การวัดระดับในถังอัดความดัน: LPG และแอมโมเนีย

การวัดระดับในถังอัดความดันคือการอ่านตำแหน่งรอยต่อระหว่างก๊าซกับของเหลวอย่างต่อเนื่องภายในภาชนะที่มีความดันสูงกว่าบรรยากาศ โดยทั่วไปใช้เครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์ 80 GHz แบบไม่สัมผัส ครอบคลุม LPG แอมโมเนียเหลว และออกซิเจนเหลว ซึ่งค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของไอ วัสดุสำหรับอุณหภูมิต่ำยิ่งยวด และการรับรองสำหรับพื้นที่อันตรายเป็นตัวกำหนดขอบเขตการใช้งาน ช่วงวัดโดยทั่วไปคือ 0-12 m ที่ความดันสูงสุด 25 bar g

เหตุใดการวัดระดับในถังอัดความดันจึงต้องชดเชยผลของไอ

เครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์ FMCW วัดเวลาของสัญญาณไมโครเวฟที่กวาดความถี่ผ่านช่องว่างเหนือของเหลว แล้วคำนวณระยะทางจาก d = c*t/2 ในอากาศแห้งที่ 20 °C ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสัมพัทธ์มีค่าประมาณ 1.0006 ดังนั้น c จึงต่างจากค่าในสุญญากาศไม่เกิน 0.03 % แต่สำหรับการวัดระดับในถังอัดความดัน ช่องว่างเหนือของเหลวเป็นไออิ่มตัวแทนอากาศ และคลื่นจะช้าลงเหลือ c/sqrt(er) เครื่องส่งสัญญาณที่ยังใช้ความเร็วในสุญญากาศจะรายงานระยะทางสูงเกินจริงเป็น sqrt(er) เท่าของระยะจริง หรือเกินไปเท่ากับ (sqrt(er) - 1) ของระยะจริง

เนื่องจากระดับเท่ากับระยะเมื่อถังว่าง E ลบด้วยระยะที่วัดได้ การรายงานระยะสูงเกินจริงจึงทำให้รายงานระดับต่ำกว่าจริงเท่ากัน หากช่องว่างไอยาว 8.000 m และ er = 1.021 ระยะที่แสดงจะเป็น 8.000 * sqrt(1.021) = 8.084 m จึงรายงานระดับต่ำกว่ารอยต่อจริง 83.6 mm ความคลาดเคลื่อนนี้เพิ่มขึ้นตามระยะช่องว่างไอ จึงมากที่สุดเมื่อถังใกล้ว่าง ซึ่งเป็นบริเวณที่ตั้งสัญญาณเตือนระดับต่ำ ทั้งเรดาร์ FMCW แบบไม่สัมผัสและเรดาร์แบบคลื่นนำทางได้รับผลนี้ เพราะคลื่นต้องผ่านไอที่มีความดัน สามารถชดเชยได้ด้วยการป้อนค่า er คงที่ ตัวสะท้อนอ้างอิงที่ระยะทราบค่า หรือโพรบอ้างอิงในท่อสงบ

ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกเปลี่ยนเพียงเล็กน้อยกลายเป็นความคลาดเคลื่อนระดับมิลลิเมตรได้อย่างไร

ความเร็วคลื่นในช่องว่างเหนือของเหลวคือ v = c0/sqrt(er) โดย c0 = 299 792 458 m/s เครื่องส่งสัญญาณจับเวลาของสัญญาณสะท้อนแล้วคูณด้วย c0/2 ดังนั้นระยะที่อ่านได้คือ d_read = d_true*sqrt(er) และความคลาดเคลื่อนระดับคือ dL = -d_true*(sqrt(er) - 1)

ตัวอย่างคำนวณจากค่าหน้างานที่สมมติขึ้นเพื่ออธิบาย ไม่ใช่ข้อมูลที่วัดจริงในภาคสนาม: ถังทรงกลม LPG มีช่องว่างไอยาว 8.000 m ภายในเป็นไอโพรเพนอิ่มตัวที่ 8 bar g และ 20 °C โดยสมมติ er = 1.021 ดังนั้น sqrt(1.021) = 1.010445 และ dL = -8.000 m * 0.010445 = -0.0836 m หรือ -83.6 mm หากที่ 8 bar g มี er = 1.015 ความคลาดเคลื่อนจะเป็น -59.8 mm และหากที่ 12 bar g มี er = 1.030 จะเป็น -119.1 mm เงื่อนไขจำกัดของการวัดระดับในถังอัดความดันคือ ความดัน อุณหภูมิ และองค์ประกอบไอต้องคงที่ หากความดันเปลี่ยนระหว่างเติม ค่า er คงที่ค่าเดียวจะใช้ไม่ได้ จึงต้องชดเชยโดยใช้อุปกรณ์อ้างอิง

ค่าเหล่านี้เป็นค่าอ้างอิงทางวิศวกรรมโดยทั่วไปสำหรับไออิ่มตัว ไม่ใช่ข้อกำหนดผลิตภัณฑ์ ก่อนป้อนค่าชดเชย ให้ตรวจสอบ er สำหรับองค์ประกอบก๊าซและความดันจริงจากเอกสารข้อมูลสมบัติก๊าซฉบับปัจจุบัน

เมื่อใดที่ไม่ควรเลือกอัลตราโซนิกสำหรับภาชนะปิดผนึก

ไม่ควรกำหนดให้ใช้เครื่องส่งสัญญาณระดับอัลตราโซนิกในถังอัดความดัน หากองค์ประกอบไอ ความดัน หรืออุณหภูมิอาจเปลี่ยนระหว่างรอบการเติม วิธีนี้จับเวลาคลื่นกลที่มีความเร็วขึ้นกับมวลโมเลกุลก๊าซ ความดัน และอุณหภูมิ ในถังน้ำที่เปิดระบาย การชดเชยอุณหภูมิอย่างเดียวเพียงพอ แต่ในช่องว่างเหนือ LPG หรือแอมโมเนีย ไม่มีความเร็วเสียงค่าเดียวที่ใช้ได้ เพราะความหนาแน่นและองค์ประกอบก๊าซเปลี่ยนตามความดันอิ่มตัว จึงเกิดปัจจัยความคลาดเคลื่อนที่ควบคุมไม่ได้ในเส้นทางเสียง ซึ่งสูงกว่าความแม่นยำ ±2 mm ถึง ±10 mm ที่มักต้องการสำหรับงานป้องกันการเติมล้นอย่างมาก

ยังมีข้อจำกัดอีกสองประการที่ทำให้ใช้วิธีนี้ไม่ได้ เสียงไม่แพร่ในสุญญากาศ ดังนั้นภาชนะที่อาจถูกดูดเป็นสุญญากาศจะสูญเสียสัญญาณสะท้อนทั้งหมด ไออิ่มตัวหนาแน่น โฟม หรือหยดน้ำควบแน่นลดทอนพัลส์จนสัญญาณตอบกลับหายไปทั้งที่ยังมีของเหลวอยู่ หากมีเงื่อนไขเหล่านี้ ทางเลือกที่เหมาะสมคือเครื่องส่งสัญญาณระดับเรดาร์ที่ชดเชยผลของไอตามที่อธิบายข้างต้น ไม่ใช่อุปกรณ์อัลตราโซนิกที่ประสิทธิภาพสูงขึ้น

งานอุณหภูมิต่ำยิ่งยวดเปลี่ยนข้อกำหนดวัสดุสัมผัสของเหลวอย่างไร

ออกซิเจนเหลวเก็บที่ประมาณ -183 °C และความดันใกล้บรรยากาศ ขณะที่แอมโมเนียเหลวหรือ LPG ในระบบเก็บแบบทำความเย็นอาจอยู่ที่ประมาณ -40 °C เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกยังคงความเหนียวที่อุณหภูมิเหล่านี้ แต่เหล็กกล้าคาร์บอนทั่วไปและอีลาสโตเมอร์หลายชนิดจะเปราะ เสาอากาศ ซีลกระบวนการ ปะเก็น และสารเคลือบทุกส่วนต้องรองรับอุณหภูมิโลหะต่ำสุด ไม่ใช่เพียงอุณหภูมิใช้งานปกติ เพราะช่วงลดอุณหภูมิหรือการระบายความดันอาจทำให้อุณหภูมิชุดอุปกรณ์ต่ำกว่าจุดออกแบบ

งานออกซิเจนมีข้อกำหนดด้านความสะอาดเพิ่มเติม: ชิ้นส่วนสัมผัสของเหลวต้องปราศจากน้ำมันและจาระบี พร้อมบันทึกการทำความสะอาด ส่วนต่อขยายแยกความร้อนช่วยให้ตัวเรือนอิเล็กทรอนิกส์อยู่นอกเขตเย็น และต้องมีความยาวเหมาะกับช่วงอุณหภูมิแวดล้อมที่ได้รับการรับรอง ตัวเรือนที่รองรับต่ำสุด -40 °C ไม่สามารถติดตั้งอยู่บนคอท่อที่ -183 °C ได้ ช่วงลดอุณหภูมิมักมีการควบแน่นและน้ำแข็งบนหน้าเสาอากาศ จึงมักกำหนดให้มีระบบเป่าล้างหรือเสาอากาศปิดผนึกที่ตรวจสอบซีลอุณหภูมิต่ำแล้ว ก่อนติดตั้ง ให้ยืนยันเกรดวัสดุสัมผัสของเหลวทุกชิ้น วัสดุผสมของปะเก็น และช่วงอุณหภูมิแวดล้อมที่รับรองจากป้ายชื่ออุปกรณ์ที่ส่งมอบ

วิธีเผื่อช่วงวัดที่ใช้งานได้เหนือระดับของเหลว

สำหรับการวัดระดับในถังอัดความดัน สมมติระยะเมื่อถังว่าง E จากผิวหน้าของหน้าแปลนถึงพื้นถังเท่ากับ 12.000 m เสาอากาศเลนส์ 80 GHz แบบติดตั้งเสมอผิวมีระยะอับวัด 0.10-0.20 m ตัวอย่างนี้ใช้ค่าเผื่อที่มากขึ้นคือ 0.400 m สำหรับคอท่อยื่นยาว โดยต้องตรวจสอบจากเอกสารข้อมูลฉบับปัจจุบัน นั่นหมายความว่าเครื่องส่งสัญญาณไม่สามารถรายงานระดับสูงกว่า 11.600 m หากจุดตัดการทำงานระดับสูงมากอยู่ที่ 11.200 m และต้องการระยะเผื่อด้านบน 0.300 m ระยะระหว่างจุดตัดกับเพดานการวัดจะเท่ากับ 0.400 m ซึ่งผ่านข้อกำหนด คอท่อยาว 0.600 m จะลดระยะเผื่อเหลือ 0.200 m จึงไม่ผ่าน

ควรระบุสมการนี้ในเอกสารสั่งซื้อ: ระยะเผื่อด้านบนที่ใช้ได้ = E - ระยะอับวัด - ระดับใช้งานสูงสุด สำหรับภาชนะสูง 12.000 m ระยะเผื่อ 0.400 m คิดเป็น 3.3 % ของสแปน แต่สำหรับภาชนะต่ำกว่า 2.000 m ระยะอับวัดเท่ากันจะกินสแปนถึง 20 %

• บันทึก E โดยอ้างอิงจากผิวหน้าของหน้าแปลน ไม่ใช่หลังคา
• ระบุระยะอับวัดสำหรับเสาอากาศและคอท่อที่สั่งซื้อจริง ไม่ใช่ค่าต่ำสุดในแค็ตตาล็อก
• ตรวจสอบระยะเผื่อใหม่ทุกครั้งที่เปลี่ยนอะแดปเตอร์ ส่วนต่อขยาย หรือฉนวน
• ให้จุดตัดระดับสูงมากอยู่ต่ำกว่าเพดานการวัด ไม่ใช่เท่ากัน

ใบรับรองต้องตรงกับอะไรในอุปกรณ์ที่ส่งมอบ

สำหรับการวัดระดับในถังอัดความดัน ให้เทียบใบรับรองกับรูปแบบที่สั่งซื้อ ไม่ใช่โบรชัวร์ กลุ่มก๊าซ ชั้นอุณหภูมิ ระดับการป้องกันอุปกรณ์ และช่วงอุณหภูมิแวดล้อมที่รับรองต้องปรากฏบนป้ายชื่ออุปกรณ์ที่ส่งมอบ และตรงกับการจัดประเภทพื้นที่อันตรายของถัง อุปกรณ์ที่รับรองอุณหภูมิแวดล้อม -20 °C ถึง +60 °C ไม่สามารถติดตั้งในจุดที่ตัวเรือนมีอุณหภูมิ -40 °C แม้ซีลกระบวนการจะรองรับอุณหภูมิต่ำกว่านั้น อะแดปเตอร์ ระบบเป่าล้าง ฮีตเตอร์ หรือจอแสดงผลระยะไกลที่เพิ่มภายหลังก็ต้องอยู่ในขอบเขตการรับรอง

ตรวจทานแต่ละแถวกับเอกสารข้อมูลฉบับปัจจุบันและป้ายชื่ออุปกรณ์ ขอค่าที่ยังขาดก่อนอนุมัติปล่อยใช้งาน หน้าผลิตภัณฑ์ของเรดาร์แต่ละรุ่นระบุว่ารูปแบบใดมีใบรับรองใด และบทความทางเทคนิคเกี่ยวกับเครื่องหมายรับรองอธิบายสัญลักษณ์เหล่านั้น

คำถามที่พบบ่อย

Q1. การวัดระดับในถังอัดความดันต้องชดเชยผลของไอในทุกภาชนะหรือไม่?

ไม่จำเป็น ต้องชดเชยเฉพาะเมื่อค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของช่องว่างเหนือของเหลวทำให้ค่าที่อ่านเกินขีดจำกัดความคลาดเคลื่อน อากาศที่ 1 bar ตลอดระยะ 2.000 m ให้ผลประมาณ 0.6 mm ซึ่งอาจละเลยได้ แต่ไอ LPG อิ่มตัวที่ 8 bar g ตลอดระยะ 8.000 m ให้ผลประมาณ 84 mm ให้ตรวจสอบ er จากข้อมูลก๊าซฉบับปัจจุบัน

Q2. เครื่องส่งสัญญาณระดับอัลตราโซนิกใช้แทนเรดาร์ในถังแอมโมเนียปิดผนึกได้หรือไม่?

ไม่ได้ หากความดันหรือองค์ประกอบไอเปลี่ยนระหว่างรอบการทำงาน การจับเวลาอัลตราโซนิกอาศัยความเร็วเสียงค่าเดียว แต่ในช่องว่างเหนือแอมโมเนียของถังปิด ความเร็วนั้นเปลี่ยนตามความดัน อุณหภูมิ และความหนาแน่นก๊าซ สุญญากาศทำให้ไม่มีสัญญาณสะท้อน และไอหนาแน่นอาจดูดกลืนสัญญาณ ให้ใช้เรดาร์ที่ชดเชยผลของไอแทน

Q3. การตรวจสอบวัสดุอุณหภูมิต่ำส่วนใดมักถูกมองข้ามมากที่สุด?

ปะเก็นและซีลกระบวนการ ไม่ใช่เสาอากาศ แม้จะกำหนดเกรดเสาอากาศสำหรับงานอุณหภูมิต่ำยิ่งยวดแล้ว ปะเก็นอีลาสโตเมอร์ที่รองรับต่ำสุดเพียง -20 °C จะแข็งตัวและรั่วที่ -40 °C ให้ตรวจสอบอุณหภูมิโลหะต่ำสุดของชิ้นส่วนสัมผัสของเหลวทุกชิ้น ช่วงอุณหภูมิแวดล้อมของตัวเรือน และบันทึกการทำความสะอาดให้ปราศจากน้ำมัน

Q4. ควรเผื่อช่วงวัดเหนือจุดตัดระดับสูงมากเท่าใดเมื่อสั่งซื้อ?

ค่าตั้งต้นที่ใช้กันทั่วไปคืออย่างน้อย 0.300 m แต่ต้องคำนวณจากระยะอับวัดและรูปทรงภาชนะ หากระยะเมื่อถังว่างเท่ากับ 12.000 m และระยะอับวัด 0.400 m เพดานการวัดจะอยู่ที่ 11.600 m จุดตัดที่ 11.200 m จึงเหลือระยะเผื่อ 0.400 m ต้องคำนวณใหม่ทุกครั้งที่เปลี่ยนคอท่อ

Q5. เรดาร์แบบคลื่นนำทางหลีกเลี่ยงปัญหาค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของไอได้หรือไม่?

ไม่ได้ พัลส์ยังคงเดินทางผ่านช่องว่างเหนือของเหลวตามแนวโพรบ ความเร็วจึงลดลงเมื่อ er เพิ่ม และยังใช้ตัวคูณ sqrt(er) เดียวกัน แม้รูปทรงการเดินทางต่างจาก FMCW แบบคลื่นอิสระ งานความดันสูงยังต้องใช้โพรบอ้างอิงหรือป้อนค่า er คงที่

Q6. ใบรับรองของอุปกรณ์ที่ส่งมอบต้องตรงกับอะไร?

รูปแบบที่สั่งซื้อและการจัดประเภทพื้นที่หน้างาน ให้ตรวจสอบแนวทางการป้องกัน กลุ่มก๊าซ ชั้นอุณหภูมิ ระดับการป้องกันอุปกรณ์ และช่วงอุณหภูมิแวดล้อมที่รับรองกับแบบพื้นที่อันตราย แล้วตรวจว่าแต่ละรายการปรากฏบนป้ายชื่ออุปกรณ์ อะแดปเตอร์ ระบบเป่าล้าง หรือฮีตเตอร์ที่เพิ่มภายหลังก็ต้องอยู่ในขอบเขตการรับรอง

สรุป

การวัดระดับในถังอัดความดันมีการตรวจสอบหลักสามข้อ: ชดเชยค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของไอ ยืนยันวัสดุสัมผัสของเหลวสำหรับอุณหภูมิต่ำ และเผื่อช่วงวัดที่วัดได้จริง ตัวอย่างแสดงว่าเมื่อสมมติ er = 1.021 และช่องว่างไอยาว 8.000 m ระดับที่รายงานจะคลาดเคลื่อน 83.6 mm ซึ่งสูงกว่า ±2 mm ถึง ±10 mm ที่มักต้องการสำหรับงานป้องกันการเติมล้นมาก ขั้นตอนถัดไปคือจัดทำแบบตรวจรับ และตรวจสอบแต่ละแถวกับเอกสารข้อมูลฉบับปัจจุบันก่อนอนุมัติปล่อยใช้งาน