Недовольство эксплуатация инструментов уровня Принцип Архимеда Определять уровень жидкости путем непрерывного измерения веса объекта (называемого...). недовольство) погруженным в технологическую жидкость. По мере повышения уровня жидкости на вытеснитель действует большая выталкивающая сила, из-за чего он кажется легче для измерительного прибора, который интерпретирует потерю веса как повышение уровня и передает пропорциональный выходной сигнал.

Недовольство инструменты уровня

На практике уровнемер с вытеснительным устройством обычно имеет следующую форму. Для простоты опущены технологические трубопроводы, ведущие к сосуду и от него – показаны только сосуд и его уровнемер с вытеснительным устройством:

Недовольство инструменты уровняСама по себе трубка обычно представляет собой герметичную металлическую трубку, достаточно утяжеленную, чтобы она не могла плавать в технологической жидкости. Она подвешена внутри трубы, называемой «клеткой», соединенной с технологическим сосудом через два запорных клапана и патрубка. Эти два соединения труб обеспечивают соответствие уровня жидкости внутри клетки уровню жидкости внутри технологического сосуда, подобно смотровому окошку.

Если уровень жидкости внутри технологического сосуда повышается, уровень жидкости внутри клетки также повышается. Это приведет к погружению большей части объема вытеснителя, вызывая выталкивающую силу, действующую вверх на вытеснитель. Следует помнить, что вытеснитель слишком тяжелый, чтобы плавать, поэтому он не «покачивается» на поверхности жидкости и не поднимается на ту же величину, что и уровень жидкости – скорее, он висит на месте внутри клетки, становясь «легче» по мере увеличения выталкивающей силы. Механизм, определяющий вес, обнаруживает эту выталкивающую силу, когда воспринимает уменьшение веса вытеснителя, интерпретируя уменьшение (кажущегося) веса как повышение уровня жидкости. Кажущаяся масса вытеснителя достигает минимума, когда он полностью погружен, когда технологическая жидкость достигает 100% уровня внутри клетки.

Следует отметить, что статическое давление внутри сосуда оказывает незначительное влияние на точность вытеснительного прибора. Единственным фактором, имеющим значение, является плотность рабочей жидкости, поскольку выталкивающая сила прямо пропорциональна плотности жидкости.$Ф=сВ$).

На следующей фотографии изображен пневматический датчик уровня Фишер модели «Уровень-Трол», измеряющий уровень конденсата. нокаутирующий барабан для работы с природным газом. Сам прибор изображен в правой части фотографии, увенчанный серой «головкой», на которой видны два пневматических манометра. «Клетка» вытеснителя представляет собой вертикальную трубу, расположенную непосредственно позади и ниже головного блока. Обратите внимание, что смотровое окошко уровня находится в левой части выталкивающей камеры (или конденсатный ботинок) для визуальной индикации уровня конденсата внутри технологического сосуда:

Целью данного прибора-вытеснителя является измерение количества конденсата, собранного внутри «багажника». Эта модель Фишер Уровень-Трол поставляется в комплекте с пневматическим контроллером, передающим сигнал давления воздуха на сливной клапан для автоматического отвода конденсата из «багажника».

Здесь представлены две фотографии разобранного измерительного прибора Уровень-Трол, демонстрирующие, как измерительный прибор устанавливается внутри трубчатой ​​клетки:

Трубопровод защитной клетки соединен с технологическим сосудом через два запорных клапана, что позволяет изолировать его от технологического процесса. Сливной клапан позволяет опорожнить защитную клетку от технологической жидкости для обслуживания приборов и калибровки нуля.

Некоторые датчики уровня вытеснительного типа не используют клетку, а подвешивают вытеснительный элемент непосредственно в технологическом сосуде. Такие датчики называются «бесклеточными». Бесклеточные приборы, конечно, проще, чем клеточные, но их нельзя обслуживать без сброса давления (а возможно, и без опорожнения) технологического сосуда, в котором они находятся. Они также подвержены ошибкам измерения и «шуму», если жидкость внутри сосуда перемешивается либо из-за высоких скоростей потока внутрь и наружу сосуда, либо из-за действия вращающихся электродвигателей, установленных в сосуде для обеспечения тщательного перемешивания технологической жидкости (жидкостей).

Полнодиапазонная калибровка может быть выполнена путем заполнения клетки технологической жидкостью (а). влажный калибровка), или путем подвешивания вытеснителя на нити и точной шкале (а) сухой калибровка), при этом вытеснитель поднимается с нужной силой, чтобы имитировать плавучесть при 100% уровне жидкости:

Расчет этой выталкивающей силы — дело простое. Согласно принципу Архимеда, выталкивающая сила всегда равна весу вытесненного объема жидкости. В случае использования уровня с вытеснительным элементом в полном диапазоне это обычно означает, что весь объем вытеснительного элемента погружен в жидкость. Просто рассчитайте объем вытеснительного элемента (если это цилиндр, $В=п{р}^2л$, где $р$ — это радиус цилиндра и $л$ (где — длина цилиндра) и умножьте этот объем на плотность ($с$):

$${Ф}_{бв\mathrm{тот}иант}=сВ$$

$${Ф}_{бв\mathrm{тот}иант}=сп{р}^2л$$

Например, если плотность рабочей жидкости составляет 57,3 фунта на кубический фут, а вытеснитель представляет собой цилиндр диаметром 3 дюйма и длиной 24 дюйма, то необходимая сила для имитации состояния плавучести при полном заполнении может быть рассчитана следующим образом:

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

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

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

Обратите внимание, насколько важно соблюдать единообразие единиц измерения! Плотность жидкости указана в фунтах на кубический дюйм. ступня и размеры вытеснителя в дюймыЭто вызвало бы серьезные проблемы без перевода между футами и дюймами. В своем примере я решил перевести плотность в фунты на кубический дюйм, но я мог бы с таким же успехом перевести размеры вытеснителя в футы, чтобы получить объем вытеснителя в кубических футах.

При «влажной» калибровке выталкивающая сила в 5,63 фунта создается самой жидкостью, при этом техник обеспечивает достаточное количество жидкости внутри клетки для имитации 100% уровня. При «сухой» калибровке выталкивающая сила имитируется натяжением, приложенным вверх к вытеснителю с помощью ручных весов и нити, при этом техник тянет с силой 5,63 фунта вверх, чтобы прибор «думал», что он измеряет 100% уровень жидкости, хотя на самом деле вытеснитель полностью сухой и висит в воздухе.

Трубы с высоким крутящим моментом Недовольство инструменты уровня

Интересная конструктивная проблема для датчиков уровня вытеснительного типа заключается в том, как передать измеряемый вес вытеснителя на механизм датчика, одновременно обеспечивая герметичность и отвод давления технологического пара от этого же механизма. Наиболее распространенным решением этой проблемы является оригинальный механизм, называемый торсионная трубаК сожалению, понять принцип работы карданных валов довольно сложно, если у вас нет непосредственного доступа к ним, поэтому в этом разделе мы рассмотрим эту концепцию более подробно, чем это обычно делается в справочных руководствах.

Представьте себе сплошной горизонтальный металлический стержень с фланцем на одном конце и перпендикулярным рычагом на другом. Фланец крепится к неподвижной поверхности, а к концу рычага подвешен груз. Пунктирной окружностью показано место сварки стержня с центром фланца:

Сила, действующая вниз под действием груза на рычаг, передает стержню вращательную силу (крутящий момент), вызывая его небольшое скручивание вдоль его длины. Чем больше груз, подвешенный на конце рычага, тем сильнее будет скручиваться стержень. До тех пор, пока крутящий момент, создаваемый грузом и рычагом, не превышает предел упругости стержня, стержень будет продолжать действовать как пружина. Если мы знаем «постоянную упругости» стержня и измерили его крутильное отклонение, мы можем использовать это небольшое движение для измерения величины веса груза, подвешенного на конце рычага.

В уровнемере вытеснительного типа вытеснитель заменяет груз на конце рычага, а крутильное отклонение этого стержня служит для индикации выталкивающей силы. По мере подъема жидкости выталкивающая сила, действующая на вытеснитель, увеличивается, из-за чего вытеснитель кажется легче с точки зрения стержня. Таким образом, небольшое движение стержня, вызванное этим кажущимся изменением веса, указывает на уровень жидкости.

Теперь представьте, что вы просверливаете длинное отверстие в стержне вдоль, почти до конца, где крепится рычаг. Другими словами, представьте себе слепое отверстие через центр стержня, начиная от фланца и заканчивая чуть перед рычагом:

Наличие этого длинного отверстия мало что меняет в поведении узла, за исключением, возможно, изменения жесткости стержня. При меньшем количестве цельного металла стержень будет более слабой пружиной и будет сильнее скручиваться под действием приложенной нагрузки на конце рычага. Однако, что более важно для целей данного обсуждения, длинное отверстие превращает стержень в трубка с герметичным концом. Вместо того чтобы называться «торсионным стержнем», этот стержень теперь правильнее называть... торсионная труба, слегка поворачиваясь под действием приложенной нагрузки на конце рычага.

