ในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิตประเภทอุตสาหกรรมการกลั่นน้ำมันและปิโตรเคมี รวมไปถึง อุตสาหกรรมเกี่ยวกับก๊าซธรรมชาติ จะมีถังเก็บ,หอกลั่น ซึ่งต้องมีการควบคุมและแสดงระดับของเหลว
การวัดระดับด้วยอุปกรณ์วัดความดันแตกต่าง
(Level Measurement with Differential Pressure Transmitter)
ทวิช ชูเมือง
สำหรับในอุตสาหกรรมกระบวนการผลิตประเภทอุตสาหกรรมการกลั่นน้ำมันและปิโตรเคมี รวมไปถึง อุตสาหกรรมเกี่ยวกับก๊าซธรรมชาติ จะมีถังเก็บ (Storage Tank), หอกลั่น (Distillation Vessel) หรือหอแยกของไหลชนิดต่าง ๆ (Separator Vessel) เป็นอุปกรณ์ที่ประกอบร่วมอยู่ในแต่ละกระบวนการผลิต
ซึ่งตามถังหรือหอต่าง ๆ เหล่านี้จะต้องมีการควบคุมและแสดงค่าระดับของเหลวในถังบนหน่วยแสดงผลของระบบควบคุมพื้นฐาน เพื่อให้ความสูงของเหลวอยู่ในระดับที่ต้องการ อุปกรณ์เครื่องมือวัดที่จะนำไปใช้วัดระดับของเหลวชนิดต่าง ๆ สำหรับกระบวนการผลิตเหล่านี้มีอยู่ด้วยกันหลายชนิด
ดังนั้นการเลือกใช้งานประเภทใดนั้นจึงต้องมีการเลือกใช้ให้เหมาะสมกับชนิดของการควบคุมและลักษณะของเหลวที่นำไปใช้งาน สำหรับการใช้ในการวัดระดับของเหลวที่ไม่มีข้อกำหนดพิเศษใด ๆ จะนิยมใช้ การวัดระดับของเหลวด้วยอุปกรณ์วัดความดันแตกต่าง (Differential Pressure Transmitter) มีหลักการทำงานพื้นฐานที่ง่ายและสะดวกต่อการนำไปใช้งาน นอกจากนั้นราคายังไม่แพงเมื่อเทียบกับการเลือกใช้อุปกรณ์วัดระดับประเภทอื่น ๆ
แต่สำหรับการใช้งานบางประเภทก็ไม่เหมาะสมในการนำไปใช้งาน เช่น บริเวณถังที่มีความดันและอุณหภูมิสูง ๆ หรือ ถังเก็บสำหรับใช้ในการซื้อขาย เป็นต้น ในบทความนี้จะกล่าวถึงการทำงานพื้นฐานของการวัดระดับของเหลวด้วยอุปกรณ์วัดความดันแตกต่างสำหรับการใช้งานในสภาวะทั่วไป, ข้อกำหนดสำหรับการกำหนดรายละเอียดของจุดต่อบน (Nozzle), การคำนวณหาย่านการวัดเพื่อนำไปใช้ในการปรับเทียบ
นอกจากนั้นยังแสดงการติดตั้งเกจวัดระดับ (Level Gauge) ให้เหมาะสมเมื่อติดตั้งร่วมกับอุปกรณ์วัดระดับ ในส่วนตอนท้ายได้แสดงตัวอย่างการกำหนดรายละเอียดและข้อมูลเบื้องต้นที่ต้องการ เพื่อใช้เป็นแนวทางเบื้องต้นในการพิจารณาเลือกใช้การวัดระดับของเหลวด้วยอุปกรณ์วัดความดันแตกต่างได้อย่างเหมาะสมกับการนำไปใช้งาน
การวัดระดับความสูงจากความดัน
การวัดระดับความสูงจากความดันจะอยู่บนพื้นฐาน การวัดแรงกดจากความสูงของเหลว แรงกดนี้จะมีพื้นฐานมาจากความสูงของเหลวและความถ่วงจำเพาะของเหลว (Specific Gravity: S.G.) การวัดระดับของเหลวด้วยวิธีนี้จะถูกอ้างอิงไปถึงความสูงของน้ำ และจะถูกปรับเทียบเป็นความดันในหน่วยของนิ้วน้ำ (Inchs of Water Column: InWC) หรือ มิลลิเมตรน้ำ (Millimeter of Water Column: mmWC) เมื่อค่าความถ่วงจำเพาะของน้ำที่สภาวะมาตรฐาน (Standard Condition) มีค่าเท่ากับ 1
การคำนวณหาค่าความดันเพื่อนำไปใช้ในการปรับเทียบอุปกรณ์การวัด (Calibration) สำหรับนำไปใช้วัดระดับความสูงของเหลวทำได้โดยการคูณความสูงของเหลวด้วยค่าความถ่วงจำเพาะ ดังแสดงรายละเอียดในรูปที่ 1
รูปที่ 1 การคำนวณหาความดัน
จากรูปที่ 1 เมื่อระดับความสูงของเหลวในถังอยู่ที่ตำแหน่ง Lower Point สามารถหาค่าความดันที่ด้าน HP ได้เป็นดังนี้
ความดันด้าน HP = X * SGS
ความดันด้าน LP = (h + X) * SGS
ความดันแตกต่างที่อุปกรณ์วัดระดับ (Level Transmitter) เมื่อของเหลวในถังอยู่ที่ตำแหน่ง Lower Point จะเป็นดังนี้
ความดันแตกต่างที่ตำแหน่ง Lower Point = (X * SGS) – ((h + X) * SGS)
= – (h * SGS)
เมื่อระดับความสูงของเหลวในถังอยู่ที่ตำแหน่ง Upper Point สามรถหาค่าความดันที่ด้าน HP เป็นดังนี้
ความดันด้าน HP = (X * SGS) + (h * SGL)
ความดันด้าน LP = (h + X) * SGS
ความดันแตกต่างที่อุปกรณ์วัดระดับ เมื่อของเหลวในถังอยู่ที่ตำแหน่ง Upper Point จะเป็นดังนี้
ความดันแตกต่างที่ตำแหน่ง Upper Point = ((X * SGS) + (h * SGL)) – ((h + X) * SGS)
= (h * SGL) – (h * SGS)
ดังนั้นช่วงการวัด (Span) ของอุปกรณ์วัดความดันแตกต่างที่ใช้ในการปรับเทียบจะเป็นดังนี้
ช่วงการวัด = [ความดันแตกต่างที่ตำแหน่ง Lower Point] - [ความดันแตกต่างที่ตำแหน่ง Upper Point]
= 0 to [(h * SGL)]
และ ย่านการวัด (Range) = [ความดันแตกต่างที่ตำแหน่ง Lower Point] to [ความดันแตกต่างที่ตำแหน่ง Upper Point]
= – (h * SGS) to (h * SGL) – (h * SGS)
เมื่อ SGS = ความถ่วงจำเพาะของเหลวในท่อ (SG of filling liquid)
SGL = ความถ่วงจำเพาะของเหลวในถัง (SG of measuring liquid)
h = ระยะความสูงของเหลวที่ต้องการวัด
X = ระยะระหว่างตัวอุปกรณ์กับจุดต่อด้านล่าง
ความดันที่เกิดขึ้นเนื่องจากระดับความสูงของเหลวจะมีการเปลี่ยนแปลงที่มีลักษณะเป็นเชิงเส้นกับมวล (Mass) ของเหลวนั้น สำหรับในกรณีถังที่ต้องการวัดระดับความสูงที่เป็นแนวตั้งตรง การอ่านค่าระดับของเหลวจากอุปกรณ์การวัดระดับจะมีค่าที่ถูกต้องในทุก ๆ ค่าของความถ่วงจำเพาะที่เปลี่ยนแปลงไป ถ้ามีการปรับเทียบให้มีการอ่านค่าระดับของเหลวในรูปของมวล
แต่การอ่านค่าระดับของเหลวจากอุปกรณ์การวัดระดับจะมีค่าไม่ถูกต้อง ถ้ามีการปรับเทียบให้มีการอ่านค่าในรูปของปริมาณ ถ้าค่าความถ่วงจำเพาะของเหลวมีค่าเปลี่ยนแปลงไปจากการปรับเทียบ ซึ่งของเหลวจะมีค่าความถ่วงจำเพาะที่เปลี่ยนแปลงไปตามอุณหภูมิ
ดังนั้นการอ่านค่าระดับของเหลวที่มีค่าผิดพลาดเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลงค่าความถ่วงจำเพาะ จะต้องมีการพิจารณาให้ละเอียดในการออกแบบการวัดระดับของถังที่ต้องมีการกำหนดจุดสัญญาณเตือน (Alarm Point) ที่ระดับต่าง ๆ และของเหลวที่ล้นออกมาจากถังมีผลกระทบต่อสิ่งต่าง ๆ ภายนอก โดยทั่วไปมีการแก้ไขได้หลายวิธีดังนี้
• ไม่ควรกำหนดให้ค่าสัญญาณเตือนมีค่าใกล้กับค่าระดับที่ 0% และ 100% ในการคำนวณหาค่ากำหนดจุดสัญญาณเตือน ควรจะต้องมีการตรวจสอบจุดเตือนในค่าความถ่วงจำเพาะสภาวะที่แย่สุด ถ้าจุดเตือนที่ต้องการนั้นมีค่าสูงกว่า 90% หรือ ต่ำกว่า 10% ของช่วงการวัดระดับ
• ติดตั้งอุปกรณ์วัดระดับตัวที่สองที่ไม่มีความผิดพลาดเนื่องจากค่าความถ่วงจำเพาะ ไว้สำหรับทำสัญญาณเตือน
ถ้ามีการนำอุปกรณ์วัดระดับของเหลวไปใช้งานกับของเหลวที่มีค่าความถ่วงจำเพาะเปลี่ยนแปลงตลอดช่วงเวลาการทำงาน และในการใช้งานสภาวะปกติจะไม่ยินยอมให้มีของเหลวไหลล้นออกมาจากถัง ในการวัดระดับจะต้องมีการชดเชยค่าความถ่วงจำเพาะที่เปลี่ยนแปลงไปหรือพิจารณาเปลี่ยนไปใช้อุปกรณ์วัดระดับชนิดอื่น
ถ้ามีการปรับเทียบให้อุปกรณ์วัดระดับของเหลวมีการอ่านค่าในรูปของมวลของเหลว อุปกรณ์วัดระดับต้องถูกปรับเทียบกับค่าความถ่วงจำเพาะต่ำสุดที่อาจเกิดขึ้น เพื่อป้องกันของเหลวล้นออกมาจากถัง ถ้าค่าระดับของเหลวมีความต้องการสำหรับปั๊มด้านขาเข้า (Suction) ต้องทำการปรับเทียบกับค่าความถ่วงจำเพาะสูงสุดที่อาจเกิดขึ้น
ถ้ามีการปรับเทียบให้อุปกรณ์การวัดระดับของเหลวมีการอ่านค่าในรูปปริมาณของเหลว อุปกรณ์วัดระดับควรมีการปรับเทียบกับค่าความถ่วงจำเพาะในสภาวะการทำงานปกติ เพื่อความถูกต้องที่สุดในการอ่านค่าในขณะทำงานตามปกติ
อุปกรณ์วัดความดันแตกต่าง (Differential Pressure Transmitter)
อุปกรณ์วัดความดันแตกต่างมีการใช้งานกันอย่างกว้างขวางในการวัดระดับของเหลวในถัง โดยจะอ่านค่าได้จากความสูงของเหลวที่ทำการวัด โดยทั่วไปด้าน HP (High Pressure) ของอุปกรณ์จะถูกต่ออยู่กับจุดต่อด้านต่ำสุดของถัง (Lower Nozzle) และด้าน LP (Low Pressure) หรือด้านที่มีความดันคงที่ จะถูกต่ออยู่กับจุดต่อด้านสูงสุดของถัง (Upper Nozzle) โดยด้าน LP จะใช้เป็นจุดอ้างอิง ดังนั้นความดันที่เกิดขึ้นที่ด้าน LP จะต้องมีค่าความดันที่คงที่อยู่ตลอดเวลา การทำให้ความดันด้าน LP ให้มีค่าคงที่ อาจทำได้หลายวิธีการดังนี้
• บรรจุด้วยของเหลวที่เหมาะสมกับกระบวนการ (Filling Liquid)
• พิจารณาใช้การควบคุมระยะไกลกับการผนึกด้วยเคมี (Remote with Chemical seal)
การบรรจุด้วยของเหลวทั้งด้าน HP และ LP ต้องมีการชดเชยโดย Zero Elevation และ Suppression
Zero Elevation และ Suppression
ถ้าอุปกรณ์วัดระดับไม่ได้ถูกติดตั้งที่ตำแหน่ง 0% ของระดับของเหลวในถังที่ต้องการวัด จะต้องมีการปรับเทียบตำแหน่งที่แตกต่างนี้ ซึ่งการปรับเทียบนี้จะถูกเรียกว่า Zero Elevation เมื่อตำแหน่งอุปกรณ์วัดระดับถูกติดตั้งอยู่เหนือจุดต่อกับถังด้านล่าง (Lower Nozzle) และจะถูกเรียกว่า Zero Suppression เมื่อตำแหน่งอุปกรณ์การวัดถูกติดตั้งอยู่ต่ำกว่าจุดต่อถังด้านล่าง
การควบคุมระยะไกลกับการผนึกด้วยเคมี (Remote Diaphragm Seal) ไปยังอุปกรณ์วัดความดันแตกต่างทำให้มีผลต่อการตอบสนองต่อสัญญาณเอาต์พุตและอุณหภูมิแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงไปจะมีผลกระทบต่อการเปลี่ยนจุดศูนย์ (Zero Setting) ดังนั้นในการเลือกใช้งานอุปกรณ์ประเภทนี้ต้องมีการปรึกษากับผู้ผลิตในการเลือกของเหลวที่ใช้ในการผนึก ให้เหมาะสมกับบริเวณที่จะใช้งาน
นอกจากนั้นแล้วการเลือกของเหลวที่จะนำไปบรรจุทั้งด้าน HP และ LP ต้องพิจารณาให้มีความเหมาะสม เมื่อมีการรั่วไหล, อุณหภูมิจากกระบวนการ, อุณหภูมิแวดล้อม, ย่านการวัดที่นำไปปรับเทียบ, ความเร็วในการตอบสนองจากอุปกรณ์การวัด ในการใช้งานกรณีกับถังที่เป็นสุญญากาศ ตัวอุปกรณ์การวัดต้องติดตั้งให้ต่ำกว่าจุดต่อกับถัง เพื่อป้องกันไอหรือฟองอากาศเข้าไปยังท่อที่ต่อไปยังอุปกรณ์
ข้อแนะนำในการติดตั้ง
อุปกรณ์การวัดกับไดอะแฟรมแบบหน้าเรียบ (Flush Mounted) หรือแบบหน้ายื่น (Extended) ต้องมีการติดตั้งวาล์วตัดต่อเพื่อให้สามารถถอดอุปกรณ์มาทำการซ่อมบำรุงได้ หรือสามารถแยกส่วนออกจากถัง ในกรณีที่ถังมีการซ่อมบำรุง
เมื่อพิจารณาเลือกใช้การควบคุมระยะไกลกับไดอะแฟรม ตัวอุปกรณ์ควรจะติดตั้งที่จุดกึ่งกลางของจุดต่อด้านต่ำหรือต่ำกว่า สิ่งที่สำคัญในการติดตั้งตัวอุปกรณ์จะต้องไม่ติดตั้งให้สูงกว่าจุดต่อด้านต่ำ เพราะจะเกิดสุญญากาศที่ตัวอุปกรณ์ และของเหลวที่บรรจุจะกลายเป็นไอ ซึ่งอาจทำให้เกิดความเสียหายกับตัวอุปกรณ์ได้ การเกิดเป็นไอนั้นจะขึ้นอยู่กับการเลือกใช้ของเหลวและความดันในกระบวนการ
การพิจารณาเลือกใช้การผนึกด้วยเคมีกับไดอะแฟรมจะมีดังนี้
• การใช้งานกับของเหลวที่สกปรกหรือของเหลวที่อาจจะมีการอุดตัน (Dirty Service)
• การใช้งานกับของเหลวที่มีการกัดกร่อน โดยใช้วัสดุที่ทนต่อการกัดกร่อนเคลือบด้านหน้าของไดอะแฟรม (Corrosive Service)
• การใช้งานกับของเหลวที่เย็นจัด (Freeze Protection)
• การใช้งานกันของเหลวที่มีสถานะที่ไม่แน่นอน (Uncertain Phase)
ข้อดีของอุปกรณ์การวัดความดันแตกต่าง
• อุปกรณ์มีราคาไม่แพง, สะดวกและติดตั้งง่าย, เหมาะกับการใช้งานหลายประเภทและง่ายต่อการตรวจสอบที่บริเวณใช้งาน
ข้อเสียของอุปกรณ์การวัดความดันแตกต่าง
• ไม่สามารถทราบระดับของเหลวที่แท้จริง ถ้าไม่มีการชดเชยการเปลี่ยนแปลงความถ่วงจำเพาะ การกลั่นตัว, การกลายเป็นไอ และการอุดตันในท่อที่ต่อไปยังอุปกรณ์ทำให้เกิดความผิดพลาดในการอ่านค่าได้
การกำหนดรายละเอียดจุดต่อบนถัง
การวัดระดับของเหลวในถังจะดูเหมือนว่าเป็นเรื่องไม่ยากในการนำไปใช้งาน ในทางปฏิบัติแล้วต้องใช้เวลาในการออกแบบพอสมควร ในการกำหนดรายละเอียดของอุปกรณ์วัดระดับ เมื่อเทียบกับการวัดตัวแปรอื่น ๆ เหตุผลก็เพราะว่าการติดตั้งอุปกรณ์วัดระดับ ให้มีการอ่านค่าระดับที่ถูกต้องมากที่สุด ต้องมีการร่วมมือจากหลายฝ่ายที่เกี่ยวข้องมาทำงานร่วมกัน
โดยเริ่มจากวิศกรกระบวนการ (Process Engineer) ต้องกำหนดฟังก์ชันการควบคุมพื้นฐานที่ต้องการ, วิศวกรเครื่องกล (Mechanical Engineer) ต้องมีการจัดเตรียมตำแหน่งจุดต่อบนถังให้เป็นไปตามข้อกำหนด หรือมาตรฐานต่าง ๆ, วิศวกรระบบท่อ (Piping Engineer) ต้องจัดเตรียมระบบท่อจากถังและการวางตำแหน่งต่าง ๆ เพื่อให้สามารถเข้าถึงอุปกรณ์ต่าง ๆ ได้, วิศวกรระบบเครื่องมือวัด (Instrument Engineer) ต้องจัดเตรียมอุปกรณ์เครื่องมือวัดให้เหมาะสมกับการใช้งาน
ในทางปฏิบัติแล้วงานดังกล่าวข้างต้นเป็นเรื่องไม่ยุ่งยากเลย นอกจากนั้นแล้วจะมีข้อเสียไม่มากทั้งด้านค่าใช้จ่ายและค่าความถูกต้องในการวัด ถ้าหากสามารถกำหนดให้ช่วงการวัดระดับของเหลวครอบคลุมตลอดทั้งความสูงของถัง ซึ่งการกระทำดังกล่าวไม่ต้องมีการคำนวณหาช่วงระยะการวัด (Measuring Span)
สำหรับถังแนวนอน (Horizontal Vessel) จุดต่อทางด้านบนควรจะเป็นแนวตั้งอยู่บนถัง ส่วนจุดต่อทางด้านล่างควรจะเป็นแนวนอน สูงขึ้นเล็กน้อยจากก้นถัง เป็นสิ่งจำเป็นในการป้องกันการสะสมของสิ่งสกปรกหรือตะกอนต่าง ๆ โดยจุดต่อทั้งสองไม่จำเป็นต้องอยู่ในระนาบเดียวกันหรือมีตำแหน่งที่ตรงกัน
สำหรับถังแนวตั้ง (Vertical Vessel) ต้องใช้เวลาในการพิจารณาเพิ่มมากขึ้น ในทางอุดมคติแล้วช่วงการวัดเต็มช่วงตลอดถังเป็นไปได้ยาก เนื่องจากภายในถังจะมีชั้น (Trays) หรือชิ้นส่วนภายในอื่น ๆ (Internal Part) ซึ่งทำให้เกิดมีความดันแตกต่างเมื่อมีการไหลผ่านส่วนต่าง ๆ เหล่านั้น นอกจากนั้นแล้วสิ่งที่สำคัญนั้นจุดต่อสำหรับใช้วัดระดับจะต้องไม่ตรงกับรอยเชื่อมของถัง อาจทำให้เกิดปัญหา เมื่อต้องการจุดสัญญาณที่มีค่าใกล้กับส่วนบนและส่วนล่างของถัง
การออกแบบและกำหนดรายละเอียดของอุปกรณ์วัดระดับบนถังจะมีพื้นฐานมาจากความต้องการบนแผนภาพกระบวนการผลิต หลักการทั่วไปของการกำหนดจุดเตือนของระดับความสูงจะต้องกำหนดให้ไม่ต่ำกว่า 10% และไม่สูงกว่า 90% ของช่วงการวัด
สิ่งแรกที่ต้องพิจารณาในการวัดระดับ จะเริ่มจากจุดอ้างอิง หรือ เส้นสัมผัสวง (Tangent Line), รอยต่ออื่น ๆ ทั่วไปแล้วจุดต่อด้านล่างบนถังของอุปกรณ์วัดระดับจะต้องห่างจากรอยเชื่อมอย่างน้อย 150 มิลลิเมตร และขนาดของรอยเชื่อมจะมีขนาดความกว้างประมาณ 50 มิลลิเมตร
ในการติดตั้งอุปกรณ์วัดระดับความสูงของเหลวด้วยอุปกรณ์วัดความดันแตกต่างจะต้องมีการติดตั้งเกจวัดระดับของเหลว (Level Gauge) โดยต้องติดตั้งให้ย่านการมองเห็น (Visible Range) ของเกจวัดระดับ ครอบคลุมช่วงการวัดของอุปกรณ์วัดความดันแตกต่าง เพื่อความสะดวกในการปรับเทียบอุปกรณ์วัดความดันแตกต่างที่บริเวณใช้งาน
โดยให้จุดต่อทางด้านบนและด้านล่างของอุปกรณ์วัดระดับต้องอยู่ในย่านการมองเห็นของเกจวัดระดับ เป็นสิ่งจำเป็นมากในการติดตั้งในลักษณะนี้ เนื่องจากจะมีความยากในการปรับเทียบอุปกรณ์วัดความดันแตกต่าง ถ้าย่านการวัดไม่อยู่บนย่านการมองเห็นของเกจวัดระดับ
การวัดระดับของเหลวเชื่อมต่อกัน (Liquid Interface)
การวัดระดับของเหลวแบบนี้ ส่วนมากจะใช้ในการวัดระดับของเหลวสองชนิดเชื่อมต่อกันที่เป็นน้ำกับน้ำมันดังแสดงในรูปที่ 2
รูปที่ 2 ถังแยกน้ำกับน้ำมัน
รูปที่ 2 แสดงตัวอย่างถังแยกระหว่างน้ำกับน้ำมัน โดยถังในลักษณะนี้จะมีจุดประสงค์ในการใช้งาน 3 แบบคือ ใช้แยกก๊าซกับของเหลว, ใช้เป็นถัง Buffer และใช้แยกของเหลวสองชนิดออกจากกัน ของไหลทั้งสามชนิดจะถูกระบบควบคุมแยกควบคุมโดยอิสระ การวัดระดับของเหลวที่เชื่อมต่อกัน มีพื้นฐานการใช้งาน 2 ลักษณะดังนี้
แบบแรก การวัดระดับของเหลวตรงระดับที่เชื่อมต่อกันกับจุดอ้างอิง อุปกรณ์การวัดที่ใช้จะเป็น อัตราโซนิก กับ เรดาร์ การใช้อุปกรณ์เหล่านี้จะเป็นทางอุดมคติ และไม่เหมาะกับถังที่มีความดัน อุปกรณ์การวัดเหล่านี้สามารถวัดค่าระดับความสูงบนสุดตรงระดับของเหลวที่เชื่อมต่อกัน การใช้งานในลักษณะนี้อาจเกิดความผิดพลาดในการวัดระดับถ้ามีฟองอยู่ด้านบนของเหลว
แบบที่สอง เป็นวิธีการใช้งานกันอยู่ทั่วไป ดังเช่น การวัดความหนาแน่น, การวัดไดอิเล็กตริกที่มีค่าคงที่ตลอดช่วงการวัด นอกจากนั้นยังสามารถใช้อุปกรณ์การวัดประเภท Displacer, ความดันแตกต่าง, Bubble Tube, Nuclear, Capacitance และเกจวัดระดับ การอ่านค่าระดับด้วยอุปกรณ์การวัดเหล่านี้จะสามารถอ่านค่าระดับของเหลวตรงบริเวณที่ของเหลวทั้งสองเชื่อมต่อกัน
สำหรับเกจวัดระดับความสูงของเหลวที่เชื่อมต่อกัน จุดต่อด้านล่างจะต้องอยู่ที่จุดต่ำสุดของ ๆ เหลวทั้งสอง และจุดต่อด้านบนจะต้องอยู่ระหว่างของเหลวชั้นบน บริเวณที่ไม่มีการเปลี่ยนสถานะ ดังแสดงในรูปที่ 3
รูปที่ 3 เกจวัดระดับความสูงของเหลวที่เชื่อมต่อกัน
จากรูปที่ 3 เป็นการแสดงการติดตั้งเกจวัดระดับความสูง ในการวัดระดับของเหลวสองชนิด ด้านบนสุดเป็นก๊าซ ส่วนด้านล่างเป็นของเหลวสองชนิด ถ้าของเหลวด้านบนเพิ่มขึ้นจะไหลเข้าไปยังเกจวัดระดับ ถ้าของเหลวทั้งสองชนิดเพิ่มขึ้นของเหลวด้านล่างจะเริ่มเข้าไปด้านล่างของเกจวัดระดับ ดังแสดงในรูป 1 ในจุดนี้เกจวัดระดับยังคงอ่านค่าระดับความสูงของเหลวด้านบนได้อย่างถูกต้อง
เมื่อของเหลวด้านล่างเพิ่มขึ้นและเริ่มไหลเข้าไปยังเกจวัดระดับ ของเหลวด้านบนในตัวเกจวัดระดับจะถูกตัดและจะลอยอยู่บนของเหลวด้านล่าง ทำให้ระดับของเหลวด้านบนในเกจวัดระดับจะไม่มีความสัมพันธ์กับระดับของเหลวด้านบนในถัง ดังแสดงในรูป 2 ความสัมพันธ์ของเหลวในถังกับในเกจวัดระดับจะมีความดันที่เท่ากัน เกจวัดระดับจะเหมือนกับ Manometer ทำให้เกจวัดระดับอ่านค่าของเหลวในถังไม่ถูกต้อง
ถ้าของเหลวด้านบนมีความสูงเพิ่มขึ้นถึงจุดต่อด้านบน ของเหลวด้านบนจะไหลเข้าไปยังเกจวัดระดับและของเหลวทั้งสองในเกจวัดระดับจะปรับตัวให้มีระดับความสูงเช่นเดียวกับความสูงของเหลวในถัง ดังแสดงในรูป 3 ทำให้เกจวัดระดับสามารถอ่านค่าระดับของเหลวทั้งสองได้อย่างถูกต้องอีกครั้ง และจะถูกต้องต่อไปเมื่อจุดต่อด้านล่างต่ออยู่กับของเหลวด้านล่างและของเหลวด้านบนต่ออยู่กับจุดต่อด้านบน แต่ถ้าของเหลวทั้งสองลดลงทำให้จุดต่อด้านบนมีก๊าซเข้าไปในเกจวัดระดับ ก็จะทำให้ค่าระดับของเหลวที่แสดงบนเกจวัดระดับอ่านค่าไม่ถูกต้องอีกครั้งหนึ่ง
การวิเคราะห์ดังกล่าวข้างต้นสามารถนำไปใช้กับการวัดระดับด้วยวิธีอื่น ๆ การวัดระดับด้วยความหนาแน่น หรือ วัดระดับด้วยความดันแตกต่าง จะสามารถอ่านค่าได้เพียงค่าเดียวเป็นความดันแตกต่าง ถ้ามีของเหลวสองชนิดอยู่ในย่านการวัดของอุปกรณ์ ค่าระดับที่อ่านได้จะเป็นค่าระดับที่ได้จากค่าเฉลี่ยของความหนาแน่นของเหลวทั้งสอง รวมไปถึง Capacitance และ Nuclear ก็จะได้ผลเช่นเดียวกัน โดยอยู่บนพื้นฐานค่าเฉลี่ยไดอิเล็กตริกและค่าเฉลี่ย Nuclear Absorption
ดังนั้นถ้าค่าระดับความสูงของเหลวที่อ่านได้จากเกจวัดระดับไม่สามารถเชื่อถือได้ จะต้องต่อเกจวัดระดับตลอดความสูงถัง ในทางปฏิบัติไม่สามารถทำได้ ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็นดังในรูป 2 ดังนั้นแต่ละส่วนของเกจวัดระดับจะต้องมีจุดต่อไปยังถังหลาย ๆ จุดแยกกันออกไป ถ้าไม่ได้มีการเชื่อมต่อของเหลวอยู่ในตัวเกจกับในถัง จะต้องยอมรับในความจริงที่ว่าเมื่อของเหลวมีระดับลดลงต่ำกว่าปกติอุปกรณ์ก็จะอ่านค่าไม่ถูกต้อง
ตัวอย่างการกำหนดรายละเอียดอุปกรณ์วัดระดับ
ต่อไปจะแสดงรายละเอียดการกำหนดรายละเอียดการกำหนดรายละเอียดของอุปกรณ์การวัดระดับและการเชื่อมต่อกับถังตามความต้องการจากแผนภาพกระบวนการผลิตดังแสดงในรูปที่ 4
รูปที่ 4 แผนภาพกระบวนการผลิต
จากแผนภาพกระบวนการผลิต เมื่อต้องการกำหนดรายละเอียดของอุปกรณ์วัดระดับ ต้องมีการกำหนดตามความต้องการของวิศวกรกระบวนการผลิตโดยมีข้อกำหนดของความต้องการสำหรับควบคุมกระบวนการผลิตจะเป็น ดังแสดงในรูปที่ 5
รูปที่ 5 ความต้องการควบคุมระดับของเหลวในถัง
จากรายละเอียดจากรูปที่ 5 มีความต้องการควบคุมระดับความสูงของเหลวในถังให้มีจุดสัญญาณเตือนสูง (High Alarm Level: HAL) ไม่เกิน 875 mm และ มีความต้องการควบคุมระดับความสูงของเหลวในถังให้มีจุดสัญญาณเตือนต่ำ (Low Alarm Level: LAL) ไม่ต่ำกว่า 275 mm
ดังนั้นในการกำหนดช่วงการวัดต้องให้มีค่าจุดสัญญาณเตือนอยู่ไม่เกิน 90% สำหรับสัญญาณเตือนสูง (High Alarm) และ ไม่ต่ำกว่า 10% สำหรับสัญญาณเตือนต่ำ (Low Alarm) จากข้อมูลความต้องการจะได้ระยะความสูงระหว่างจุดเตือนทั้งสอง = 875 – 275 = 600 mm และสามารถหาช่วงการวัดระดับ = 600 * 1.25 = 750 mm เพื่อให้จุดสัญญาณเตือนอยู่ในค่าที่ต้องการ
ต่อไปจะทำการกำหนดระยะของจุดต่อทั้งด้านบนและด้านล่างของอุปกรณ์วัดระดับ สำหรับจุดด้านล่างกับถังนั้นจะมีข้อกำหนดให้มีระยะห่างจากรอยเชื่อมอย่างน้อย 150 mm และรอยเชื่อมจะมีขนาดประมาณ 50 mm ซึ่งรอยเชื่อมส่วนใหญ่จะอยู่บริเวณจุดอ้างอิง (Reference Elevation) หรือบริเวณเส้นสัมผัสวง (Tangent Line)
ดังนั้นระยะจุดต่อด้านล่างของอุปกรณ์วัดระดับจะต้องมีระยะสูงจากเส้นสัมผัสวงอย่างน้อยประมาณ 200 mm (ซึ่งในบางครั้งอาจจะสามารถกำหนดให้มีค่าต่ำกว่านี้ได้ โดยต้องทำการปรึกษากับวิศวกรเครื่องกลที่เป็นผู้กำหนดรายละเอียดของถัง) เมื่อช่วงการวัดที่ต้องการ = 750 mm ดังนั้นระยะจุดต่อด้านบนจะอยู่ที่ระยะความสูง = 950 mm
จากนั้นจะมาทำการกำหนดระยะจุดต่อของเกจวัดระดับ สำหรับข้อกำหนดต้องมีย่านการมองเห็นของเกจวัดระดับให้ครอบคลุมช่วงการวัดของอุปกรณ์การวัดระดับเพื่อความสะดวกในการปรับเทียบ ดังนั้นย่านการมองเห็นของเกจวัดระดับต้องมีค่ามากกว่า 950 mm ซึ่งในเกจวัดระดับบางชนิดย่านการมองเห็นจะไม่เท่ากับระยะห่างของจุดต่อด้านบนและด้านล่าง (Center line to Center line: C to C) จึงต้องมีการกำหนดระยะจุดต่อของเกจวัดระดับด้านล่างให้ต่ำกว่าและด้านบนให้สูงกว่าจุดต่อของอุปกรณ์วัดระดับ
จะเห็นได้ว่าสำหรับจุดต่อด้านบนอาจไม่มีปัญหาใด ๆ ถ้าไม่ติดขัดกับชิ้นส่วนภายในของถัง แต่สำหรับจุดต่อด้านล่างแล้ว ถ้าต้องการระยะให้มีค่าต่ำกว่า 200 mm อาจจะมีปัญหากับรอยเชื่อมของจุดต่อกับรอยเชื่อมของถังดังได้กล่าวไปแล้วข้างต้น วิธีแก้สามารถทำได้หลายวิธี ดังเช่น ควรเลือกเกจวัดระดับชนิดที่สามารถกำหนดย่านการมองเห็นให้เริ่มตั้งแต่จุดต่อด้านล่าง หรือถ้าหลีกเลี่ยงไม่ได้ก็สามารถกำหนดให้จุดต่อด้านล่างให้ต่ำกว่าจุดอ้างอิงหรือออกมาจากก้นถัง
เมื่อได้ข้อสรุปความต้องการทั้งหมดแล้ว วิศวกรระบบเครื่องมือวัดต้องทำการวาดรายละเอียดของถังที่ได้ออกแบบมาทั้งหมดข้างต้นลงบนเอกสารรายละเอียดจุดต่อเครื่องมือวัดบนถัง (Instrument Vessel Sketch) และต้องมีการตรวจสอบความต้องการของขนาด (Size) และอัตราการทนความดัน (Pressure Rating) ของจุดต่อบนถังตามมาตรฐานที่ใช้อ้างอิงในการออกแบบ เพื่อใช้สำหรับอ้างอิงกับส่วนอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องและนำไปใช้สำหรับการคำนวณหาย่านในการปรับเทียบอุปกรณ์วัดระดับ ดังสามารถแสดงตัวอย่างได้ดังรูปที่ 6
รูปที่ 6 Instrument Vessel sketch
เมื่อได้กำหนดรายละเอียดและระยะต่าง ๆ เสร็จเรียบร้อยแล้ว จะต้องมีการคำนวณหาย่านการวัดที่สำหรับใช้ในการปรับเทียบอุปกรณ์วัดระดับที่เป็นชนิดวัดความดันแตกต่าง เมื่อกำหนดให้ความถ่วงจำเพาะของเหลวที่บรรจุในท่อ (SGS) ทั้งสองด้าน = 1 และความถ่วงจำเพาะของเหลวในถัง = 0.8 ดังนั้นช่วงการวัดและย่านการวัดจะได้ดังนี้
ช่วงการวัด (Span) = 0 to [(h * SGL)]
= 0 to [(750 * 0.8]
= 0 to 600 mm H2O
และ ย่านการวัด (Range) = – (h * SGS) to (h * SGL) – (h * SGS)
= - (750 * 1) to (750 * 0.8) – (750 * 1)
= -750 mm H2O to –150 mm H2O
ค่าความดันแตกต่างที่ใช้ในการปรับเทียบให้อุปกรณ์จะเป็นดังนี้
• ย่านการวัดใช้งาน (Calibrated Range) = -750 ถึง -150 mm H2O
• ช่วงการวัดใช้งาน (Calibrated Span) = 0 to 600 mm H2O
สามารถแสดงรายละเอียดระยะต่าง ๆ ที่ใช้ในการคำนวณ ในรูปที่ 7
รูปที่ 7 รายละเอียดในการคำนวณ
จากนั้นจะทำการพิจารณาตัวแปรอื่น ๆ ที่จำเป็นในการกำหนดรายละเอียดให้กับอุปกรณ์วัดความดันแตกต่าง ตัวแปรเหล่านี้จะเป็นไปตามข้อกำหนดของมาตรฐานระบบเครื่องมือวัดในโครงการที่จะนำไปใช้งาน (Instrument Project Specification) โดยมีตัวแปรต่าง ๆ ที่ต้องจัดเตรียมเป็นดังนี้
• ระบบป้องกันการเกิดประกายไฟในพื้นที่อันตรายสำหรับอุปกรณ์เครื่องมือวัด
• สัญญาณเอาต์พุตจากอุปกรณ์ไปยังระบบควบคุมพื้นฐานเป็นแบบใด อาจจะใช้เป็น 4-20 mA 24VDC Loop powered with HART หรือ ใช้เป็นแบบ Foundation FieldBus
• ค่าความถูกต้องของสัญญาณ (Accuracy)
• ขนาดรูสำหรับต่อสายไฟ (Electrical Connection Size)
• ขนาดรูสำหรับต่อกับกระบวนการ (Process Connection Size)
• ต้องการตัวแสดงผลที่ตัวอุปกรณ์หรือไม่ (Local Indication)
• วัสดุภายในของอุปกรณ์เป็นชนิดใด (Wetted Part Material)
• อุปกรณ์อื่น ๆ ที่ต้องการเช่น Bracket, Manifold Valve หรือ Diaphragm Seal
เมื่อได้ข้อมูลความต้องการทั้งหมดแล้ว จากนั้นจะนำข้อมูลทั้งหมดไปใส่ในฟอร์มรายละเอียดมาตรฐานของอุปกรณ์วัดความดันแตกต่างเพื่อใช้เก็บบันทึกและใช้ในการจัดส่งให้กับผู้จัดจำหน่ายต่อไป
รายละเอียดที่แสดงไปแล้วทั้งหมดข้างต้นสามารถใช้เป็นแนวทางในการเลือกใช้และกำหนดรายละเอียดอุปกรณ์เครื่องมือวัดระดับของเหลวในถัง และตัวแปรที่มีความจำเป็นในการพิจารณาเลือกใช้อุปกรณ์วัดระดับ สำหรับผู้สนใจหรือผู้ที่ต้องการจัดหาอุปกรณ์เพิ่มเติมให้กับระบบควบคุมและกระบวนการผลิตได้อย่างเหมาะสม
เอกสารอ้างอิง
• W. C. Driedger, ”Controlling Vessels and Tanks”, Hydrocarbon Processing, March 2000.
สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.
ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด
Thailandindustrycom_official
