سیستم Bubbler

سیستم Bubbler

یک تغییر جالب توجه در اندازه‌گیری فشار هیدرواستاتیک مستقیم، استفاده از یک گاز پاکیزه برای سنجش فشار هیدرواستاتیک درون یک مخزن محتوی مایع می‌باشد. این سیستم لزوم تناس مستقیم المان سنجش فشار با مایع فریند را حذف می‌کند، به‌طوری که اگر مایع فرایند خورنده باشد این سیستم می‌تواند بسیار مفید واقع شود. چنین سیستم‌هایی را اغلب سیستم تیوب حباب (bubble tube) یا سیستم لوله‌ی غوطه‌ور (dip tube) می‌نامند. این نام‌ها به خوبی توصیف می‌کنند که در این روش حباب‌های گاز پاکیزه از انتهای تیوب فرو رفته در مایع فرآیند خارج می‌شوند. با به آرامی دمیدن هوا از میان یک نی به داخل یک لیوان آب و ثابت نگه داشتن نرخ حباب‌های خروجی از نی در حالی‌که عمق قسمت انتهایی نی را مدام تغییر می‌دهید، می‌توان یک سیستم Bubbler بسیار ساده را شبیه‌سازی کرد. هر قدر که نی را بیشتر در آب فرو ببرید، به بیرون دمیدن حباب‌ها با نفس برای شما سخت‌تر می‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود در واقع فشار هیدرواستاتیک آب اعمالی بر نوک نی به فشار هوای درون دهان شما که به صورت دمیدن است، ترجمه می‌شود، چرا که برای فرار هوا به بیرون فقط باید فشار هوای دمیده شده بیشتر از فشار آب شود. مادامی که نرخ فلوی هوا نسبتاً کم باشد، فشار هوا تقریباً برابر با فشار آب خواهد بود، که در نتیجه می‌توان در هر نقطه از طول تیوب هوا فشار آب را اندازه‌گیری کرد.
اگر نی را طویل‌تر کرده و فشار همه‌ی نقاط سرتاسر طول آن را اندازه‌گیری کنیم، متوجه می‌شویم که همه‌ی فشارهای اندازه‌گیری شده همان فشار نوک غوطه‌ور نی‌می‌باشد.
یک سیستم اندازه‌گیری Bubbler صنعتی به این صورت کار می‌کند که، یک گاز پاکیزه به آرامی به داخل یک Dip tube غوطه‌ور در مایع فرایند اعمال می‌شود، به طوری که تعداد معدودی حباب گاز در هر ثانیه از انتهای تیوب پدیدار شود. فشار گاز داخل همه‌ی نقاط سیستم تیوب‌کشی با فشار هیدرواستاتیک مایع اعمالی به انتهای تیوب غوطه‌ور برابر است. هر دستگاه اندازه‌گیری فشار متصل شده به هر نقطه از امتداد طول این سیستم تیوب‌کشی این فشار را حس کرده و قادر است عمق مایع درون مخزن فرآیند را بدون تماس مستقیم با مایع فرآیند استنتاج کند. عبور فلو گاز پاکیزه‌ی بیش از حد از تیوب به دلیل ایجاد افت فشار اصطکاکی در امتداد طول تیوب باعث ایجاد فشار اضافی شده، و موجب می‌شود که دستگاه سنجش فشار به اشتباه مقدار بالاتری را ثبت کند. یکی از اجزاء کلیدی هر سیستم bubble tube عملی، وسیله‌ی نظارت و کنترل فلو گاز گذرنده از تیوب می‌باشد. معمولاً در ساختمان این نوع سیستم‌ها برای نظارت بر نرخ فلو گاز پاکیزه از یک روتامتر یا یک کپسول تغذیه‌ی دید استفاده شده و برای محدود کردن فلو از یک ولو سوزنی بهره‌گیری می‌شود.
اگر فراهم کردن گاز پاکیزه گران و پرخرج باشد، محدود کردن فلو گاز پاکیزه مسئله مهمی خواهد بود. به عنوان مثال استفاده از گازهای غیر واکنش‌پذیر همچون نیتروژن که استفاده از آن‌ها در برخی فرایندها الزامی می‌باشد، هزینه‌ی زیادی را به همراه خواهد داشت. در سیستم‌هایی که از هوای پاکیزه استفاده می‌شود نیز همچنان مسئله‌ی هزینه هزینه وجود دارد، به‌طوری که باید هزینه‌ی کارکرد مداوم کمپرسور هوا برای حفظ فشار هوای پاکیزه‌ی پیوسته و ثابت را در نظر گرفت. در هر صورت محدود کردن نرخ فلو در یک سیتم bubbler گذشته از افزایش دقت در اندازه‌گیری یک سری منافع اقتصادی نیز حاصل می‌کند.

معیار های مناسب سیستم بابلر

در همه‌ی سیتم‌های Bubbler برای دستیابی به یک عملکرد موفق باید یک سری معیارهای خاص محقق شود که در اینجا برخی از آنها فهرست شده‌اند:
• منبع گاز پاکیزه باید قابل اطمینان باشد: اگر به هر دلیلی فلو متوقف شود، اندازه‌گیری سطح متوقف شده و حتی ممکن است Dip tube با خرده ریزه‌ها پلاگ شود.
• فشار منبع گاز پاکیزه باید همیشه از فشار هیدرواستاتیک بیشتر باشد، در غیر این صورت رنج اندازه‌گیری سطح به زیر سطح واقعی مایع کاهش پیدا خواهد کرد.
• برای جلوگیری از خطای افت فشار، فلو گاز پاکیزه باید در یک نرخ پایین نگه‌ داشته شود.
• گاز پاکیزه نباید با فرایند واکنش نامطلوبی داشته باشد.
• گاز مورد استفاده در سیستم Bubbler نباید فرایند را آلوده کند.
• هزینه‌ی گاز پاکیزه باید معقول باشد، چرا که در طول زمان و به طور پیوسته استفاده خواهد شد.
از اثرات اندازه‌گیری سیستم Bubble tube این است که هر گاه یک حباب جدید از انتهای تیوب رها گردد، در فشار درون تیوب یک تغییر اندک ایجاد می‌شود. مقدار این تغییرات فشار تقریباً برابر با فشار هیدرواستاتیک سیال فرایند در یک ارتفاع برابر با قطر حباب می‌باشد که به نوبه‌ی خود تقریباً برابر با قطر تیوب حباب است. به عنوان مثال، یک dip tube با قطر 4/1 اینچ نوسانات فشاری با نرخ حباب‌های تکی رها شده از انتهای تیوب غوطه‌ور برابر است.
معمولاً هنگامی‌که در اندازه‌گیری ارتفاع مایع درون مخزن این زمینه در نظر گرفته و رسیدگی شده باشد، این تغییرات کوچک خواهد بود. برای مثال، یک نوسان فشار تقریباً 4/1 اینچ در مقایسه با یک رنج اندازه‌گیری 0 تا 10 فوت تنها در حدود 20 درصد از spanمی‌باشد. ترانسمیترهای فشار مدرن این توانایی را دارند که تغییرات فشار ایجاد شده را فیلتر کرده و یا کاهش دهند. در واقع این توانایی ترانسمیترهای مدرن یک ویژگی مفید در جهت به حداقل رساندن اثر چنین تغییرات فشاری بر روی عملکرد سیتم محسوب می‌شود.
یکی از روش‌هایی که به حداقل رساندن این اثر کمک می‌کند، قرار دادن یک شکاف v شکل کوچک در انتهای Dip tube می‌باشد. در واقع این شکاف v شکل به حساب‌هایی که کوچکتر از قطر تیوب می‌باشند کمک می‌کند که رها شوند.

اندازه گیری سطح توسط ترانسمیتر اختلاف فشار

در صنایع مختلف بیشتر اندازه گیری های سطح مخازن از طریق استنباط سطح از فشار انجام میشود. تکنیک اندازه گیری سطح انبساطی براساس اندازه گیری و مانیتور کردن فشار اعمال شده توسط ستون مایع کار میکند.

فشار اعمال شده به پایین ترین قسمت ستون مایع از طریق فرمول زیر محاسبه میشود:

شتاب ثقل*چگالی مایع*ارتفاع ستون مایع=فشار

Peressure=H*D*g

اگر به جای شتاب ثقل و چگالی مایع از وزن مخصوص(n/m³)  استفاده کنیم فرمول بالا به شکل زیر خواهد شد.(S همان وزن مخصوص میباشد):

Peressure=H*S

چگالی نسبی یک مایع عبارت است از نسبت وزن یک حجم مایع به وزن یک حجم برابر اب. از اینرو در کاربردهای اندازه گیری سطح میتوان سطح را براساس فرمول زیر محاسبه کرد:

چگالی نسبی مایع*ارتفاع=سطح

Level=H*S.G

H= ارتفاع مایع در حال اندازه گیری

S.G= چگالی نسبی مایع

بنابراین برای اندازه گیری سطح به روش استنباطی باید حتما چگالی نسبی مایع را بدانیم.

سپس همانطور که در فرمول بالا نشان داده شده است ارتفاع مایع بالای نقطه ی اندازه گیری را در چگالی نسبی مایع ضرب کنیم.Levelاز جنس فشار است. در نتیجه برای اندازه گیری Level از ترانسمیترهای فشار تفاضلی استفاده میشود.

اندازه گیری سطح مخازن روباز توسط ترانسمیتر اختلاف فشار

اندازه گیری سطح مخازن روباز بسیار ساده است. ترانسمیترهای فشار تفاضلی که برای اندازه گیری سطح مخازن مورد استفاده قرار میگیرند به منظور اندازه گیزی فشار مایع بالای نقطه اندازه گیری به طور معمول در ته مخزن و یا پایین تراز ان نصب میشود. در این حالت فشار فرایند به طرف High سنسور ترانسمیتر اعمال شده و طرف LOW ترانسمیتر به اتمسفر Vent میشود.

ترانسمیتر سطح در پایین ترین قسمت مخزن روباز و هم تراز با سطح صفر اندازه گیری نصب شده است.

P(high)=P(atm)+(S.G*H)

P(low)=P(atm)

∆P= [ P(atm)+S.G*H]-[P(atm)]=S.G*H

∆P= فشار تفاضلی

باتوجه به سناریوی بالا میتوان ترانسمیتر سطح را به گونه ای کالیبره کرد که وقتی مخزن در سطح 0% میباشد خروجی ترانسمیتر 4mA بوده و وقتی مخزن در سطح 100% باشد خروجی ترانسمیتر 20mA باشد. از انجایی که برای اندازه گیری سطح به روش استنباطی از فشار تفاضلی استفاده میشود میتوان نتیجه گرفت که در اینجا معمولا واحد اندازه گیری اینچ اب و یا میلی متر اب است.

اندازه گیری سطح مخازن سربسته بااستفاده از ترانسمیتر DP:

هنگامیکه برای اندازه گیری سطح مخزن سربسته از یک ترانسمیتر فشار تفاضلی استفاده شده باشد اگر در بالای سطح مایع یک فاز گازی قرار داشته باشد برای یک اندازه گیری صحیح باید فشار گاز را جبران سازی کرد.

این بدان دلیل است که یک تغییر در فشار گاز باعث تغییر د رخروجی ترانسمیتر سطح خواهد شد.علاوه براین ممکن است فشار اعمال شده توسط گاز انقدر زیاد باشد که فشار ناشی از ستون مایع در برابر ان ناچیز به نظر برسد.

از این رو برای اندازه گیری سطح مخازن سربسته نیاز به یک اتصال مرجع میباشد.به طوریکه طرفه Low ترانسمیتر را به بالای مخزن متصل کرده و ان را اتصال مرجع مینامند. هدف از این کار جبران سازی و به تعادل رساندن فشار فضای بالای سطح مایع است به طوریکه بتوان سطح واقعی مخزن را اندازه گیری کرد.

اگر هیچ گونه اتصال مرجع یا جبران کننده وجود نداشته باشد ترانسمیتر مقدار سطح به اضافه فشار مخزن را نشان خواهد داد.

P(high)=P(gas)+(H*S.G)

P(low)=P(gas)

∆P=P(high)-P(low)=H*S.G

همانطور که در محاسبات بالا مشاهده میکنید تاثیر فشار گاز حذف شده و تنها فشار ناشی از ستون هیدرواستاتیک مایع حس و اندازه گیری میشود. تیوپ کشی طرف Low ترانسمیتر که یک اتصال مرجع را فراهم میکند اصطلاحا Dry leg نامیده میشود. اگر گاز بالای سطح مایع متراکم نشود این اتصال به صورت خالی باقی میماند در کاربردهای اندازه گیری سطح به روشDry legاگر ترانسمیتر سطح در پایین مخزن نصب شده باشد

میتوان ترانسمیتر را به گونه ای کالیبره کرد که وقتی مخزن در سطح 0% است خروجی ترانسمیتر 4 mA بوده و وقتی مخزن در سطح 100% قرار دارد خروجی ترانسمیتر 20 mA باشد.

اگر گاز قرار گرفته در بالای سطح مخزن متراکم و کاندنس شود در تیوپ طرف Low ترانسمیتر مایع جمع شده و یک خطای اندازه گیری را ایجاد میکند.برای جلوگیری از این اتفاق و از بین بردن خطای بالاقوه تیوپ طرف Low ترانسمیتر را عمدا با یک مایع مرجع مناسب پرمیکنند. این شرایط را اصطلاحا Wet leg مینامند. برای مایع مرجع یا از خود مایع فرایند استفاده میکنند و یا یک مایع سازگار با مایع فرایند را مورد استفاده قرار میدهند.

در حالت Wet leg مایع مرجع یک فشار هیدرواستاتیک ثابت را به طرف Low ترانسمیتر سطح اعمال میکند. در این حالت باید ابتدا سطح را تعیین کرده و سپس اثر منفی Leg مرجع را از ان کم کرد. حاصل این محاسبه یک رنج منفی میباشد.

(سطح سنج)