Buhar Kazanlarında Su Seviyesi Tespit Yöntemleri

Seviye kontrolleri ve alarmların uygulanması, artı şamandıralı kontroller, iletkenlik probları ve kapasitans cihazları dahil olmak üzere farklı seviye algılama yöntemlerinin genel bir bakışı.

Buhar Kazanlarında Su Seviyesi Tespit Yöntemleri

Bir buhar üretim kazanında seviye izleme cihazları için üç açık uygulama vardır:

• Seviye kontrolü - Doğru zamanda doğru miktarda suyun kazana eklenmesini sağlamak için.
• Düşük su alarmı - Güvenli kazan çalışması için, düşük su alarmı, kazandaki su seviyesi önceden belirlenmiş bir seviyeye düştüğünde veya altına indiğinde yakıt yanmasının devam etmemesini sağlar. Otomatik kontrollü buhar kazanları için, ulusal standartlar genellikle güvenliği sağlamak için iki bağımsız düşük seviye alarmı gerektirir. İngiltere’de, alarmların alt olanı brülörü ‘kilitleyecektir’ ve kazanı tekrar devreye almak için manuel sıfırlama gerekir.
• Yüksek su alarmı - Su seviyesi çok yükselirse alarm çalışır ve kazan operatörünü besleme suyu beslemesini kapatması konusunda bilgilendirir. Genellikle zorunlu olmasa da, yüksek seviye alarmlarının kullanımı, su taşınımı ve buhar dağıtım sisteminde su darbesi olasılığını azalttığı için akıllıcadır. Otomatik seviye algılama yöntemleri Bu Modüldeki sonraki Bölümler, buhar kazanlarına uygun olan temel seviye algılama cihazı türlerini tartışmaktadır. Temel elektrik teorisi Elektriğin akış şekli bir sıvıyla karşılaştırılabilir. Sıvı bir borudan, elektriğin bir iletkenden aktığı şekilde akar (bkz. Şekil 3.16.2). İletken, metal tel gibi elektrik akımının serbest akışına izin veren bir malzemedir. (İletkenin tersi, cam veya plastik gibi elektrik akışına karşı koyan bir yalıtkandır). Elektrik akımı, elektron veya iyon adı verilen küçük parçacıklar tarafından taşınan elektrik ‘yükü’ akışıdır. Yük, coulomb ile ölçülür. 6,24 x 10^18 elektron birlikte bir coulomb’luk yüke sahiptir ki bu SI temel birimleri cinsinden 1 amper saniyeye eşdeğerdir. Elektronlar veya iyonlar hareket ettirildiğinde, elektrik akışı saniyede elektron veya iyon sayısı yerine saniyede coulomb olarak ölçülür. Bununla birlikte, ‘amper’ (veya A) terimi elektrik akımının ölçüldüğü birim için kullanılır.
• 1 A = Saniyede 6,24 x 10^18 elektron akışı.
• 1 A = Saniyede 1 coulomb. Akımın akmasına neden olan kuvvet, elektromotor kuvvet veya EMF olarak bilinir. Bir bisiklet dinamosu veya bir santral jeneratörü (diğer örnekler arasında) bunu sağlayabilir. Pilin bir pozitif terminali ve bir negatif terminali vardır. Terminaller arasına bir tel bağlanırsa akım akacaktır. Pil, su sistemdeki pompa gibi bir basınç kaynağı görevi görür. EMF kaynağının terminalleri arasındaki potansiyel fark volt cinsinden ölçülür ve voltaj (basınç) ne kadar yüksekse akım (akış) o kadar büyük olur. Akımın devresi, bir direnç sunar (su sistemindeki borular ve vanaların sunduğu dirence benzer). Direncin birimi ohm’dur (Ω sembolü ile gösterilir) ve Ohm yasası akımı, voltajı ve direnci ilişkilendirir, Denklem 3.16.1’e bakın: Burada: I = Akım (amper) V = Voltaj (volt) R = Direnç (ohm) Bir diğer önemli elektrik kavramı ‘kapasitans’tır. İki iletken arasındaki yükün kapasitesini ölçer (kabaca bir kabın hacmine benzer) ve potansiyelini bir volt kadar yükseltmek için gereken yük cinsinden ifade edilir. Bir iletken çifti, aralarındaki voltajı bir volt yükseltmek için büyük miktarda yük gerekiyorsa büyük bir kapasitansa sahiptir; tıpkı büyük bir kabın belirli bir basınca doldurulması için büyük miktarda gaz gerektirmesi gibi. Kapasitans birimi volt başına bir coulomb’dur ve bu bir farad olarak adlandırılır. İletkenlik probları İçinde biraz su bulunan açık bir depo düşünün. Depoda bir prob (metal çubuk) asılıdır (Şekil 3.16.3’e bakın). Bir elektrik voltajı uygulanırsa ve devre bir ampermetre içerirse, ampermetre şunu gösterecektir:
