طرق كشف مستوى الماء في غلايات البخار

تطبيق تحكمات المستوى والإنذارات، بالإضافة إلى نظرة عامة على طرق كشف المستوى المختلفة، بما في ذلك تحكمات العوائم ومجسات الموصلية وأجهزة السعة.

طرق كشف مستوى الماء في غلايات البخار

على غلاية رافعة للبخار هناك ثلاثة تطبيقات واضحة لأجهزة مراقبة المستوى:

تحكم المستوى - لضمان إضافة الكمية المناسبة من الماء إلى الغلاية في الوقت المناسب.
إنذار المياه المنخفضة - لتشغيل الغلاية بشكل آمن، يضمن إنذار المياه المنخفضة أن احتراق الوقود لا يستمر إذا انخفض مستوى الماء في الغلاية إلى مستوى مُحدد مسبقًا أو دونه. لغلايات البخار المُتحكَّم بها تلقائيًا، تشترط المعايير الوطنية عادةً إنذارين منخفضين مستقلين لضمان السلامة. في المملكة المتحدة، الإنذار الأدنى من الاثنين سيُوقف المشعل (‘قفل’)، ويُطلب ضبط يدوي لإعادة الغلاية إلى الخدمة.
إنذار المياه المرتفعة - يُشغَّل الإنذار إذا ارتفع مستوى الماء كثيرًا، مُبلِّغًا مُشغِّل الغلاية بإيقاف إمدادات المغذية. على الرغم من عدم إلزامه عادةً، استخدام إنذارات المستوى العالي حكيم لأنها تُقلل من فرصة انتقال الماء والمطرقة المائية في نظام توزيع البخار. طرق كشف المستوى التلقائي الأقسام التالية ضمن هذه الوحدة تُناقش الأنواع الرئيسية من أجهزة كشف المستوى المناسبة لغلايات البخار. الأساس الكهربائي يمكن مقارنة طريقة تدفق الكهرباء بالسائل. يتدفق السائل عبر أنبوب بطريقة مماثلة لتدفق الكهرباء عبر مُوصِّل (انظر الشكل 3.16.2). المُوصِّل هو مادة، مثل سلك معدني، تسمح بالتدفق الحر للتيار الكهربائي. (عكس المُوصِّل هو العازل الذي يقاوم تدفق الكهرباء، مثل الزجاج أو البلاستيك). التيار الكهربائي هو تدفق ‘شحنة’ كهربائية، يحملها جزيئات صغيرة تُسمى إلكترونات أو أيونات. تُقاس الشحنة بالكولوم. 6.24 x 10^18 إلكترون معًا لديهم شحنة كولوم واحد، الذي من حيث وحدات النظام الأساسي يُعادل أمبير ثانية واحدة. عندما تتحرك الإلكترونات أو الأيونات، يُقاس تدفق الكهرباء بالكولوم في الثانية بدلاً من الإلكترونات أو الأيونات في الثانية. ومع ذلك، يُعطى مصطلح ‘أمبير’ (أو A) للوحدة التي يُقاس بها التيار الكهربائي.
1 A = تدفق 6.24 x 10^18 إلكترون في الثانية.
1 A = كولوم واحد في الثانية. القوة المسببة لتدفق التيار تُعرف بالقوة الدافعة الكهربائية أو EMF. قد يوفرها بطارية، مُولِّد دراجة هوائية أو مُولِّد محطة طاقة (من أمثلة أخرى). لدى البطارية طرف موجب وطرف سالب. إذا وُصل سلك بين الطرفين، سيتدفق التيار. تعمل البطارية كمصدر ضغط مشابه للضخ في نظام ماء. فرق الجهد بين طرفَي مصدر EMF يُقاس بالفولت وكلما كان الجهد (الضغط) أعلى كان التيار (التدفق) أكبر. الدائرة التي يتدفق خلالها التيار تُقدم مقاومة (مشابهة للمقاومة المُقدمة من الأنابيب والصمامات في نظام ماء). وحدة المقاومة هي أوم (يُرمز بالرمز Ω) وقانون أوم يربط التيار والجهد والمقاومة، انظر المعادلة 3.16.1: حيث: I = التيار (أمبير) V = الجهد (فولت) R = المقاومة (أوم) مفهوم كهربائي مهم آخر هو ‘السعة’. يقيس سعة الشحنة بين مُوصِّلَين (تقريبًا مُشابه لحجم حاوية) من حيث الشحنة المطلوبة لرفع جهدها بمقدار فولت واحد. لمُوصِّلَين لديهما سعة كبيرة إذا كانتا تحتاجان كمية كبيرة من الشحنة لرفع الجهد بينهما بفولت واحد، تمامًا كما يحتاج وعاء كبير كمية كبيرة من الغاز لملئه إلى ضغط معين. وحدة السعة هي كولوم واحد لكل فولت، يُسمى فاراد واحد. مجسات الموصلية تفكر في خزان مفتوح يحتوي على بعض الماء. مُجس (قضيب معدني) مُعلَّق في الخزان (انظر الشكل 3.16.3). إذا طُبِّق جهد كهربائي وشملت الدائرة مقياس تيار، سيُظهر الأخير أنه:
مع غمر المُجس في الماء، سيتدفق التيار عبر الدائرة.
إذا رُفع المُجس من الماء، لن يتدفق التيار عبر الدائرة. هذا هو أساس مُجس الموصلية. يُستخدم مبدأ الموصلية لإعطاء قياس نقطة. عندما يلمس مستوى الماء طرف المُجس، يُشغِّل إجراء عبر متحكم مُرتبط. قد يكون هذا الإجراء:
تشغيل أو إيقاف مضخة.
فتح أو إغلاق صمام.
صوت إنذار.
فتح أو إغلاق مُرحِّل. لكن طرف واحد لا يمكنه إلا توفير إجراء نقطة واحد. لذلك، يُطلب طرفان مع مُجس موصلية لتشغيل وإيقاف مضخة عند مستويات مُحددة مسبقًا (الشكل 3.16.4). عندما ينخفض مستوى الماء ويكشف الطرف عند النقطة A، ستبدأ المضخة في العمل. يرتفع مستوى الماء حتى يلمس الطرف الثاني عند النقطة B، وتُوقف المضخة. يمكن تركيب المجسات في أوعية مُغلقة، مثل غلاية. يُوضِّح الشكل 3.16.5 خزان معدني مُغلق العلوية - ملاحظة: عازل مطلوب حيث يمر المُجس عبر سقف الخزان. مرة أخرى:
مع غمر المُجس، سيتدفق التيار.
مع خروج المُجس من الماء، يتوقف تدفق التيار. ملاحظة: يُستخدم تيار متردد لتجنب الاستقطاب والتحليل الكهربائي (تقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين) عند المُجس. يجب استخدام مُجس موصلية قياسي لتوفير إنذار المياه المنخفضة في غلاية. بموجب اللوائح البريطانية، يجب اختبار هذا يوميًا. للمُجس البسيط هناك مشكلة محتملة- إذا تراكمت الأوساخ على العازل، سيُنشأ مسار مُوصِّل بين المُجس والخزان المعدني وسيستمر التيار في التدفق حتى لو كان طرف المُجس خارج الماء. يمكن التغلب على هذا بتصميم وتصنيع مُجس الموصلية بحيث يكون العازل طويلًا، ومُغلَّف بمعظمه بمواد عازلة ناعمة مثل PTFE/تيفلون. هذا سيُقلل من خطر تراكم الأوساخ حول العازل، انظر الشكل 3.16.6. حُلَّت المشكلة ب:
استخدام عازل في مساحة البخار.
استخدام غلاف PTFE طويل وناعم كعازل على طول المُجس المعدني بالكامل تقريبًا.
حساسية قابلة للتعديل عند المتحكم. مجسات موصلية خاصة متاحة لإنذارات المستوى المنخفض، وتُسمى ‘ذاتية المراقبة’. تتضمن عدة ميزات فحص ذاتي، بما في ذلك:
طرف مُقارِن يقيس ويقارن المقاومة إلى الأرض باستمرار عبر العزل وعبر طرف المُجس.
فحص تسرب التيار بين المُجس والعزل.
روتينات اختبار ذاتي أخرى. بموجب اللوائح البريطانية، استخدام هذه الأنظمة الخاصة يسمح باختبار أسبوعي بدلاً من يومي. هذا بسبب مستويات السلامة الأعلى بطبيعتها في تصميمها. يجب قطع طرف مُجس الموصلية إلى الطول الصحيح بحيث يُمثل بدقة نقطة التبديل المطلوبة. ملخص مجسات الموصلية مجسات الموصلية:
مُثبَّتة عموديًا عادة.
تُستخدم حيث يكون تحكم المستوى تشغيل/إيقاف مناسبًا.
غالبًا ما تُزوَّد مُثبَّتة في مجموعات من ثلاثة أو أربعة في غلاف واحد، على الرغم من أن تكوينات أخرى متاحة.
تُقطع إلى الطول عند التركيب. بما أن المجسات تستخدم الموصلية الكهربائية للعمل، التطبيقات التي تستخدم ماء شديد النقاء (موصلية أقل من 5 μ سيمنز/سم) غير مناسبة.

مجسات السعة

يمكن صنع مكثف بسيط بإدخال مادة عازلة (مادة لديها موصلية كهربائية قليلة أو معدومة، مثل الهواء أو PTFE)، بين لوحَين متوازَيْن من مادة مُوصِّلة (الشكل 3.16.8). يمكن بناء مكثف أساسي بغمض لوحَين مُوصِّلَين متوازَيْن في سائل عازل (الشكل 3.16.9). إذا قِيسَت السعة مع غمر الألواح تدريجيًا، سيُلاحَظ أن السعة تتغير بشكل متناسب مع العمق الذي تُغمر فيه الألواح في السائل العازل. تزيد السعة مع غمر مساحة أكبر من اللوح في السائل (الشكل 3.16.10). يمكن صنع مكثف بسيط بإدخال مادة عازلة (مادة لديها موصلية كهربائية قليلة أو معدومة، مثل الهواء)، بين لوحَين مُوصِّلَين (الشكل 3.16.8). الوضع مختلف بعض الشيء في حالة الألواح المُغمورة في سائل مُوصِّل، مثل ماء الغلاية، حيث لا يعمل السائل كعازل، بل كامتداد للألواح. يتكون مُجس سعة المستوى من مُجس أسطواني مُوصِّل، يعمل كلوح المكثف الأول. يُغطَّى هذا المُجس بمادة عازلة مناسبة، عادةً PTFE. يُشكَّل لوح المكثف الثاني بجدار الحجرة (في حالة الغلاية، غلاف الغلاية) مع الماء الموجود في الحجرة. لذلك، بتغير مستوى الماء، تتغير مساحة لوح المكثف الثاني، مما يؤثر على السعة الكلية للنظام (انظر المعادلة 3.16.2). السعة الكلية للنظام لديها مكوّنان (موضحة في الشكل 3.16.12):

CA، السعة فوق سطح السائل - تتطور السعة بين جدار الحجرة والمُجس. يتكون العازل من الهواء بين المُجس وجدار الحجرة، وغطاء PTFE.
CB، السعة تحت سطح السائل - تتطور السعة بين سطح الماء الملامس للمُجس والعازل الوحيد هو غطاء PTFE. بما أن المسافة بين لوحَي المكثفَين فوق سطح الماء (جدار الحجرة والمُجس) كبيرة، تكون السعة CA صغيرة (انظر المعادلة 3.16.2). بالعكس، المسافة بين الألواح تحت سطح الماء (المُجس والماء نفسه) صغيرة وبالتالي ستكون السعة CB كبيرة مقارنة بـ CA. النتيجة الصافية هي أن أي ارتفاع في مستوى الماء سيسبب زيادة في السعة يمكن قياسها بجهاز مناسب. التغير في السعة، ومع ذلك، صغير (يُقاس عادة بالبيكوفاراد، مثل 10^-12 فاراد) لذلك يُستخدم المُجس مع دائرة مُضخِّم. التغير المُضخَّم في السعة يُرسَّل بعد ذلك إلى متحكم مناسب. حيث يُستخدم مُجس السعة في، على سبيل المثال، خزان تغذية (الشكل 3.16.13) يمكن مراقبة مستويات السائل بشكل مستمر مع مُجس السعة. يمكن ضبط المتحكم المُرتبط لتعديل صمام تحكم، و/أو توفير وظائف نقطة مثل نقطة إنذار مستوى عالٍ أو إنذار مستوى منخفض. يمكن أيضًا ضبط المتحكم لتوفير تحكم تشغيل/إيقاف. هنا، نقاط التبديل ‘التشغيل’ و’الإيقاف’ موجودة في مُجس واحد وتُضبط عبر المتحكم، مُزيلة أي حاجة لقطع المُجس. بما أن مُجس السعة يجب أن يكون مغلَّفًا بالكامل بمادة عازلة، لا يجب قطعه إلى الطول.

تحكم العوائم

هذا شكل بسيط لقياس المستوى. مثال يومي لتحكم المستوى مع عائم هو الصهريج في المرحاض. عند شطف المرحاض، ينخفض مستوى الماء في الصهريج، يتبع العائم مستوى الماء نحو الأسفل ويفتح صمام دخول الماء. في النهاية يُغلق الصهريج ومع تدفق الماء النقي يرتفع مستوى الماء، يصعد العائم ويُغلق صمام دخول الماء تدريجيًا حتى يصل المستوى المطلوب. النظام المُستخدم في غلايات البخار مشابه جدًا. يُثبَّت عائم في الغلاية. قد يكون في غرفة خارجية، أو مباشرة داخل غلاف الغلاية. سينتقل العائم صعودًا وهبوطًا مع تغير مستوى الماء في الغلاية. المرحلة التالية هي مراقبة هذا الحركة واستخدامها للتحكم في:

مضخة تغذية (نظام تحكم مستوى تشغيل/إيقاف) أو
صمام تحكم مغذية (نظام تحكم مستوى تعديلي) بسبب طفوه، يتبع العائم مستوى الماء صعودًا وهبوطًا.
عند الطرف المقابل لقضيب العائم مغناطيس، يتحرك داخل غطاء من الفولاذ المقاوم للصدأ. لأن الغطاء من الفولاذ المقاوم للصدأ، (تقريبًا) غير مغناطيسي، ويسمح لخطوط المغناطيسية بالمرور عبره. في أبسط أشكاله، يعمل القوة المغناطيسية على المفاتيح المغناطيسية كالتالي:
المفتاح السفلي سيُشغِّل مضخة التغذية.
المفتاح العلوي سيُوقف مضخة التغذية. ومع ذلك، في الممارسة العملية غالبًا ما يوفر مفتاح واحد تحكم مضخة تشغيل/إيقاف، تاركًا المفتاح الثاني لإنذار. نفس الترتيب يمكن استخدامه لتوفير إنذارات مستوى. نظام أكثر تطورًا لتوفير تحكم تعديلي سيستخدم لفيفة مُلتفة حول حاف داخل الغطاء. مع حركة المغناطيس صعودًا وهبوطًا، ستتغير سعة اللفيفة، ويُستخدم هذا لإعطاء إشارة تناظرية إلى المتحكم ثم إلى صمام تحكم مستوى المغذية. تطبيق تحكم العوائم مُثبَّت عموديًا أو أفقيًا، إشارة المستوى عادة عبر مفتاح مُشغَّل مغناطيسي (نوع زئبقي أو نوع ‘هوائي’)؛ أو كإشارة تعديلية من لفيفة حثية بسبب حركة مغناطيس مُرفق بالعائم. في كلتا الحالتين يعمل المغناطيس عبر أنبوب من الفولاذ المقاوم للصدأ غير المغناطيسي.

خلايا فرق الضغط

تُركَّب خلية فرق الضغط مع رأس ثابت من الماء على جانب واحد. الجانب الآخر مُرتَّب ليعطي رأسًا يتغير مع مستوى ماء الغلاية. تُستخدم تقنيات السعة المتغيرة أو مقياس الإجهاد أو الحثية لقياس انحراف غشاء، ومن هذا القياس تُنتَج إشارة مستوى إلكترونية. استخدام خلايا فرق الضغط شائع في التطبيقات التالية:

غلايات الأنبوب المائي عالية الضغط حيث يُستخدم ماء مُنزع المعادن عالي الجودة.
حيث يُستخدم ماء شديد النقاء، ربما في عملية أدوية. في هذه التطبيقات، تكون موصلية الماء منخفضة جدًا، وقد يعني أن مجسات الموصلية والسعة لن تعمل بشكل موثوق.