วิธีการตรวจจับระดับน้ำในหม้อไอน้ำ

การประยุกต์ใช้ระบบควบคุมระดับและสัญญาณเตือน รวมถึงภาพรวมของวิธีการตรวจจับระดับที่แตกต่างกัน รวมถึงระบบควบคุมแบบลอย โพรบค่าการนำไฟฟ้า และอุปกรณ์ความจุไฟฟ้า

วิธีการตรวจจับระดับน้ำในหม้อไอน้ำ

บนหม้อไอน้ำผลิตไอน้ำ มีการใช้งานที่ชัดเจนสามประการสำหรับอุปกรณ์ตรวจสอบระดับ:

• การควบคุมระดับ - เพื่อให้แน่ใจว่ามีการเติมน้ำปริมาณที่เหมาะสมในเวลาที่เหมาะสม
• สัญญาณเตือนน้ำต่ำ - สำหรับการทำงานที่ปลอดภัยของหม้อไอน้ำ สัญญาณเตือนน้ำต่ำรับประกันว่าการเผาไหม้เชื้อเพลิงจะไม่ดำเนินต่อหากระดับน้ำในหม้อไอน้ำลดลงถึงหรือต่ำกว่าระดับที่กำหนดไว้ สำหรับหม้อไอน้ำที่ควบคุมอัตโนมัติ มาตรฐานระดับชาติโดยทั่วไปเรียกร้องสัญญาณเตือนระดับต่ำสองตัวที่เป็นอิสระ เพื่อความปลอดภัย ในสหราชอาณาจักร สัญญาณเตือนตัวที่ต่ำกว่าจะ ‘ล็อกเอาต์’ หัวเผา และต้องรีเซ็ตด้วยมือเพื่อนำหม้อไอน้ำกลับมาทำงาน
• สัญญาณเตือนน้ำสูง - สัญญาณเตือนทำงานหากระดับน้ำสูงเกินไป แจ้งผู้ดูแลหม้อไอน้ำให้ปิดอุปทานน้ำเลี้ยง แม้ว่าโดยทั่วไปไม่บังคับ การใช้สัญญาณเตือนระดับสูงเป็นเรื่องที่ดีเนื่องจากลดโอกาสการพาน้ำไปและน้ำกระแทกในระบบจ่ายไอน้ำ วิธีการตรวจจับระดับอัตโนมัติ ส่วนต่อไปนี้ในโมดูลนี้กล่าวถึงประเภทหลักของอุปกรณ์ตรวจจับระดับที่เหมาะสมกับหม้อไอน้ำ ทฤษฎีไฟฟ้าพื้นฐาน วิธีที่กระแสไฟฟ้าไหลสามารถเปรียบเทียบกับของเหลว ของเหลวไหลผ่านท่อในลักษณะเดียวกับที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำ (ดูรูปที่ 3.16.2) ตัวนำคือวัสดุ เช่น ลวดโลหะ ที่ปล่อยให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้อย่างอิสระ (ตรงข้ามกับตัวนำคือฉนวนที่ต้านทานการไหลของไฟฟ้า เช่น แก้วหรือพลาสติก) กระแสไฟฟ้าคือการไหลของ ‘ประจุ’ ไฟฟ้า ที่พาโดยอนุภาคเล็กๆ เรียกว่าอิเล็กตรอนหรือไอออน ประจุวัดเป็นคูลอมบ์ 6.24 x 1018 อิเล็กตรอนรวมกันมีประจุหนึ่งคูลอมบ์ ซึ่งในหน่วยฐาน SI เทียบเท่า 1 แอมป์วินาที เมื่ออิเล็กตรอนหรือไอออนถูกบังคับให้เคลื่อนที่ การไหลของไฟฟ้าจะวัดเป็นคูลอมบ์ต่อวินาทีแทนที่จะเป็นอิเล็กตรอนหรือไอออนต่อวินาที อย่างไรก็ตาม คำว่า ‘แอมป์’ (หรือ A) ให้กับหน่วยวัดกระแสไฟฟ้า
• 1 A = การไหลของอิเล็กตรอน 6.24 x 1018 ต่อวินาที
• 1 A = 1 คูลอมบ์ต่อวินาที แรงที่ทำให้กระแสไหลเรียกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าหรือ EMF แบตเตอรี่ ไดนาโมจักรยาน หรือเครื่องปั่นไฟโรงไฟฟ้า (เป็นตัวอย่าง) อาจจ่ายแรงนี้ได้ แบตเตอรี่มีขั้วบวกและขั้วลบ หากลวดเชื่อมระหว่างขั้ว กระแสจะไหล แบตเตอรี่ทำหน้าที่เป็นแหล่งแรงดันคล้ายกับปั๊มในระบบน้ำ ความต่างศักย์ระหว่างขั้วของแหล่ง EMF วัดเป็นโวลต์ และยิ่งแรงดันสูง (แรงดัน) กระแสก็ยิ่งมาก (การไหล) วงจรที่กระแสไหลผ่านมีความต้านทาน (คล้ายกับความต้านทานที่ท่อและวาล์วในระบบน้ำนำเสนอ) หน่วยของความต้านทานคือโอห์ม (ให้สัญลักษณ์ Ω) และกฎของโอห์มเชื่อมโยงกระแส แรงดัน และความต้านทาน ดูสมการ 3.16.1: เมื่อ: I = กระแส (แอมป์) V = แรงดัน (โวลต์) R = ความต้านทาน (โอห์ม) แนวคิดทางไฟฟ้าที่สำคัญอีกประการคือ ‘ความจุไฟฟ้า’ วัดความจุของประจุระหว่างตัวนำสองตัว (เปรียบเทียบกับปริมาตรของภาชนะ) ในแง่ของประจุที่ต้องการเพื่อเพิ่มศักยภาพหนึ่งโวลต์ คู่ตัวนำมีความจุสูงหากต้องการประจุมากเพื่อเพิ่มแรงดันระหว่างกันหนึ่งโวลต์ เช่นเดียวกับภาชนะขนาดใหญ่ต้องการก๊าซปริมาณมากเพื่อเติมถึงแรงดันที่กำหนด หน่วยของความจุคือหนึ่งคูลอมบ์ต่อโวลต์ ซึ่งเรียกว่าหนึ่งฟารัด โพรบค่าการนำไฟฟ้า พิจารณาถังเปิดที่มีน้ำ โพรบ (แท่งโลหะ) ห้อยอยู่ในถัง (ดูรูปที่ 3.16.3) หากจ่ายแรงดันไฟฟ้าและวงจรมีแอมมิเตอร์ จะแสดงว่า:
• เมื่อโพรบจุ่มในน้ำ กระแสจะไหลผ่านวงจร
• หากโพรบยกขึ้นจากน้ำ กระแสจะไม่ไหลผ่านวงจร นี่คือพื้นฐานของโพรบค่าการนำไฟฟ้า หลักการของค่าการนำไฟฟ้าใช้เพื่อให้การวัดจุด เมื่อระดับน้ำแตะปลายโพรบ จะกระตุ้นการกระทำผ่านตัวควบคุมที่เกี่ยวข้อง การกระทำนี้อาจเป็น:
• สตาร์ทหรือหยุดปั๊ม
• เปิดหรือปิดวาล์ว
• ส่งเสียงเตือน
• เปิดหรือปิดรีเลย์ แต่ปลายเดียวให้เพียงการกระทำจุดเดียว ดังนั้นต้องใช้ปลายสองตัวกับโพรบค่าการนำไฟฟ้าเพื่อสลับปั๊มเปิดและปิดที่ระดับที่กำหนดไว้ (รูปที่ 3.16.4) เมื่อระดับน้ำลดลงและเปิดเผยปลายที่จุด A ปั๊มจะเริ่มทำงาน ระดับน้ำสูงขึ้นจนแตะปลายที่สองที่จุด B และปั๊มจะหยุดทำงาน โพรบสามารถติดตั้งในภาชนะปิด เช่น หม้อไอน้ำ รูปที่ 3.16.5 แสดงถังโลหะปิดด้านบน - หมายเหตุ: ต้องมีฉนวนที่จุดที่โพรบผ่านฝาถัง อีกครั้ง:
• เมื่อโพรบจุ่ม กระแสจะไหล
• เมื่อโพรบอยู่นอกน้ำ กระแสจะหยุดไหล หมายเหตุ: ใช้กระแสสลับเพื่อหลีกเลี่ยงโพลาไรเซชันและอิเล็กโทรไลซิส (การแยกน้ำเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน) ที่โพรบ โพรบค่าการนำไฟฟ้ามาตรฐานต้องใช้เพื่อให้สัญญาณเตือนน้ำต่ำในหม้อไอน้ำ ภายใต้ข้อบังคับของสหราชอาณาจักร ต้องทดสอบทุกวัน สำหรับโพรบแบบง่ายมีปัญหาที่อาจเกิดขึ้น - หากสิ่งสกปรกสะสมบนฉนวน จะเกิดเส้นทางนำไฟฟ้าระหว่างโพรบและถังโลหะและกระแสจะไหลต่อแม้ว่าปลายโพรบจะอยู่นอกน้ำ ปัญหานี้แก้ไขได้โดยการออกแบบและผลิตโพรบค่าการนำไฟฟ้าให้ฉนวนยาวและหุ้มด้วยวัสดุฉนวนเรียบ เช่น PTFE/Teflon® ตลอดความยาวส่วนใหญ่ ซึ่งจะลดความเสี่ยงของสิ่งสกปรกรอบฉนวน ดูรูปที่ 3.16.6 ปัญหาถูกแก้ไขโดย:
• ใช้ฉนวนในพื้นที่ไอน้ำ
• ใช้ปลอก PTFE ยาวเรียบเป็นฉนวนตลอดทั้งความยาวของโพรบโลหะ
• ความไวที่ปรับได้ที่ตัวควบคุม โพรบค่าการนำไฟฟ้าพิเศษมีให้สำหรับสัญญาณเตือนระดับต่ำ และเรียกว่า ‘แบบตรวจสอบตนเอง’ คุณลักษณะตรวจสอบตัวเองหลายประการถูกนำมาใช้ รวมถึง:
• ปลายเปรียบเทียบที่วัดและเปรียบเทียบความต้านทานต่อดินอย่างต่อเนื่องผ่านฉนวนและผ่านปลายโพรบ
• ตรวจสอบการรั่วไหลของกระแสระหว่างโพรบและฉนวน
• กิจวัตรทดสอบตนเองอื่นๆ ภายใต้ข้อบังคับของสหราชอาณาจักร การใช้ระบบพิเศษเหล่านี้อนุญาตให้ทดสอบรายสัปดาห์แทนรายวัน เนื่องจากระดับความปลอดภัยที่สูงกว่าโดยธรรมชาติในการออกแบบ ปลายของโพรบค่าการนำไฟฟ้าต้องถูกตัดให้ได้ความยาวที่ถูกต้องเพื่อแสดงจุดสลับที่ต้องการอย่างแม่นยำ สรุปโพรบค่าการนำไฟฟ้า โพรบค่าการนำไฟฟ้า:
• ติดตั้งแนวตั้งโดยทั่วไป
• ใช้เมื่อการควบคุมระดับแบบ เปิด/ปิด เหมาะสม
• มักจัดส่งเป็นกลุ่มสามหรือสี่ตัวใน housing เดียว แม้ว่าจะมีการกำหนดค่าอื่นๆ
• ตัดให้ได้ความยาวเมื่อติดตั้ง เนื่องจากโพรบใช้ค่าการนำไฟฟ้าในการทำงาน การใช้งานที่ใช้น้ำบริสุทธิ์มาก (ค่าการนำไฟฟ้าน้อยกว่า 5 μ Siemens/cm) ไม่เหมาะสม

โพรบความจุไฟฟ้า

ตัวเก็บประจุง่ายๆ สามารถสร้างได้โดยใส่วัสดุไดอิเล็กตริก (สารที่มีค่าการนำไฟฟ้าน้อยหรือไม่มี เช่น อากาศหรือ PTFE) ระหว่างแผ่นตัวนำคู่ขนานสองแผ่น (รูปที่ 3.16.8) ตัวเก็บประจุพื้นฐานสามารถสร้างได้โดยจุ่มแผ่นตัวนำคู่ขนานสองแผ่นลงในของเหลวไดอิเล็กตริก (รูปที่ 3.16.9) หากวัดความจุเมื่อแผ่นค่อยๆ จุ่ม จะเห็นว่าความจุเปลี่ยนแปลงตามสัดส่วนความลึกที่แผ่นจุ่มในของเหลวไดอิเล็กตริก ความจุเพิ่มขึ้นเมื่อพื้นที่แผ่นมากขึ้นจุ่มในของเหลว (รูปที่ 3.16.10) ตัวเก็บประจุง่ายๆ สามารถสร้างได้โดยใส่วัสดุไดอิเล็กตริก (สารที่มีค่าการนำไฟฟ้าน้อยหรือไม่มี เช่น อากาศ) ระหว่างแผ่นตัวนำคู่ขนานสองแผ่น (รูปที่ 3.16.8) สถานการณ์ค่อนข้างต่างในกรณีของแผ่นจุ่มในของเหลวนำไฟฟ้า เช่น น้ำหม้อไอน้ำ เนื่องจากของเหลวไม่ทำหน้าที่เป็นไดอิเล็กตริกอีกต่อไป แต่เป็นส่วนขยายของแผ่น ดังนั้นหัววัดความจุประกอบด้วยหัววัดทรงกระบอกนำไฟฟ้า ซึ่งทำหน้าที่เป็นแผ่นตัวเก็บประจุแผ่นแรก หัววัดนี้หุ้มด้วยวัสดุไดอิเล็กตริกที่เหมาะสม โดยทั่วไปคือ PTFE แผ่นตัวเก็บประจุแผ่นที่สองเกิดจากผนังห้อง (ในกรณีของหม้อไอน้ำคือเปลือกหม้อไอน้ำ) รวมกับน้ำที่อยู่ในห้อง ดังนั้น โดยการเปลี่ยนระดับน้ำ พื้นที่ของแผ่นตัวเก็บประจุแผ่นที่สองจะเปลี่ยน ซึ่งมีผลต่อความจุรวมของระบบ (ดูสมการ 3.16.2) ความจุรวมของระบบมีสององค์ประกอบ (แสดงในรูปที่ 3.16.12):

• CA ความจุเหนือผิวน้ำ - ความจุเกิดขึ้นระหว่างผนังห้องและหัววัด ไดอิเล็กตริกประกอบด้วยทั้งอากาศระหว่างหัววัดและผนังห้อง และปลอก PTFE
• CB ความจุใต้ผิวน้ำ - ความจุเกิดขึ้นระหว่างผิวน้ำที่สัมผัสหัววัดและไดอิเล็กตริกเดียวคือปลอก PTFE เนื่องจากระหว่างแผ่นตัวเก็บประจุสองแผ่นเหนือผิวน้ำ (ผนังห้องและหัววัด) ห่างกันมาก ความจุ CA จึงน้อย (ดูสมการ 3.16.2) ในทางกลับกัน ระยะห่างระหว่างแผ่นใต้ผิวน้ำ (หัววัดและน้ำเอง) เล็ก และดังนั้นความจุ CB จะใหญ่เมื่อเทียบกับ CA ผลลัพธ์สุทธิคือการเพิ่มขึ้นของระดับน้ำจะทำให้ความจุเพิ่มขึ้นซึ่งสามารถวัดได้ด้วยอุปกรณ์ที่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม การเปลี่ยนแปลงความจุเล็ก (โดยทั่วไปวัดเป็นพิโคฟารัด เช่น 10-12 ฟารัด) ดังนั้นหัววัดจึงใช้ร่วมกับวงจรขยายสัญญาณ การเปลี่ยนแปลงความจุที่ขยายแล้วจะถูกส่งไปยังตัวควบคุมที่เหมาะสม เมื่อหัววัดความจุใช้ใน เช่น ถังเลี้ยง (รูปที่ 3.16.13) ระดับของเหลวสามารถตรวจสอบต่อเนื่องด้วยหัววัดความจุ ตัวควบคุมที่เกี่ยวข้องสามารถตั้งค่าเพื่อปรับวาล์วควบคุม และ/หรือให้ฟังก์ชันจุด เช่น จุดสัญญาณเตือนระดับสูงหรือจุดสัญญาณเตือนระดับต่ำ ตัวควบคุมยังสามารถตั้งค่าเพื่อให้การควบคุมแบบ เปิด/ปิด ที่นี่ จุดสลับ ‘เปิด’ และ ‘ปิด’ อยู่ในหัววัดเดียวและตั้งค่าผ่านตัวควบคุม ไม่จำเป็นต้องตัดหัววัด เนื่องจากหัววัดความจุต้องหุ้มฉนวนทั้งหมด จึงต้องไม่ตัดให้ได้ความยาว

การควบคุมแบบลอย

เป็นรูปแบบง่ายของการวัดระดับ ตัวอย่างที่เห็นทั่วไปของการควบคุมระดับด้วยลอยคือถังพักในห้องน้ำ เมื่อชักโครก ระดับน้ำลดลงในถังพัก ลอยติดตามระดับน้ำลงและเปิดวาล์วน้ำเข้า ในที่สุดถังพักปิดและเมื่อน้ำจืดไหลเข้า ระดับน้ำเพิ่มขึ้น ลอยยกขึ้นและค่อยๆ ปิดวาล์วน้ำเข้าจนกว่าจะถึงระดับที่ต้องการ ระบบที่ใช้ในหม้อไอน้ำคล้ายกันมาก ลอยติดตั้งในหม้อไอน้ำ อาจอยู่ในห้องภายนอกหรือโดยตรงภายในเปลือกหม้อไอน้ำ ลอยจะเคลื่อนขึ้นลงเมื่อระดับน้ำเปลี่ยนแปลงในหม้อไอน้ำ ขั้นตอนถัดไปคือตรวจสอบการเคลื่อนที่นี้และใช้ควบคุม:

• ปั๊มป้อน (ระบบควบคุมระดับแบบ เปิด/ปิด) หรือ
• วาล์วควบคุมน้ำเลี้ยง (ระบบควบคุมระดับแบบปรับกำลัง) เนื่องจากแรงลอยตัว ลอยติดตามระดับน้ำขึ้นลง
• ที่ปลายตรงข้ามของก้านลอยคือแม่เหล็ก ซึ่งเคลื่อนที่ภายในฝาครอบสแตนเลส เนื่องจากฝาครอบเป็นสแตนเลส จึง (แทบ) ไม่เป็นแม่เหล็ก และปล่อยให้เส้นสนามแม่เหล็กผ่าน ในรูปแบบที่เรียบง่ายที่สุด แรงแม่เหล็กทำงานสวิตช์แม่เหล็กดังนี้:
• สวิตช์ล่างจะเปิดปั๊มป้อน
• สวิตช์บนจะปิดปั๊มป้อน อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ สวิตช์เดียวมักให้การควบคุมปั๊มแบบ เปิด/ปิด ปล่อยสวิตช์ที่สองสำหรับสัญญาณเตือน การจัดเรียงเดียวกันนี้สามารถใช้ให้สัญญาณเตือนระดับ ระบบที่ซับซ้อนกว่าเพื่อให้การควบคุมแบบปรับกำลังจะใช้ขดลวดพันรอบ York ภายในฝาครอบ เมื่อแม่เหล็กเคลื่อนขึ้นลง อินดักแตนซ์ของขดลวดจะเปลี่ยน และใช้ให้สัญญาณอนาล็อกไปยังตัวควบคุมแล้วไปยังวาล์วควบคุมระดับน้ำเลี้ยง การประยุกต์ใช้การควบคุมแบบลอย ติดตั้งแนวตั้งหรือแนวนอน สัญญาณระดับมักส่งออกผ่านสวิตช์ที่ทำงานด้วยแม่เหล็ก (ประเภทปรอทหรือ ‘air-break’); หรือเป็นสัญญาณปรับกำลังจากขดลวดเหนี่ยวนำเนื่องจากการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กที่ติดกับลอย ในทั้งสองกรณี แม่เหล็กทำงานผ่านท่อสแตนเลสไม่เป็นแม่เหล็ก

เซลล์ความดันต่าง

เซลล์ความดันต่างติดตั้งโดยมีแรงดันน้ำคงที่ด้านหนึ่ง อีกด้านหนึ่งมีแรงดันที่เปลี่ยนแปลงตามระดับน้ำในหม้อไอน้ำ เทคนิคความจุไฟฟ้าแปรผัน เกจวัดความเครียด หรือเหนี่ยวนำใช้วัดการเบี่ยงเบนของไดอะแฟรม และจากการวัดนี้ ผลิตสัญญาณระดับอิเล็กทรอนิกส์ การใช้เซลล์ความดันต่างเป็นเรื่องปกติในการใช้งานต่อไปนี้:

• หม้อไอน้ำแบบท่อน้ำแรงดันสูงที่ใช้น้ำบริสุทธิ์คุณภาพสูง
• ที่ใช้น้ำบริสุทธิ์มาก อาจในกระบวนการยา ในการใช้งานเหล่านี้ ค่าการนำไฟฟ้าของน้ำต่ำมาก และอาจหมายความว่าโพรบค่าการนำไฟฟ้าและโพรบความจุจะไม่ทำงานอย่างน่าเชื่อถือ