การวัดระดับแบบไฮโดรสแตติก: ความคลาดเคลื่อนจากความหนาแน่นและซีล

ทรานสมิตเตอร์วัดระดับแบบไฮโดรสแตติกไม่ได้วัดระดับโดยตรง แต่ตรวจความดันที่ก้นถังแล้วคำนวณระดับโดยใช้ค่าความหนาแน่นของของเหลวคงที่ ดังนั้นเมื่อความหนาแน่นเปลี่ยนตามอุณหภูมิหรือการเปลี่ยนผลิตภัณฑ์ ระดับที่คำนวณได้และปริมาตรในถังที่คำนวณต่อจากระดับจะคลาดเคลื่อนไปพร้อมกัน บทความนี้คำนวณขนาดความคลาดเคลื่อน อธิบายการจัดระบบวัดความดันต่างในภาชนะปิดเพื่อตัดพจน์ความดันก๊าซ และระบุเงื่อนไขที่เครื่องวัดเรดาร์ซึ่งวัดระยะโดยตรงเป็นทางเลือกที่แน่นอนกว่า

ทรานสมิตเตอร์วัดระดับแบบไฮโดรสแตติกวัดอะไรจริง ๆ

ทรานสมิตเตอร์แบบไฮโดรสแตติกหรือแบบความดันต่างที่ฐานถังตรวจความดันจากน้ำหนักคอลัมน์ของเหลวด้านบน แล้วให้เอาต์พุตเชิงเส้นตั้งแต่ความดันศูนย์ถึงเต็มสเกล โดยมากเป็นสัญญาณ 4–20 mA แม้ใช้สายหลายร้อยเมตร กระแสยังคงเดิม แต่ต้องตรวจแรงดันลูปเทียบกับแรงดันขั้นต่ำที่ขั้วทรานสมิตเตอร์ คุณสมบัตินี้ทำให้วิธีดังกล่าวยังนิยมใช้กับถังเก็บขนาดใหญ่ เครื่องมือรายงานความดัน ส่วนระดับเป็นค่าที่ผู้ใช้คำนวณจากความหนาแน่นสมมติและความสูงถังที่ทราบ สำหรับถังระบายสู่บรรยากาศ ทั้งทรานสมิตเตอร์ความดันเกจที่ใช้สายมีท่อระบายอากาศ และทรานสมิตเตอร์ความดันต่างที่เปิดขาอ้างอิงสู่บรรยากาศ ต่างแยกความดันจากคอลัมน์ของเหลวออกจากความดันบรรยากาศได้ ต้องป้องกันความชื้นในทางระบายอากาศ โดยทั่วไปใช้ตัวกรองสารดูดความชื้น เมื่ออุณหภูมิของเหลวต่างจากอากาศมาก ทรานสมิตเตอร์ชนิดนี้ถูกเลือกเพราะต้นทุนติดตั้งต่ำและมีส่วนตรวจจับความดันเรียบง่าย ผ่านการใช้งานภาคสนาม และต้องดูแลตามปกติน้อย

ความหนาแน่นเข้าสู่การคำนวณระดับอย่างไร

ระดับที่คำนวณได้เป็นไปตาม h = p / (ρ · g) โดย p คือความดันเกจที่วัดได้ ρ คือความหนาแน่นของเหลวที่สมมติ และ g คือความเร่งโน้มถ่วงในพื้นที่ประมาณ 9.81 m/s² ทุกค่าระดับที่รายงานจึงมีสมมติฐานความหนาแน่นแฝงอยู่ในตัวคูณการแปลง สแปนตั้งเป็นหน่วยความดัน และสมมติฐานความหนาแน่นถูกรวมไว้ใน LRV และ URV การแปลงจึงใช้ได้เฉพาะเมื่อ ρ ยังเท่ากับค่าที่ใช้ตั้งสเกล ในถังน้ำที่ระบายสู่บรรยากาศใกล้ 20 °C ความหนาแน่นอยู่ที่ประมาณ 998 kg/m³ แต่ผลิตภัณฑ์ผสม สารละลายน้ำตาล หรือถังที่เย็นลงข้ามคืน อาจมีความหนาแน่นเปลี่ยนหลายเปอร์เซ็นต์ทั้งที่ระดับจริงไม่เปลี่ยน ทรานสมิตเตอร์ตรวจไม่พบว่าความหนาแน่นเปลี่ยน เพียงรายงานความดันที่ได้รับ ผู้ใช้ต้องกำหนดว่าต้องทราบความหนาแน่นแม่นยำเพียงใดจึงจะรักษาระดับให้อยู่ในค่าคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ เพราะการสอบเทียบส่วนตรวจจับความดันใหม่ไม่เปลี่ยนสมมติฐานที่ใช้ตั้งสเกล

ตัวอย่างความหนาแน่นเปลี่ยน: ความคลาดเคลื่อนของระดับและปริมาตร

ตารางต่อไปนี้กำหนดค่าหน้างานสมมติสำหรับถังแนวตั้ง แล้วแปลงการเปลี่ยนความหนาแน่นจริงเป็นความคลาดเคลื่อนของระดับและปริมาตร นี่เป็นตัวอย่างคำนวณจากค่าหน้างานสมมติ ไม่ใช่บันทึกภาคสนามของ METRAVON ต้องตรวจตัวเลขกับเอกสารข้อมูลและป้ายชื่อรุ่นปัจจุบันก่อนตัดสินใจทางวิศวกรรม

ข้อมูลเข้าและการแปลง: ความดันจริงที่ก้นถังคือ p = ρ1 · g · h = 1030 · 9.81 · 6.0 = 60,626 Pa หรือประมาณ 60.6 kPa ทรานสมิตเตอร์ที่ตั้งสเกลตาม ρ0 รายงาน h_rep = p / (ρ0 · g) = 60626 / (1000 · 9.81) = 6.18 m ความคลาดเคลื่อนระดับ = 6.18 − 6.00 = +0.18 m เท่ากับ +3.0 % ของระดับจริง พื้นที่หน้าตัดคือ A = π · (2.0)² = 12.57 m² ปริมาตรจริงจึงเท่ากับ 75.4 m³ แต่รายงาน 77.7 m³ คลาดเคลื่อน +2.3 m³ (+3.0 %) เงื่อนไขขอบเขต: ความคลาดเคลื่อนเพิ่มตามระดับ ถึง +0.36 m เมื่อเต็มความสูง 12.0 m และเครื่องหมายจะกลับทิศหากความหนาแน่นจริงต่ำกว่าค่าที่ใช้ตั้งสเกล

เมื่อใดวิธีไฮโดรสแตติกไม่น่าเชื่อถือเพียงพอ

ควรเลี่ยงทรานสมิตเตอร์ไฮโดรสแตติกเมื่อความหนาแน่นของเหลวไม่เสถียรหรือไม่ทราบ ณ จุดวัด ในถังที่รับผลิตภัณฑ์สลับชนิด หรือร้อนและเย็นลงระหว่างวัน พจน์ความหนาแน่นเปลี่ยนทั้งที่ระดับจริงคงเดิม และการสอบเทียบทรานสมิตเตอร์ใหม่กี่ครั้งก็ขจัดค่าคลาดเชิงระบบนี้ไม่ได้ เพราะเครื่องมือรายงานความดันถูกต้องอยู่แล้ว การเกิดโฟม การแยกชั้น และของแข็งแขวนลอยยังทำให้สมมติฐานความหนาแน่นค่าเดียวที่ใช้ตั้งสเกลใช้ไม่ได้ด้วย สำหรับบัญชีปริมาณถ่ายโอน การตรวจปริมาณคงคลังลักษณะงานซื้อขาย หรือหน้าที่ใดที่ต้องให้ความคลาดเคลื่อนระดับต่ำกว่าประมาณ 1 % ของความสูงถัง วิธีไฮโดรสแตติกที่ไม่ชดเชยความหนาแน่นจะไม่ผ่านการตรวจรับ ที่ระดับเติม 6 m ค่า 1 % ของความสูงนี้คือ 60 mm จึงยอมให้ความไม่แน่นอนของความหนาแน่นได้เพียง ±1 % ซึ่งแคบกว่าข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่ ในกรณีเหล่านี้ เครื่องวัดเรดาร์ที่วัดระยะถึงผิวโดยตรงจะตัดพจน์ความหนาแน่นออกทั้งหมด หรือจำเป็นต้องใช้การวัดมวลที่แก้ไขด้วยความหนาแน่น เพื่อไม่ให้การคำนวณอาศัยความหนาแน่นที่คาดเดา

การวัดภาชนะปิดและการชดเชยความดันก๊าซ

ในถังปิด ก๊าซเหนือของเหลวมีความดันของตัวเอง จุดต่อความดันที่ก้นถังจุดเดียวจึงแยกความดันคอลัมน์ของเหลวออกจากความดันก๊าซไม่ได้ ทรานสมิตเตอร์ความดันต่างแก้ปัญหาโดยต่อด้านความดันสูงเข้าก้นถัง และด้านความดันต่ำเข้าจุดต่อส่วนบนของถัง ผลต่างที่วัดได้คือ ρ · g · h โดยไม่ขึ้นกับความดันก๊าซ ความดันก๊าซที่เพิ่มจึงไม่ทำให้เกิดระดับสูงลวง ผลต่างลดลงเพราะความสูงคอลัมน์ของเหลว h ลดลง ไม่ว่าความดันก๊าซจะเปลี่ยนอย่างไร ตัวควบคุมก๊าซคลุมผิวอาจรักษาความดันก๊าซคงที่ แต่ความดันนี้ไม่ปรากฏในผลต่าง รีโมตซีลพร้อมท่อแคปิลลารีเติมของเหลวไว้ในทางส่งความดัน ทำให้ของไหลกระบวนการไม่สัมผัสทรานสมิตเตอร์ ซึ่งสำคัญสำหรับงานสารพิษ อุณหภูมิสูง หรือสุญญากาศที่ใช้ขาอ้างอิงเปิดไม่ได้ ข้อแลกเปลี่ยนคือน้ำมันในแคปิลลารีมีความหนาแน่นของตัวเองและเปลี่ยนตามอุณหภูมิ กลายเป็นแหล่งความคลาดเคลื่อนหลักของระบบนี้ จึงต้องควบคุมข้อมูลความหนาแน่นอย่างเคร่งครัดเช่นเดียวกับของเหลวในถัง

การเลื่อนของแคปิลลารีรีโมตซีลและรายการตรวจรับ

แคปิลลารีรีโมตซีลที่เติมน้ำมันซิลิโคนหรือน้ำมันคล้ายกันเพิ่มค่าชดเชยความสูงตามความหนาแน่นน้ำมันคูณความต่างระดับระหว่างซีลทั้งสอง เมื่ออุณหภูมิน้ำมันสูงขึ้น 30 °C ความหนาแน่นอาจลด 2–3 % น้ำมันที่เบาลงในขาซีลจึงกดไดอะแฟรมน้อยลง หากซีลต่างระดับกัน 6 m จะทำให้ศูนย์เลื่อน 120–180 mm มากพอที่จะไม่ผ่านช่วง ±1 % ของถังสูง 12 m โดยศูนย์เลื่อนขึ้นเมื่อน้ำมันอุ่นขึ้น รายการตรวจรับจึงกำหนดให้ผู้ติดตั้งตรวจชนิดน้ำมันซีลและสัมประสิทธิ์อุณหภูมิจากเอกสารข้อมูล วัดความต่างระดับจริงหน้างาน ตรวจศูนย์ขณะปิดแยกและปรับความดันขาให้เท่ากันก่อนเริ่มเดินระบบ และบันทึกการเลื่อนที่คาดหมายตลอดช่วงอุณหภูมิหน้างานซึ่งโดยทั่วไปคือ −10 °C ถึง +50 °C หากอุณหภูมิแปรผันกว้าง เครื่องวัดเรดาร์หรือเซอร์โววัดถังที่ไม่มีพจน์แคปิลลารีจะหลีกเลี่ยงปัญหานี้และรักษาศูนย์ให้เสถียร

คำถามที่พบบ่อย

Q1. ทรานสมิตเตอร์ไฮโดรสแตติกวัดระดับโดยตรงหรือไม่?

ไม่ เครื่องมือวัดความดันก้นถังแล้วคำนวณระดับจากความหนาแน่นสมมติและความสูงถัง หากความหนาแน่นที่ใช้ตั้งสเกลต่างจากค่าจริง ระดับที่รายงานจะมีค่าคลาดเชิงระบบแม้อ่านความดันถูกต้อง ตรวจพจน์ความหนาแน่นกับเอกสารข้อมูลผลิตภัณฑ์เสมอ และเก็บหลักฐานไว้กับบันทึกถังสำหรับตรวจสอบภายหลัง

Q2. การเปลี่ยนความหนาแน่นทำให้ระดับคลาดเคลื่อนเท่าใด?

ความหนาแน่นที่เปลี่ยน +3 % ทำให้ระดับคลาดเคลื่อนประมาณ +3 % ของระดับจริง เพราะค่าระดับที่แปลงได้แปรผกผันกับความหนาแน่นที่ใช้แปลง ในตัวอย่าง ความหนาแน่นเปลี่ยนจาก 1000 เป็น 1030 kg/m³ ที่ครึ่งถัง ทำให้ถังสูง 12.0 m มีความคลาดเคลื่อน +0.18 m ความคลาดเคลื่อนเพิ่มทั้งตามระดับและขนาดการเปลี่ยนความหนาแน่น

Q3. สอบเทียบทรานสมิตเตอร์ใหม่เพื่อแก้การเลื่อนจากความหนาแน่นได้หรือไม่?

การสอบเทียบใหม่ขจัดความคลาดเคลื่อนจากความหนาแน่นไม่ได้ เพราะเครื่องมือรายงานความดันถูกต้องอยู่แล้ว การตั้งสเกลใหม่เพียงเปลี่ยนความหนาแน่นสมมติ และใช้ได้เฉพาะเมื่อความหนาแน่นนั้นคงอยู่ สำหรับถังที่เปลี่ยนผลิตภัณฑ์หรืออุณหภูมิ ให้ป้อนความหนาแน่นจริงในการคำนวณ หรือใช้เซ็นเซอร์ที่ค่าระดับไม่ขึ้นกับความหนาแน่น

Q4. เหตุใดจึงใช้ทรานสมิตเตอร์ความดันต่างกับถังปิด?

ถังปิดมีความดันก๊าซเหนือของเหลว ซึ่งจุดต่อก้นถังจุดเดียวแยกออกจากความดันคอลัมน์ของเหลวไม่ได้ ทรานสมิตเตอร์ความดันต่างเปรียบเทียบความดันก้นถังกับส่วนบน เหลือค่าที่วัดได้เป็น ρ · g · h จึงรักษาค่าที่ถูกต้องขณะความดันก๊าซเปลี่ยนระหว่างเติมและระบาย โดยไม่ต้องมีขั้นตอนชดเชยเพิ่มเติม

Q5. แคปิลลารีรีโมตซีลมีปัญหาอะไร?

ความหนาแน่นน้ำมันแคปิลลารีลดลงเมื่ออุ่นขึ้น ทำให้ศูนย์เลื่อนเป็นสัดส่วนหนึ่งของความดันจากความต่างระดับ อุณหภูมิที่เพิ่ม 30 °C อาจทำให้ศูนย์เลื่อน 120–180 mm ที่ความต่างระดับ 6.0 m ตรวจสัมประสิทธิ์อุณหภูมิน้ำมัน ความต่างระดับหลังติดตั้ง และศูนย์ขณะปิดแยกขาก่อนเริ่มเดินระบบ พร้อมบันทึกการเลื่อนที่คาดหมายตลอดช่วงอุณหภูมิหน้างาน

Q6. เมื่อใดควรเลือกเรดาร์แทนการวัดไฮโดรสแตติก?

เลือกเรดาร์เมื่อความหนาแน่นของเหลวไม่เสถียรหรือไม่ทราบ เมื่อต้องการความคลาดเคลื่อนระดับต่ำกว่าประมาณ 1 % ของความสูง หรือเมื่อช่วงอุณหภูมิกว้างทำให้การเลื่อนของซีลแคปิลลารียอมรับไม่ได้ เรดาร์วัดระยะถึงผิวโดยตรงและตัดพจน์ความหนาแน่นออกจากการคำนวณระดับทั้งหมด จึงเหมาะกับงานบัญชีปริมาณ

สรุป

การวัดระดับไฮโดรสแตติกคำนวณระดับจากความดันก้นถังโดยใช้ความหนาแน่นสมมติ ในตัวอย่าง เมื่อความหนาแน่นเปลี่ยน +3 % ที่ครึ่งถัง จึงเกิดความคลาดเคลื่อนระดับ +0.18 m และปริมาตร +2.3 m³ ส่งข้อมูลความสูง เส้นผ่านศูนย์กลาง ช่วงความหนาแน่นของเหลว และว่าถังระบายสู่บรรยากาศหรือปิดสนิทมาให้เรา วิศวกรจะตรวจว่าระบบไฮโดรสแตติก ความดันต่าง หรือเรดาร์แบบใดตรงตามค่าคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้