Ketidakpuasan instrumen level memanfaatkan Prinsip Archimedes untuk mendeteksi ketinggian cairan dengan mengukur berat suatu objek secara terus menerus (disebut ketidakpuasan) terendam dalam cairan proses. Saat permukaan cairan meningkat, penggeser mengalami gaya apung yang lebih besar, sehingga tampak lebih ringan bagi instrumen pengukur, yang menafsirkan penurunan berat sebagai peningkatan permukaan dan mengirimkan sinyal keluaran yang proporsional.

Ketidakpuasan instrumen level

Dalam praktiknya, instrumen pengukur ketinggian cairan tipe displacer biasanya berbentuk seperti berikut. Pipa proses masuk dan keluar dari bejana telah dihilangkan untuk penyederhanaan – hanya bejana dan instrumen pengukur ketinggian cairan tipe displacer-nya yang ditampilkan:

Ketidakpuasan instrumen levelTabung itu sendiri biasanya berupa tabung logam tertutup, yang diberi pemberat yang cukup sehingga tidak dapat mengapung dalam cairan proses. Tabung tersebut menggantung di dalam pipa yang disebut "sangkar" yang terhubung ke bejana proses melalui dua katup blok dan nosel. Kedua sambungan pipa ini memastikan ketinggian cairan di dalam sangkar sesuai dengan ketinggian cairan di dalam bejana proses, mirip seperti kaca pengintai.

Jika permukaan cairan di dalam bejana proses naik, permukaan cairan di dalam sangkar juga akan naik. Hal ini akan menenggelamkan lebih banyak volume displacer, menyebabkan gaya apung bekerja ke atas pada displacer. Ingatlah bahwa displacer terlalu berat untuk mengapung, sehingga tidak "mengapung" di permukaan cairan atau naik seiring dengan kenaikan permukaan cairan – melainkan, ia tetap berada di tempatnya di dalam sangkar, menjadi "lebih ringan" seiring dengan peningkatan gaya apung. Mekanisme penginderaan berat mendeteksi gaya apung ini ketika merasakan displacer menjadi lebih ringan, menafsirkan penurunan berat (tampak) sebagai peningkatan permukaan cairan. Berat tampak displacer mencapai minimum ketika sepenuhnya terendam, ketika cairan proses telah mencapai titik 100% di dalam sangkar.

Perlu dicatat bahwa tekanan statis di dalam bejana akan memiliki efek yang dapat diabaikan pada akurasi instrumen displacer. Satu-satunya faktor yang penting adalah densitas fluida proses, karena gaya apung berbanding lurus dengan densitas fluida ($F=C\mathrm{Di\; dalam}$).

Foto berikut menunjukkan pemancar pneumatik model Fisher “Level-Trol” yang mengukur level kondensat di dalam sebuah drum pemukul untuk layanan gas alam. Instrumen itu sendiri tampak di sisi kanan foto, di atasnya terdapat "kepala" berwarna abu-abu dengan dua pengukur tekanan pneumatik yang terlihat. "Sangkar" penggeser adalah pipa vertikal yang berada tepat di belakang dan di bawah unit kepala. Perhatikan bahwa pengukur level kaca pengintai muncul di sisi kiri ruang pemisah (atau penutup kondensat) untuk indikasi visual tingkat kondensat di dalam bejana proses:

Tujuan dari instrumen pengukur perpindahan ini adalah untuk mengukur jumlah cairan kondensat yang terkumpul di dalam "penampung". Model Fisher Level-Trol ini dilengkapi dengan mekanisme pengontrol pneumatik yang mengirimkan sinyal tekanan udara ke katup pembuangan untuk secara otomatis menguras kondensat keluar dari penampung.

Berikut ini dua foto instrumen Level-Trol displacer yang telah dibongkar, menunjukkan bagaimana displacer tersebut terpasang di dalam pipa sangkar:

Pipa sangkar dihubungkan ke bejana proses melalui dua katup blok, memungkinkan isolasi dari proses. Katup pembuangan memungkinkan sangkar dikosongkan dari cairan proses untuk perawatan instrumen dan kalibrasi nol.

Beberapa sensor level tipe penggeser tidak menggunakan sangkar, melainkan menggantung elemen penggeser langsung di dalam bejana proses. Sensor ini disebut sensor "tanpa sangkar". Instrumen tanpa sangkar tentu saja lebih sederhana daripada instrumen tipe sangkar, tetapi tidak dapat diservis tanpa menurunkan tekanan (dan mungkin bahkan mengosongkan) bejana proses tempat instrumen tersebut berada. Instrumen ini juga rentan terhadap kesalahan pengukuran dan "noise" jika cairan di dalam bejana diaduk, baik oleh kecepatan aliran tinggi masuk dan keluar bejana, atau oleh aksi impeler yang diputar motor yang dipasang di dalam bejana untuk memberikan pencampuran menyeluruh cairan proses.

Kalibrasi rentang penuh dapat dilakukan dengan membanjiri sangkar dengan cairan proses (a basah kalibrasi), atau dengan menggantung penggeser dengan tali dan skala yang tepat (sebuah kering kalibrasi), menarik ke atas pada penggeser dengan jumlah yang tepat untuk mensimulasikan daya apung pada level cairan 100%:

Perhitungan gaya apung ini sangat sederhana. Menurut Prinsip Archimedes, gaya apung selalu sama dengan berat volume fluida yang dipindahkan. Dalam kasus instrumen pengukur ketinggian berbasis penggeser pada rentang penuh, ini biasanya berarti seluruh volume elemen penggeser terendam dalam cairan. Cukup hitung volume penggeser (jika berupa silinder, $\mathrm{Di\; dalam}=P{R}^{2}l$, Di mana $R$ adalah jari-jari silinder dan $l$ adalah panjang silinder) dan kalikan volume tersebut dengan kepadatan berat ($C$):

$$F_{B\mathrm{di\; dalam}\mathrm{itu}\mathrm{Dan}ANT}=C\mathrm{Di\; dalam}$$

$$F_{B\mathrm{di\; dalam}\mathrm{itu}\mathrm{Dan}ANT}=CP{R}^{2}l$$

Sebagai contoh, jika kepadatan berat fluida proses adalah 57,3 pon per kaki kubik dan penggesernya adalah silinder berdiameter 3 inci dan panjang 24 inci, gaya yang diperlukan untuk mensimulasikan kondisi daya apung pada level penuh dapat dihitung sebagai berikut:

$$C=\left(\frac{\text{57,3 pon}}{{\text{kaki}}^3}\right)\left(\frac{{\text{1 kaki}}^3}{{12}^3{\text{ di dalam}}^3}\right)=\mathrm{0,0332}\frac{\text{pon}}{{\text{di dalam}}^3}$$

$$\mathrm{Di\; dalam}=P{R}^{2}l=P(1.5\text{ di dalam}{)}^2(24\text{ di dalam})=169.6{\text{ di dalam}}^3$$

$$F_{B\mathrm{di\; dalam}\mathrm{itu}\mathrm{Dan}ANT}=C\mathrm{Di\; dalam}=\left(\mathrm{0,0332}\frac{\text{pon}}{{\text{di dalam}}^3}\right)\left(169.6{\text{ di dalam}}^3\right)=\mathrm{5,63}\text{ pon}$$

Perhatikan betapa pentingnya menjaga konsistensi satuan! Kepadatan cairan diberikan dalam satuan pon per kubik. kaki dan dimensi penggeser di inci, yang akan menimbulkan masalah serius tanpa konversi antara kaki dan inci. Dalam contoh pekerjaan saya, saya memilih untuk mengkonversi densitas ke dalam satuan pon per inci kubik, tetapi saya juga bisa dengan mudah mengkonversi dimensi penggeser ke dalam kaki untuk mendapatkan volume penggeser dalam satuan kaki kubik.

Dalam kalibrasi "basah", gaya apung sebesar 5,63 pon akan dihasilkan oleh cairan itu sendiri, dengan teknisi memastikan ada cukup cairan di dalam sangkar untuk mensimulasikan kondisi level 100%. Dalam kalibrasi "kering", gaya apung akan disimulasikan oleh tegangan yang diterapkan ke atas pada displacer dengan timbangan tangan dan tali, dengan teknisi menarik dengan gaya ke atas sebesar 5,63 pon untuk membuat instrumen "berpikir" bahwa ia mendeteksi level cairan 100% padahal sebenarnya displacer benar-benar kering, menggantung di udara.

Tabung torsi Ketidakpuasan instrumen level

Salah satu permasalahan desain yang menarik untuk pemancar level tipe perpindahan adalah bagaimana mentransfer berat yang terdeteksi dari penggeser ke mekanisme pemancar sambil secara positif menyegel tekanan uap proses dari mekanisme yang sama. Solusi paling umum untuk masalah ini adalah mekanisme cerdik yang disebut... tabung torsiSayangnya, tabung torsi bisa agak sulit dipahami kecuali Anda memiliki akses langsung ke salah satunya, dan oleh karena itu bagian ini akan membahas konsep tersebut secara lebih detail daripada yang biasanya tersedia dalam buku panduan referensi.

Bayangkan sebuah batang logam padat horizontal dengan flensa di salah satu ujungnya dan tuas tegak lurus di ujung lainnya. Flensa tersebut dipasang pada permukaan yang tetap, dan sebuah beban digantungkan dari ujung tuas. Lingkaran garis putus-putus menunjukkan tempat batang tersebut dilas ke tengah flensa:

Gaya ke bawah dari beban yang bekerja pada tuas memberikan gaya puntir (torsi) pada batang, menyebabkan batang sedikit berputar sepanjang panjangnya. Semakin besar beban yang digantung di ujung tuas, semakin besar pula putaran batang. Selama torsi yang diberikan oleh beban dan tuas tidak pernah melebihi batas elastis batang, batang akan terus bertindak sebagai pegas. Jika kita mengetahui "konstanta pegas" batang, dan mengukur defleksi torsinya, kita sebenarnya dapat menggunakan gerakan kecil ini untuk mengukur besarnya beban yang digantung di ujung tuas.

Pada instrumen pengukur ketinggian cairan tipe penggeser, penggeser menggantikan beban di ujung tuas, dan defleksi torsi batang ini berfungsi untuk menunjukkan gaya apung. Saat cairan naik, gaya apung pada penggeser meningkat, membuat penggeser tampak lebih ringan dari perspektif batang. Gerakan kecil batang yang dihasilkan dari perubahan berat yang tampak ini kemudian menunjukkan ketinggian cairan.

Sekarang bayangkan mengebor lubang panjang melalui batang, memanjang, yang hampir mencapai ujung tempat tuas terpasang. Dengan kata lain, bayangkan sebuah lubang buta melalui bagian tengah batang, dimulai dari flensa dan berakhir tepat sebelum tuas:

Keberadaan lubang panjang ini tidak banyak mengubah perilaku rakitan, kecuali mungkin mengubah konstanta pegas batang. Dengan lebih sedikit logam padat, batang akan menjadi pegas yang lebih lemah, dan akan berputar lebih besar dengan beban yang diterapkan di ujung tuas. Namun, yang lebih penting untuk tujuan diskusi ini, lubang panjang tersebut mengubah batang menjadi sebuah tabung dengan ujung yang tertutup rapat. Alih-alih disebut sebagai "batang torsi," batang tersebut sekarang lebih tepat disebut sebagai... tabung torsi, berputar sedikit demi sedikit dengan adanya beban yang diberikan di ujung tuas.

Untuk memberikan dukungan vertikal pada tabung torsi agar tidak melengkung ke bawah akibat beban yang diberikan, diperlukan penyangga. bantalan ujung pisau Titik tumpu ini sering ditempatkan di bawah ujung tuas tempat ia terhubung ke tabung torsi. Tujuan dari titik tumpu ini adalah untuk memberikan dukungan vertikal bagi beban sekaligus membentuk titik poros yang hampir tanpa gesekan, memastikan satu-satunya tekanan yang diterapkan pada tabung torsi adalah... torsi dari tuas:

Terakhir, bayangkan sebuah batang logam padat lainnya (dengan diameter sedikit lebih kecil dari lubang) yang dilas titik ke ujung lubang buntu, memanjang keluar melewati ujung flensa:

Tujuan dari batang berdiameter lebih kecil ini adalah untuk mentransfer gerakan puntir dari ujung tabung torsi ke titik di luar flensa di mana gerakan tersebut dapat dirasakan. Bayangkan flensa tersebut diikatkan ke dinding vertikal, sementara beban variabel menarik ke bawah di ujung tuas. Tabung torsi akan melentur dalam gerakan puntir dengan gaya variabel tersebut, tetapi sekarang kita dapat melihat seberapa besar puntirannya dengan mengamati rotasi batang yang lebih kecil di sisi dekat dinding. Beban dan tuas mungkin sepenuhnya tersembunyi dari pandangan kita oleh dinding ini, tetapi gerakan puntir batang kecil tersebut tetap menunjukkan seberapa besar tabung torsi melentur terhadap gaya beban.

Kita dapat menerapkan mekanisme tabung torsi ini untuk mengukur ketinggian cairan dalam bejana bertekanan dengan mengganti beban dengan penggeser, memasang flensa ke nosel yang dilas ke bejana, dan menyelaraskan perangkat pengindera gerak dengan ujung batang kecil untuk mengukur rotasinya. Saat ketinggian cairan naik dan turun, berat semu penggeser bervariasi, menyebabkan tabung torsi sedikit berputar. Gerakan putaran kecil ini kemudian dideteksi di ujung batang kecil, dalam lingkungan yang terisolasi dari tekanan fluida proses.

Foto yang diambil dari tabung torsi asli dari pemancar level Fisher “Level-Trol” menunjukkan tampilan luarnya:

Logam berwarna gelap adalah baja elastis yang digunakan untuk menahan beban dengan bertindak sebagai pegas torsi, sedangkan bagian yang mengkilap adalah batang bagian dalam yang digunakan untuk mentransfer gerakan. Seperti yang Anda lihat, tabung torsi itu sendiri tidak terlalu lebar diameternya. Jika lebar, pegas tersebut akan terlalu kaku untuk digunakan secara praktis dalam instrumen pengukur level tipe penggeser, karena penggeser biasanya tidak terlalu berat, dan tuasnya tidak panjang.

Jika dilihat lebih dekat pada setiap ujung tabung torsi, akan terlihat ujung terbuka tempat batang berdiameter kecil menonjol (kiri) dan ujung "tertutup" tabung tempat ia terhubung ke tuas (kanan):

Jika kita membelah rakitan tabung torsi menjadi dua secara memanjang, penampangnya akan terlihat seperti ini:

Ilustrasi berikut menunjukkan tabung torsi sebagai bagian dari keseluruhan pemancar level tipe perpindahan:

Seperti yang Anda lihat dari ilustrasi ini, tabung torsi memiliki tiga tujuan berbeda ketika diterapkan pada aplikasi pengukuran level tipe displacer: (1) berfungsi sebagai pegas torsi yang menahan berat displacer, (2) menyegel tekanan fluida proses dari mekanisme penginderaan posisi, dan (3) mentransfer gerakan dari ujung tabung torsi ke mekanisme penginderaan.

Pada pemancar level pneumatik, mekanisme penginderaan yang digunakan untuk mengubah gerakan puntir tabung torsi menjadi sinyal pneumatik (tekanan udara) biasanya berupa... keseimbangan gerak Desainnya. Mekanisme Fisher Level-Trol, misalnya, menggunakan tabung Bourdon berbentuk C dengan nosel di ujungnya untuk mengikuti sekat yang terpasang pada batang kecil. Pusat tabung Bourdon sejajar dengan pusat tabung torsi. Saat batang berputar, sekat bergerak maju menuju nosel di ujung tabung Bourdon, menyebabkan tekanan balik meningkat, yang pada gilirannya menyebabkan tabung Bourdon melentur. Lenturan ini menarik nosel menjauh dari sekat yang bergerak maju hingga kondisi seimbang tercapai. Oleh karena itu, gerakan batang diimbangi oleh gerakan tabung Bourdon, sehingga menjadikannya sistem pneumatik keseimbangan gerak:

Pengukuran tingkat antarmuka perpindahan

Instrumen pengukur level cairan tipe displacer dapat digunakan untuk mengukur antarmuka cairan-cairan sama seperti instrumen pengukur tekanan hidrostatik. Salah satu persyaratan penting adalah displacer harus selalu terendam sepenuhnya ("tergenang"). Jika aturan ini dilanggar, instrumen tidak akan mampu membedakan antara level cairan (total) yang rendah dan level antarmuka yang rendah. Kriteria ini analog dengan penggunaan instrumen pengukur tekanan diferensial kaki terkompensasi untuk mengukur level antarmuka cairan-cairan: agar instrumen hanya merespons perubahan level antarmuka dan tidak "tertipu" oleh perubahan level cairan total, kedua titik sambungan proses harus terendam.

Jika instrumen penggeser memiliki "sangkar" sendiri, penting agar kedua pipa yang menghubungkan sangkar ke bejana proses (kadang-kadang disebut "nosel") terendam. Ini memastikan antarmuka cairan di dalam sangkar sesuai dengan antarmuka di dalam bejana. Jika nosel atas mengering, masalah yang sama dapat terjadi pada instrumen penggeser bersangkar seperti pada pengukur level "kaca pengintai" (lihat bagian [masalah_antarmuka] (Lihat halaman selanjutnya untuk penjelasan rinci tentang masalah ini.)

Menghitung gaya apung pada elemen pemindah akibat kombinasi dua cairan tidak sesulit kedengarannya. Prinsip Archimedes masih berlaku: bahwa gaya apung sama dengan berat cairan yang dipindahkan. Yang perlu kita lakukan hanyalah menghitung berat dan volume gabungan cairan yang dipindahkan untuk menghitung gaya apung. Untuk cairan tunggal, gaya apung sama dengan massa jenis cairan tersebut ($C$) dikalikan dengan volume yang dipindahkan ($\mathrm{Di\; dalam}$):

$$F_{B\mathrm{di\; dalam}\mathrm{itu}\mathrm{Dan}ANT}=C\mathrm{Di\; dalam}$$

Untuk antarmuka dua cairan, gaya apung sama dengan jumlah berat kedua cairan yang dipindahkan, di mana setiap berat cairan sama dengan kerapatan berat cairan tersebut dikalikan dengan volume cairan yang dipindahkan:

$$F_{B\mathrm{di\; dalam}\mathrm{itu}\mathrm{Dan}ANT}=C_1{\mathrm{Di\; dalam}}_1+C_2{\mathrm{Di\; dalam}}_2$$

Dengan asumsi bahwa alat pemindah memiliki luas penampang yang konstan di sepanjang panjangnya, maka volume untuk setiap perpindahan cairan sama dengan luas penampang yang sama ($P{R}^2$) dikalikan dengan panjang penggeser yang terendam dalam cairan tersebut:

$$F_{B\mathrm{di\; dalam}\mathrm{itu}\mathrm{Dan}ANT}=C_{1}P{R}^2{l}_1+C_{2}P{R}^2{l}_2$$

Karena wilayah tersebut ($P{R}^2$) merupakan komponen umum untuk kedua suku daya apung dalam persamaan ini, kita dapat memfaktorkannya untuk menyederhanakan persamaan:

$$F_{B\mathrm{di\; dalam}\mathrm{itu}\mathrm{Dan}ANT}=P{R}^2(C_1{l}_1+C_2{l}_2)$$

Menentukan titik kalibrasi instrumen pengukur ketinggian tipe penggeser untuk aplikasi antarmuka relatif mudah jika kondisi LRV dan URV diperiksa sebagai sepasang "eksperimen pikiran" seperti yang kita lakukan dengan pengukuran ketinggian antarmuka hidrostatik. Pertama, kita membayangkan seperti apa kondisi penggeser tersebut jika antarmuka berada pada nilai rentang bawah, kemudian kita membayangkan skenario yang berbeda dengan antarmuka pada nilai rentang atas. Menggambar ilustrasi dari setiap skenario disarankan untuk kejelasan.

Misalkan kita memiliki instrumen pengukur perpindahan cairan yang mengukur level antarmuka antara dua cairan dengan berat jenis 0,850 dan 1,10, dengan panjang pengukur perpindahan cairan 30 inci dan diameter pengukur perpindahan cairan 2,75 inci (jari-jari = 1,375 inci). Mari kita misalkan lebih lanjut bahwa LRV dalam kasus ini adalah di mana antarmuka berada di bagian bawah pengukur perpindahan cairan dan URV adalah di mana antarmuka berada di bagian atas pengukur perpindahan cairan. Penempatan level antarmuka LRV dan URV di ujung-ujung panjang pengukur perpindahan cairan menyederhanakan perhitungan LRV dan URV kita, karena "percobaan pikiran" LRV hanyalah pengukur perpindahan cairan yang sepenuhnya terendam dalam cairan ringan dan "percobaan pikiran" URV hanyalah pengukur perpindahan cairan yang sepenuhnya terendam dalam cairan berat.

Menghitung gaya apung LRV:

$$F_{B\mathrm{di\; dalam}\mathrm{itu}\mathrm{Dan}ANT}\text{ (Amerika Latin)}=C_2\mathrm{Di\; dalam}=C_{2}P{R}^{2}l$$

Menghitung gaya apung URV:

$$F_{B\mathrm{di\; dalam}\mathrm{itu}\mathrm{Dan}ANT}\text{ (URV)}=C_1\mathrm{Di\; dalam}=C_{1}P{R}^{2}l$$

Berikut adalah perhitungan sebenarnya untuk contoh hipotetis ini:

$$C_1=\left(62.4\frac{\text{pon}}{{\text{kaki}}^3}\right)(1.10)=68.6\frac{\text{pon}}{{\text{kaki}}^3}=\mathrm{0,0397}\frac{\text{pon}}{{\text{di dalam}}^3}$$

$$C_2=\left(62.4\frac{\text{pon}}{{\text{kaki}}^3}\right)(\mathrm{0,85})=53.0\frac{\text{pon}}{{\text{kaki}}^3}=\mathrm{0,0307}\frac{\text{pon}}{{\text{di dalam}}^3}$$

$$F_{B\mathrm{di\; dalam}\mathrm{itu}\mathrm{Dan}ANT}\text{ (Amerika Latin)}=\left(\mathrm{0,0307}\frac{\text{pon}}{{\text{di dalam}}^3}\right)P(1.375\text{ di dalam}{)}^2(30\text{ di dalam})=5.47\text{ pon}$$

$$F_{B\mathrm{di\; dalam}\mathrm{itu}\mathrm{Dan}ANT}\text{ (URV)}=\left(\mathrm{0,0397}\frac{\text{pon}}{{\text{di dalam}}^3}\right)P(1.375\text{ di dalam}{)}^2(30\text{ di dalam})=7.08\text{ pon}$$

Daya apung untuk setiap persentase pengukuran antara LRV (0%) dan URV (100%) dapat dihitung dengan interpolasi: