Đo mức thủy tĩnh: Sai số khối lượng riêng và màng ngăn

Bộ truyền thủy tĩnh không đo mức trực tiếp. Thiết bị đo áp suất đáy rồi suy ra mức từ khối lượng riêng cố định. Khi khối lượng riêng đổi do nhiệt độ hoặc đổi sản phẩm, mức suy ra và thể tích tính từ đó cùng lệch. Bài viết tính độ lệch, chỉ ra cách cấu hình chênh áp ở bồn kín loại phần áp suất khí, và xác định khi nào radar đo trực tiếp khoảng cách là lựa chọn an toàn hơn.

Bộ truyền thủy tĩnh thực sự đo gì

Bộ truyền thủy tĩnh hoặc chênh áp tại đáy đọc trọng lượng cột chất lỏng phía trên và cho đầu ra tuyến tính từ áp suất không đến toàn thang, thường 4–20 mA. Dòng được duy trì qua vài trăm mét cáp nhưng vẫn phải kiểm tra điện áp vòng với điện áp đầu cực tối thiểu. Đây là lý do phương pháp còn phổ biến trên bồn chứa lớn. Thiết bị báo áp suất; người dùng tính mức bằng khối lượng riêng giả định và chiều cao bồn đã biết. Với bồn thông khí, bộ truyền áp suất dư có cáp thông khí hoặc bộ truyền chênh áp có nhánh tham chiếu mở ra không khí đều tách cột áp chất lỏng khỏi khí quyển. Đường thông khí cần chống ẩm, thường bằng lọc hút ẩm, khi nhiệt độ chất lỏng và môi trường chênh lớn. Thiết bị được chọn nhờ chi phí lắp thấp, phần tử áp suất đơn giản đã được kiểm chứng và ít cần chăm sóc thường xuyên.

Khối lượng riêng đi vào phép tính mức thế nào

Mức suy ra theo h = p / (ρ · g), với p là áp suất dư đo được, ρ là khối lượng riêng giả định, g là gia tốc trọng trường địa phương gần 9.81 m/s². Mỗi đơn vị mức báo về vì thế chứa giả định khối lượng riêng như hệ số ẩn. Khoảng đo được quy đổi theo đơn vị áp suất, giả định khối lượng riêng đã nằm trong LRV và URV. Phép đổi chỉ đúng khi ρ giữ giá trị lúc cài thang. Nước trong bồn thông khí gần 20 °C có khối lượng riêng khoảng 998 kg/m³. Với sản phẩm phối trộn, dung dịch đường hoặc bồn nguội qua đêm, khối lượng riêng có thể đổi vài phần trăm dù mức thật không đổi. Bộ truyền không phát hiện điều đó, chỉ báo áp suất thấy được. Người dùng phải xác định mức độ cần biết chính xác khối lượng riêng để giữ mức trong dung sai; hiệu chuẩn lại phần tử áp suất không thay giả định trong thang đo.

Ví dụ đổi khối lượng riêng: Sai số mức và thể tích

Bảng đặt số liệu hiện trường giả định cho bồn đứng và đổi biến thiên khối lượng riêng thành sai số mức, thể tích. Đây là tính toán minh họa theo giả định, không phải hồ sơ hiện trường METRAVON. Xác nhận giá trị bằng tài liệu hiện hành và nhãn thiết bị trước quyết định kỹ thuật.

Đầu vào và quy đổi: áp suất đáy thực p = ρ1 · g · h = 1030 · 9.81 · 6.0 = 60,626 Pa, khoảng 60.6 kPa. Bộ truyền cài theo ρ0 báo h_rep = p / (ρ0 · g) = 60626 / (1000 · 9.81) = 6.18 m. Sai số mức = 6.18 − 6.00 = +0.18 m, bằng +3.0 % mức thật. Tiết diện A = π · (2.0)² = 12.57 m² nên thể tích thật 75.4 m³, thể tích báo 77.7 m³; sai số +2.3 m³ (+3.0 %). Điều kiện giới hạn: sai số tăng theo mức, đến +0.36 m tại chiều cao đầy 12.0 m, và đảo dấu nếu khối lượng riêng thật thấp hơn giá trị cài thang.

Khi phương pháp thủy tĩnh không còn đáng tin

Không nên dùng thủy tĩnh khi khối lượng riêng không ổn định hoặc không biết ở điểm đo. Bồn luân phiên nhận sản phẩm hoặc nóng nguội trong ngày có khối lượng riêng đổi khi mức thật giữ nguyên. Hiệu chuẩn lại không loại độ chệch vì thiết bị đang báo áp suất đúng. Bọt, phân tầng và chất rắn lơ lửng cũng phá giả định một khối lượng riêng. Với hạch toán chuyển hàng, kiểm kê giao nhận thương mại hoặc yêu cầu sai số dưới khoảng 1 % chiều cao bồn, phương pháp không bù sẽ không đạt kiểm tra nghiệm thu. Ở chiều cao nạp 6 m, 1 % là 60 mm, chỉ cho phép độ không đảm bảo khối lượng riêng ±1 %, chặt hơn đa số thông số sản phẩm. Radar đo trực tiếp khoảng cách đến mặt thoáng loại khối lượng riêng khỏi phép tính mức; hoặc cần đo khối lượng có hiệu chỉnh khối lượng riêng để không dựa vào giá trị đoán.

Đo bồn kín và bù áp suất khí

Trong bồn kín, khí trên chất lỏng có áp suất riêng; một điểm lấy áp đáy không tách được cột áp chất lỏng khỏi khí. Bộ truyền chênh áp đặt phía cao ở đáy, phía thấp vào đầu nối trên bồn. Chênh đo là ρ · g · h bất kể áp suất khí, nên khí tăng áp không thêm mức giả. Chênh giảm vì chiều cao cột h giảm, dù khí thay đổi thế nào. Bộ điều áp khí phủ có thể giữ khí ổn định nhưng áp suất đó không đi vào chênh. Màng ngăn từ xa với mao dẫn điền đầy đường truyền áp để lưu chất quá trình không tiếp xúc bộ truyền; quan trọng với chất độc, nóng hoặc chân không khi nhánh hở không thực tế. Đổi lại, dầu mao dẫn có khối lượng riêng thay đổi theo nhiệt độ, trở thành sai số chi phối cấu hình và phải đánh giá chặt như chất lỏng quá trình.

Độ trôi mao dẫn màng ngăn từ xa và danh mục nghiệm thu

Mao dẫn chứa silicone hoặc dầu tương tự thêm hiệu chỉnh cao độ dựa trên khối lượng riêng dầu nhân chênh cao hai màng ngăn. Khi dầu nóng thêm 30 °C, khối lượng riêng có thể giảm 2–3 %, khiến cột dầu nhẹ hơn tạo áp nhỏ hơn lên màng. Với cao độ 6 m, điểm 0 dịch chuyển 120–180 mm, đủ không đạt dải ±1 % trên bồn 12 m; điểm 0 tăng khi dầu nóng. Danh mục nghiệm thu vì thế yêu cầu xác nhận loại dầu và hệ số nhiệt từ tài liệu, đo chênh cao lắp thực, kiểm tra điểm không với nhánh đóng và cân bằng áp trước chạy thử, ghi độ trôi dự kiến trên dải nhiệt hiện trường thường −10 °C đến +50 °C. Nếu biên nhiệt rộng, radar hoặc servo đo bồn không có thành phần mao dẫn tránh vấn đề và giữ ổn định điểm không.

Câu hỏi thường gặp

C1. Bộ truyền thủy tĩnh có đo mức trực tiếp không?

Không. Nó đo áp suất đáy và suy ra mức từ khối lượng riêng giả định cùng chiều cao bồn. Nếu giá trị cài thang khác thực tế, mức bị chệch dù áp suất đúng. Luôn xác nhận khối lượng riêng theo tài liệu sản phẩm, lưu cùng hồ sơ bồn cho kiểm tra sau.

C2. Đổi khối lượng riêng gây bao nhiêu sai số mức?

Tăng khối lượng riêng +3 % gây sai số khoảng +3 % mức thật; trong h = p / (ρ · g), mức tỷ lệ nghịch với khối lượng riêng dùng để quy đổi. Ví dụ đổi 1000 lên 1030 kg/m³ tại nửa đầy cho +0.18 m trên bồn 12.0 m. Sai số tăng cùng chiều cao mức và độ đổi khối lượng riêng.

C3. Hiệu chuẩn lại có sửa trôi khối lượng riêng không?

Không loại được sai số này vì thiết bị báo áp suất đúng. Cài lại thang chỉ đổi khối lượng riêng giả định, chỉ đúng khi giá trị đó giữ nguyên. Bồn đổi sản phẩm hoặc nhiệt độ cần đưa khối lượng riêng thực vào tính hoặc dùng cảm biến có số mức không phụ thuộc khối lượng riêng.

C4. Vì sao dùng chênh áp ở bồn kín?

Khí trên chất lỏng có áp suất mà một điểm đáy không tách khỏi cột chất lỏng. Bộ truyền chênh áp so đáy với đỉnh, còn ρ · g · h là giá trị đo. Số đọc nhờ vậy đúng khi áp suất khí đổi lúc nạp/xả mà không cần bước bù thêm.

C5. Mao dẫn màng ngăn từ xa có vấn đề gì?

Dầu giảm khối lượng riêng khi nóng, làm dịch điểm không theo một phần cột áp cao độ. Tăng 30 °C có thể dịch 120–180 mm ở cao độ 6.0 m. Xác minh hệ số nhiệt dầu, cao độ thực và điểm không nhánh đóng trước chạy thử; ghi độ trôi dự kiến trên dải nhiệt hiện trường.

C6. Khi nào chọn radar thay thủy tĩnh?

Khi khối lượng riêng không ổn định hoặc không biết, cần sai số mức dưới khoảng 1 % chiều cao, hoặc biến thiên nhiệt lớn làm độ trôi mao dẫn không chấp nhận được. Radar đo khoảng cách mặt thoáng trực tiếp, loại khối lượng riêng khỏi tính mức nên được ưu tiên cho hạch toán.

TÓM TẮT

Đo thủy tĩnh suy ra mức từ áp suất đáy bằng khối lượng riêng giả định. Trong ví dụ, tăng +3 % khối lượng riêng ở nửa đầy tạo +0.18 m sai số mức và +2.3 m³ thể tích. Gửi chiều cao, đường kính, dải khối lượng riêng và tình trạng thông khí hay kín của bồn. Kỹ sư sẽ xác nhận cấu hình thủy tĩnh, chênh áp hoặc radar đáp ứng dung sai.