تحليل معمق لمبدأ عمل مقياس مستوى العوامة

مبدأ عمل مستشعر مستوى العوامة:

مستشعر مستوى العوامة استخدم مبدأ أرخميدس لمراقبة مستوى السائل عن طريق قياس الحمل باستمرار على قضيب عائم مغمور في سائل العملية.

يكون جهاز الإزاحة أسطواني الشكل، وله مساحة مقطع عرضي متصلة، ويُصنع بطول أو قصر حسب الرغبة. ويتراوح ارتفاعه عادةً من 14 بوصة إلى 120 بوصة.

مع ازدياد المستوى، يتعرض قضيب الطفو لقوة طفو أكبر، مما يجعل جهاز الاستشعار يبدو أخف وزناً، ويفسر جهاز الاستشعار فقدان الوزن على أنه ارتفاع في المستوى ويرسل إشارة خرج متناسبة.

مع انخفاض المستوى، تنخفض قوة الطفو على قضيب الإزاحة مع زيادة مقابلة في الوزن، وهو ما يفسر على أنه كاشف المستوى الذي يخفض المستوى ثم يوفر إشارة خرج متناسبة.

يظهر أدناه نموذج نموذجي لتركيب كاشف مستوى العوامة:

على الرغم من أنه تم تحديد المبادئ الأساسية للتشغيل لمستوى أعلى من مستشعر مستوى العوامة العملي للغاية، إلا أن الهيكل مصمم لتحقيق هدف قياس محدد من خلال دوائر إلكترونية معقدة.

في هذا النوع من أجهزة استشعار مستوى العوامة، يتم توصيل العوامة بنابض يقيد الحركة مع كل زيادة في الطفو (أي تغيير المستوى).

يُستخدم جهاز إرسال مزود بمحول تفاضلي خطي متغير (LVDT) لتتبع زيادة ونقصان قضيب الإزاحة مع تغير المستوى. ثم تقوم إلكترونيات معقدة بمعالجة إشارة الجهد من المحول التفاضلي الخطي المتغير وتحويلها إلى إشارة خرج تتراوح بين 4 و20 مللي أمبير.

تطبيق مبدأ أرخميدس على المُزيحات

وفقًا لمبدأ أرخميدس، فإن قوة الطفو المؤثرة على جسم مغمور عادة ما تساوي الحمل الواقع على حجم السائل الذي يزيحه الجسم.

لنفترض أنه في مستشعر مستوى العوامة المغناطيسي لدينا قضيب عائم أسطواني بكثافة ρ ونصف قطر r وطول L وكثافة سائل القياس У. أثناء التركيب، يتناسب طول قضيب الإزاحة مع المستوى المقاس:

حجم قضيب الإزاحة، V = πr²L

يُثبَّت مستشعر مستوى الإزاحة الموضح في الشكل فوق الوعاء، وعندما يمتلئ الوعاء، يكون قضيب الإزاحة مغمورًا بالكامل في سائل الطريقة، وبالتالي يكون حجم سائل الطريقة المُفرَغ V = πr²L. وعندما يفرغ الوعاء أو يصل إلى أدنى مستوى له، يكون حجم سائل الطريقة المُفرَغ V = صفرًا.

لذلك:

تُعطى قوة الطفو المؤثرة على قضيب الطفو عندما يكون الوعاء ممتلئًا بالمعادلة التالية:

الطفو = وزن سائل الطريقة المتدفق

= πr²LУg (حيث g = تسارع الجاذبية الأرضية)

الوزن الفعلي للمُزيح = πr²Lρg

بمجرد امتلاء الوعاء، يكون الوزن الصافي للمُزيح كما تم اكتشافه بواسطة محول الإزاحة الخطي التفاضلي (LVDT) وجهاز الإرسال والإلكترونيات المرتبطة به هو:

= πr2Lρg - πr2LУg = πr2Lg(ρ-У) = Vg(ρ-У)

من خلال ما سبق، يمكن ملاحظة أن الوزن الصافي الذي تم اكتشافه بواسطة LVDT يتناسب مع فرق الكثافة بين قضيب الإزاحة (ρ) وسائل الطريقة (У).

لذلك، يجب أن تكون الكثافة النسبية لقضيب الإزاحة أقل من كثافة المستوى المقاس، ويجب إجبار الوزن النوعي للسائل على أن يتم وضع علامة عليه.

تتراوح الكثافة النسبية النموذجية للسوائل بين 0.25 و1.5 بغض النظر عن مستشعر مستوى الإزاحة المستخدم. ومن الجدير بالذكر أيضاً أن نطاق مقياس مستوى الإزاحة يعتمد فقط على طول (L) قضيب الإزاحة المحدد للتطبيق المعني.

عندما يكون الوعاء فارغًا أو يكون مستوى السائل فيه في أدنى مستوياته،

قوة الطفو على العوامة = 0

لذلك، يكشف محول الإزاحة الخطي التفاضلي (LVDT) عن وزن يساوي πr²Lρg

يسجل محول الإزاحة الخطي التفاضلي (LVDT) إشارة جهد عند أدنى مستوى في الوعاء، ويُخرج الإشارة المقابلة. يُحدد طول المُزيح بناءً على نطاق التشغيل (المدى) الاسمي، والكثافة النوعية لسائل القياس، والضغط، ودرجة الحرارة. تضمن الأقطار ووحدات الوزن والمساحة المحسوبة مسبقًا في المصنع التشغيل السليم، وتوفر خرجًا دقيقًا يتراوح بين 4 و20 مللي أمبير.