GÓC KỸ THUẬT - Tìm hiểu thiết bị báo mức kiểu thủy tĩnh (Hydrostatic Level Measurement)



Một cột chất lỏng thẳng đứng tạo ra một áp suất ở đáy cột do tác dụng của trọng lực lên chất lỏng đó. Chiều cao thẳng đứng của chất lỏng càng lớn thì áp suất càng lớn, các yếu tố khác đều bằng nhau. Nguyên tắc này cho phép chúng ta suy ra mức (chiều cao) của chất lỏng trong bình bằng phép đo áp suất.


Áp suất của cột chất lỏng


Một cột chất lỏng thẳng đứng tạo ra một áp suất do trọng lượng của cột. Mối quan hệ giữa chiều cao cột và áp suất chất lỏng ở đáy cột là không đổi đối với bất kỳ chất lỏng cụ thể nào (tỷ trọng) bất kể chiều rộng hoặc hình dạng của bình. Nguyên tắc này giúp ta có thể suy ra chiều cao của chất lỏng trong bình bằng cách đo áp suất tạo ra ở đáy:





"Click vào đây để xem ảnh gốc với chất lượng tốt hơn"


Mối quan hệ toán học giữa chiều cao cột chất lỏng và áp suất như sau:



Trong đó, P = Áp suất thủy tĩnh, ρ = Khối lượng riêng của chất lỏng tính bằng kilôgam trên mét khối (hệ mét) kg/m3 hoặc slugs trên foot khối (Anh) slug/ft3, g = Gia tốc trọng trường, γ = Trọng lượng riêng của chất lỏng tính bằng niutơn trên mét khối (hệ mét) N/m3 hoặc pound trên foot khối (Anh) lb/ft3, h = Chiều cao của cột chất lỏng thẳng đứng trên điểm đo áp suất.


Ví dụ, áp suất tạo ra bởi một cột dầu cao 12 feet (h) có khối lượng riêng là 40 pound trên foot khối (γ) là:




Lưu ý việc lược bỏ các đơn vị, dẫn đến giá trị áp suất là 480 pound trên foot vuông (PSF). Để chuyển đổi thành đơn vị áp suất phổ biến hơn là pound trên inch vuông, chúng ta có thể nhân với tỷ lệ feet vuông với inch vuông, loại bỏ đơn vị feet vuông bằng cách lược bỏ và để lại inch vuông ở mẫu số:




Do đó, một áp kế gắn dưới đáy bình chứa một cột áp 12 foot của dầu này sẽ hiển thị áp suất 3,33 PSI. Có thể tùy chỉnh đơn vị đo trên máy đo để đọc trực tiếp bằng feet dầu (chiều cao) thay vì PSI (áp suất), để thuận tiện cho người vận hành phải đọc định kỳ trên máy đo. Vì mối quan hệ toán học giữa chiều cao dầu và áp suất là tuyến tính, nên chỉ số của máy đo sẽ luôn tỷ lệ với chiều cao.


Một phương pháp thay thế để tính toán áp suất tạo ra bởi một cột chất lỏng là so sánh nó với áp suất tạo ra bởi một cột nước tương đương, dẫn đến áp suất được biểu thị bằng đơn vị cột nước (ví dụ: inch WC), sau đó có thể được chuyển đổi thành PSI hoặc bất kỳ đơn vị khác mong muốn.


Đối với cột dầu 12 foot giả thuyết của chúng tôi, chúng tôi sẽ bắt đầu theo cách này bằng cách tính toán trọng lượng riêng (tức là dầu có độ đặc như thế nào so với nước). Với mật độ trọng lượng đã nêu là 40 pound trên foot khối, phép tính trọng lượng riêng như sau: 




Tất nhiên, áp suất thủy tĩnh tạo ra bởi một cột nước cao 12 feet sẽ là 144 inch cột nước (144 ” W.C.). Vì chúng ta đang xử lý một loại dầu có trọng lượng riêng là 0,641 thay thế cho nước, nên áp suất tạo ra bởi cột 12 foot của dầu sẽ chỉ bằng 0,641 lần (64,1%) của cột nước 12 foot, hoặc:




Chúng ta có thể chuyển đổi giá trị áp suất này thành đơn vị PSI đơn giản bằng cách chia cho 27,68, vì chúng ta biết cột nước 27,68 inch tương đương với 1 PSI:




Như bạn có thể thấy, chúng ta đi đến kết quả giống như khi chúng ta áp dụng công thức P = γh. Bất kỳ sự khác biệt nào về giá trị giữa hai phương pháp là do các hệ số chuyển đổi được sử dụng không chính xác (ví dụ: 27,68 ”W.C., khối lượng riêng 62,4 lb / ft3 của nước).


Bất kỳ loại thiết bị cảm biến áp suất nào cũng có thể được sử dụng như một bộ truyền mức chất lỏng theo nguyên tắc này. Trong bức ảnh sau, bạn thấy một thiết bị đo áp suất Rosemount model 1151 đang được sử dụng để đo chiều cao của nước màu bên trong một ống nhựa trong:




Trong hầu hết các ứng dụng đo mức, chúng tôi quan tâm đến việc biết thể tích của chất lỏng chứa trong một bình và chúng tôi suy ra thể tích này bằng cách sử dụng các cảm biến để đo chiều cao của cột chất lỏng. Miễn là diện tích mặt cắt ngang của bình không đổi trong suốt chiều cao của nó, chiều cao chất lỏng sẽ tỷ lệ thuận với thể tích chất lỏng được lưu trữ. Áp suất đo được ở đáy bình có thể cho chúng ta chỉ số tỷ lệ về chiều cao chất lỏng nếu và chỉ khi biết khối lượng riêng của chất lỏng đó và không đổi. Điều này có nghĩa là trọng lượng riêng/mật độ của chất lỏng là một yếu tố cực kỳ quan trọng đối với phép đo thể tích khi sử dụng dụng cụ cảm biến áp suất thủy tĩnh. Nếu mật độ chất lỏng có thể thay đổi ngẫu nhiên, độ chính xác của bất kỳ thiết bị đo mức hoặc thể tích nào dựa trên áp suất thủy tĩnh sẽ không đáng tin cậy tương ứng.


Tuy nhiên, cần lưu ý rằng những thay đổi về mật độ chất lỏng sẽ hoàn toàn không ảnh hưởng đến phép đo thủy tĩnh của khối lượng chất lỏng, miễn là bình có diện tích mặt cắt ngang không đổi trong toàn bộ chiều cao của nó. Một thí nghiệm tưởng như đơn giản đã chứng minh điều này: hãy tưởng tượng một cái bình chứa đầy chất lỏng một phần, có gắn một thiết bị đo áp suất ở đáy để đo áp suất thủy tĩnh. Bây giờ hãy tưởng tượng nhiệt độ của chất lỏng đó tăng lên, sao cho thể tích của nó lớn hơn và có khối lượng riêng thấp hơn trước.


Giả sử không có thêm hoặc mất chất lỏng vào hoặc ra khỏi bình, bất kỳ sự gia tăng nào của mực chất lỏng sẽ hoàn toàn là do sự giãn nở thể tích (giảm tỷ trọng). Mức chất lỏng bên trong bình này sẽ tăng lên, nhưng thiết bị đo áp suất sẽ hiển thị chính xác áp suất thủy tĩnh như trước đây, vì sự gia tăng mức này được chống lại chính xác bởi sự giảm tỷ trọng (nếu h tăng theo cùng một hệ số mà γ giảm, thì P = γh phải giữ nguyên). Nói cách khác, áp suất thủy tĩnh được coi là tỷ lệ thuận với khối lượng chất lỏng chứa trong bình, bất kể sự thay đổi của mật độ chất lỏng. Điều này hữu ích để biết trong các ứng dụng mà phép đo khối lượng thực của chất lỏng (chứ không phải phép đo thể tích) là thích hợp hoặc cần thiết


Bộ chuyển đổi dạng chênh áp là thiết bị cảm biến áp suất phổ biến nhất được sử dụng trong khả năng này để suy ra mức chất lỏng trong bình. Trong trường hợp giả định của bể dầu vừa được xem xét, thiết bị đo áp suất được kết nối với bể dầu theo cách này (với mặt cao áp hướng vào vị trí lấy áp và mặt thấp áp thông với khí quyển):




Được kết nối như vậy, bộ chuyển đổi dạng chênh áp hoạt động như một bộ truyền áp suất đo, tương ứng với áp suất thủy tĩnh vượt quá áp suất môi trường (khí quyển). Khi mức chất lỏng tăng lên, áp suất thủy tĩnh áp tác động lên mặt "cao áp" của bộ chuyển đổi dạng chênh áp cũng tăng, làm cho tín hiệu đầu ra của bộ chuyển đổi cao hơn.


Một số thiết bị cảm biến áp suất được chế tạo đặc biệt để đo thủy tĩnh mực chất lỏng trong bình, loại bỏ hoàn toàn bằng ống xung động bằng cách sử dụng một loại màng làm kín đặc biệt kéo dài một chút vào bình thông qua một đầu vào ống có mặt bích (thường được gọi là vòi phun). Một bộ bộ chuyển đổi báo mức thủy tĩnh Rosemount với một màng ngăn mở rộng được hiển thị ở đây:




Bảng hiệu chuẩn cho một bộ chuyển đổi áp suất được ghép gần với đáy thùng chứa dầu sẽ như sau, giả sử phạm vi đo từ 0 đến 12 foot đối với chiều cao dầu, mật độ dầu là 40 pound trên foot khối và 4-20 mA dải tín hiệu đầu ra bộ chuyển đổi:



"Click vào đây để xem ảnh gốc với chất lượng tốt hơn"



NGUỒN: (instrumentationtools.com)


TỔNG HỢP VÀ BIÊN DỊCH: EBOOKBKMT



LINK 1 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 2 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 3 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)

LINK 4 - TÌM KIẾM SÁCH/TÀI LIỆU ONLINE (GIÁ ƯU ĐÃI NHẤT)



VIDEO THAM KHẢO:



Thiết bị báo mức kiểu thủy tĩnh Wika (Hydrostatic Level Measurement)



Thiết bị báo mức kiểu thủy tĩnh Endress (Hydrostatic Level Measurement)



TÀI LIỆU THAM KHẢO:


Nguyên tắc cơ bản của đo mức dạng thủy tĩnh - Fundamentals of Hydrostatic Level Measurement (Wika)


LINK DOWNLOAD


TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN - INSTRUCTION MANUAL FOR HYDROSTATIC LEVEL MEASUREMENT LEVEL CONTROLLER - MODEL PLD120&PLD130&MP2000 (NOHKEN)


LINK DOWNLOAD



Chúc các bạn thành công!


M_tả

Không có nhận xét nào: