Thiết bị đo thể tích dịch chuyển và mức dịch chuyển

27-02-2026

Thiết bị đo thể tích dịch chuyển và mức dịch chuyển



Sự không hài lòng các thiết bị đo mức độ khai thác Nguyên lý Archimedes để phát hiện mực chất lỏng bằng cách liên tục đo trọng lượng của một vật (gọi là sự không hài lòng(Bộ phận dịch chuyển) được nhúng vào chất lỏng trong quá trình. Khi mực chất lỏng tăng lên, bộ phận dịch chuyển chịu một lực nổi lớn hơn, khiến nó có vẻ nhẹ hơn đối với thiết bị cảm biến. Thiết bị cảm biến sẽ hiểu sự giảm trọng lượng này là sự tăng mực chất lỏng và truyền tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận.

Sự không hài lòng dụng cụ đo độ cao

Trên thực tế, thiết bị đo mức kiểu dịch chuyển thường có dạng như sau. Để đơn giản, đường ống dẫn vào và ra khỏi bình chứa đã được lược bỏ – chỉ có bình chứa và thiết bị đo mức kiểu dịch chuyển của nó được hiển thị:

Displacer level instruments

Sự không hài lòng dụng cụ đo độ caoBản thân nó thường là một ống kim loại kín, được gia trọng đủ để không nổi trong chất lỏng cần xử lý. Nó được treo bên trong một đường ống gọi là "lồng" nối với bình chứa chất lỏng thông qua hai van chặn và vòi phun. Hai kết nối đường ống này đảm bảo mực chất lỏng bên trong lồng khớp với mực chất lỏng bên trong bình chứa chất lỏng, tương tự như kính quan trắc.

Nếu mực chất lỏng bên trong bình chứa tăng lên, mực chất lỏng bên trong lồng cũng sẽ tăng theo. Điều này sẽ làm ngập thêm thể tích của bộ phận dịch chuyển, tạo ra một lực đẩy hướng lên trên bộ phận dịch chuyển. Cần nhớ rằng bộ phận dịch chuyển quá nặng để nổi, vì vậy nó không “nhấp nhô” trên bề mặt chất lỏng cũng như không dâng lên cùng mức với mực chất lỏng – thay vào đó, nó treo lơ lửng bên trong lồng, trở nên “nhẹ hơn” khi lực đẩy tăng lên. Cơ chế cảm biến trọng lượng phát hiện lực đẩy này khi nhận thấy bộ phận dịch chuyển trở nên nhẹ hơn, và diễn giải trọng lượng giảm (trọng lượng biểu kiến) đó là sự tăng lên của mực chất lỏng. Trọng lượng biểu kiến ​​của bộ phận dịch chuyển đạt mức tối thiểu khi nó bị ngập hoàn toàn, khi chất lỏng trong lồng đạt đến mức 100%.

Cần lưu ý rằng áp suất tĩnh bên trong bình chứa sẽ có ảnh hưởng không đáng kể đến độ chính xác của dụng cụ đo thể tích kiểu dịch chuyển. Yếu tố duy nhất quan trọng là mật độ của chất lỏng trong quá trình, vì lực nổi tỷ lệ thuận với mật độ chất lỏng.F=cTRONG).

Hình ảnh sau đây cho thấy một bộ truyền tín hiệu khí nén kiểu “Level-Trol” của Fisher đang đo mức nước ngưng tụ trong... trống loại bỏ Dùng cho dịch vụ khí đốt tự nhiên. Bản thân thiết bị nằm ở phía bên phải của ảnh, phía trên là một "đầu" màu xám với hai đồng hồ đo áp suất khí nén có thể nhìn thấy. "Lồng" van dịch chuyển là ống thẳng đứng ngay phía sau và bên dưới bộ phận đầu. Lưu ý rằng một đồng hồ đo mức bằng kính quan sát xuất hiện ở phía bên trái của buồng tách (hoặc ống bọc ngưng tụ) để trực quan hóa mức nước ngưng tụ bên trong bình chứa:

Displacer level instruments

Mục đích của dụng cụ đo mức này là để đo lượng chất lỏng ngưng tụ tích tụ bên trong "ống hứng". Mẫu Fisher Level-Trol này được trang bị cơ chế điều khiển khí nén, gửi tín hiệu áp suất không khí đến van xả để tự động xả chất lỏng ngưng tụ ra khỏi ống hứng.