• Prob suya daldırıldığında, devreden akım akacaktır.
• Prob sudan çıkarıldığında, devreden akım akmayacaktır. Bu, iletkenlik probunun temelidir. İletkenlik prensibi, nokta ölçümü vermek için kullanılır. Su seviyesi probun ucuna değdiğinde, ilişkili bir kontrolcü aracılığıyla bir eylem tetikler. Bu eylem şunlardan biri olabilir:
• Bir pompayı çalıştırmak veya durdurmak.
• Bir vanayı açmak veya kapatmak.
• Bir alarmı çalıştırmak.
• Bir röleyi açmak veya kapatmak. Ancak tek bir uç yalnızca tek bir nokta eylemi sağlayabilir. Bu nedenle, önceden belirlenmiş seviyelerde bir pompayı açıp kapatmak için bir iletkenlik probunda iki uç gereklidir (Şekil 3.16.4). Su seviyesi düştüğünde ve A noktasındaki ucun üstü açığa çıktığında, pompa çalışmaya başlayacaktır. Su seviyesi B noktasındaki ikinci uca değene kadar yükselir ve pompa kapatılır. Problar kapalı kaplara, örneğin bir kazana monte edilebilir. Şekil 3.16.5, kapalı üstlü metal bir depo göstermektedir - Not; prob deposunun üstünden geçerken bir yalıtkan gereklidir. Tekrar:
• Prob daldırıldığında, akım akacaktır.
• Prob sudan çıktığında, akım akışı duracaktır. Not: Probda polarizasyon ve elektrolizi (suyun hidrojen ve oksijene ayrışmasını) önlemek için alternatif akım kullanılır. Kazanda düşük su alarmı sağlamak için standart bir iletkenlik probu kullanılmalıdır. İngiltere düzenlemelerine göre, bu günlük olarak test edilmelidir. Basit bir prob için potansiyel bir sorun vardır- Yalıtkan üzerinde kir birikintisi oluşursa, prob ile metal depo arasında iletken bir yol oluşturulacak ve probun ucu sudan çıkmış olsa bile akım akmaya devam edecektir. Bu, iletkenlik probunun yalıtkanı uzun olacak ve uzunluğunun büyük bölümünde PTFE/Teflon gibi düzgün bir yalıtım malzemesiyle kaplanacak şekilde tasarlanması ve üretilmesiyle aşılabilir. Bu, yalıtkan çevresindeki kir birikintisi riskini en aza indirecektir, Şekil 3.16.6’ya bakın. Sorun şu şekilde çözülmüştür:
• Buhar alanında yalıtkan kullanılarak.
• Neredeyse metal probun tamamı boyunca uzun düzgün bir PTFE kılıf yalıtkan olarak kullanılarak.
• Kontrolcüde ayarlanabilir hassasiyet. Düşük seviye alarmları için özel iletkenlik probları mevcuttur ve ‘kendi kendini izleyen’ olarak adlandırılır. Bir dizi kendi kendine kontrol özelliği dahil edilmiştir, bunlar şunları içerir:
• Yalıtım ve prob ucu arasındaki toprağa karşı direnci sürekli olarak ölçen ve karşılaştıran bir karşılaştırıcı uç.
• Prob ile yalıtım arasındaki akım sızıntısının kontrolü.
• Diğer kendi kendine test rutinleri. İngiltere düzenlemelerine göre, bu özel sistemlerin kullanımı günlük test yerine haftalık teste izin verir. Bu, tasarımlarında doğuştan gelen daha yüksek güvenlik seviyelerinden kaynaklanmaktadır. İletkenlik probunun ucu, istenilen anahtarlama noktasını doğru bir şekilde temsil etmesi için doğru uzunlukta kesilmelidir. İletkenlik probları özeti İletkenlik probları:
• Genellikle dikey olarak monte edilir.
• Açma/kapama seviye kontrolünün uygun olduğu yerlerde kullanılır.
• Genellikle tek bir muhafaza içinde üç veya dört adet monte edilmiş olarak tedarik edilir, ancak diğer konfigürasyonlar da mevcuttur.
• Kurulum sırasında uzunluğa kesilir. Problar çalışmak için elektrik iletkenliğini kullandığından, çok saf suyun (iletkenliği 5 μ Siemens/cm’den az) kullanıldığı uygulamalar için uygun değildir.

Kapasitans probları

İki paralel iletken plaka arasına dielektrik malzeme (az veya hiç elektrik iletkenliği olmayan bir madde, örneğin hava veya PTFE) yerleştirilerek basit bir kapasitör yapılabilir (Şekil 3.16.8). İki paralel iletken plakayı dielektrik bir sıvıya daldırarak temel bir kapasitör inşa edilebilir (Şekil 3.16.9). Plakalar yavaşça daldırıldıkça kapasitans ölçülürse, kapasitansın plakaların dielektrik sıvıya daldırıldığı derinlikle orantılı olarak değiştiği görülecektir. Plaka alanı sıvıya ne kadar çok batarsa kapasitans artar (Şekil 3.16.10). İki paralel iletken plaka arasına dielektrik malzeme (az veya hiç elektrik iletkenliği olmayan bir madde, örneğin hava) yerleştirilerek basit bir kapasitör yapılabilir (Şekil 3.16.8). Kazan suyu gibi iletken bir sıvıya batırılmış plakalar durumunda durum biraz farklıdır; sıvı artık bir dielektrik olarak değil, plakaların bir uzantısı olarak işlev görür. Kapasitans seviye probu, birinci kapasitör plakası olarak işlev gören iletken, silindirik bir probdan oluşur. Bu prob uygun bir dielektrik malzeme ile kaplanmıştır, tipik olarak PTFE. İkinci kapasitör plakası, odacık duvarı (bir kazan durumunda kazan kabuğu) ve odacıktaki suyun birlikte oluşturduğu plakadır. Dolayısıyla, su seviyesini değiştirerek, ikinci kapasitör plakasının alanı değişir ve bu da sistemin genel kapasitansını etkiler (bkz. Denklem 3.16.2). Sistemin toplam kapasitansı dolayısıyla iki bileşene sahiptir (Şekil 3.16.12’de gösterilmiştir):

• CA, sıvı yüzeyinin üstündeki kapasitans - Kapasitans, odacık duvarı ile prob arasında gelişir. Dielektrik, prob ile odacık duvarı arasındaki hava ve PTFE kapağından oluşur.
• CB, sıvı yüzeyinin altındaki kapasitans - Kapasitans, prob ile temas halindeki su yüzeyi arasında gelişir ve tek dielektrik PTFE kapağıdır. Su yüzeyinin üstündeki iki kapasitör plakası arasındaki mesafe (odacık duvarı ve prob) büyük olduğundan, kapasitans CA küçüktür (bkz. Denklem 3.16.2). Tersine, su yüzeyinin altındaki plakalar arasındaki mesafe (prob ve suyun kendisi) küçüktür ve bu nedenle kapasitans CB, CA’ya kıyasla büyük olacaktır. Net sonuç, su seviyesindeki herhangi bir yükselişin, uygun bir cihazla ölçülebilen bir kapasitans artışına neden olmasıdır. Ancak kapasitans değişimi küçüktür (tipik olarak pico farad cinsinden ölçülür, örneğin 10^-12 farad), bu nedenle prob bir amplifikatör devresi ile birlikte kullanılır. Amplifiye edilmiş kapasitans değişimi daha sonra uygun bir kontrolcüye sinyal verir. Kapasitans probu örneğin bir besleme deposunda kullanıldığında (Şekil 3.16.13), sıvı seviyeleri bir kapasitans probu ile sürekli olarak izlenebilir. İlişkili kontrolcü, bir kontrol vanasını modüle etmek ve/veya yüksek seviye alarm noktası veya düşük seviye alarmı gibi nokta fonksiyonları sağlamak üzere ayarlanabilir. Kontrolcü ayrıca açma/kapama kontrolü sağlamak üzere de ayarlanabilir. Burada, ‘açma’ ve ‘kapama’ anahtarlama noktaları tek bir prob içinde yer alır ve kontrolcü aracılığıyla ayarlanır; bu da probu kesme ihtiyacını ortadan kaldırır. Bir kapasitans probu tamamen yalıtım malzemesiyle kaplanmalıdır, bu nedenle uzunluğa kesilmemelidir.

Şamandıralı kontrol

Bu basit bir seviye ölçümü şeklidir. Şamandıra ile seviye kontrolünün günlük bir örneği, bir tuvaletteki rezervuardır. Tuvalet sifonu çekildiğinde, rezervuardaki su seviyesi düşer, şamandıra su seviyesini takip ederek iner ve giriş suyu vanasını açar. Sonunda rezervuar kapanır ve temiz su girdikçe su seviyesi artar, şamandıra yükselir ve istenen seviyeye ulaşana kadar giriş suyu vanasını kademeli olarak kapatır. Buhar kazanlarında kullanılan sistem çok benzerdir. Kazana bir şamandıra monte edilir. Bu harici bir odacıkta veya doğrudan kazan kabuğunun içinde olabilir. Şamandıra, kazandaki su seviyesi değiştikçe yukarı ve aşağı hareket edecektir. Bir sonraki aşama, bu hareketi izlemek ve şunlardan birini kontrol etmek için kullanmaktır:

• Bir besleme pompası (açma/kapama seviye kontrol sistemi) veya
• Bir besleme suyu kontrol vanası (modülasyonlu seviye kontrol sistemi) Kaldırma kuvveti nedeniyle şamandıra su seviyesini yukarı ve aşağı takip eder.
• Şamandıra çubuğunun karşı ucunda, paslanmaz çelik bir kapak içinde hareket eden bir mıknatıs vardır. Kapak paslanmaz çelik olduğundan, (neredeyse) manyetik değildir ve manyetik çizgilerin geçmesine izin verir. En basit formunda, manyetik kuvvet manyetik anahtarları şu şekilde çalıştırır:
• Alt anahtar besleme pompasını açacaktır.
• Üst anahtar besleme pompasını kapatacaktır. Ancak pratikte tek bir anahtar genellikle açma/kapama pompası kontrolü sağlar ve ikinci anahtarı alarm için bırakır. Aynı düzenleme seviye alarmları sağlamak için kullanılabilir. Modülasyonlu kontrol sağlamak için daha sofistike bir sistem, kapak içindeki bir boyunduruğa sarılmış bir bobin kullanacaktır. Mıknatıs yukarı ve aşağı hareket ettikçe, bobinin indüktansı değişecek ve bu, bir kontrolcüye ve ardından besleme suyu seviye kontrol vanasına bir analog sinyal sağlamak için kullanılacaktır. Şamandıralı kontrol uygulaması Dikey veya yatay olarak monte edilen seviye sinyal çıkışı, genellikle manyetik olarak çalıştırılan bir anahtar (cıva tipi veya ‘hava-kesme’ tipi) aracılığıyla; veya şamandıraya bağlı bir mıknatısın hareketinden dolayı indüktif bobinden modülasyonlu sinyal olarak elde edilir. Her iki durumda da mıknatıs manyetik olmayan paslanmaz çelik bir tüp aracılığıyla çalışır.

Fark basınç hücreleri

Fark basınç hücresi, bir tarafta sabit bir su yükü ile kurulur. Diğer taraf, kazan su seviyesiyle değişen bir yük olacak şekilde düzenlenir. Değişken kapasitans, gerinim ölçer veya indüktif teknikler, bir diyaframın sapmasını ölçmek için kullanılır ve bu ölçümden bir elektronik seviye sinyali üretilir. Fark basınç hücrelerinin kullanımı aşağıdaki uygulamalarda yaygındır:

• Yüksek kaliteli arıtılmış suyun kullanıldığı yüksek basınçlı su borulu kazanlar.
• Belki bir farmasötik proseste çok saf suyun kullanıldığı yerler. Bu uygulamalarda, suyun iletkenliği çok düşüktür ve bu, iletkenlik ve kapasitans problarının güvenilir şekilde çalışamayacağı anlamına gelebilir.