Для обеспечения вертикальной опоры карданного вала, чтобы он не провисал под действием приложенной нагрузки, необходима опора. подшипник с лезвием ножа Этот шарнир часто располагается под концом рычага в месте его крепления к торсионной трубе. Цель этого шарнира — обеспечить вертикальную опору для веса, образуя при этом практически безфрикционную точку опоры, гарантируя, что единственное напряжение, воздействующее на торсионную трубу, — это... крутящий момент от рычага:

Наконец, представьте себе еще один цельный металлический стержень (немного меньшего диаметра, чем отверстие), приваренный точечной сваркой к дальнему концу глухого отверстия и выступающий за край фланца:

Назначение этого стержня меньшего диаметра — передавать вращательное движение дальнего конца торсионной трубы в точку за фланцем, где его можно будет ощутить. Представьте, что фланец закреплен на вертикальной стене, а переменный груз тянет вниз конец рычага. Торсионная труба будет изгибаться, совершая вращательное движение под действием переменной силы, но теперь мы можем увидеть, насколько сильно она изгибается, наблюдая за вращением меньшего стержня на ближней стороне стены. Груз и рычаг могут быть полностью скрыты от нашего взгляда этой стеной, но вращательное движение малого стержня, тем не менее, показывает, насколько торсионная труба поддается силе груза.

Мы можем применить этот механизм с торсионной трубой для измерения уровня жидкости в сосуде под давлением, заменив груз вытеснителем, прикрепив фланец к патрубку, приваренному к сосуду, и совместив датчик движения с небольшим концом штока для измерения его вращения. По мере повышения и понижения уровня жидкости кажущийся вес вытеснителя изменяется, вызывая небольшое скручивание торсионной трубы. Это небольшое скручивающее движение затем регистрируется на конце небольшого штока в среде, изолированной от давления рабочей жидкости.

На фотографии, сделанной с использованием настоящего торсионного вала от уровнемера Фишер “Уровень-Трол”, показан его внешний вид:

Темный металл — это упругая сталь, используемая для подвешивания груза в качестве торсионной пружины, а блестящая часть — это внутренний стержень, используемый для передачи движения. Как видите, сама трубка крутящего момента имеет не очень большой диаметр. Если бы он был больше, пружина была бы слишком жесткой для практического использования в нивелире вытеснительного типа, поскольку вытеснитель обычно не очень тяжелый, а рычаг недлинный.

При более внимательном рассмотрении концов торсионной трубы можно увидеть открытый конец, где выступает стержень малого диаметра (слева), и «глухой» конец трубы, где она крепится к рычагу (справа):

Если разрезать узел карданного вала вдоль пополам, его поперечное сечение будет выглядеть примерно так:

На следующем рисунке показана торсионная труба как часть цельного уровнемера с вытеснительным механизмом:

Как видно из этой иллюстрации, торсионная труба выполняет три различные функции при использовании в системе измерения уровня с помощью вытеснителя: (1) служит в качестве торсионной пружины, подвешивающей вес вытеснителя, (2) герметизирует давление рабочей жидкости от механизма определения положения и (3) передает движение от дальнего конца торсионной трубы в механизм измерения.

В пневматических уровнемерах механизм измерения, используемый для преобразования вращательного движения торсионной трубки в пневматический (воздушный) сигнал, обычно имеет следующий вид: баланс движения конструкция. Например, механизм Фишер Уровень-Трол использует С-образную трубку Бурдона с соплом на конце, которая следует за перегородкой, прикрепленной к небольшому стержню. Центр трубки Бурдона совпадает с центром торсионной трубы. По мере вращения стержня перегородка продвигается к соплу на конце трубки Бурдона, вызывая повышение противодавления, которое, в свою очередь, приводит к изгибу трубки Бурдона. Этот изгиб оттягивает сопло от продвигающейся перегородки до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие. Таким образом, движение стержня уравновешивается движением трубки Бурдона, что делает эту пневматическую систему системой балансировки движения:

Измерение уровня интерфейса смещения

Приборы с вытеснительным уровнем могут использоваться для измерения границ раздела жидкостей так же, как и гидростатические приборы. Важное требование заключается в том, что вытеснительный уровень всегда должен быть полностью погружен («затоплен»). Если это правило нарушается, прибор не сможет различать низкий (общий) уровень жидкости и низкий уровень границы раздела. Этот критерий аналогичен использованию приборов с компенсированным перепадом давления для измерения уровней границы раздела жидкостей: для того, чтобы прибор реагировал исключительно на изменения уровня границы раздела и не «обманывался» изменениями общего уровня жидкости, обе точки подключения технологического процесса должны быть погружены.

