Skrevet af Morten B. Jensen, Product Manager – Instrumenter hos KLINGER Danmark
Som omtalt i forbindelse med indlægget om vandstandsvisere, skal dampkedler, ifølge reglerne, være udrustet med mindst 2 af hinanden uafhængige niveaumålere. Den ene skal være direkte visende, mens den anden ofte vælges så den også kan benyttes til fjernaflæsning af niveauet.
Til at løse denne opgave vælges som regel en hydrostatik måling, da denne let kan tilpasses tryk- og temperaturforholdene i kedlen.
En hydrostatisk niveaumåling benytter tryk sensorer til målingen af niveauet, da det tryk som væskesøjlens højde skaber på sensoren er et udtryk niveauet i tanken. Måleprincippet er egnet til niveaumåling af alle former for væske, der ikke er i bevægelse – og den resulterende kraft betegnes som det "hydrostatiske tryk".
Den vigtigste egenskab for hydrostatisk måling af niveauet er, at uanset formen og volumen af tanken /beholderen er det hydrostatiske tryk i målepunktet kun proportional med væskesøjlens højde. Det skyldes at statisk væske gennem sin vægtfylde og den fungerende kraft (tyngdekraften), genererer et hydrostatiske tryk, som stiger proportionalt med påfyldningshøjden - følgelig er det hydrostatiske tryk et direkte mål for fyldningsgraden af en tank eller beholder.
Måling af niveau i lukkede, gastætte, beholdere, som dampkedler, kræver yderligere kompensation for det tillægstryk, som gas-/dampfasen over væskeoverfladen presser på denne med. Det ekstra tryk vil fungere som en ekstra kraft på væskeoverfladen, et tryk som ”snyder” den hydrostatiske trykmåling i bunden af beholderen.
Effekten fjernes ved at kompensere med en ekstra trykmåling på dampfasen og beregning af den aktuelle væskehøjde udregnes som følger:
h = (p2 - p1) / d * g
hvor:
p2 = Hydrostatisk tryk
p1= Gastrykket over væskeoverfladen
d = Væskens vægtfylde
g = Tyngdekraften
h = Væskesøjlens højde
Opgaven løses ofte med en differenstrykmåling, hvor højtrykssiden forbindes til bunden af tanken, mens lavtrykssiden forbindes, så den kan benyttes til kompensation for gastrykket over væskeoverfladen.
Målesignalet fra differensmålingen vil derfor være et direkte udtryk for det hydrostatiske tryk (væskesøjlens højde).
Benyttes en differenstrykmåling til at måle niveauet i tryktanken forsynes transmitteren med skillemembraner, også kendt som fremskudte membraner eller kemiske adskillelser, til at adskille medie fra de trykbærende dele i måleinstrumentet.
Målesystemet er mod processen tætnet med en fleksibel membran der er udført i et materiale som kan modstå mediet. Det indre rum, mellem membran og trykmåler, er væskefyldt. Der benyttes en transmissionsvæske med lav kompressibilitet, som sikrer at trykket kan overføres fra det målte medium via den elastiske membran til måleelementet, uden tab. Ved udvælgelsen af væsken er faktorer som kompatibilitet, temperatur-og trykforhold i mediet, af afgørende betydning, ligesom væsken ikke må have dæmpende virkning, så transmitterens responstid nedsættes.
De forskellige leverandører har en række transmissionsvæsker til rådighed – disse dækker varianter der gør det muligt at måle tryk fra ca. 10 mbar op til 1.600 bar, i temperaturområdet -90°C til +400°C leveret med godkendelser og certifikater for anvendelse.
Membranen er normalt ganske tynd, fremstillet i rustfri stål (eller et mere eksotisk materiale hvis processen kræver det). Den lasersvejses til procestilslutningen, og fremstår med en "riflet" overflade for at give den tynde membran større styrke/elasticitet. Som bruger skal man være opmærksom på at membranen ikke må udsættes for tryk/ridser under montagen, da en deformation er identisk med en registreret måleværdi - og derfor lig en fejlvisning.
Da selve målesystemet som regel ikke kan klare de ekstreme temperaturer, benyttes i mange tilfælde et kapillarrør mellem membran og målesystem. Kapillarrøret benyttes for at fjerne eller minimere temperaturpåvirkninger fra den varme væske til måleinstrumentet.
Den fleksible forbindelse gør det muligt at trække målesystemet langt væk fra processen - og denne fungerer derfor både som en fleksibel montageform, som kølestræk.
Udover valg at den korrekte transmissionsvæske, skal man ved brug af kapillarrørs løsninger være opmærksom på systemets reaktionstid reduceres - en følgevirkning der afhænger af såvel afstand som kapillarrørets udformning (materiale mm)
I væskesystemer kan luftlommer, i forbindelsen mellem proces og transmitter virke forstyrrende på målingen, idet luftens kompressibilitet gør at “luftlommen” først skal presses sammen, hvorved noget af kraften ikke overføres korrekt til målecellen. Derfor udgør membranforsats, kapillarrør og måleinstrument et lukket system, og påfyldning af transmissionsvæske foregår i et særligt apparat, der sikrer at forbindelsen er 100% fri for luft/gas. Forbindelsen forsegles normalt efter påfyldning, så enhver flugt af fyldevæske er sikret.
Udvidet anvendelsesområde
Anvendelsen af skillemembraner udvider anvendelsesområdet for trykmåleudstyr, så standard transmittere/-manometre også vil kunne anvendes til mere krævende opgaver, som:
Udvalget af materialer og procestilslutninger gør at du i dag kan måle tryk i stort set alle kendte opgaver, og brugen af skillemembraner gør det muligt at tilpasse standard instrumenter til opgaverne.
Læs mere om hydrostatisk niveaumåling hér