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변위 및 변위 레벨 계측

변위 및 변위 레벨 계측

27-02-2026

변위 및 변위 레벨 계측

불쾌 레벨 계측기는 활용합니다 아르키메데스의 원리 물체의 무게를 지속적으로 측정하여 액체 레벨을 감지하는 것(이를 무게추라고 함) 불쾌변위체는 공정 액체에 잠겨 있습니다. 액체 수위가 상승함에 따라 변위체는 더 큰 부력을 받게 되어 감지 장비에 더 가볍게 인식됩니다. 감지 장비는 무게 감소를 수위 상승으로 해석하고 비례하는 출력 신호를 전송합니다.

불쾌 수평계

실제로 변위식 레벨계는 일반적으로 다음과 같은 형태를 취합니다. 그림의 단순화를 위해 용기 안팎의 공정 배관은 생략되었으며, 용기와 변위식 레벨계만 표시되어 있습니다.

Displacer level instruments

불쾌 수평계일반적으로 이 장치는 밀폐된 금속 튜브로, 공정 액체에 뜨지 않도록 충분한 무게를 가지고 있습니다. 이 장치는 "케이지"라고 불리는 파이프 내부에 매달려 있으며, 이 케이지는 두 개의 차단 밸브와 노즐을 통해 공정 용기에 연결되어 있습니다. 이 두 파이프 연결부는 마치 수위계처럼 케이지 내부의 액체 수위가 공정 용기 내부의 액체 수위와 일치하도록 합니다.

공정 용기 내부의 액체 수위가 상승하면 케이지 내부의 액체 수위도 그에 맞춰 상승합니다. 이렇게 되면 디스플레이서의 부피가 더 많이 잠기게 되어 디스플레이서에 위쪽으로 부력이 작용하게 됩니다. 디스플레이서는 너무 무거워서 물에 뜨지 않으므로 액체 표면에 "둥둥 떠다니는" 것도 아니고 액체 수위와 같은 양만큼 상승하는 것도 아닙니다. 오히려 케이지 내부에 고정되어 부력이 증가함에 따라 "가벼워지는" 상태가 됩니다. 무게 감지 메커니즘은 디스플레이서가 가벼워지는 것을 감지하여 이 부력을 얻고, 감소된 (겉보기) 무게를 액체 수위의 상승으로 해석합니다. 디스플레이서의 겉보기 무게는 공정 액체가 케이지 내부의 100%를 채워 완전히 잠겼을 때 최소가 됩니다.

참고로, 용기 내부의 정압은 변위식 계측기의 정확도에 미미한 영향을 미칩니다. 중요한 요소는 공정 유체의 밀도뿐인데, 이는 부력이 유체 밀도에 정비례하기 때문입니다. $에프 = 기음 ~ 안에$ ).

다음 사진은 응축수 수위를 측정하는 어부 "수준-트롤" 모델 공압 트랜스미터를 보여줍니다. 녹아웃 드럼 천연가스용입니다. 계측기 자체는 사진 오른쪽에 있으며, 회색 "헤드" 위에 두 개의 공압 압력계가 보입니다. 변위 "케이지"는 헤드 유닛 바로 뒤쪽 아래에 있는 수직 파이프입니다. 녹아웃 챔버(또는)의 왼쪽에는 시창식 레벨 게이지가 있습니다. 응축수 부트공정 용기 내부의 응축수 수위를 시각적으로 확인하기 위한 용도:

Displacer level instruments

이 특정 변위 계측기의 목적은 "부트" 내부에 모인 응축수 양을 측정하는 것입니다. 이 어부 수준-트롤 모델은 공기압 신호를 배수 밸브로 보내 부트에서 응축수를 자동으로 배출하는 공압 제어 장치를 갖추고 있습니다.

분해된 수준-트롤 변위계 계측기의 사진 두 장이 여기에 나와 있으며, 변위계가 케이지 파이프 내부에 어떻게 장착되는지 보여줍니다.

Displacer level instruments

케이지 파이프는 두 개의 차단 밸브를 통해 공정 용기에 연결되어 공정으로부터 격리됩니다. 배수 밸브를 통해 계측기 정비 및 영점 조정을 위해 케이지 내부의 공정액을 배출할 수 있습니다.

일부 변위식 레벨 센서는 케이지를 사용하지 않고 변위 소자를 공정 용기에 직접 매달아 사용하는 방식을 채택하고 있습니다. 이러한 센서를 "케이지리스" 센서라고 합니다. 케이지리스 센서는 케이지형 센서보다 구조가 간단하지만, 센서가 설치된 공정 용기의 압력을 낮추거나 (경우에 따라 용기를 비워야 할 수도 있음) 정비를 해야 합니다. 또한, 용기 내부의 액체가 교반될 경우, 즉 용기 안팎으로의 유속이 빠르거나, 공정 액체를 완전히 혼합하기 위해 용기에 설치된 모터 구동식 임펠러의 작동으로 인해 교반될 경우 측정 오차 및 노이즈가 발생할 수 있습니다.

전체 범위 교정은 케이지에 공정액(a)을 채워서 수행할 수 있습니다. 젖은 교정) 또는 변위체를 끈과 정밀 저울로 매달아 측정하는 방법(a) 마른 교정 과정에서 변위체를 정확한 양만큼 위로 당겨 액체 높이가 100%일 때의 부력을 시뮬레이션합니다.

Displacer level instruments

이 부력의 계산은 간단합니다. 아르키메데스 원리에 따르면 부력은 항상 유체가 밀어낸 부피의 무게와 같습니다. 최대 측정 범위에서 변위식 레벨 계측기의 경우, 일반적으로 변위체 전체가 액체에 잠겨 있습니다. 변위체의 부피(원통형인 경우)를 계산하기만 하면 됩니다. $~ 안에 = 피 {아르 자형}^{2} 엘$ , 어디 $아르 자형$ 는 원통의 반지름입니다. $엘$ (여기서 는 원통의 길이)이고, 그 부피에 무게 밀도를 곱합니다. $기음$ ):

${에프}_{비 ~에 그만큼 그리고 에이 N 티} = 기음 ~ 안에$

${에프}_{비 ~에 그만큼 그리고 에이 N 티} = 기음 피 {아르 자형}^{2} 엘$

예를 들어, 공정 유체의 무게 밀도가 입방 피트당 57.3파운드이고 변위체가 직경 3인치, 길이 24인치의 원통형인 경우, 최대 부력 상태를 모사하는 데 필요한 힘은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

$기음 = (\frac{57.3파운드}{{피트}^{3}}) (\frac{{1피트}^{3}}{12^{3} {~에}^{3}}) = 0.0332 \frac{파운드}{{~에}^{3}}$

$~ 안에 = 피 {아르 자형}^{2} 엘 = 피 (1.5 ~에)^{2} (24 ~에) = 169.6 {~에}^{3}$

${에프}_{비 ~에 그만큼 그리고 에이 N 티} = 기음 ~ 안에 = (0.0332 \frac{파운드}{{~에}^{3}}) (169.6 {~에}^{3}) = 5.63 파운드$

단위의 일관성을 유지하는 것이 얼마나 중요한지 주목하세요! 액체의 밀도는 파운드/세제곱미터 단위로 주어졌습니다. 발 그리고 변위 장치의 치수는 다음과 같습니다. 신장피트와 인치 사이의 변환이 없었다면 심각한 문제가 발생했을 것입니다. 제 예시에서는 밀도를 파운드/입방인치 단위로 변환했지만, 변위체의 치수를 피트로 변환하여 변위체의 부피를 입방피트 단위로 구할 수도 있었습니다.

습식 교정에서는 5.63파운드의 부력이 액체 자체에 의해 발생하며, 기술자는 케이지 내부에 100% 수위 조건을 시뮬레이션할 수 있을 만큼 충분한 액체가 있는지 확인합니다. 건식 교정에서는 부력이 휴대용 저울과 줄을 사용하여 변위계에 위쪽으로 가해지는 장력에 의해 시뮬레이션됩니다. 기술자는 5.63파운드의 힘으로 변위계를 위쪽으로 당겨 기기가 100% 액체 수위를 감지한다고 "인식"하도록 만듭니다. 실제로는 변위계가 완전히 건조한 상태로 공중에 매달려 있는 것입니다.

토크 튜브 불쾌 수평계

변위식 레벨 트랜스미터의 흥미로운 설계 문제는 변위체의 감지된 무게를 트랜스미터 메커니즘으로 전달하는 동시에 공정 증기압이 해당 메커니즘으로 유입되지 않도록 확실하게 밀봉하는 방법입니다. 이 문제에 대한 가장 일반적인 해결책은 독창적인 메커니즘인 를 사용하는 것입니다. 토크 튜브하지만 안타깝게도 토크 튜브는 직접 사용해 보지 않으면 이해하기가 상당히 어려울 수 있습니다. 따라서 이 섹션에서는 일반적인 참고 설명서에서 제공하는 것보다 더 자세하게 토크 튜브의 개념을 살펴보겠습니다.

한쪽 끝에 플랜지가 있고 다른 쪽 끝에 수직 지렛대가 있는 단단하고 수평인 금속 막대를 상상해 보세요. 플랜지는 고정된 표면에 부착되어 있고, 지렛대 끝에는 추가 매달려 있습니다. 점선 원은 막대가 플랜지 중심에 용접된 부분을 나타냅니다.

Displacer level instruments

지렛대에 작용하는 무게의 하향력은 막대에 비틀림력(토크)을 발생시켜 막대가 길이 방향으로 약간 비틀어지게 합니다. 지렛대 끝에 매달린 무게가 클수록 막대는 더 많이 비틀립니다. 무게와 지렛대가 가하는 토크가 막대의 탄성 한계를 넘지 않는 한, 막대는 계속해서 용수철처럼 작용합니다. 막대의 "용수철 상수"를 알고 비틀림 변형량을 측정하면, 이 미세한 움직임을 이용하여 지렛대 끝에 매달린 무게의 크기를 측정할 수 있습니다.

변위식 수평계에서 변위체는 레버 끝의 추를 대신하며, 이 막대의 비틀림 변형이 부력을 나타냅니다. 액체가 상승하면 변위체에 작용하는 부력이 증가하여 막대의 관점에서 변위체가 더 가벼워 보이는 효과를 냅니다. 이러한 겉보기 무게 변화로 인한 막대의 미세한 움직임이 액체의 수평을 나타냅니다.

이제 막대를 세로로 길게 뚫어서 지렛대가 연결되는 끝부분까지 거의 닿게 한다고 상상해 보세요. 다시 말해, 막힌 구멍 막대의 중앙을 관통하여 플랜지에서 시작하여 레버 바로 앞에서 끝나는 부분:

Displacer level instruments

이 긴 구멍의 존재는 막대의 스프링 상수를 약간 변경하는 것을 제외하고는 조립체의 동작에 큰 변화를 주지 않습니다. 단단한 금속 부분이 적을수록 막대는 더 약한 스프링이 되어 레버 끝에 무게가 가해지면 더 크게 비틀어집니다. 하지만 이 논의의 목적상 더 중요한 것은 이 긴 구멍이 막대를 변형시킨다는 점입니다. 튜브 끝부분이 밀봉되어 있습니다. 이제는 "비틀림 막대" 대신 더 정확하게는 다음과 같이 부릅니다. 토크 튜브지렛대 끝에 무게를 가하면 아주 살짝 비틀어집니다.

토크 튜브가 하중을 받아 아래로 처지지 않도록 수직으로 지지하기 위해, 지지대가 필요합니다. 나이프엣지 베어링 지렛대가 토크 튜브에 연결되는 끝부분 아래쪽에 종종 받침점이 놓입니다. 이 받침점의 목적은 무게를 수직으로 지지하는 동시에 마찰이 거의 없는 회전축을 형성하여 토크 튜브에 가해지는 응력이 수직 방향으로만 작용하도록 하는 것입니다. 토크 레버에서:

Displacer level instruments

마지막으로, 막힌 구멍의 반대쪽 끝에 플랜지 끝부분보다 약간 작은 직경의 단단한 금속 막대가 점 용접되어 있다고 상상해 보세요.

Displacer level instruments

이 직경이 더 작은 막대의 목적은 토크 튜브 끝단의 비틀림 운동을 플랜지 너머 감지 가능한 지점으로 전달하는 것입니다. 플랜지가 수직 벽에 고정되어 있고, 가변적인 무게가 레버 끝을 아래쪽으로 당긴다고 상상해 보세요. 토크 튜브는 가변적인 힘에 따라 비틀림 운동을 하며 휘어지는데, 이제 벽 가까이에 있는 작은 막대의 회전을 관찰함으로써 비틀림의 정도를 정확히 알 수 있습니다. 무게와 레버는 벽에 가려져 보이지 않을 수 있지만, 작은 막대의 비틀림 운동을 통해 토크 튜브가 무게에 얼마나 반응하는지 알 수 있습니다.

이 토크 튜브 메커니즘은 무게추 대신 변위체를 사용하고, 플랜지를 용기에 용접된 노즐에 부착하고, 회전을 측정하기 위해 작은 막대 끝에 동작 감지 장치를 정렬함으로써 가압 용기 내 액체 레벨 측정에 적용할 수 있습니다. 액체 레벨이 오르내리면 변위체의 겉보기 무게가 변하여 토크 튜브가 미세하게 비틀어집니다. 이 미세한 비틀림 운동은 공정 유체 압력과 격리된 환경에서 작은 막대 끝 부분에서 감지됩니다.

피셔 "레벨-트롤" 레벨 트랜스미터의 실제 토크 튜브를 촬영한 사진으로, 그 외관을 보여줍니다.

Displacer level instruments

어두운 색의 금속 부분은 비틀림 스프링처럼 작용하여 무게를 지탱하는 탄성 강철이고, 광택이 나는 부분은 동력을 전달하는 내부 막대입니다. 보시다시피, 토크 튜브 자체의 직경은 그다지 넓지 않습니다. 만약 직경이 넓다면, 변위식 레벨계에서 실용적으로 사용하기에는 스프링의 강성이 너무 클 것입니다. 변위체는 일반적으로 그다지 무겁지 않고, 레버도 길지 않기 때문입니다.

토크 튜브의 양쪽 끝을 자세히 살펴보면, 왼쪽에는 지름이 작은 막대가 튀어나온 열린 끝부분이 있고, 오른쪽에는 레버에 연결되는 막힌 끝부분이 있습니다.

Displacer level instruments

토크 튜브 어셈블리를 세로로 반으로 자르면 단면은 다음과 같습니다.

Displacer level instruments

다음 그림은 전체 변위식 레벨 트랜스미터의 일부인 토크 튜브를 보여줍니다.

Displacer level instruments

이 그림에서 볼 수 있듯이 토크 튜브는 변위형 레벨 측정 애플리케이션에 적용될 때 세 가지 뚜렷한 목적을 수행합니다. (1) 변위체의 무게를 지탱하는 비틀림 스프링 역할을 하고, (2) 공정 유체 압력이 위치 감지 메커니즘에 닿지 않도록 밀봉하고, (3) 토크 튜브의 먼 끝에서 감지 메커니즘으로 운동을 전달합니다.

공압식 레벨 트랜스미터에서 토크 튜브의 회전 운동을 공압(공기압) 신호로 변환하는 데 사용되는 감지 메커니즘은 일반적으로 다음과 같습니다. 동작 균형 설계 측면에서 보면, 예를 들어 피셔 레벨-트롤(어부 수준-트롤) 메커니즘은 끝에 노즐이 달린 C자형 부르동관이 작은 막대에 부착된 배플을 따라 움직이는 방식을 사용합니다. 부르동관의 중심은 토크 튜브의 중심과 정렬됩니다. 막대가 회전함에 따라 배플이 부르동관 끝의 노즐 쪽으로 이동하면서 배압이 상승하고, 이로 인해 부르동관이 휘어집니다. 이 휘어짐은 노즐을 이동하는 배플에서 멀어지게 하여 평형 상태를 유지합니다. 따라서 막대의 움직임은 부르동관의 움직임에 의해 균형을 이루므로, 이는 동작 평형 공압 시스템이라고 할 수 있습니다.

Displacer level instruments

변위 인터페이스 레벨 측정

변위식 레벨 측정기는 정수압 측정기와 마찬가지로 액체-액체 계면을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 중요한 요구 사항 중 하나는 변위체가 항상 완전히 잠겨 있어야 한다는 것입니다. 이 규칙을 위반하면 측정기가 낮은 (전체) 액체 레벨과 낮은 계면 레벨을 구분할 수 없게 됩니다. 이 기준은 액체-액체 계면 레벨을 측정하기 위해 보상형 다리 차압 측정기를 사용하는 것과 유사합니다. 즉, 측정기가 계면 레벨 변화에만 반응하고 전체 액체 레벨 변화에 속지 않으려면 두 공정 연결 지점 모두 잠겨 있어야 합니다.

변위식 계측기에 자체 "케이지"가 있는 경우, 케이지와 공정 용기를 연결하는 두 개의 파이프(때때로 "노즐"이라고도 함)가 모두 물에 잠겨 있어야 합니다. 이렇게 하면 케이지 내부의 액체 계면이 용기 내부의 계면과 일치하게 됩니다. 상부 노즐이 마르면 케이지형 변위식 계측기에서도 "시창식" 레벨 게이지와 동일한 문제가 발생할 수 있습니다(섹션 참조). [인터페이스 문제] (이 문제에 대한 자세한 설명은 해당 페이지부터 시작합니다.)

두 가지 액체가 혼합된 경우 변위 요소에 작용하는 부력을 계산하는 것은 생각만큼 어렵지 않습니다. 아르키메데스 원리는 여전히 유효합니다. 즉, 부력은 변위된 액체의 무게와 같습니다. 부력을 계산하려면 변위된 액체의 무게와 부피를 합산하면 됩니다. 단일 액체의 경우 부력은 해당 액체의 무게 밀도와 같습니다. $기음$ ) 변위된 부피를 곱한 값 ( $~ 안에$ ):

${에프}_{비 ~에 그만큼 그리고 에이 N 티} = 기음 ~ 안에$

두 액체가 접촉하는 계면에서 부력은 두 액체가 밀어낸 무게의 합과 같으며, 각 액체 무게 항은 해당 액체의 밀도에 밀어낸 액체의 부피를 곱한 값과 같습니다.

${에프}_{비 ~에 그만큼 그리고 에이 N 티} = {기음}_{1} {~ 안에}_{1} + {기음}_{2} {~ 안에}_{2}$

변위체의 단면적이 전체 길이에 걸쳐 일정하다고 가정하면, 각 액체의 변위량은 단순히 동일한 면적과 같습니다. $피 {아르 자형}^{2}$ ) 액체에 잠긴 변위체의 길이를 곱한 값:

Displacer level instruments

${에프}_{비 ~에 그만큼 그리고 에이 N 티} = {기음}_{1} 피 {아르 자형}^{2} 엘_{1} + {기음}_{2} 피 {아르 자형}^{2} 엘_{2}$

해당 지역이 ( $피 {아르 자형}^{2}$ 이 방정식의 두 부력 항 모두에 공통으로 존재하는 항이므로, 편의상 이를 인수분해할 수 있습니다.

${에프}_{비 ~에 그만큼 그리고 에이 N 티} = 피 {아르 자형}^{2} ({기음}_{1} 엘_{1} + {기음}_{2} 엘_{2})$

계면 측정에 사용되는 변위식 수평계의 교정점을 결정하는 것은 정수압 계면 수평 측정에서 했던 것처럼 LRV(하한 범위 값)와 URV(상한 범위 값) 조건을 두 가지 "사고 실험"으로 살펴보면 비교적 쉽습니다. 먼저 계면이 하한 범위 값에 있을 때 변위계의 상태가 어떻게 될지 상상해 보고, 그 다음 계면이 상한 범위 값에 있을 때의 다른 상황을 상상해 봅니다. 이해를 돕기 위해 각 시나리오를 그림으로 그려보는 것이 좋습니다.

비중이 각각 0.850과 1.10인 두 액체의 계면 높이를 측정하는 변위계가 있다고 가정해 보겠습니다. 변위계의 길이는 30인치이고 직경은 2.75인치(반지름 = 1.375인치)입니다. 이 경우, 경계면이 변위계의 바닥에 있는 것을 저상액(LRV)으로, 경계면이 변위계의 상단에 있는 것을 최상액(URV)으로 정의합니다. 변위계 길이의 양 끝에 LRV와 URV의 계면 높이를 설정하면 LRV와 URV 계산이 단순화됩니다. LRV는 변위계가 가벼운 액체에 완전히 잠긴 상태를, URV는 변위계가 무거운 액체에 완전히 잠긴 상태를 가정하기 때문입니다.

Displacer level instruments

LRV의 부력 계산:

${에프}_{비 ~에 그만큼 그리고 에이 N 티} (라틴 아메리카) = {기음}_{2} ~ 안에 = {기음}_{2} 피 {아르 자형}^{2} 엘$

URV의 부력 계산:

${에프}_{비 ~에 그만큼 그리고 에이 N 티} (URV) = {기음}_{1} ~ 안에 = {기음}_{1} 피 {아르 자형}^{2} 엘$

다음은 이 가상 사례에 대한 실제 계산 과정입니다.

${기음}_{1} = (62.4 \frac{파운드}{{피트}^{3}}) (1.10) = 68.6 \frac{파운드}{{피트}^{3}} = 0.0397 \frac{파운드}{{~에}^{3}}$

${기음}_{2} = (62.4 \frac{파운드}{{피트}^{3}}) (0.85) = 53.0 \frac{파운드}{{피트}^{3}} = 0.0307 \frac{파운드}{{~에}^{3}}$

${에프}_{비 ~에 그만큼 그리고 에이 N 티} (라틴 아메리카) = (0.0307 \frac{파운드}{{~에}^{3}}) 피 (1.375 ~에)^{2} (30 ~에) = 5.47 파운드$

${에프}_{비 ~에 그만큼 그리고 에이 N 티} (URV) = (0.0397 \frac{파운드}{{~에}^{3}}) 피 (1.375 ~에)^{2} (30 ~에) = 7.08 파운드$

LRV(0%)와 URV(100%) 사이의 모든 측정 백분율에 대한 부력은 보간법을 통해 계산할 수 있습니다.

인터페이스 레벨(인치)	부력(파운드)
0	5.47
7.5	5.87
15	6.27
22.5	6.68
30	7.08

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