Если вытеснительный прибор имеет собственную «корпусную конструкцию», важно, чтобы обе трубы, соединяющие корпус с технологическим сосудом (иногда называемые «форсунками»), были погружены в жидкость. Это гарантирует, что граница раздела жидкостей внутри корпуса будет совпадать с границей раздела жидкостей внутри сосуда. Если верхняя форсунка когда-либо высохнет, с вытеснительным прибором в корпусе может возникнуть та же проблема, что и с уровнемером со смотровым стеклом (см. раздел). [interface_trouble] Подробное объяснение этой проблемы приведено на следующей странице.

Расчет выталкивающей силы, действующей на вытесняющий элемент из-за сочетания двух жидкостей, не так сложен, как может показаться. Принцип Архимеда остается в силе: выталкивающая сила равна весу вытесненной жидкости (жидкостей). Все, что нам нужно сделать, это рассчитать суммарный вес и объем вытесненных жидкостей, чтобы вычислить выталкивающую силу. Для одной жидкости выталкивающая сила равна плотности этой жидкости ($с$) умножить на вытесненный объем ($В$):

$${Ф}_{бв\mathrm{тот}иант}=сВ$$

Для границы раздела двух жидкостей выталкивающая сила равна сумме весов двух вытесненных жидкостей, причем вес каждой жидкости равен плотности этой жидкости, умноженной на вытесненный объем этой жидкости:

$${Ф}_{бв\mathrm{тот}иант}={с}_1{В}_1+{с}_2{В}_2$$

Предполагая, что вытеснитель имеет постоянную площадь поперечного сечения по всей своей длине, объем вытеснения каждой жидкости просто равен той же площади ($п{р}^2$) умноженное на длину вытеснителя, погруженного в эту жидкость:

$${Ф}_{бв\mathrm{тот}иант}={с}_1п{р}^2{л}_1+{с}_2п{р}^2{л}_2$$

Поскольку этот район ($п{р}^2$Поскольку этот параметр является общим для обоих членов, описывающих плавучесть в данном уравнении, мы можем вынести его за скобки для простоты:

$${Ф}_{бв\mathrm{тот}иант}=п{р}^2({с}_1{л}_1+{с}_2{л}_2)$$

Определение калибровочных точек вытеснительного уровнемера для измерений на границе раздела сред относительно просто, если рассматривать условия нижнего и верхнего пределов уровня как пару «мысленных экспериментов», как мы это делали при гидростатическом измерении уровня на границе раздела сред. Сначала представим, как бы «выглядело» состояние вытеснителя при нижнем пределе уровня на границе раздела сред, а затем представим другой сценарий при верхнем пределе уровня на границе раздела сред. Для наглядности рекомендуется схематично изобразить каждый сценарий.

Предположим, у нас есть прибор-вытеснитель, измеряющий уровень границы раздела двух жидкостей с удельной плотностью 0,850 и 1,10, с длиной вытеснителя 30 дюймов и диаметром 2,75 дюйма (радиус = 1,375 дюйма). Предположим также, что в этом случае ЛРВ (низкий остаточный уровень) — это уровень границы раздела в нижней части вытеснителя, а УРВ (верхний остаточный уровень) — это уровень границы раздела в верхней части вытеснителя. Размещение уровней ЛРВ и УРВ на крайних концах длины вытеснителя упрощает наши расчеты ЛРВ и УРВ, поскольку «мысленный эксперимент» ЛРВ будет представлять собой вытеснитель, полностью погруженный в легкую жидкость, а «мысленный эксперимент» УРВ — вытеснитель, полностью погруженный в тяжелую жидкость.

Расчет выталкивающей силы ЛРВ:

$${Ф}_{бв\mathrm{тот}иант}\text{ (Латинская Америка)}={с}_2В={с}_2п{р}^2л$$

Расчет выталкивающей силы подводного плавучего устройства:

$${Ф}_{бв\mathrm{тот}иант}\text{ (УРВ)}={с}_1В={с}_1п{р}^2л$$

Показаны фактические расчеты для этого гипотетического примера:

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

$${с}_2=\left(62.4\frac{\text{фунт}}{{\text{футы}}^3}\right)(\mathrm{0,85})=53.0\frac{\text{фунт}}{{\text{футы}}^3}=\mathrm{0,0307}\frac{\text{фунт}}{{\text{в}}^3}$$

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

$${Ф}_{бв\mathrm{тот}иант}\text{ (УРВ)}=\left(\mathrm{0,0397}\frac{\text{фунт}}{{\text{в}}^3}\right)п(1.375\text{ в}{)}^2(30\text{ в})=7.08\text{ фунт}$$

Плавучесть для любого процентного значения между ЛРВ (0%) и УРВ (100%) может быть рассчитана методом интерполяции: