اندازه‌گیری سطح با نیروی شناوری؛ Displacer، Float و Magnetic Level Gauge چگونه کار می‌کنند؟

در میان روش‌های مختلف اندازه‌گیری سطح، بعضی تکنولوژی‌ها به‌جای استفاده از موج رادار، صوت، فشار هیدرواستاتیک یا ظرفیت خازنی، مستقیماً از یک اصل بسیار قدیمی و ساده فیزیکی استفاده می‌کنند:

نیروی شناوری یا Buoyancy

این اصل پایه عملکرد تجهیزاتی مانند:

Displacer Level Transmitter

Float Level Sensor

Float Level Switch

Magnetic Level Gauge

و برخی Level Controllerها

است.

هرچند این تجهیزات از نظر ظاهری ممکن است شبیه هم به نظر برسند، اما نحوه عملکردشان یکسان نیست.

مهم‌ترین تفاوت این است که:

Float معمولاً همراه سطح مایع حرکت می‌کند، اما Displacer لزوماً روی سطح شناور نیست و تغییر نیروی شناوری واردشده به آن اندازه‌گیری می‌شود.

همین تفاوت کوچک، کاربرد، طراحی و روش اندازه‌گیری آنها را کاملاً متفاوت می‌کند.

 

نیروی شناوری چیست؟

برای درک عملکرد Float و Displacer ابتدا باید قانون ارشمیدس را بشناسیم.

وقتی جسمی وارد یک مایع می‌شود، مایع نیرویی رو به بالا به آن وارد می‌کند.

این نیرو همان Buoyant Force یا نیروی شناوری است.

مقدار این نیرو برابر وزن مایعی است که جسم جابه‌جا کرده است.

رابطه ساده آن به صورت زیر است:

Fb = ρ × g × V

که در آن:

Fb نیروی شناوری است.

ρ چگالی مایع است.

g شتاب گرانش است.

V حجم قسمت غوطه‌ورشده جسم است.

بنابراین هرچه بخش بیشتری از یک جسم داخل مایع قرار گیرد، حجم مایع جابه‌جاشده بیشتر می‌شود و نیروی شناوری افزایش پیدا می‌کند.

 

Displacer چیست؟

Displacer معمولاً یک جسم استوانه‌ای با حجم و وزن مشخص است که به یک مکانیزم اندازه‌گیری متصل شده و داخل Vessel یا یک Chamber جانبی قرار می‌گیرد.

برخلاف Float، Displacer معمولاً به شکل آزاد روی سطح مایع شناور نیست.

این قطعه عمداً به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که حتی در حالت کاملاً غوطه‌ور نیز وزن مؤثر رو به پایین داشته باشد.

Emerson در راهنمای Level Measurement خود توضیح می‌دهد که Displacer از یک Hanger مانند Spring یا Torque Tube آویزان می‌شود و با بالا آمدن مایع، نیروی شناوری واردشده به آن افزایش پیدا می‌کند.

 

Displacer Level Transmitter چگونه کار می‌کند؟

فرض کنید Displacer از بالا آویزان است و سطح مایع پایین‌تر از آن قرار دارد.

در این حالت تقریباً تمام وزن Displacer به سیستم تعلیق وارد می‌شود.

با بالا آمدن مایع، بخشی از Displacer وارد مایع می‌شود.

مایع یک نیروی رو به بالا به Displacer وارد می‌کند.

در نتیجه وزن ظاهری یا:

Apparent Weight

کاهش پیدا می‌کند.

هرچه Level بیشتر شود، بخش بیشتری از Displacer در مایع غوطه‌ور شده و نیروی شناوری افزایش پیدا می‌کند.

در نتیجه سیستم می‌تواند از تغییر این نیرو مقدار Level را تعیین کند.

Emerson این اصل را به این صورت توضیح می‌دهد که تغییر Level باعث تغییر Buoyancy شده و این تغییر در Load سیستم تعلیق توسط Controller یا Transmitter به سیگنال Level تبدیل می‌شود.

 

وزن ظاهری Displacer چیست؟

وزن واقعی Displacer تغییر نمی‌کند.

اما وقتی داخل مایع قرار می‌گیرد، نیروی شناوری بخشی از وزن آن را خنثی می‌کند.

بنابراین:

Apparent Weight = Actual Weight − Buoyant Force

یا:

Wapp = Wdisplacer − Fb

هرچه Level بالاتر برود:

حجم غوطه‌ورشده بیشتر می‌شود.

Buoyant Force افزایش می‌یابد.

Apparent Weight کاهش پیدا می‌کند.

این تغییر وزن ظاهری همان چیزی است که سیستم مکانیکی Displacer حس می‌کند.

 

Torque Tube چیست؟

یکی از مهم‌ترین اجزای بسیاری از Displacer Level Transmitterها، Torque Tube است.

Torque Tube یک عضو مکانیکی پیچشی است که تغییر نیروی واردشده از Displacer را به یک حرکت زاویه‌ای بسیار کوچک تبدیل می‌کند.

وقتی Level تغییر می‌کند، نیروی شناوری روی Displacer تغییر می‌کند.

این تغییر نیرو از طریق Displacer Rod به Torque Tube منتقل می‌شود.

Torque Tube مقدار کمی می‌پیچد.

این چرخش سپس توسط مکانیزم Transmitter اندازه‌گیری و به سیگنال تبدیل می‌شود.

در تجهیزات Fisher، Torque Tube مانند یک Spring پیچشی عمل می‌کند؛ تغییر Buoyancy باعث مقدار مشخصی Twist شده و این حرکت به Controller یا Transmitter منتقل می‌شود.

 

آیا Torque Tube بالا و پایین می‌رود؟

نه.

این یکی از نکات مهم است.

Torque Tube معمولاً حرکت خطی بزرگ ندارد.

بلکه مقدار بسیار کوچکی پیچش زاویه‌ای ایجاد می‌کند.

همین تغییر زاویه کوچک توسط Transmitter تشخیص داده می‌شود.

در تجهیزات مدرن حتی ممکن است این زاویه توسط سنسورهایی مانند Hall Effect اندازه‌گیری و سپس به خروجی دیجیتال یا آنالوگ تبدیل شود. Emerson در Fisher DLC3100 نیز تغییر زاویه Torque Tube را با Magnet و Hall Effect Sensor اندازه‌گیری می‌کند.

 

Chamber در Displacer چیست؟

Displacer ممکن است مستقیماً داخل Vessel نصب شود، اما در بسیاری از صنایع داخل یک External Chamber یا Cage قرار می‌گیرد.

این Chamber از طریق دو اتصال به مخزن متصل می‌شود.

یک اتصال در قسمت پایین و یک اتصال در قسمت بالا قرار دارد.

طبق اصل ظروف مرتبط، Level داخل Chamber با Level مخزن هماهنگ می‌شود.

در نتیجه Displacer داخل Chamber همان تغییر سطح موجود در Tank را حس می‌کند.

این نوع نصب مزایای مهمی دارد:

دسترسی آسان‌تر برای Maintenance

امکان Isolate کردن Chamber

کاهش نیاز به باز کردن مخزن اصلی

امکان نصب Controller و Transmitter در خارج Vessel

 

Displacer برای Continuous Level مناسب است؟

بله.

Displacer می‌تواند برای اندازه‌گیری پیوسته سطح استفاده شود.

در این حالت مقدار Buoyancy به یک سیگنال پیوسته تبدیل می‌شود.

خروجی ممکن است:

4–20 mA

HART

Digital

Pneumatic

یا سیگنال Controller

باشد.

بسته به نوع تجهیز، Displacer همچنین می‌تواند برای:

Point Level

Level Control

Interface

و Density Measurement

استفاده شود. Emerson نیز Displacer-style Level Sensing را برای سیگنال‌های Analog، Digital و Pneumatic و همچنین Throttling Control معرفی می‌کند.

 

Displacer چگونه Interface را اندازه‌گیری می‌کند؟

یکی از مهم‌ترین کاربردهای Displacer، Interface Level Measurement است.

فرض کنید داخل Vessel دو مایع غیرقابل اختلاط وجود دارد.

مثلاً:

Oil

و

Water.

اگر Density این دو مایع متفاوت باشد، نیروی شناوری واردشده به Displacer نیز با تغییر Interface تغییر می‌کند.

به همین دلیل می‌توان موقعیت مرز دو مایع را از روی تغییر Buoyant Force تعیین کرد.

Emerson در Sensorهای Displacer خود صراحتاً Level، Interface Level و Density/Specific Gravity را از کاربردهای این تکنولوژی معرفی می‌کند.

 

چرا Density در Displacer بسیار مهم است؟

از رابطه:

Fb = ρgV

مشخص است که Buoyant Force مستقیماً به Density وابسته است.

اگر Density مایع تغییر کند، حتی اگر Level ثابت باشد، نیروی شناوری تغییر خواهد کرد.

در نتیجه Transmitter ممکن است تغییر Density را به اشتباه به‌عنوان تغییر Level تفسیر کند.

به همین دلیل Calibration یک Displacer باید با توجه به Density واقعی فرآیند انجام شود.

 

مثال ساده اثر Density

فرض کنید Displacer در یک Level ثابت داخل مایع قرار دارد.

اگر Density مایع بیشتر شود:

نیروی شناوری بیشتر می‌شود.

وزن ظاهری Displacer کاهش پیدا می‌کند.

Transmitter ممکن است این تغییر را مانند افزایش Level ببیند.

بنابراین در فرآیندهایی که Density به‌شدت تغییر می‌کند، Displacer نیاز به بررسی دقیق‌تر دارد.

 

دمای فرآیند چه تأثیری روی Displacer دارد؟

Temperature می‌تواند به شکل غیرمستقیم اثر بگذارد.

یکی از مهم‌ترین اثرها تغییر Density مایع است.

اگر Temperature باعث تغییر قابل توجه Density شود، Buoyancy نیز تغییر می‌کند.

همچنین:

Material

Torque Tube

Seal

و Process Connection

باید برای دمای فرآیند مناسب باشند.

پس نمی‌توان فقط Rating مکانیکی دستگاه را بررسی کرد؛ تغییر خواص سیال هم باید در نظر گرفته شود.

 

مزایای Displacer Level Measurement

Displacer تکنولوژی بسیار قدیمی و اثبات‌شده‌ای است.

برای Pressure Vesselها قابل استفاده است.

برای Temperature بالا مدل‌های صنعتی وجود دارد.

برای Level و Interface مناسب است.

برای Density یا Specific Gravity نیز در بعضی طراحی‌ها قابل استفاده است.

ساختار اندازه‌گیری آن کاملاً مکانیکی و قابل فهم است.

برای Control Loopهای فرآیندی تجربه عملی بسیار زیادی دارد.

در بسیاری از واحدهای نفت، گاز و پتروشیمی همچنان مورد استفاده است.

 

محدودیت‌های Displacer

Density روی اندازه‌گیری تأثیر مستقیم دارد.

قطعات مکانیکی وجود دارند.

Torque Tube و مکانیزم تعلیق نیاز به بررسی دارند.

در Surge شدید امکان ایجاد تنش مکانیکی وجود دارد.

Build-up روی Displacer می‌تواند وزن و حجم مؤثر آن را تغییر دهد.

Range بسیار بلند معمولاً برای این تکنولوژی جذاب نیست.

Emerson نیز اشاره می‌کند که Torque Tube Displacerها به Maintenance و Calibration Check نیاز دارند و Rangeهای بیشتر از حدود 5 متر معمولاً از نظر عملی مناسب نیستند.

 

Float چیست؟

Float یا شناور، جسمی است که به دلیل نیروی شناوری روی سطح مایع قرار می‌گیرد یا موقعیت آن با تغییر Level تغییر می‌کند.

برخلاف Displacer که تغییر Force اندازه‌گیری می‌شود، در Float معمولاً Position خود شناور اهمیت دارد.

Endress+Hauser نیز Float Level Transducer را تجهیزی معرفی می‌کند که Position شناور با بالا و پایین رفتن Level تغییر می‌کند.

 

Float چگونه سطح را اندازه می‌گیرد؟

وقتی Level بالا می‌رود، Float نیز همراه آن بالا می‌رود.

وقتی Level پایین می‌آید، Float پایین می‌آید.

این حرکت می‌تواند به روش‌های مختلف منتقل شود.

برای مثال:

Lever

Cable

Tape

Magnetic Coupling

Reed Switch

Potentiometer

Encoder

یا سیستم مکانیکی.

بسته به نوع طراحی، خروجی می‌تواند فقط یک Alarm ساده یا اندازه‌گیری پیوسته Level باشد.

 

Float Level Switch چیست؟

یکی از ساده‌ترین Level Switchها از Float استفاده می‌کند.

شناور با بالا آمدن سطح حرکت می‌کند.

این حرکت یک Switch را فعال یا غیرفعال می‌کند.

در نتیجه می‌توان از آن برای:

High Level Alarm

Low Level Alarm

Pump Start

Pump Stop

Overflow Protection

یا Dry Run Protection

استفاده کرد.

Emerson نیز Float-style Level Sensing را به‌عنوان روشی معرفی می‌کند که Float با سطح بالا و پایین می‌رود و از طریق Sensor یا Switch به Controller Feedback می‌دهد.

 

Float Level Gauge چیست؟

در بعضی سیستم‌ها Float به یک Wire، Tape یا مکانیزم اندازه‌گیری متصل می‌شود.

با بالا و پایین رفتن شناور، این حرکت به یک Indicator منتقل می‌شود.

در نتیجه Level به‌صورت مکانیکی نمایش داده می‌شود.

Endress+Hauser برای مثال Float Gauge LT5 را یک Mechanical Tank Gauge برای اندازه‌گیری Level معرفی می‌کند که بر اصل Servo / Float Tank Gauging کار می‌کند.

 

Float برای Continuous Measurement قابل استفاده است؟

بله.

Float فقط Level Switch نیست.

بسته به طراحی می‌تواند:

Point Detection

Continuous Measurement

Local Indication

یا Tank Gauging

انجام دهد.

Endress+Hauser نیز توضیح می‌دهد که Float Systems بسته به طراحی می‌توانند هم برای Level Alarm و هم Continuous Mechanical Gauging استفاده شوند.

 

Density چه تأثیری روی Float دارد؟

Float باید بتواند روی مایع شناور بماند.

بنابراین Density مایع مهم است.

اگر Density مایع بیش از حد کم باشد، Float ممکن است بیش از حد فرو برود یا اصلاً طراحی مناسبی برای آن سیال نباشد.

به همین دلیل سازندگان معمولاً Minimum Density یا Specific Gravity موردنیاز را مشخص می‌کنند.

برای نمونه Endress+Hauser در Float Gauge LT5 محدوده Density مایع را در مشخصات کاربرد محصول تعیین می‌کند.

 

تفاوت اصلی Float و Displacer چیست؟

این دو تجهیز خیلی با هم اشتباه گرفته می‌شوند.

اما تفاوت پایه‌ای بسیار ساده است.

Float روی سطح شناور می‌شود و Position آن تغییر می‌کند.

اما:

Displacer معمولاً از یک مکانیزم آویزان است و تغییر Buoyant Force واردشده به آن اندازه‌گیری می‌شود.

به زبان ساده:

Float → Position

Displacer → Force / Buoyancy

این مهم‌ترین تفاوت این دو تکنولوژی است.

 

آیا Displacer نیز حرکت می‌کند؟

ممکن است حرکت بسیار محدودی داشته باشد، اما هدف اصلی اندازه‌گیری Position آزاد آن نیست.

در بسیاری از Displacer Systemها آنچه اهمیت دارد تغییر Load روی Torque Tube یا Spring است.

بنابراین نباید آن را مانند Float تصور کرد که آزادانه همراه سطح حرکت می‌کند.

 

Magnetic Level Gauge چیست؟

Magnetic Level Gauge یا MLG یکی از متداول‌ترین روش‌های نمایش محلی سطح در صنایع فرآیندی است.

معمولاً یک Chamber عمودی در کنار Tank نصب می‌شود.

Chamber از بالا و پایین به مخزن متصل است.

در داخل Chamber یک Float دارای Magnet قرار دارد.

Level داخل Chamber همراه با Level Tank بالا و پایین می‌رود.

Float نیز با Level حرکت می‌کند.

اما سطح به‌صورت مستقیم از پشت شیشه دیده نمی‌شود.

بلکه میدان مغناطیسی Float، یک Indicator خارجی را فعال می‌کند.

 

Magnetic Level Gauge چگونه کار می‌کند؟

وقتی Float بالا می‌رود، Magnet داخل آن نیز حرکت می‌کند.

در بیرون Chamber مجموعه‌ای از:

Flaps

Flags

Rollers

یا Magnetic Indicators

قرار دارد.

میدان مغناطیسی Float باعث چرخیدن یا تغییر وضعیت این عناصر می‌شود.

معمولاً یک رنگ برای بخش پایین Level و رنگ دیگر برای بخش بالای Level استفاده می‌شود.

در نتیجه اپراتور می‌تواند مقدار Level را از بیرون مشاهده کند.

 

مزیت اصلی Magnetic Level Gauge چیست؟

مهم‌ترین مزیت آن این است که:

نمایشگر خارجی با سیال Process تماس مستقیم ندارد.

Process داخل Chamber فلزی باقی می‌ماند.

Indicator بیرونی فقط از طریق Magnetic Coupling موقعیت Float را دنبال می‌کند.

این ویژگی در فرآیندهای:

فشار بالا

دمای بالا

مواد خطرناک

و بعضی سیالات خورنده

می‌تواند مزیت مهمی نسبت به Sight Glass ساده ایجاد کند.

 

آیا Magnetic Level Gauge برق نیاز دارد؟

برای نمایش Local ساده معمولاً خیر.

حرکت Float و Indicator می‌تواند کاملاً مکانیکی و مغناطیسی باشد.

این یعنی حتی در صورت قطع برق نیز اپراتور می‌تواند Level را روی Gauge مشاهده کند.

البته اگر MLG به Transmitter یا Switch مجهز شود، بخش الکترونیکی آن ممکن است به تغذیه نیاز داشته باشد.

 

Magnetic Level Gauge چگونه به Transmitter تبدیل می‌شود؟

کنار Chamber می‌توان یک Level Transmitter نصب کرد.

یکی از روش‌ها استفاده از Reed Chain یا Magnetostrictive Sensor است.

وقتی Float حرکت می‌کند، میدان مغناطیسی آن توسط Sensor خارجی تشخیص داده می‌شود.

در نتیجه Local Indication می‌تواند به یک سیگنال:

4–20 mA

HART

یا Digital

نیز تبدیل شود.

پس یک MLG می‌تواند همزمان:

Local Display

Remote Measurement

و Level Switching

ارائه کند.

 

Magnetic Level Switch چگونه کار می‌کند؟

می‌توان در نقاط مختلف Chamber Magnetic Switch نصب کرد.

وقتی Float به آن موقعیت برسد، Magnet باعث تغییر وضعیت Switch می‌شود.

در نتیجه می‌توان:

High Alarm

Low Alarm

Pump Control

یا Trip

ایجاد کرد.

 

تفاوت Magnetic Level Gauge و Sight Glass چیست؟

در Sight Glass معمولاً خود سیال داخل یک Tube یا Glass Chamber قابل مشاهده است.

در Magnetic Level Gauge اپراتور لزوماً خود سیال را نمی‌بیند.

بلکه Position یک Float مغناطیسی را روی Indicator خارجی مشاهده می‌کند.

مزیت MLG این است که Indicator از Process جداست و نیازی نیست یک Glass Transparent مستقیماً فشار و دمای فرآیند را تحمل کند.

 

آیا Magnetic Level Gauge همیشه بدون مشکل است؟

نه.

مثل تمام تجهیزات Level محدودیت‌های خودش را دارد.

Float باید با Density سیال سازگار باشد.

ممکن است Float گیر کند.

Build-up داخل Chamber می‌تواند حرکت Float را مختل کند.

مواد مغناطیسی یا میدان‌های خارجی باید بررسی شوند.

در سرویس‌های بسیار کثیف Chamber ممکن است نیاز به Cleaning داشته باشد.

Process Connection باید طوری باشد که Level واقعی Tank داخل Chamber منتقل شود.

 

Chamber ممکن است Level اشتباه نشان دهد؟

بله، اگر ارتباط Chamber و Tank مختل شود.

مثلاً اگر:

Connection پایین مسدود شود

Connection بالا مسدود شود

Valve بسته بماند

رسوب ایجاد شود

یا Vapor Lock رخ دهد،

Level Chamber ممکن است دیگر نماینده Level واقعی Tank نباشد.

بنابراین Maintenance و بررسی Connectionها اهمیت دارد.

 

تفاوت Magnetic Level Gauge و Float Gauge چیست؟

هر دو از Float استفاده می‌کنند، اما نحوه انتقال Position متفاوت است.

در Float Gauge سنتی ممکن است حرکت Float از طریق:

Wire

Tape

Pulley

یا مکانیزم مکانیکی

به Indicator منتقل شود.

در Magnetic Level Gauge حرکت بدون اتصال مکانیکی مستقیم از طریق Magnetic Coupling به Indicator خارجی منتقل می‌شود.

 

کدام بهتر است؛ Float یا Displacer؟

پاسخ به کاربرد بستگی دارد.

Float وقتی بسیار مناسب است که بخواهیم Position سطح را به شکل ساده و مستقیم دنبال کنیم.

Displacer زمانی مزیت دارد که تغییر Buoyancy را برای:

Continuous Level

Interface

Density

یا Process Control

استفاده کنیم.

هیچ‌کدام ذاتاً «بهتر» نیستند.

 

Displacer برای Interface بهتر است یا Float؟

در بسیاری از کاربردها Displacer برای Interface بسیار مناسب است چون تفاوت Density دو سیال مستقیماً بر Buoyant Force اثر می‌گذارد.

Float نیز می‌تواند برای Interface طراحی شود، اما Float باید Density مناسب داشته باشد تا در Interface موردنظر تعادل پیدا کند.

انتخاب بستگی به Density هر دو سیال و طراحی تجهیز دارد.

 

Displacer یا Hydrostatic؟

هر دو به Density وابسته‌اند.

Hydrostatic فشار ستون مایع را اندازه می‌گیرد.

Displacer Buoyant Force را اندازه می‌گیرد.

اگر Density تغییر کند، هر دو می‌توانند تحت تأثیر قرار بگیرند.

اما طراحی، نصب و شرایط فرآیند آنها کاملاً متفاوت است.

 

Displacer یا Radar؟

Radar معمولاً Non-contact است و مستقیماً به Density وابسته نیست.

Displacer Contact است و Density در اندازه‌گیری آن نقش مستقیم دارد.

Radar قطعات مکانیکی متحرک مشابه Torque Tube System ندارد.

اما Displacer در Interface، بعضی Pressure Vesselها و Control Applications سال‌هاست تکنولوژی کاملاً اثبات‌شده‌ای محسوب می‌شود.

 

Magnetic Level Gauge یا Radar؟

این دو لزوماً رقیب هم نیستند.

Radar می‌تواند Remote Continuous Measurement انجام دهد.

Magnetic Level Gauge معمولاً Local Indication بسیار واضحی ارائه می‌دهد.

در بسیاری از پروژه‌ها حتی هر دو با هم استفاده می‌شوند.

مثلاً:

Radar برای DCS

و MLG برای Local Indication.

این کار می‌تواند دو روش مستقل اندازه‌گیری نیز ایجاد کند.

 

Magnetic Level Gauge یا Sight Glass؟

برای شرایط فرآیندی سخت، MLG در بسیاری از کاربردها ایمنی و دوام بیشتری نسبت به Glass مستقیم دارد.

اما Sight Glass مزیت خاص خودش را دارد:

اپراتور خود Fluid را مشاهده می‌کند.

مثلاً می‌تواند:

رنگ

وجود Foam

وجود Interface

یا آلودگی

را هم ببیند.

پس باز هم انتخاب به نیاز پروژه بستگی دارد.

 

کاربرد Displacer در صنعت

Displacer در صنایع:

نفت و گاز

پالایشگاه

پتروشیمی

Chemical

Power

Pressure Vessel

Separator

Knock-out Drum

Boiler-related systems

و Level Control

کاربرد داشته و دارد.

به‌خصوص در تجهیزاتی که Level Controller مستقیماً یک Control Valve را کنترل می‌کند، Displacer historically بسیار رایج بوده است.

 

کاربرد Float

Floatها در طیف وسیعی استفاده می‌شوند:

Storage Tank

Water Tank

Fuel Tank

Pump Control

Sump

Boiler

Water Treatment

Level Alarm

و Tank Gauging.

 

کاربرد Magnetic Level Gauge

MLG معمولاً در:

Pressure Vessel

Separator

Drum

Storage Tank

Chemical Tank

Oil & Gas

Petrochemical

Boiler Drum Auxiliary Indication

و Process Vessel

دیده می‌شود.

 

نحوه انتخاب Displacer

برای انتخاب Displacer باید موارد زیر بررسی شوند:

Minimum Level

Maximum Level

Span

Density

Specific Gravity

Interface Density

Pressure

Temperature

Material Compatibility

External Chamber یا Internal Installation

Process Connections

Required Output

Control یا Measurement

Hazardous Area

و Accuracy.

 

نحوه انتخاب Float

برای Float باید مواردی مانند:

Minimum Density

Float Material

Pressure Rating

Temperature Rating

Fluid Compatibility

Tank Geometry

Range

Connection

Viscosity

Build-up

و نوع خروجی

بررسی شوند.

 

نحوه انتخاب Magnetic Level Gauge

برای MLG موارد زیر مهم‌اند:

Center-to-Center Distance

Process Pressure

Process Temperature

Density

Minimum Specific Gravity

Chamber Material

Float Material

Connection Size

Connection Rating

Top/Bottom Connection Arrangement

Vent

Drain

Local Indicator Type

Transmitter Option

Switch Option

و Insulation.

 

چرا Minimum Specific Gravity مهم است؟

Float برای شناور ماندن باید نیروی شناوری کافی دریافت کند.

اگر Specific Gravity سیال کمتر از مقدار طراحی باشد، Float ممکن است بیش از حد فرو برود یا رفتار صحیحی نداشته باشد.

در Magnetic Level Gauge هم Float دقیقاً بر اساس Density فرآیند طراحی می‌شود.

پس هنگام خرید فقط گفتن:

«یک لول گیج برای آب می‌خواهم»

کافی نیست، مخصوصاً اگر سیال آب نباشد.

Density یا Specific Gravity باید مشخص شود.

 

Build-up چه مشکلاتی ایجاد می‌کند؟

در Displacer، رسوب می‌تواند:

وزن Displacer را تغییر دهد.

حجم مؤثر را تغییر دهد.

حرکت مکانیزم را محدود کند.

در Float، رسوب می‌تواند حرکت آزادانه را مختل کند.

در Magnetic Level Gauge نیز رسوب Chamber می‌تواند باعث گیر کردن Float شود.

بنابراین برای:

Bitumen

Heavy Oil

Viscous Fluid

Slurry

یا سیالات رسوب‌زا

باید با دقت بیشتری انتخاب کرد.

 

Turbulence چه تأثیری دارد؟

در مخازنی با Turbulence شدید، Float ممکن است مرتب حرکت کند.

Displacer ممکن است Surge Force دریافت کند.

به همین دلیل استفاده از Chamber یا Cage می‌تواند اندازه‌گیری را پایدارتر کند.

External Chamber تا حدی سطح آرام‌تری نسبت به داخل Vessel ایجاد می‌کند.

 

آیا Pressure روی Buoyancy اثر دارد؟

خود قانون Buoyancy بیشتر به Density وابسته است.

اما Pressure می‌تواند Density سیال را تغییر دهد، مخصوصاً در بعضی شرایط.

همچنین Float، Chamber، Torque Tube و Connections باید Pressure Rating مناسب داشته باشند.

بنابراین Pressure همیشه باید در انتخاب تجهیز بررسی شود.

 

آیا Float و Displacer برای جامدات مناسب هستند؟

معمولاً نه.

این تکنولوژی‌ها اساساً برای مایعات طراحی شده‌اند.

Float باید روی یک Fluid شناور شود.

Displacer نیز Buoyancy ناشی از Liquid Displacement را اندازه می‌گیرد.

برای مواد جامد Bulk معمولاً تکنولوژی‌های دیگری مانند Radar، Ultrasonic، Capacitive یا Radiometric بررسی می‌شوند.

 

مهم‌ترین تفاوت Displacer، Float و Magnetic Level Gauge

اگر بخواهیم کل مقاله را در سه جمله خلاصه کنیم:

Displacer تغییر نیروی شناوری را اندازه می‌گیرد.

Float موقعیت شناور روی سطح را دنبال می‌کند.

Magnetic Level Gauge موقعیت یک Float مغناطیسی را در Chamber به نمایشگر خارجی منتقل می‌کند.

هر سه از Buoyancy استفاده می‌کنند، اما چیزی که اندازه‌گیری یا منتقل می‌شود متفاوت است.

 

اشتباهات رایج

یکی از رایج‌ترین اشتباهات این است که Float و Displacer یکسان فرض شوند.

اشتباه دیگر این است که Density در انتخاب آنها نادیده گرفته شود.

اشتباه دیگر استفاده از MLG بدون بررسی Minimum Specific Gravity است.

بسته بودن Valveهای Chamber نیز می‌تواند باعث قرائت اشتباه MLG شود.

Build-up و کثیفی Chamber نیز نباید نادیده گرفته شود.

در Displacer، Calibration بدون توجه به Density واقعی فرآیند می‌تواند باعث خطای محسوس شود.

 

جمع‌بندی

اندازه‌گیری سطح با نیروی شناوری یکی از قدیمی‌ترین و همچنان کاربردی‌ترین روش‌های Level Measurement در صنعت است.

اصل پایه آن قانون ارشمیدس است:

Fb = ρgV

در Displacer Level Measurement با بالا و پایین رفتن Level، حجم غوطه‌ورشده تغییر می‌کند و در نتیجه Buoyant Force تغییر می‌کند. این تغییر نیرو توسط Spring یا Torque Tube حس شده و به سیگنال Level تبدیل می‌شود. Emerson نیز همین اصل را پایه عملکرد Displacer Level Sensing معرفی می‌کند.

در Float Level Measurement شناور همراه سطح حرکت می‌کند و Position آن برای Switch، Indication یا Continuous Measurement استفاده می‌شود. Endress+Hauser نیز Float Measurement را بر اساس حرکت Float همراه Level توضیح می‌دهد.

در Magnetic Level Gauge یک Float مغناطیسی داخل Chamber حرکت می‌کند و موقعیت آن بدون اتصال مکانیکی مستقیم، از طریق Magnetic Coupling به نمایشگر خارجی منتقل می‌شود.

مهم‌ترین نکته در هر سه تکنولوژی این است که Density یا Specific Gravity سیال نقش بسیار مهمی در عملکرد صحیح دارد.

پس اگر بخواهیم خیلی ساده انتخاب کنیم:

برای اندازه‌گیری بر اساس تغییر نیرو و Buoyancy → Displacer

برای دنبال کردن موقعیت مستقیم سطح → Float

برای نمایش محلی سطح با Float مغناطیسی و Chamber → Magnetic Level Gauge

و دقیقاً به همین دلیل است که این سه تجهیز، با وجود شباهت ظاهری، در ابزار دقیق سه راهکار متفاوت برای Level Measurement محسوب می‌شوند.