Hai bức ảnh về một thiết bị đo độ lệch Level-Trol đã được tháo rời được hiển thị ở đây, cho thấy cách thiết bị đo độ lệch này nằm bên trong ống khung:

Displacer level instrumentsDisplacer level instruments

Ống lồng được nối với bình chứa quy trình thông qua hai van chặn, cho phép cách ly khỏi quy trình. Một van xả cho phép làm rỗng chất lỏng quy trình trong lồng để bảo dưỡng thiết bị và hiệu chuẩn điểm 0.

Một số cảm biến mức kiểu dịch chuyển không sử dụng lồng bảo vệ, mà treo trực tiếp bộ phận dịch chuyển trong bình chứa. Chúng được gọi là cảm biến “không lồng”. Tất nhiên, các thiết bị không lồng đơn giản hơn so với các thiết bị kiểu lồng, nhưng chúng không thể được bảo dưỡng nếu không giảm áp suất (và thậm chí có thể làm rỗng) bình chứa mà chúng được đặt bên trong. Chúng cũng dễ bị lỗi đo lường và “nhiễu” nếu chất lỏng bên trong bình bị khuấy động, do vận tốc dòng chảy cao vào và ra khỏi bình, hoặc do hoạt động của các cánh quạt quay bằng động cơ được lắp đặt trong bình để trộn đều chất lỏng trong quá trình.

Việc hiệu chuẩn toàn dải có thể được thực hiện bằng cách đổ đầy lồng bằng chất lỏng xử lý (a) ướt hiệu chuẩn), hoặc bằng cách treo bộ phận dịch chuyển bằng một sợi dây và thước đo chính xác (một khô (hiệu chuẩn), kéo cần gạt lên trên với lực vừa đủ để mô phỏng lực nổi ở mức chất lỏng 100%:

Displacer level instruments

Việc tính toán lực đẩy nổi này khá đơn giản. Theo nguyên lý Archimedes, lực đẩy nổi luôn bằng trọng lượng của thể tích chất lỏng bị chiếm chỗ. Trong trường hợp dụng cụ đo mức dựa trên cơ cấu dịch chuyển ở phạm vi đo tối đa, điều này thường có nghĩa là toàn bộ thể tích của bộ phận dịch chuyển được ngập trong chất lỏng. Chỉ cần tính thể tích của bộ phận dịch chuyển (nếu nó là hình trụ, TRONG=Pr2l, Ở đâu r là bán kính của hình trụ và l là chiều dài của hình trụ) và nhân thể tích đó với mật độ khối lượng (c):

FbTRONGcáiMộtNt=cTRONG

FbTRONGcáiMộtNt=cPr2l

Ví dụ, nếu khối lượng riêng của chất lỏng trong quá trình là 57,3 pound trên mỗi foot khối và bộ phận dịch chuyển là một hình trụ có đường kính 3 inch và chiều dài 24 inch, thì lực cần thiết để mô phỏng trạng thái nổi ở mức đầy có thể được tính như sau:

c=(57,3 lbft3)(1 ft3123 TRONG3)=0,0332lbTRONG3

TRONG=Pr2l=P(1,5 TRONG)2(24 TRONG)=169,6 TRONG3

FbTRONGcáiMộtNt=cTRONG=(0,0332lbTRONG3)(169,6 TRONG3)=5,63 lb

Hãy lưu ý tầm quan trọng của việc duy trì tính nhất quán về đơn vị! Khối lượng riêng của chất lỏng được cho bằng đơn vị pound trên khối lượng riêng. chân và kích thước bộ phận dịch chuyển trong inchĐiều này sẽ gây ra những vấn đề nghiêm trọng nếu không có sự chuyển đổi giữa feet và inch. Trong ví dụ của tôi, tôi đã chọn chuyển đổi mật độ sang đơn vị pound trên inch khối, nhưng tôi cũng có thể dễ dàng chuyển đổi kích thước của dụng cụ đo thể tích sang feet để có được thể tích dụng cụ đo thể tích tính bằng feet khối.

Trong phương pháp hiệu chuẩn "ướt", lực nổi 5,63 pound sẽ được tạo ra bởi chính chất lỏng, kỹ thuật viên đảm bảo có đủ chất lỏng bên trong lồng để mô phỏng điều kiện mực nước ở mức 100%. Trong phương pháp hiệu chuẩn "khô", lực nổi sẽ được mô phỏng bằng cách tác dụng lực căng hướng lên trên vào bộ phận dịch chuyển bằng cân tay và dây, kỹ thuật viên kéo với lực hướng lên 5,63 pound để thiết bị "nghĩ" rằng nó đang cảm nhận mực nước ở mức 100% trong khi thực tế bộ phận dịch chuyển hoàn toàn khô, treo lơ lửng trong không khí.

Ống xoắn Sự không hài lòng dụng cụ đo độ cao

Một vấn đề thiết kế thú vị đối với các bộ truyền tín hiệu mức kiểu dịch chuyển là làm thế nào để truyền trọng lượng đã cảm nhận của bộ phận dịch chuyển đến cơ cấu truyền tín hiệu trong khi vẫn đảm bảo kín hơi của quá trình khỏi chính cơ cấu đó. Giải pháp phổ biến nhất cho vấn đề này là một cơ cấu khéo léo được gọi là... ống xoắnThật không may, ống momen xoắn có thể khá khó hiểu trừ khi bạn có cơ hội trực tiếp tiếp xúc với nó, vì vậy phần này sẽ đi sâu vào khái niệm này hơn so với những gì thường có trong các tài liệu tham khảo.

Hãy tưởng tượng một thanh kim loại đặc, nằm ngang, có một mặt bích ở một đầu và một đòn bẩy vuông góc ở đầu kia. Mặt bích được gắn vào một bề mặt cố định, và một vật nặng được treo ở đầu đòn bẩy. Một vòng tròn nét đứt cho thấy vị trí thanh kim loại được hàn vào tâm của mặt bích:

Displacer level instruments

Lực hướng xuống của trọng lượng tác dụng lên đòn bẩy tạo ra một lực xoắn (mô-men xoắn) lên thanh, khiến nó hơi xoắn dọc theo chiều dài của nó. Trọng lượng treo ở đầu đòn bẩy càng lớn, thanh sẽ càng xoắn nhiều hơn. Chừng nào mô-men xoắn do trọng lượng và đòn bẩy tác dụng không bao giờ vượt quá giới hạn đàn hồi của thanh, thanh sẽ tiếp tục hoạt động như một lò xo. Nếu ta biết "hằng số lò xo" của thanh và đo được độ lệch xoắn của nó, ta thực sự có thể sử dụng chuyển động nhỏ này để đo độ lớn của trọng lượng treo ở đầu đòn bẩy.

Trong một dụng cụ đo mức kiểu cần gạt, cần gạt sẽ thay thế quả cân ở đầu cần đo, độ lệch xoắn của cần đo này dùng để chỉ báo lực nổi. Khi mực nước dâng lên, lực nổi tác dụng lên cần gạt tăng lên, khiến cần gạt có vẻ nhẹ hơn từ góc nhìn của cần đo. Chuyển động nhẹ của cần đo do sự thay đổi trọng lượng biểu kiến ​​này cho biết mực nước.

Bây giờ hãy tưởng tượng khoan một lỗ dài xuyên qua thanh kim loại, theo chiều dọc, gần như chạm đến đầu nơi gắn cần gạt. Nói cách khác, hãy tưởng tượng một... lỗ mù Xuyên qua tâm của thanh, bắt đầu từ mặt bích và kết thúc ngay trước cần gạt:

Displacer level instruments

Sự hiện diện của lỗ dài này không làm thay đổi nhiều về hoạt động của cụm chi tiết, ngoại trừ có thể làm thay đổi hằng số lò xo của thanh. Với lượng kim loại đặc ít hơn, thanh sẽ có độ đàn hồi yếu hơn và sẽ xoắn nhiều hơn khi có trọng lượng tác dụng lên đầu cần gạt. Tuy nhiên, quan trọng hơn đối với mục đích của cuộc thảo luận này, lỗ dài biến thanh thành một... ống với đầu được bịt kín. Thay vì được gọi là "thanh xoắn", thanh này giờ đây được gọi chính xác hơn là... ống xoắn, xoay nhẹ khi có trọng lượng tác dụng vào đầu cần gạt.

Để hỗ trợ trục xoắn theo phương thẳng đứng, tránh cho nó bị võng xuống dưới khi chịu tải trọng, cần có một bộ phận hỗ trợ. ổ trục lưỡi dao Nó thường được đặt bên dưới đầu cần gạt nơi nó gắn vào ống momen xoắn. ​​Mục đích của điểm tựa này là cung cấp sự hỗ trợ theo phương thẳng đứng cho trọng lượng đồng thời tạo thành một điểm xoay gần như không ma sát, đảm bảo rằng ứng suất duy nhất tác dụng lên ống momen xoắn là mô-men xoắn từ cần gạt:

Displacer level instruments

Cuối cùng, hãy tưởng tượng một thanh kim loại đặc khác (đường kính nhỏ hơn một chút so với lỗ) được hàn điểm vào đầu kia của lỗ kín, nhô ra ngoài mép mặt bích:

Displacer level instruments

Mục đích của thanh có đường kính nhỏ hơn này là để truyền chuyển động xoắn của đầu xa ống momen xoắn đến một điểm nằm sau mặt bích, nơi có thể cảm nhận được chuyển động này. Hãy tưởng tượng mặt bích được neo vào một bức tường thẳng đứng, trong khi một trọng lượng thay đổi kéo xuống ở đầu đòn bẩy. Ống momen xoắn sẽ uốn cong theo chuyển động xoắn của lực thay đổi, nhưng giờ đây chúng ta có thể thấy rõ mức độ xoắn của nó bằng cách quan sát sự quay của thanh nhỏ hơn ở phía gần bức tường. Trọng lượng và đòn bẩy có thể bị che khuất hoàn toàn khỏi tầm nhìn của chúng ta bởi bức tường này, nhưng chuyển động xoắn của thanh nhỏ vẫn cho thấy ống momen xoắn chịu lực của trọng lượng đến mức nào.

Chúng ta có thể áp dụng cơ cấu ống momen xoắn này vào việc đo mực chất lỏng trong bình chịu áp suất bằng cách thay thế quả cân bằng một bộ phận dịch chuyển, gắn mặt bích vào một vòi phun được hàn vào bình, và căn chỉnh một thiết bị cảm biến chuyển động với đầu thanh nhỏ để đo độ quay của nó. Khi mực chất lỏng dâng lên và hạ xuống, trọng lượng biểu kiến ​​của bộ phận dịch chuyển thay đổi, khiến ống momen xoắn hơi bị xoắn. ​​Chuyển động xoắn nhẹ này sau đó được cảm biến ở đầu thanh nhỏ, trong môi trường được cách ly khỏi áp suất chất lỏng của quá trình.

Hình ảnh chụp một ống momen xoắn thực tế từ bộ truyền tín hiệu đo mức “Level-Trol” của Fisher cho thấy hình dạng bên ngoài của nó:

Displacer level instruments

Phần kim loại màu tối là thép đàn hồi được sử dụng để treo quả cân bằng cách hoạt động như một lò xo xoắn, trong khi phần sáng bóng là thanh bên trong được sử dụng để truyền chuyển động. Như bạn có thể thấy, ống xoắn không có đường kính lớn lắm. Nếu nó lớn hơn, lò xo sẽ ​​quá cứng để có thể sử dụng thực tế trong một dụng cụ đo độ nghiêng kiểu cần gạt, vì cần gạt thường không quá nặng và cần gạt không dài.

Quan sát kỹ hơn từng đầu của ống momen xoắn sẽ thấy đầu hở nơi thanh có đường kính nhỏ nhô ra (bên trái) và đầu "bịt" của ống nơi nó gắn vào cần gạt (bên phải):

Displacer level instrumentsDisplacer level instruments

Nếu ta cắt đôi cụm ống dẫn mô-men xoắn theo chiều dọc, mặt cắt ngang của nó sẽ trông như thế này:

Displacer level instruments

Hình minh họa tiếp theo cho thấy ống momen xoắn là một phần của bộ truyền tín hiệu mức kiểu dịch chuyển toàn phần:

Displacer level instruments

Như bạn có thể thấy từ hình minh họa này, ống momen xoắn phục vụ ba mục đích riêng biệt khi được áp dụng cho ứng dụng đo mức kiểu dịch chuyển: (1) đóng vai trò như một lò xo xoắn treo trọng lượng của bộ dịch chuyển, (2) bịt kín áp suất chất lỏng xử lý khỏi cơ cấu cảm biến vị trí và (3) truyền chuyển động từ đầu xa của ống momen xoắn vào cơ cấu cảm biến.

Trong các bộ truyền tín hiệu mức khí nén, cơ chế cảm biến được sử dụng để chuyển đổi chuyển động xoắn của ống momen xoắn thành tín hiệu khí nén (áp suất không khí) thường là... cân bằng chuyển động Thiết kế. Ví dụ, cơ cấu Fisher Level-Trol sử dụng một ống Bourdon hình chữ C với một vòi phun ở cuối để theo dõi một vách ngăn gắn vào thanh nhỏ. Tâm của ống Bourdon được căn chỉnh với tâm của ống momen xoắn. ​​Khi thanh quay, vách ngăn tiến về phía vòi phun ở đầu ống Bourdon, làm tăng áp suất ngược, từ đó làm cho ống Bourdon bị uốn cong. Sự uốn cong này kéo vòi phun ra xa vách ngăn đang tiến về phía trước cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng. Do đó, chuyển động của thanh được cân bằng bởi chuyển động của ống Bourdon, tạo nên một hệ thống khí nén cân bằng chuyển động:

Displacer level instruments

Đo lường mức độ giao diện dịch chuyển

Các thiết bị đo mức bằng phương pháp dịch chuyển có thể được sử dụng để đo mực chất lỏng-chất lỏng tại giao diện tương tự như các thiết bị đo áp suất thủy tĩnh. Một yêu cầu quan trọng là bộ phận dịch chuyển phải luôn được ngập hoàn toàn trong chất lỏng. Nếu quy tắc này bị vi phạm, thiết bị sẽ không thể phân biệt giữa mực chất lỏng thấp (tổng cộng) và mực chất lỏng thấp tại giao diện. Tiêu chí này tương tự như việc sử dụng các thiết bị đo áp suất chênh lệch có chân bù để đo mực chất lỏng-chất lỏng tại giao diện: để thiết bị chỉ phản ứng với sự thay đổi mực chất lỏng tại giao diện và không bị "đánh lừa" bởi sự thay đổi mực chất lỏng tổng cộng, cả hai điểm kết nối của quá trình phải được ngập trong chất lỏng.

Nếu dụng cụ đo mức kiểu dịch chuyển có “lồng” riêng, điều quan trọng là cả hai ống nối lồng với bình chứa (đôi khi được gọi là “vòi phun”) phải được ngập trong chất lỏng. Điều này đảm bảo mặt phân cách chất lỏng bên trong lồng khớp với mặt phân cách bên trong bình chứa. Nếu vòi phun phía trên bị khô, vấn đề tương tự có thể xảy ra với dụng cụ đo mức kiểu dịch chuyển có lồng như với dụng cụ đo mức kiểu “kính quan sát” (xem phần...). [sự cố giao diện] (Xem trang tiếp theo để có giải thích chi tiết hơn về vấn đề này.)

Việc tính toán lực đẩy nổi tác dụng lên một phần tử dịch chuyển do sự kết hợp của hai chất lỏng không khó như người ta tưởng. Nguyên lý Archimedes vẫn đúng: lực đẩy nổi bằng trọng lượng của chất lỏng bị dịch chuyển. Tất cả những gì chúng ta cần làm là tính toán tổng trọng lượng và thể tích của các chất lỏng bị dịch chuyển để tính lực đẩy nổi. Đối với một chất lỏng duy nhất, lực đẩy nổi bằng khối lượng riêng của chất lỏng đó (c) nhân với thể tích bị chiếm chỗ (TRONG):

FbTRONGcáiMộtNt=cTRONG

Đối với giao diện hai chất lỏng, lực nổi bằng tổng trọng lượng của hai chất lỏng bị chiếm chỗ, trong đó trọng lượng của mỗi chất lỏng bằng mật độ khối lượng của chất lỏng đó nhân với thể tích chất lỏng bị chiếm chỗ:

FbTRONGcáiMộtNt=c1TRONG1+c2TRONG2

Giả sử một vật thể chiếm chỗ có tiết diện không đổi dọc theo chiều dài của nó, thì thể tích chất lỏng bị chiếm chỗ đơn giản bằng chính diện tích đó (Pr2) nhân với chiều dài của phần vật thể dịch chuyển ngập trong chất lỏng đó:

Displacer level instruments

FbTRONGcáiMộtNt=c1Pr2l1+c2Pr2l2

Vì khu vực (Pr2) là điểm chung của cả hai số hạng lực nổi trong phương trình này, ta có thể tách nó ra để đơn giản hóa:

FbTRONGcáiMộtNt=Pr2(c1l1+c2l2)

Việc xác định các điểm hiệu chuẩn của một thiết bị đo mức kiểu dịch chuyển cho các ứng dụng giao diện tương đối dễ dàng nếu các điều kiện LRV và URV được xem xét như một cặp “thí nghiệm tưởng tượng”, giống như chúng ta đã làm với phép đo mức giao diện thủy tĩnh. Đầu tiên, chúng ta hình dung trạng thái của bộ phận dịch chuyển sẽ “trông như thế nào” khi giao diện ở giá trị phạm vi thấp hơn, sau đó chúng ta hình dung một kịch bản khác với giao diện ở giá trị phạm vi cao hơn. Việc phác thảo hình minh họa cho mỗi kịch bản được khuyến khích để dễ hiểu hơn.

Giả sử chúng ta có một dụng cụ đo mức chất lỏng bằng phương pháp dịch chuyển, đo mức giao diện giữa hai chất lỏng có tỷ trọng riêng lần lượt là 0,850 và 1,10, với chiều dài dụng cụ là 30 inch và đường kính là 2,75 inch (bán kính = 1,375 inch). Giả sử thêm rằng trong trường hợp này, LRV là vị trí mà mức giao diện nằm ở đáy dụng cụ dịch chuyển và URV là vị trí mà mức giao diện nằm ở đỉnh dụng cụ dịch chuyển. Việc đặt các mức giao diện LRV và URV ở hai đầu cực của chiều dài dụng cụ dịch chuyển sẽ đơn giản hóa các phép tính LRV và URV của chúng ta, vì "thí nghiệm giả định" LRV đơn giản là dụng cụ dịch chuyển được nhúng hoàn toàn trong chất lỏng nhẹ và "thí nghiệm giả định" URV đơn giản là dụng cụ dịch chuyển được nhúng hoàn toàn trong chất lỏng nặng.

Displacer level instruments

Tính toán lực nổi của tàu điện nhẹ (LRV):

FbTRONGcáiMộtNt (Mỹ Latinh)=c2TRONG=c2Pr2l

Tính toán lực nổi của URV:

FbTRONGcáiMộtNt (URV)=c1TRONG=c1Pr2l

Dưới đây là các bước tính toán thực tế cho ví dụ giả định này:

c1=(62,4lbft3)(1.10)=68,6lbft3=0,0397lbTRONG3

c2=(62,4lbft3)(0,85)=53.0lbft3=0,0307lbTRONG3

FbTRONGcáiMộtNt (Mỹ Latinh)=(0,0307lbTRONG3)P(1,375 TRONG)2(30 TRONG)=5,47 lb

FbTRONGcáiMộtNt (URV)=(0,0397lbTRONG3)P(1,375 TRONG)2(30 TRONG)=7.08 lb

Lực nổi đối với bất kỳ tỷ lệ phần trăm đo nào giữa LRV (0%) và URV (100%) có thể được tính bằng phương pháp nội suy:

 

Mức giao diện (inch)Lực đẩy nổi (pound)
05,47
7.55,87
156,27
22,56,68
307.08


Nhận giá mới nhất? Chúng tôi sẽ trả lời sớm nhất có thể (trong vòng 12 giờ)

Chính sách bảo mật