丹佛斯壓力傳感器提供精確的液位測量

Water  tanks 738x415 Danfoss 消防供水系統及公用供水設施的運作及管理極其重要,可保障供水安全及穩定。緩衝水箱是這類型系統必須加裝的配套產品,其功能如同儲水箱,可根據實際需求供應足夠的用水。

- 2018年5月15日 撰寫人 Doval Beltran Juan Ramon

多數儲水箱外觀是黑色的,會安裝液位計來精確測量水位(量)。本文將探討各種液位測量方法,尤其針對採用壓力傳感器實現精確測量的可靠解決方案。

 

水箱液位及容積測量
您可以透過幾種方式測量水位,從一般類比液位開關到數位顯示壓力傳感器,而靜水壓量測是最精確、可靠的解決方案之一。水位可以透過水的密度來計算,可採用壓力傳感器測量靜水壓和指示水位。如有需要,可以使用幾何尺寸計算容積。

多數測量壓力的儀表都是利用靜止流體傳遞壓力,以流體靜壓或帕斯卡爾斯悖論為依據。該悖論表述水箱測量點壓力取決於流體的水位高度,與容器內水量和容器的幾何體積無關。開放與密閉式水箱液位測量的最大不同點除了介質填充量外,還有環境壓力的影響,這個計算對於取得準確測量值有很大影響。然而,密度也是一個很重要的影響因素。由於密度會隨著溫度變化而改變; 舉例來說,20°C的水密度會比80°C的水密度較高;同樣地,鹽水的密度高於純水。

 

液位測量有哪些重要參數?

p1=環境壓力(hPa):
環境壓力取決於感測器高於海平面高度或傳感器的應用環境如:壓力室。
海平面越高,氣壓越低。例如:海平面高度為0 m的環境壓力為1013,25 hPa〜=1,013 bar,而海平面高度為100m,環境壓力為1000,3hPa〜=1 bar。

ρ=液體密度(kg/m³)
每種物質都有特定密度,密度定義為介質之質量除以體積的商。
ρ= M/V(ρ是密度,m是質量,V是體積)
溫度會影響介質的密度,介質的密度隨著溫度和壓力的變化而變化。 對於固體和液體而言,這種變化通常比較小,但對於氣體的變化很大。
環境壓力為20°C和0°C的水密度值:
0°C≈999,8395 kg/m³
20°C≈998,2071 kg/m³

g=重力(m/s²)
重力是重要的參數,因為它對於具有質量的所有物質皆有影響力。
標準重力加速度為9.80665m/s²。

過壓(密閉式水箱)
每一種揮發性介質在不流通的密閉式水箱的流體上方會產生超壓現象。由於通風不良,這種過壓通常不能夠透過環境壓力補償。

 

開放式水箱的液位測量範例:
假設客戶需要開放式水箱的液位測量解決方案。水箱直徑為890毫米,高度為2500毫米,正常水位為1500毫米,最低水位為500毫米。在最大水位為1700毫米時,需要警報提醒員工關閉電源,以防止水滿溢出。

環境溫度介於8°C和35°C之間;介質溫度為10°C至25°C;使用的介質為水。
客戶需要輸出信號4至20 mA,精度優於2%的傳感器,可靈活設置參數及連接方式(電插頭)。
傳感器將被安裝在水箱下方以便測量水柱高度。

第一步是參數選擇和最大介質壓力的計算:

類型: 開放式水箱的環境壓力
p1環境壓力 = 1000,3 hPa ~= 1 bar
p2靜水壓 =?
h水箱高度= 2500 mm=2,5m
ρ 10°C的水密度 = 999,70 kg/m³
hmax 水柱= 1700 mm =1,7 m
hnorm 水柱= 1500 mm =1,5 m
hmin水柱= 500 mm =0,5 m
Ø 容器= 890 mm = 0,89 m
V 容器容積= (π*d²)/4 h =(3,14*0,89m²)/4*1,7m=1,19m³
A 容器表面積=π*d*H= 3,14*0,89m*2,5m=6,98m²

根據水箱容積可估計水箱的最高水位容積為1,19m³或1190 l,並可得知水密度為999,70 kg/m³或≈1kg/l。這表示水箱最多可以裝1190公斤的水,透過ρ(水密度)、g(重力)和水柱最大高度可以計算出水箱下方的壓力值,水箱表面積和體積沒有那麼相關

計算公式:

P2=ρ⋅g⋅hmax=999,70kg/m3 *9,81m/s2 *1,70m=16672kg/(m*s2)=16672Pa(pascal)=167mbar

以上這些參考值有助於選出符合客戶需要的傳感器。

傳感器的選擇:
對於開放式水箱而言,透過安裝通風壓力傳感器來補償環境壓力變化非常的重要。

丹佛斯MBS 9200傳感器(型號:064G523)的壓力範圍為0~0.2 bar(200 mbar),4~20 mA輸出信號,精度為TEB +-1.5%。

壓力範圍會比實際高一點,但對於測量沒有不良影響。信號值如下表所示:

傳感器輸出(mA)h 水柱(cm)mbar狀態
400Empty container
85050,9Level 1 min
12100101,8Level 2
16150152,7Container full
17,6170173,06Alarm - valve cut off

 

Artboard 1

密閉式水箱:
大多數密閉水箱的的參數與開放式水箱雷同。 唯一區別是大部分為加壓水箱且沒有通風接口,為了彌補不足,可以在水箱上方加裝傳感器。若水箱有通風接口,則計算公式時必須考慮環境壓力的影響。

應用案例:
密閉水箱(不通風)介質為揮發性氣體如汽油,水箱上方可能會發生過壓現象,不過可以在不影響介質液位測量的情況下進行調整或更換。壓力傳感器可用來測量過壓,由於液體上氣體會產生較高的靜壓,須對其進行補償,以避免發生液位測量錯誤。

密閉式(不通風)水箱的環境壓力
p1 過壓= 80 hPa ~=80 mbar
p2 靜水壓=150 hPa=150 mbar
水箱高度=2500 mm
ρ 汽油=750 kg/m³

水箱實際的介質水位可用下列公式計算出來:
h medium column=((p2-p1))/((p*g))=((150 mbar-80mbar))/((750kg/m3 *9,81m/s2 ))=70mbar/(7357,5 kg/(m*s2 ))=70mbar/73,5mbar=0,95m

根據氣體壓力求得介質數值可能會發生水位錯估的情況, 將導致嚴重誤差並影響水箱的性能。

 

Artboard 2

介質密度在開放或密閉式水箱定義
用在開放式或密閉式水箱的另一款傳感器採用差壓測量介質密度-在介質柱兩端各安裝1顆傳感器可以做到這一點,必須注意的是確認傳感器之間的距離對於介質密度計算非常重要。

水箱類型:開放式

p1環境壓力= 6864,93 kg/m*s²=6864,93 Pa
p2 靜水壓=16672kg/m*s²=16672 Pa
ρ 密度= ?
g 重力 = 9,81 m/s²
hmax介質柱高= 1700 mm =1,7 m
hdif 2顆傳感器距離=1m

ρ=((p2-p1))/((hdif*g))=((16672 kg/(m*s2 )-6864,93 kg/(m*s2 )))/((1m*9,81 m/s²))=(9807,07 kg/(m*s2 ))/(9,81 m^2/s²)=999,70 kg/m³

現在我們可以確定水箱的介質密度為999,70公斤/立方米,這等於21°C的水密度。若水的密度變化是由於溫度變化所引起,可以安裝溫度感測器。

 

Artboard 3 水箱安裝壓力傳感器
與傳統多段式液位開關相比,採用壓力傳感器測量水位更為精確 - 這對於表面積較大的水箱尤其重要,即使是水位輕微的計算錯誤將無法呈現水箱真實的水量。高精度的壓力傳感器有助於優化水箱的液位控制,即使用在表面積比較大的水箱,依然可以確保測量的準確性。

實現高可靠、低成本運行
丹佛斯壓力傳感器安裝方便,可節省安裝過程中的人力成本。除了能夠降低成本之外,高可靠性、高精度也是產品的主要優勢之一。壓力傳感器的快速回應可以讓水箱即時調整供水量。假若壓力傳感器檢測到任何異常,將會發出警報,讓操作人員可以立即確認問題並修復洩漏或其他系統故障問題。

丹佛斯壓力傳感器可以長時間穩定高效運轉,使用壽命長,可提供精確測量。此外,可與各種介質兼容,與其他液位測量技術不同,丹佛斯壓力傳感器可避免因為水中污染物質或黏滯性變化造成的錯誤測量。

丹佛斯MBS 9200/9300壓力傳感器
• 多用途、數位顯示低壓傳感器
• MBS 9200適用於一般工業應用;MBS 9300適用於海洋應用
• 體積輕巧,可滿足不同的工況
• 壓力範圍從 20 到 250 mbar
• 提供自我診斷和警報功能
• 不銹鋼外殼與接液部件(AISI 316L)

 

 

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