tas iegremdēs lielāku izspiedēja tilpuma daļu, izraisot peldspējas iedarbināšanu uz augšu. Atcerieties, ka izspiedējs ir pārāk smags, lai peldētu, tāpēc tas "nešūpojas" pa šķidruma virsmu un nepaceļas tikpat daudz kā šķidruma līmenis — drīzāk tas karājas savā vietā būra iekšpusē, kļūstot "vieglāks", palielinoties peldspējas spēkam. Svara uztveršanas mehānisms uztver šo peldspējas spēku, kad tas uztver izspiedēja vieglāku pārvietošanos, interpretējot samazināto (šķietamo) svaru kā šķidruma līmeņa pieaugumu. Izspiedēja šķietamais svars sasniedz minimumu, kad tas ir pilnībā iegremdēts, kad procesa šķidrums ir sasniedzis 100% punktu būra iekšpusē.

Jāatzīmē, ka statiskais spiediens trauka iekšpusē niecīgi ietekmēs izspiedējinstrumenta precizitāti. Vienīgais svarīgais faktors ir procesa šķidruma blīvums, jo peldspēja ir tieši proporcionāla šķidruma blīvumam ($F=c\mathrm{Iekšā}$).

Šajā fotoattēlā redzams Fišera “Level-Trol” modeļa pneimatiskais raidītājs, kas mēra kondensāta līmeni nokauta bungas dabasgāzes pakalpojumam. Pats instruments ir redzams fotoattēla labajā pusē, un tā augšpusē ir pelēka “galva” ar diviem pneimatiskiem spiediena mērītājiem. Izspiedēja “būris” ir vertikālā caurule tieši aiz un zem galvas bloka. Ņemiet vērā, ka izslēgšanas kameras (vai kondensāta zābaks) kondensāta līmeņa vizuālai norādei procesa traukā:

Šī konkrētā izspiedēja instrumenta mērķis ir izmērīt kondensāta šķidruma daudzumu, kas savākts “zābakā”. Šis Fisher Level-Trol modelis ir aprīkots ar pneimatisko vadības mehānismu, kas nosūta gaisa spiediena signālu uz iztukšošanas vārstu, lai automātiski iztukšotu kondensātu no zābaka.

Šeit redzamas divas izjaukta Level-Trol izspiedēja instrumenta fotogrāfijas, kurās parādīts, kā izspiedējs iederas korpusa caurulē:

Būra caurule ir savienota ar procesa trauku caur diviem blokvārstiem, kas ļauj to izolēt no procesa. Iztukšošanas vārsts ļauj iztukšot būru no procesa šķidruma instrumentu apkopei un nulles kalibrēšanai.

Daži izspiedējelementa tipa līmeņa sensori neizmanto korpusu, bet gan izspiedējelementu piestiprina tieši procesa traukā. Tos sauc par "bezkorpusa" sensoriem. Bezkorpusa instrumenti, protams, ir vienkāršāki nekā korpusa tipa instrumenti, taču tos nevar apkalpot, neatlaižot spiedienu (un, iespējams, pat neiztukšojot) procesa trauku, kurā tie atrodas. Tie ir arī uzņēmīgi pret mērījumu kļūdām un "troksni", ja šķidrums traukā tiek maisīts, vai nu ar lielu plūsmas ātrumu traukā un ārpus tā, vai ar motora rotējošu lāpstiņriteņu darbību, kas uzstādīti traukā, lai nodrošinātu rūpīgu procesa šķidruma(-u) sajaukšanu.

Pilna diapazona kalibrēšanu var veikt, pārpludinot korpusu ar procesa šķidrumu (a slapjš kalibrēšanu) vai piekarinot izspiedēju ar auklu un precīzu skalu (a sauss kalibrēšana), pavelkot uz augšu izspiedēju tieši pareizajā daudzumā, lai simulētu peldspēju 100% šķidruma līmenī:

Šī peldspējas aprēķināšana ir vienkārša. Saskaņā ar Arhimēda principu peldspēja vienmēr ir vienāda ar izspiestā šķidruma tilpuma svaru. Izspiedēja līmeņa instrumenta gadījumā pilnā diapazonā tas parasti nozīmē, ka viss izspiedēja elementa tilpums ir iegremdēts šķidrumā. Vienkārši aprēķiniet izspiedēja tilpumu (ja tas ir cilindrs, $\mathrm{Iekšā}=\mathrm{lpp.}{r}^{2}l$, kur $r$ ir cilindra rādiuss un $l$ ir cilindra garums) un reiziniet šo tilpumu ar svara blīvumu ($c$):

$$F_{b\mathrm{iekšā}\mathrm{tas}\mathrm{un}ant}=c\mathrm{Iekšā}$$

$$F_{b\mathrm{iekšā}\mathrm{tas}\mathrm{un}ant}=c\mathrm{lpp.}{r}^{2}l$$

Piemēram, ja procesa šķidruma svara blīvums ir 57,3 mārciņas uz kubikpēdu un izspiedējs ir cilindrs ar 3 collu diametru un 24 collu garumu, nepieciešamo spēku, lai simulētu peldspējas stāvokli pilnā līmenī, var aprēķināt šādi:

$$c=\left(\frac{\text{57,3 mārciņas}}{{\text{pēdas}}^3}\right)\left(\frac{{\text{1 pēda}}^3}{{12}^3{\text{ iekšā}}^3}\right)=\mathrm{0,0332}\frac{\text{mārciņas}}{{\text{iekšā}}^3}$$

$$\mathrm{Iekšā}=\mathrm{lpp.}{r}^{2}l=\mathrm{lpp.}(1.5\text{ iekšā}{)}^2(24\text{ iekšā})=\mathrm{169,6}{\text{ iekšā}}^3$$

$$F_{b\mathrm{iekšā}\mathrm{tas}\mathrm{un}ant}=c\mathrm{Iekšā}=\left(\mathrm{0,0332}\frac{\text{mārciņas}}{{\text{iekšā}}^3}\right)\left(\mathrm{169,6}{\text{ iekšā}}^3\right)=5.63\text{ mārciņas}$$

Ievērojiet, cik svarīgi ir saglabāt mērvienību konsekvenci! Šķidruma blīvums tika norādīts mārciņās uz kubikmetru. pēda un izspiedēja izmēri collas, kas bez pēdu un collu pārvēršanas būtu radījis nopietnas problēmas. Savā piemēra darbā es izvēlējos pārvērst blīvumu mārciņās uz kubikcollu, bet es tikpat viegli varēju pārvērst izspiedēja izmērus pēdās, lai iegūtu izspiedēja tilpumu kubikpēdu vienībās.

“Mitrajā” kalibrēšanā 5,63 mārciņu peldspējas spēku radīs pats šķidrums, tehniķim nodrošinot, ka būrī ir pietiekami daudz šķidruma, lai simulētu 100 % līmeņa stāvokli. “Sausajā” kalibrēšanā peldspējas spēku simulēs ar spriegumu, kas tiek pielikts uz augšu uz izspiedēju ar rokas svariem un auklu, tehniķim velkot ar 5,63 mārciņu augšupvērstu spēku, lai instruments “domātu”, ka tas uztver 100 % šķidruma līmeni, lai gan patiesībā izspiedējs ir pilnīgi sauss un karājas gaisā.

Griezes momenta caurules Nepatika līmeņa instrumenti

Interesanta konstrukcijas problēma pārvietošanas tipa līmeņa raidītājiem ir tas, kā pārnest pārvietošanas ierīces uztverto svaru uz raidītāja mehānismu, vienlaikus pozitīvi noblīvējot procesa tvaika spiedienu no tā paša mehānisma. Visizplatītākais šīs problēmas risinājums ir ģeniāls mehānisms, ko sauc par griezes momenta cauruleDiemžēl griezes momenta caurules var būt diezgan grūti izprast, ja vien jums nav tiešas praktiskas piekļuves vienai no tām, tāpēc šajā sadaļā šī koncepcija tiks aplūkota detalizētāk nekā parasti uzziņu rokasgrāmatās.

Iedomājieties cietu, horizontālu metāla stieni ar atloku vienā galā un perpendikulāru sviru otrā galā. Atloks ir piestiprināts pie nekustīgas virsmas, un no sviras gala ir piekārts svars. Ar pārtrauktu līniju iezīmēts aplis parāda vietu, kur stienis ir piemetināts pie atloka centra:

Svara lejupvērstais spēks, kas iedarbojas uz sviru, piešķir stienim vērpes spēku (griezes momentu), liekot tam nedaudz sagriezties visā tā garumā. Jo lielāks svars ir sviras galā, jo vairāk stienis sagriezīsies. Kamēr vien svara un sviras radītais griezes moments nekad nepārsniedz stieņa elastības robežu, stienis turpinās darboties kā atspere. Ja mēs zinām stieņa "atsperes konstanti" un izmērām tā vērpes novirzi, mēs faktiski varam izmantot šo nelielo kustību, lai izmērītu sviras galā piekārtā svara lielumu.

Pielietojot to līmeņa instrumentā ar izspiedēju, tas aizvieto svaru sviras galā, un šī stieņa vērpes novirze norāda uz peldspēju. Šķidrumam paceļoties, peldspēja uz izspiedēju palielinās, padarot to no stieņa perspektīvas vieglāku. Tādējādi stieņa nelielā kustība, kas rodas šīs šķietamās svara izmaiņas rezultātā, norāda uz šķidruma līmeni.

Tagad iedomājieties, ka caur stieni gareniski izurbjat garu caurumu, kas gandrīz sniedzas līdz galam, kur piestiprinās svira. Citiem vārdiem sakot, iedomājieties a akls caurums caur stieņa centru, sākot no atloka un beidzot tieši pie sviras:

Šī garā cauruma klātbūtne daudz nemaina konstrukcijas darbību, izņemot, iespējams, stieņa atsperes konstantes izmaiņas. Ja metāls ir mazāk ciets, stienis būs vājāka atspere un vairāk sagriezīsies, pieliekot svaru sviras galā. Tomēr vēl svarīgāk šīs diskusijas kontekstā ir tas, ka garais caurums pārveido stieni par caurule ar noslēgtu galu. Stieni tagad pareizāk sauc nevis par "vērpes stieni", bet gan par griezes momenta caurule, pavisam nedaudz pagriežoties ar pieliktu svaru sviras galā.

Lai nodrošinātu griezes momenta caurulei vertikālu atbalstu, lai tā nenoslīdētu uz leju pieliktā svara ietekmē, ir nepieciešams atbalsta elements. naža asmens gultnis bieži tiek novietots zem sviras gala, kur tas piestiprinās pie griezes momenta caurules. Šī atbalsta punkta mērķis ir nodrošināt vertikālu atbalstu svaram, vienlaikus veidojot praktiski bezberzes šarnīra punktu, nodrošinot, ka vienīgais spriegums, kas tiek pielikts griezes momenta caurulei, ir griezes moments no sviras:

Visbeidzot, iedomājieties vēl vienu cietu metāla stieni (nedaudz mazāku diametru nekā caurums), kas ir piemetināts pie aklā cauruma tālākā gala un stiepjas ārpus atloka gala:

Šī mazākā diametra stieņa mērķis ir pārnest griezes momenta caurules tālākā gala griešanās kustību uz punktu aiz atloka, kur to varētu sajust. Iedomājieties, ka atloks ir piestiprināts pie vertikālas sienas, kamēr mainīgs svars velk uz leju sviras galā. Griezes momenta caurule locīsies vērpšanas kustībā mainīgā spēka ietekmē, bet tagad mēs varam redzēt, cik ļoti tā griežas, vērojot mazākā stieņa rotāciju sienas tuvākajā pusē. Svars un svira var būt pilnībā paslēpti no mūsu skatiena pie šīs sienas, bet mazā stieņa griešanās kustība tomēr atklāj, cik ļoti griezes momenta caurule padodas svara spēkam.

Šo griezes momenta caurules mehānismu varam izmantot šķidruma līmeņa mērīšanai spiediena traukā, aizstājot svaru ar izspiedēju, piestiprinot atloku pie traukam piemetinātas sprauslas un novietojot kustības uztveršanas ierīci ar mazo stieņa galu, lai mērītu tā rotāciju. Šķidruma līmenim paaugstinoties un krītoties, izspiedēja šķietamais svars mainās, izraisot griezes momenta caurules nelielu griešanos. Šī nelielā griešanās kustība pēc tam tiek uztverta mazā stieņa galā, vidē, kas ir izolēta no procesa šķidruma spiediena.

Fotoattēlā, kas uzņemta ar īstu griezes momenta cauruli no Fišera “Level-Trol” līmeņa devēja, redzams tās ārējais izskats:

Tumšās krāsas metāls ir elastīgais tērauds, ko izmanto svara piekarināšanai, darbojoties kā vērpes atspere, savukārt spīdīgā daļa ir iekšējais stienis, ko izmanto kustības pārnešanai. Kā redzat, pašas griezes momenta caurules diametrs nav īpaši liels. Ja tāda būtu, tās atspere būtu pārāk stingra, lai to praktiski izmantotu pārvietošanas tipa līmeņražos, jo pārvietošanas ierīce parasti nav ļoti smaga un svira nav gara.

Aplūkojot vērīgāk katru griezes momenta caurules galu, atklājas atvērtais gals, kur izvirzās maza diametra stienis (pa kreisi), un caurules "aklais" gals, kur tas piestiprinās pie sviras (pa labi):

Ja mēs pārgrieztu griezes momenta caurules mezglu uz pusēm gareniski, tā šķērsgriezums izskatītos apmēram šādi:

Šajā nākamajā ilustrācijā ir parādīta griezes momenta caurule kā daļa no visa pārvietojuma tipa līmeņa raidītāja:

Kā redzams šajā ilustrācijā, griezes momenta caurulei, ja to izmanto izspiedēja tipa līmeņa mērīšanas lietojumprogrammā, ir trīs atšķirīgi mērķi: (1) kalpot kā vērpes atspere, kas piekarina izspiedēja svaru, (2) izolēt procesa šķidruma spiedienu no pozīcijas noteikšanas mehānisma un (3) pārnest kustību no griezes momenta caurules tālākā gala uz noteikšanas mehānismu.

Pneimatiskos līmeņa raidītājos uztveršanas mehānisms, ko izmanto, lai pārveidotu griezes momenta caurules griešanās kustību pneimatiskā (gaisa spiediena) signālā, parasti ir šāds: kustības līdzsvars konstrukcija. Piemēram, Fišera Level-Trol mehānismā tiek izmantota C veida burdona caurule ar sprauslu galā, kas seko deflektoram, kas piestiprināts pie mazā stieņa. Burdona caurules centrs ir vienā līnijā ar griezes momenta caurules centru. Stienim rotējot, deflektors virzās uz sprauslu burdona caurules galā, izraisot pretspiediena pieaugumu, kas savukārt liek burdona caurulei saliekties. Šī saliekšanās atvelk sprauslu no virzošā deflektora, līdz tiek panākts līdzsvars. Tāpēc stieņa kustību līdzsvaro burdona caurules kustība, padarot šo par kustības līdzsvarošanas pneimatisko sistēmu:

Nobīdes saskarnes līmeņa mērīšana

Izspiedēja līmeņa instrumentus var izmantot šķidruma-šķidruma saskarvirsmu mērīšanai tāpat kā hidrostatiskā spiediena instrumentus. Viena svarīga prasība ir tāda, lai izspiedējs vienmēr būtu pilnībā iegremdēts ("applūdināts"). Ja šis noteikums tiek pārkāpts, instruments nespēs atšķirt zemu (kopējo) šķidruma līmeni no zema saskarvirsmas līmeņa. Šis kritērijs ir analogs kompensētas kājas diferenciālā spiediena instrumentu izmantošanai šķidruma-šķidruma saskarvirsmas līmeņu mērīšanai: lai instruments reaģētu tikai uz saskarvirsmas līmeņa izmaiņām un to neapmānītu kopējā šķidruma līmeņa izmaiņas, abiem procesa savienojuma punktiem jābūt iegremdētiem.

Ja izspiedējinstrumentam ir savs “būris”, ir svarīgi, lai abas caurules, kas savieno būru ar procesa trauku (dažreiz sauktas par “sprauslām”), būtu iegremdētas. Tas nodrošina, ka šķidruma saskarne būra iekšpusē atbilst saskarnei trauka iekšpusē. Ja augšējā sprausla kādreiz izžūst, ar būrī ievietotu izspiedējinstrumentu var rasties tāda pati problēma kā ar “redzes stikla” līmeņa mērītāju (skatiet sadaļu [interfeisa_problēma] (sākot no lappuses, lai iegūtu detalizētu šīs problēmas skaidrojumu).

Peldspējas spēka aprēķināšana uz izspiedējelementu divu šķidrumu kombinācijas dēļ nav tik sarežģīta, kā varētu šķist. Arhimēda princips joprojām ir spēkā: peldspēja ir vienāda ar izspiestā(-o) šķidruma(-u) svaru. Viss, kas mums jādara, ir jāaprēķina izspiesto šķidrumu kopējais svars un tilpums, lai aprēķinātu peldspēju. Vienam šķidrumam peldspēja ir vienāda ar šī šķidruma svara blīvumu ($c$) reizināts ar izspiesto tilpumu ($\mathrm{Iekšā}$):

$$F_{b\mathrm{iekšā}\mathrm{tas}\mathrm{un}ant}=c\mathrm{Iekšā}$$

Divu šķidrumu saskarvirsmai peldspējas spēks ir vienāds ar divu izspiesto šķidrumu svaru summu, katram šķidruma svara loceklim esot vienādam ar šī šķidruma svara blīvumu, kas reizināts ar šī šķidruma izspiestā tilpuma vērtību:

$$F_{b\mathrm{iekšā}\mathrm{tas}\mathrm{un}ant}=c_1{\mathrm{Iekšā}}_1+c_2{\mathrm{Iekšā}}_2$$

Pieņemot, ka izspiedējam ir nemainīgs šķērsgriezuma laukums visā tā garumā, katra šķidruma izspiešanas tilpums ir vienkārši vienāds ar to pašu laukumu ($\mathrm{lpp.}{r}^2$), kas reizināts ar šķidrumā iegremdētā izspiedēja garumu:

$$F_{b\mathrm{iekšā}\mathrm{tas}\mathrm{un}ant}=c_1\mathrm{lpp.}{r}^2{l}_1+c_2\mathrm{lpp.}{r}^2{l}_2$$

Tā kā apgabals ($\mathrm{lpp.}{r}^2$) ir kopīgs abiem peldspējas locekļiem šajā vienādojumā, vienkāršības labad mēs to varam izslēgt:

$$F_{b\mathrm{iekšā}\mathrm{tas}\mathrm{un}ant}=\mathrm{lpp.}{r}^2(c_1{l}_1+c_2{l}_2)$$

Izspiedēja tipa līmeņa instrumenta kalibrēšanas punktu noteikšana saskarnes lietojumprogrammām ir relatīvi vienkārša, ja LRV un URV nosacījumi tiek pārbaudīti kā divi "domu eksperimenti", tāpat kā mēs to darījām ar hidrostatisko saskarnes līmeņa mērījumiem. Vispirms mēs iedomājamies, kā "izskatītos" izspiedēja stāvoklis ar saskarni apakšējā diapazona vērtībā, pēc tam mēs iedomājamies citu scenāriju ar saskarni augšējā diapazona vērtībā. Skaidrības labad ieteicams katra scenārija ilustrācijas skicēt.

Pieņemsim, ka mums ir izspiedēja instruments, kas mēra saskarnes līmeni starp diviem šķidrumiem ar īpatnējo svaru 0,850 un 1,10, ar izspiedēja garumu 30 collas un izspiedēja diametru 2,75 collas (rādiuss = 1,375 collas). Pieņemsim arī, ka šajā gadījumā LRV ir vieta, kur saskarne atrodas izspiedēja apakšā, un URV ir vieta, kur saskarne atrodas izspiedēja augšpusē. LRV un URV saskarnes līmeņu novietojums izspiedēja garuma galējos galos vienkāršo mūsu LRV un URV aprēķinus, jo LRV "domu eksperiments" būs vienkārši izspiedējs, kas pilnībā iegremdēts vieglā šķidrumā, un URV "domu eksperiments" būs vienkārši izspiedējs, kas pilnībā iegremdēts smagā šķidrumā.

LRV peldspējas aprēķināšana:

$$F_{b\mathrm{iekšā}\mathrm{tas}\mathrm{un}ant}\text{ (Latīņamerika)}=c_2\mathrm{Iekšā}=c_2\mathrm{lpp.}{r}^{2}l$$

URV peldspējas aprēķināšana:

$$F_{b\mathrm{iekšā}\mathrm{tas}\mathrm{un}ant}\text{ (URV)}=c_1\mathrm{Iekšā}=c_1\mathrm{lpp.}{r}^{2}l$$

Parādot šī hipotētiskā piemēra faktiskos aprēķinus:

$$c_1=\left(\mathrm{62,4}\frac{\text{mārciņas}}{{\text{pēdas}}^3}\right)(1.10)=\mathrm{68,6}\frac{\text{mārciņas}}{{\text{pēdas}}^3}=\mathrm{0,0397}\frac{\text{mārciņas}}{{\text{iekšā}}^3}$$

$$c_2=\left(\mathrm{62,4}\frac{\text{mārciņas}}{{\text{pēdas}}^3}\right)(\mathrm{0,85})=\mathrm{53,0}\frac{\text{mārciņas}}{{\text{pēdas}}^3}=\mathrm{0,0307}\frac{\text{mārciņas}}{{\text{iekšā}}^3}$$

$$F_{b\mathrm{iekšā}\mathrm{tas}\mathrm{un}ant}\text{ (Latīņamerika)}=\left(\mathrm{0,0307}\frac{\text{mārciņas}}{{\text{iekšā}}^3}\right)\mathrm{lpp.}(1.375\text{ iekšā}{)}^2(30\text{ iekšā})=5.47\text{ mārciņas}$$

$$F_{b\mathrm{iekšā}\mathrm{tas}\mathrm{un}ant}\text{ (URV)}=\left(\mathrm{0,0397}\frac{\text{mārciņas}}{{\text{iekšā}}^3}\right)\mathrm{lpp.}(1.375\text{ iekšā}{)}^2(30\text{ iekšā})=7.08\text{ mārciņas}$$

Jebkura mērījuma procentuālā daudzuma starp LRV (0%) un URV (100%) peldspēju var aprēķināt ar interpolāciju: