Dispiacere strumenti di livello sfruttano Principio di Archimede per rilevare il livello del liquido misurando continuamente il peso di un oggetto (chiamato dispiacere) immerso nel liquido di processo. All'aumentare del livello del liquido, il dislocatore subisce una maggiore forza di galleggiamento, facendolo apparire più leggero allo strumento di rilevamento, che interpreta la perdita di peso come un aumento del livello e trasmette un segnale di uscita proporzionale.

Dispiacere strumenti di livello

In pratica, uno strumento di livello a dislocatore assume solitamente la seguente forma. Per semplicità, le tubazioni di processo in ingresso e in uscita dal serbatoio sono state omesse: sono mostrati solo il serbatoio e il suo strumento di livello a dislocatore:

Dispiacere strumenti di livelloDi solito, il sistema è costituito da un tubo metallico sigillato, sufficientemente pesante da non galleggiare nel liquido di processo. È sospeso all'interno di un tubo chiamato "gabbia", collegato al serbatoio di processo tramite due valvole di blocco e ugelli. Questi due raccordi assicurano che il livello del liquido all'interno della gabbia corrisponda al livello del liquido all'interno del serbatoio di processo, proprio come una spia di livello.

Se il livello del liquido all'interno del recipiente di processo aumenta, il livello del liquido all'interno della gabbia aumenta di conseguenza. Questo sommergerà una parte maggiore del volume del dislocatore, esercitando una forza di galleggiamento verso l'alto sul dislocatore. Ricordate che il dislocatore è troppo pesante per galleggiare, quindi non "oscilla" sulla superficie del liquido né si solleva della stessa quantità del livello del liquido: piuttosto, rimane sospeso all'interno della gabbia, diventando "più leggero" all'aumentare della forza di galleggiamento. Il meccanismo di rilevamento del peso rileva questa forza di galleggiamento quando percepisce che il dislocatore si alleggerisce, interpretando la diminuzione del peso (apparente) come un aumento del livello del liquido. Il peso apparente del dislocatore raggiunge il minimo quando è completamente immerso, ovvero quando il liquido di processo ha raggiunto il 100% all'interno della gabbia.

È importante notare che la pressione statica all'interno del recipiente avrà un effetto trascurabile sulla precisione di uno strumento a dislocatore. L'unico fattore rilevante è la densità del fluido di processo, poiché la forza di galleggiamento è direttamente proporzionale alla densità del fluido ($F=C\mathrm{In}$).

La fotografia seguente mostra un trasmettitore pneumatico modello Fisher “Level-Trol” che misura il livello della condensa in un tamburo knockout per il servizio di gas naturale. Lo strumento stesso appare sul lato destro della foto, sormontato da una "testa" di colore grigio con due manometri pneumatici visibili. La "gabbia" del dislocatore è il tubo verticale immediatamente dietro e sotto l'unità di testa. Si noti che un indicatore di livello a vetro spia è presente sul lato sinistro della camera di esclusione (o stivale anticondensa) per l'indicazione visiva del livello di condensa all'interno del recipiente di processo:

Lo scopo di questo particolare strumento di dislocamento è misurare la quantità di liquido di condensa raccolto all'interno del "stivaletto". Questo modello di Fisher Level-Trol è dotato di un meccanismo di controllo pneumatico che invia un segnale di pressione dell'aria a una valvola di scarico per drenare automaticamente la condensa dal stivale.

Qui sono presenti due foto di uno strumento dislocatore Level-Trol smontato, che mostrano come il dislocatore si inserisce all'interno del tubo della gabbia:

Il tubo della gabbia è collegato al serbatoio di processo tramite due valvole di blocco, consentendo l'isolamento dal processo. Una valvola di scarico consente lo svuotamento della gabbia dal liquido di processo per la manutenzione dello strumento e la calibrazione dello zero.

Alcuni sensori di livello a dislocatore non utilizzano una gabbia, ma appendono l'elemento dislocatore direttamente nel serbatoio di processo. Questi sono chiamati sensori "senza gabbia". Gli strumenti senza gabbia sono ovviamente più semplici di quelli a gabbia, ma non possono essere sottoposti a manutenzione senza depressurizzare (e forse persino svuotare) il serbatoio di processo in cui sono installati. Sono inoltre soggetti a errori di misura e "rumore" se il liquido all'interno del serbatoio viene agitato, sia dalle elevate velocità di flusso in entrata e in uscita dal serbatoio, sia dall'azione di giranti azionate da motori installati nel serbatoio per garantire una miscelazione completa del/i liquido/i di processo.

La calibrazione a gamma completa può essere eseguita allagando la gabbia con liquido di processo (a Bagnato calibrazione), oppure sospendendo il dislocatore con una corda e una bilancia precisa (a Asciutto calibrazione), tirando verso l'alto il dislocatore nella giusta quantità per simulare la galleggiabilità al 100% del livello del liquido:

Il calcolo di questa forza di galleggiamento è semplice. Secondo il Principio di Archimede, la forza di galleggiamento è sempre uguale al peso del volume di fluido spostato. Nel caso di uno strumento di livello a dislocatore a piena portata, questo di solito significa che l'intero volume dell'elemento dislocatore è immerso nel liquido. Basta calcolare il volume del dislocatore (se è un cilindro, $\mathrm{In}=P{R}^{2}l$, Dove $R$ è il raggio del cilindro e $l$ è la lunghezza del cilindro) e moltiplicare quel volume per la densità ponderale ($C$):

$$F_{B\mathrm{In}\mathrm{IL}E\mathrm{UN}NT}=C\mathrm{In}$$

$$F_{B\mathrm{In}\mathrm{IL}E\mathrm{UN}NT}=CP{R}^{2}l$$

Ad esempio, se la densità del fluido di processo è di 57,3 libbre per piede cubo e il dislocatore è un cilindro di 3 pollici di diametro e 24 pollici di lunghezza, la forza necessaria per simulare una condizione di galleggiamento a livello pieno può essere calcolata come segue:

$$C=\left(\frac{\text{57,3 libbre}}{{\text{piedi}}^3}\right)\left(\frac{{\text{1 piede}}^3}{{12}^3{\text{ In}}^3}\right)=\mathrm{0,0332}\frac{\text{libbre}}{{\text{In}}^3}$$

$$\mathrm{In}=P{R}^{2}l=P(1.5\text{ In}{)}^2(24\text{ In})=\mathrm{169,6}{\text{ In}}^3$$

$$F_{B\mathrm{In}\mathrm{IL}E\mathrm{UN}NT}=C\mathrm{In}=\left(\mathrm{0,0332}\frac{\text{libbre}}{{\text{In}}^3}\right)\left(\mathrm{169,6}{\text{ In}}^3\right)=5.63\text{ libbre}$$

Nota quanto sia importante mantenere la coerenza delle unità! La densità del liquido è stata data in unità di libbre per metro cubo piede e le dimensioni dello spostamento in pollici, il che avrebbe causato seri problemi senza una conversione tra piedi e pollici. Nel mio esempio di lavoro, ho scelto di convertire la densità in unità di libbre per pollice cubo, ma avrei potuto altrettanto facilmente convertire le dimensioni del dislocatore in piedi per ottenere un volume del dislocatore in unità di piedi cubi.

In una calibrazione "a umido", la spinta di galleggiamento di 5,63 libbre sarà creata dal liquido stesso, e il tecnico si assicurerà che ci sia abbastanza liquido all'interno della gabbia per simulare una condizione di livello del 100%. In una calibrazione "a secco", la spinta di galleggiamento sarà simulata applicando una tensione verso l'alto sul dislocatore con una bilancia manuale e una corda, e il tecnico tirerà con una forza verso l'alto di 5,63 libbre per far "credere" allo strumento di rilevare un livello del liquido del 100%, quando in realtà il dislocatore è completamente asciutto, sospeso in aria.

Tubi di coppia Dispiacere strumenti di livello

Un interessante problema di progettazione per i trasmettitori di livello a spostamento è come trasferire il peso rilevato dal dislocatore al meccanismo del trasmettitore, sigillando al contempo la pressione di vapore di processo da quello stesso meccanismo. La soluzione più comune a questo problema è un ingegnoso meccanismo chiamato tubo di coppiaSfortunatamente, i tubi di coppia possono essere piuttosto difficili da comprendere se non si ha accesso diretto e pratico a uno di essi, quindi questa sezione esplorerà il concetto in modo più dettagliato di quanto solitamente disponibile nei manuali di riferimento.

Immaginate un'asta metallica solida e orizzontale con una flangia a un'estremità e una leva perpendicolare all'altra. La flangia è montata su una superficie fissa e un peso è sospeso all'estremità della leva. Un cerchio tratteggiato mostra il punto in cui l'asta è saldata al centro della flangia:

La forza verso il basso del peso che agisce sulla leva impartisce una forza di torsione (coppia) all'asta, provocandone una leggera torsione longitudinale. Maggiore è il peso appeso all'estremità della leva, maggiore sarà la torsione dell'asta. Finché la coppia applicata dal peso e dalla leva non supera mai il limite elastico dell'asta, quest'ultima continuerà a comportarsi come una molla. Se conosciamo la "costante elastica" dell'asta e ne misuriamo la deflessione torsionale, possiamo infatti utilizzare questo leggero movimento per misurare l'entità del peso appeso all'estremità della leva.

Applicato a uno strumento di livello a dislocatore, un dislocatore sostituisce il peso all'estremità della leva, e la deflessione torsionale di questa asta serve a indicare la spinta idrostatica. Man mano che il liquido sale, la spinta idrostatica sul dislocatore aumenta, facendo sembrare il dislocatore più leggero dal punto di vista dell'asta. Il leggero movimento dell'asta risultante da questa apparente variazione di peso, quindi, indica il livello del liquido.

Ora immagina di praticare un lungo foro attraverso l'asta, nel senso della lunghezza, che raggiunga quasi l'estremità in cui si attacca la leva. In altre parole, immagina un foro cieco attraverso il centro dell'asta, iniziando dalla flangia e terminando appena prima della leva:

La presenza di questo foro lungo non modifica molto il comportamento dell'insieme, se non forse alterando la costante elastica dell'asta. Con meno metallo solido, l'asta sarà una molla più debole e si torcerà maggiormente con il peso applicato all'estremità della leva. Ancora più importante ai fini di questa discussione, tuttavia, il foro lungo trasforma l'asta in un tubo con un'estremità sigillata. Invece di essere una "barra di torsione", l'asta è ora più propriamente chiamata tubo di coppia, ruotando leggermente con il peso applicato all'estremità della leva.

Per dare al tubo di coppia un supporto verticale in modo che non ceda verso il basso con il peso applicato, un supporto cuscinetto a lama di coltello è spesso posizionato sotto l'estremità della leva, dove si collega al tubo di coppia. Lo scopo di questo fulcro è quello di fornire supporto verticale al peso, formando al contempo un punto di articolazione praticamente privo di attrito, garantendo che l'unica sollecitazione applicata al tubo di coppia sia coppia dalla leva:

Infine, immagina un'altra barra metallica solida (con un diametro leggermente inferiore al foro) saldata a punti all'estremità più lontana del foro cieco, che si estende oltre l'estremità della flangia:

Lo scopo di questa asta di diametro inferiore è quello di trasferire il movimento di torsione dell'estremità più lontana del tubo di torsione a un punto oltre la flangia, dove può essere percepito. Immaginate la flangia ancorata a una parete verticale, mentre un peso variabile tira verso il basso all'estremità della leva. Il tubo di torsione si fletterà con un movimento di torsione dovuto alla forza variabile, ma ora siamo in grado di vedere quanto si torce osservando la rotazione dell'asta più piccola sul lato più vicino della parete. Il peso e la leva possono essere completamente nascosti alla nostra vista da questa parete, ma il movimento di torsione dell'asta piccola rivela comunque quanto il tubo di torsione ceda alla forza del peso.

Possiamo applicare questo meccanismo del tubo di torsione alla misurazione del livello di un liquido in un recipiente pressurizzato sostituendo il peso con un dislocatore, fissando la flangia a un ugello saldato al recipiente e allineando un sensore di movimento con l'estremità dell'asta piccola per misurarne la rotazione. Quando il livello del liquido sale e scende, il peso apparente del dislocatore varia, causando una leggera torsione del tubo di torsione. Questo leggero movimento di torsione viene quindi rilevato all'estremità dell'asta piccola, in un ambiente isolato dalla pressione del fluido di processo.

Una fotografia scattata di un vero tubo di coppia da un trasmettitore di livello Fisher “Level-Trol” ne mostra l'aspetto esterno:

Il metallo di colore scuro è l'acciaio elastico utilizzato per sospendere il peso fungendo da molla di torsione, mentre la parte lucida è l'asta interna utilizzata per trasferire il movimento. Come si può vedere, il tubo di coppia stesso non ha un diametro molto ampio. Se lo avesse, sarebbe una molla troppo rigida per essere di utilità pratica in uno strumento di livellamento a dislocatore, poiché il dislocatore non è in genere molto pesante e la leva non è lunga.

Osservando più da vicino ciascuna estremità del tubo di coppia si nota l'estremità aperta da cui sporge l'asta di piccolo diametro (sinistra) e l'estremità "cieca" del tubo dove si collega alla leva (destra):

Se tagliassimo a metà il gruppo tubo di coppia, nel senso della lunghezza, la sua sezione trasversale apparirebbe più o meno così:

La prossima illustrazione mostra il tubo di coppia come parte di un trasmettitore di livello di tipo spostamento:

Come si può vedere da questa illustrazione, il tubo di coppia svolge tre scopi distinti quando applicato a un'applicazione di misurazione del livello di tipo dislocatore: (1) fungere da molla di torsione che sospende il peso del dislocatore, (2) isolare la pressione del fluido di processo dal meccanismo di rilevamento della posizione e (3) trasferire il movimento dall'estremità più lontana del tubo di coppia al meccanismo di rilevamento.

Nei trasmettitori di livello pneumatici, il meccanismo di rilevamento utilizzato per convertire il movimento di torsione del tubo di coppia in un segnale pneumatico (pressione dell'aria) è in genere del equilibrio del movimento Progettazione. Il meccanismo Fisher Level-Trol, ad esempio, utilizza un tubo di Bourdon a forma di C con un ugello all'estremità per seguire un deflettore collegato alla piccola asta. Il centro del tubo di Bourdon è allineato con il centro del tubo di coppia. Quando l'asta ruota, il deflettore avanza verso l'ugello all'estremità del tubo di Bourdon, causando un aumento della contropressione, che a sua volta provoca la flessione del tubo di Bourdon. Questa flessione allontana l'ugello dal deflettore in avanzamento fino a raggiungere una condizione di equilibrio. Il movimento dell'asta è quindi bilanciato dal movimento del tubo di Bourdon, rendendo questo un sistema pneumatico a bilanciamento del movimento:

Misurazione del livello dell'interfaccia di spostamento

Gli strumenti di livello a dislocatore possono essere utilizzati per misurare le interfacce liquido-liquido allo stesso modo degli strumenti di pressione idrostatica. Un requisito importante è che il dislocatore sia sempre completamente immerso ("allagato"). Se questa regola viene violata, lo strumento non sarà in grado di distinguere tra un basso livello del liquido (totale) e un basso livello di interfaccia. Questo criterio è analogo all'uso di strumenti di pressione differenziale a gamba compensata per misurare i livelli di interfaccia liquido-liquido: affinché lo strumento risponda esclusivamente alle variazioni del livello di interfaccia e non venga "ingannato" dalle variazioni del livello totale del liquido, entrambi i punti di collegamento al processo devono essere immersi.

Se lo strumento a dislocatore ha una propria "gabbia", è importante che entrambi i tubi che collegano la gabbia al serbatoio di processo (a volte chiamati "ugelli") siano immersi. Questo garantisce che l'interfaccia del liquido all'interno della gabbia corrisponda all'interfaccia all'interno del serbatoio. Se l'ugello superiore si asciuga, lo stesso problema può verificarsi con uno strumento a dislocatore con gabbia come con un indicatore di livello a "specchio" (vedere la sezione [problema_interfaccia] (vedere a partire dalla pagina per una spiegazione dettagliata di questo problema).

Calcolare la spinta idrostatica su un elemento di spostamento dovuta alla combinazione di due liquidi non è così difficile come potrebbe sembrare. Il principio di Archimede è ancora valido: la spinta idrostatica è uguale al peso del/i fluido/i spostato/i. Tutto ciò che dobbiamo fare è calcolare i pesi e i volumi combinati dei liquidi spostati per calcolare la spinta idrostatica. Per un singolo liquido, la spinta idrostatica è uguale alla densità ponderale di quel liquido ($C$) moltiplicato per il volume spostato ($\mathrm{In}$):

$$F_{B\mathrm{In}\mathrm{IL}E\mathrm{UN}NT}=C\mathrm{In}$$

Per un'interfaccia a due liquidi, la forza di galleggiamento è uguale alla somma dei due pesi liquidi spostati, essendo ciascun termine di peso liquido uguale alla densità ponderale di quel liquido moltiplicata per il volume spostato di quel liquido:

$$F_{B\mathrm{In}\mathrm{IL}E\mathrm{UN}NT}=C_1{\mathrm{In}}_1+C_2{\mathrm{In}}_2$$

Supponendo uno spostamento con area trasversale costante per tutta la sua lunghezza, il volume per lo spostamento di ciascun liquido è semplicemente uguale alla stessa area ($P{R}^2$) moltiplicato per la lunghezza del dislocatore immerso in quel liquido:

$$F_{B\mathrm{In}\mathrm{IL}E\mathrm{UN}NT}=C_{1}P{R}^2{l}_1+C_{2}P{R}^2{l}_2$$

Poiché l'area ($P{R}^2$) è comune a entrambi i termini di galleggiamento in questa equazione, possiamo estrapolarlo per semplicità:

$$F_{B\mathrm{In}\mathrm{IL}E\mathrm{UN}NT}=P{R}^2(C_1{l}_1+C_2{l}_2)$$

Determinare i punti di calibrazione di uno strumento di livello a dislocatore per applicazioni di interfaccia è relativamente semplice se le condizioni LRV e URV vengono esaminate come una coppia di "esperimenti mentali", proprio come abbiamo fatto con la misura del livello di interfaccia idrostatica. Innanzitutto, immaginiamo come "apparirebbero" le condizioni del dislocatore con l'interfaccia al valore di fondo scala inferiore, quindi immaginiamo uno scenario diverso con l'interfaccia al valore di fondo scala superiore. Per maggiore chiarezza, si consiglia di illustrare abbozzando ogni scenario.

Supponiamo di avere uno strumento di spostamento che misura il livello di interfaccia tra due liquidi con peso specifico di 0,850 e 1,10, con una lunghezza dello strumento di spostamento di 30 pollici e un diametro dello strumento di spostamento di 2,75 pollici (raggio = 1,375 pollici). Supponiamo inoltre che la LRV in questo caso si trovi nel punto in cui l'interfaccia si trova alla base dello strumento di spostamento e la URV nel punto in cui l'interfaccia si trova alla sommità dello strumento di spostamento. Il posizionamento dei livelli di interfaccia LRV e URV alle estremità della lunghezza dello strumento di spostamento semplifica i nostri calcoli di LRV e URV, poiché l'esperimento mentale LRV sarà semplicemente lo strumento di spostamento completamente immerso in un liquido leggero e l'esperimento mentale URV sarà semplicemente lo strumento di spostamento completamente immerso in un liquido pesante.

Calcolo della forza di galleggiamento LRV:

$$F_{B\mathrm{In}\mathrm{IL}E\mathrm{UN}NT}\text{ (America Latina)}=C_2\mathrm{In}=C_{2}P{R}^{2}l$$

Calcolo della forza di galleggiamento URV:

$$F_{B\mathrm{In}\mathrm{IL}E\mathrm{UN}NT}\text{ (VNR)}=C_1\mathrm{In}=C_{1}P{R}^{2}l$$

Ecco i calcoli effettivi per questo esempio ipotetico:

$$C_1=\left(\mathrm{62,4}\frac{\text{libbre}}{{\text{piedi}}^3}\right)(1.10)=\mathrm{68,6}\frac{\text{libbre}}{{\text{piedi}}^3}=\mathrm{0,0397}\frac{\text{libbre}}{{\text{In}}^3}$$

$$C_2=\left(\mathrm{62,4}\frac{\text{libbre}}{{\text{piedi}}^3}\right)(\mathrm{0,85})=53.0\frac{\text{libbre}}{{\text{piedi}}^3}=\mathrm{0,0307}\frac{\text{libbre}}{{\text{In}}^3}$$

$$F_{B\mathrm{In}\mathrm{IL}E\mathrm{UN}NT}\text{ (America Latina)}=\left(\mathrm{0,0307}\frac{\text{libbre}}{{\text{In}}^3}\right)P(1.375\text{ In}{)}^2(30\text{ In})=5.47\text{ libbre}$$

$$F_{B\mathrm{In}\mathrm{IL}E\mathrm{UN}NT}\text{ (VNR)}=\left(\mathrm{0,0397}\frac{\text{libbre}}{{\text{In}}^3}\right)P(1.375\text{ In}{)}^2(30\text{ In})=7.08\text{ libbre}$$

La galleggiabilità per qualsiasi percentuale di misurazione compresa tra LRV (0%) e URV (100%) può essere calcolata tramite interpolazione: