اندازه گیری سطح برخورد دو مایع با استفاده از فشار تفاضلی

در بعضی کاربردها دو سیال با چگالی نسبی متفاوت در یک مخزن نگهداری می شوند و نیاز است که سطح محل برخورد دو مایع آن ها یا ارتفاع هر کدام جداگانه اندازه گیری شود. برای این منظور می‌توان با استفاده از ترانسمیترهای فشار تفاضلی (DP) سطح این دو مایع را اندازه گیری کرد. برای اندازه گیری سطح برخورد دو مایع، سطح کلی باید همیشه هم اندازه یا بالاتر از شیر فشار پایین (اصولا شیری که در قسمت بالا قرار می گیرد) باشد. 

در این اندازه گیری باید ارتفاع سطح به اندازه کافی بزرگ باشد تا یک اختلاف فشار معقول بین دو حد چگالی نسبی ایجاد کند. این اندازه گیری را می توان با یا بدون دیافراگم سیل (Remote Seal) انجام داد. با این حال، از نقطه نظر نصب و تامین و نگهداری ممکن است استفاده از دیافراگم سیل آسان تر باشد. چون نگه داشتن سیستم Wet Leg در ارتفاع ثابت در برخی کاربردها دشوار است.

شرایط کاربرد

در یک مخزن نیاز به اندازه گیری سطح برخورد دو مایع وجود دارد که ارتفاع کلی مایعات درون مخزن 150 اینچ (381 سانتی متر) است. مخزن دارای دو سیال با چگالی نسبی 1.0 و 1.08 است (چگالی نسبی (specific gravity-relative density) کمیتی بدون بعد است که به صورت نسبت چگالی ماده مورد نظر به چگالی ماده مرجع مثلا آب تعریف می‌شود). برای تعیین محدوده کالیبره شده برای ترانسمیتر چهار فرض لازم است:

1. در مقدار کالیبره پایین تر، نقطه 4 میلی آمپر، مخزن با مایع سبک تر پر می شود.
2. در مقدار کالیبره بالاتر، نقطه 20 میلی آمپر، مخزن با مایع سنگین تر پر می شود.
3. شیرهای منتهی به ورودی های ترانسمیتر اختلاف فشار ← همیشه باز و پر از مایع هستند. ارتفاع سطح کلی باید برابر یا بالاتر از شیر بالایی (فشار پایین) باشد.
4. همیشه یک سطح مرجع طرف فشار پایین دیده می شود. این سطح مرجع با استفاده از دیافراگم راه دور یا سیستم Wet Leg بدست می آید.

سطح مرجع باید دارای ارتفاع و چگالی ثابت باشد. هنگامی که چگالی لگ پر از مایع فشار بالا و پایین متفاوت است، محاسبات برای سیستم‌های Wet Leg کمی اصلاح می‌شود.

سطح اندازه گیری شده از ترکیبی از دو سیال تشکیل شده است:

 

 L = L₁S₁ + L₂S₂

هنگامی که مخزن با مایع سبک تر پر می شود، ترانسمیتر 4 میلی آمپر را نشان می دهد. (یا 0٪ از محدوده کلی (span) و L2 = L:

HP = L₂S₂ + dS_f
LP = dS_f + hS_f
4 mA DP = HP – LP = L₂S₂ – hS_f
DP = (150 x 1.0) – (150 x 0.934)
4 mA = 9.9 inH₂O

• وقتی مخزن با سیال سنگین تر پر می شود، ترانسمیتر 20 میلی آمپر را نشان می دهد (یا 100 درصد محدوده کل(span) و L1 = L:

HP = L₁S₁ + dS_f

LP = dS_f + hS_f

20 mA DP = HP – LP = LS₁ – hS_f

DP = (150 x 1.08) – (150 x 0.934)

20 mA = 21.9 inH2O

محدوده کالیبره شده 9.9 تا 21.9 اینچ آب است. هنگامی که ترانسمیتر فشار 9.9 اینچ آب را می نشان می دهد، مخزن با مایع سبک تر پر شده است. هنگامی که ترانسمیتر  21.9 اینچ  آب را نشان می دهد، مخزن با مایع سنگین تر پر شده است.

برای تعیین سطح اشتراک سیالات، از خوانش اختلاف فشار به عنوان درصد محدوده کل استفاده کنید. به عنوان مثال، اگر خروجی ترانسمیتر 18.4 میلی آمپر یا  20.7 اینچ آب باشد، سطح مشترک با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

I = DP – LCV/span X L

(LCV= lower calibrated value)

I = 20.7 – 9.9/12X 150

I = 135″ (physical height)

برای نشان دادن این مقدار سطح به صورت گرافیکی:

• در 4 میلی آمپر، مخزن با مایع سبک تر پر شده است
• در 20 میلی آمپر، مخزن با مایع سنگین تر پر شده است
• در 18.4 میلی آمپر، مخزن تا حدی با مایع سنگین تر و تا حدی با مایع سبک تر پر شده است

 

ملاحظات کاربردی

• کاربردهای اندازه گیری سطح مشترک معمولاً محدوده کل کوچک و غیر صفر است. محدوده کاری ترانسمیتر را براساس این محدوده کم انتخاب کنید.

به عنوان مثال، اگر محدوده کل 22 تا 25 اینچ باشد، ترانسمیتر باید بتواند محدوده کوچکی به اندازه 3 اینچ و محدوده بالایی به اندازه حداقل 25 اینچ را کنترل کند. برای افزایش محدوده، یا سطح (فاصله بین شیرها) باید بیشتر باشد یا اختلاف وزن مخصوص دو سیال بیشتر باشد.

• به دلیل محدوده کوچک مرتبط با کاربردهای اندازه‌گیری سطح مشترک، باید دیافراگم سیل را با دقت انتخاب کنید و آن را برای دریافت بهترین عملکرد به صورت بهینه نصب کنید. در غیر این صورت، خطاهای مربوط به نصب دیافراگم سیل می تواند اندازه گیری مورد نظر را تحت تأثیر قرار دهد. 

به عنوان مثال، اگر اختلاف فشار فقط 1 تا 2 اینچ باشد و دیافراگم سیل خطای 0.5 اینچی با تغییرات دمای محیط ایجاد کند، آنگاه اندازه‌گیری سطح مشترک ممکن است بین 25 تا 50 درصد خطا داشته باشد.

• اگر سیال در ارتفاع یا چگالی ثابت باقی نماند، استفاده از سیستم Wet Leg نیز می تواند خطا ایجاد کند.

به عنوان مثال:

• در صورت تخلیه و پر شدن مجدد سیستم، یا تحت شرایط خلاء، ارتفاع می تواند تغییر کند.
• Wet Leg می تواند با مایع فرآیند مخلوط شود و چگالی آن ممکن است تغییر کند.
• چگالی سیال نیز می تواند با تغییر دمای محیط تغییر کند.

هنگامی که یک سیستم Wet Leg با ترانسمیتر نصب شده در زیر شیر استفاده می شود، سیال در لوله ایمپالس در سمت فشار بالا در معرض تغییر است. برای حفظ یکنواختی و به حداقل رساندن اختلاط، لوله‌ها را با مایع با چگالی بیشتر پر کنید. ترجیحاً از ترانسمیتر نصب مستقیم در شیر پایینی استفاده شود.

مزایا و محدودیت های استفاده از ترانسمیتر‌های DP

مزایا

• هزینه کم
• نصب ساده 
• بدون نیاز به اجزای اضافی

محدودیت ها

• محدوده باید به اندازه کافی بزرگ باشد تا اندازه گیری انجام شود. فاصله بین شیرها یا اختلاف چگالی نسبی باید زیاد باشد
• شیر بالا باید همیشه پر باشد.
• محدوده های کوچک مستعد خطاهای ناشی از دما هستند.