انواع روشهای اندازه گیری سطح مخازن
اندازه گیری سطح مخازن مایعات و یا سطح مواد جامد داخل سیلو، از اهمیت فراوانی برخوردار می باشد. در این مقاله سعی خواهیم کرد انواع روشهای اندازه گیری سطح را که در صنایع مختلف به کار گرفته می شوند را شرح دهیم. در حالت کلی این روشها را به دو دسته اندازه گیری سطح مستقیم و غیر مستقیم، تقسیم خواهیم کرد که در ادامه جزئیات این روشها را شرح میدهیم:
روشهای مستقیم اندازه گیری سطح
روشهای مستقیم یا مکانیکی اندازه گیری سطح، اغلب ساده ترین و کم هزینه ترین روش برای این منظور می باشند. البته به کارگیری نیروی انسانی ، دقت پایین و عدم توانایی استفاده آنلاین اندازه گیری ها در سیستم کنترلی را میتوان به عنوان معایب این روشها نام برد. در اینجا سه روش متداول اندازه گیری سطح با روشهای مستقیم را شرح می دهیم:
۱) میله عمق سنج یا خطوط هادی
بدون شک ابتدایی ترین و باستانی ترین روش اندازه گیری سطح، روش اندازه گیری توسط یک میله و یا خط هادی مدرج شده می باشد. این روش از سالیان بسیار دور به منظور تعیین سطح آب زیر کشتی ها و سنجش عمق چاه های آب استفاده شده است. از نمونه های در دسترس این روش، می توان اندازه گیری سطح روغن در داخل موتور خودروها و همچنین سنجش میزان نفت و روغن در داخل بشکه ها را نام برد. مزیت اصلی این روش سادگی آن است و حداکثر دقت آن نیز معمولا ۱ میلی متر می باشد. ولی دارای معایبی همچون، نیاز به نیروی انسانی، دقت محدود، عدم دقت در تکرارپذیری و تماس فیزیکی می باشد که استفاده از آن در صنایع نوین را عملا محدود و غیرممکن می سازد.
۲) شیشه سطح یا Sight Glass
دومین روش از ساده ترین روشهای اندازه گیری لول و یا سطح، روش استفاده از شیشه سطح یا همان en.wikipedia.org/wiki/Sight_glass می باشد. این تجهیز در برخی موارد بصورت مدرج به موازات فرآیند اصلی نصب می شود و با تغییر میزان سطح سیال، اندازه گیری بصری پوسته ای را نتیجه میدهد. سایت گلس ها را معمولا به عنوان روش آلترناتیو یا جایگزین در بسیاری از صنایع امروزی نظیر، بویلرها، اواپریتورها، کاندنسرها و تانکرها، میتوان مشاهده کرد. و معمولا زمانی مورد استفاده قرار می گیرند که ابزارهای الکترونیکی قابلیت کار نداشته باشند. مهمترین مزیت شیشه های سطح، سادگی و قابل اعتماد بودن آنها است. ولی دارای نقطه ضعف هایی نیز نظیر کثیف شدن، شکستن و ذوب شدن شیشه و همچنین بهره گیری از نیروی انسانی می باشد.
سایت گلس لیو
۳) زنجیر یا گیج شناور
استفاده از شناور، تا حدودی در راستای غلبه بر محدودیت های روشهای قبلی اندازه گیری مستقیم سطح، اختراع شد. در این روش، از یک شناوری که دارای چگالی کمتری نسبت به سیال است به منظور شناور ماندن بر روی سطح سیال استفاده می شود که بعدها این روش توسط اتصال یک زنجیر یا سیم منعطف به یک طرف شناور و عبور دادن این سیم از یک پولی و اتصال محور پولی به یک نشانگر مدرج( در تصویر زیر نشان داده شده است) ، به روشی قابل اعتماد و نسبتا صنعتی بدل شد. این روش با روشهای گوناگونی نظیر استفاده از پتانسیومترهای مقاومتی و یا انکودرها و یا استفاده از [سنسور زاویه لیو] و اتصال آن به شفت پولی، قابلیت تبدیل شدن به یک سیستم اندازه گیری الکترونیکی را دارا می باشد.
گیج شناور لیو
روشهای غیرمستقیم اندازه گیری سطح
در روشهای غیرمستقیم اندازه گیری سطح، همواره به دنبال ارتباطی بین پارامترهای فیزیکی مواد اندازه گیری شونده و ابزارهایی جهت تبدیل این ماهیت فیزیکی به ماهیت الکتریکی خواهیم بود. و معمولا در اصطلاح مهندسی، به این ابزارها ترانسدیوسر خواهیم گفت. در ادامه نمونه ای از این روشها را به اختصار توضیح خواهیم داد:
۱) اندازه گیری وزن توسط لودسل ها
استفاده از پارامتر وزن کلی مواد داخل سیلو یا مخزن، زمانی که چگالی این مواد ثابت می باشد و سطح مقطع داخلی مخزن نیز معلوم باشد، گزینه خوبی جهت اندازه گیری پیوسته سطح مواد توسط لودسل ها به شمار میرود. سطح اندازه گیری شده در این روش از فرمول زیر محاسبه خواهد شد(وزن مخزن و سطح مقطع در روابط زیر معلوم می باشند):
Level of the fluid = volume of fluid / surface area
Volume of the fluid = weight of fluid / density of the fluid
The weight of the fluid = Weight of vessel with fluid – weight of the vessel .
اندازه گیری سطح
لودسل لیو
۲) اندازه گیری سطح به روش هیدرواستاتیک
یکی از ساده ترین و قابل اعتماد ترین روشها جهت اندازه گیری پیوسته سطح سیالات، روش [هیدرواستاتیکی ] یا استفاده از سنسورهای فشار می باشد. در این روش فشار حاصله از مواد سیال داخل مخزن بر دیافراگم ترانسمیترهای فشار که رابطه مستقیمی با سطح مواد دارد، سنجیده شده و توسط فرمولی که در ادامه ارائه می شود به میزان ارتفاع یا لول سیال، تبدیل می گردد. در مخازنی که بالای آنها باز است قرار دادن یک عدد سنسور فشار در انتهای مخزن کفایت میکند ولی در مخازنی که سطح فوقانی کاملا بسته است، به دلیل ایجاد فشار مضاعف در ناحیه خالی مخزن، نیاز است تا فشار این ناحیه نیز توسط سنسور دیگری که در بالای مخزن نصب می شود، اندازه گیری شود که معمولا برای این منظور از سنسورهای فشار دیفرانسیلی یا DP استفاده می شود.
- فرمول محاسبه سطح در مخازن باز :
h = p / (ρ * g)
p = hydrostatic pressure [bar (gauge)]
ρ = specific gravity of the liquid [kg/m³]
g = gravitational force or gravitational acceleration [m/s²]
h = height of the liquid column [m] = level
- فرمول محاسبه سطح در مخازن بسته با دو عد سنسور فشار :
h = (p۲ – p۱) / ((ρ * g)
p۲ = hydrostatic pressure [bar]
p۱= pressure of the enclosed gas in the vessel [bar]
ρ = specific gravity of the fluid [kg/m³]
g = gravitational force or gravitational acceleration [m/s²]
h = height of the liquid column [m] = level
اندازه گیری سطح هیدرواستاتیکی لیو
۳) اندازه گیری سطح توسط سنسورهای رادار
استفاده از سیگنال های فرکانس مایکروویو به منظور اندازه گیری سطح مخازن به سال ۱۹۷۶ میلادی بر میگردد. دلیل اصلی استفاده از این سیگنال نیز برد زیاد آن و عدم تاثیر پذیری سیگنال های ارسالی از تغییرات دما، رطوبت و پارامترهای محیطی دیگر می باشد. تکنولوژی مورد استفاده در این روش از نوع TOF یا همان اندازه گیری زمان رفت و برگشت سیگنال ارسالی و تبدیل آن به پارامتر لول یا سطح می باشد. با پیشرفت تکنولوژی و افزایش سرعت پردازنده ها و شمارنده ها، فرکانس سنسورهای رادار به شدت رو به افزایش است تا جایی که امروزه استفاده از فرکانس هایی نظیر ۸۰GHz و یا بالای ۱۰۰GHz بسیار متداول است.
سنسورهای رادار یا مایکروویو معمولا به دو نوع هدایت شده توسط میله (GWR) و یا بدون تماس (NCR) دسته بندی می شوند. بدون شک اگر سنسورهای اندازه گیری سطح را از لحاظ مختلف بررسی کنیم و به آنها امتیاز دهیم، سنسورهای سطح رادار در مقام نخست قرار خواهند گرفت. تکنولوژی بالای به کار رفته در این سنسورها، باعث شده تا این محصول از قیمت بسیار بالاتری نسبت به سایر رقبا برخوردار باشد که استفاده از آن را فقط در کاربردهای بسیار خاص و ضروری توجیه پذیر می سازد.
سنسور رادار سطح
۴) اندازه گیری سطح توسط سنسورهای ادمیتانسی RF
در این روش، از یک پروب فلزی که وظیفه حمل سیگنال RF را بر عهده دارد استفاده می شود تا تغییرات میزان ادمیتانس بین مواد داخل مخزن یا سیلو و دیواره آن آشکار شود. معمولا در صنعت، از لفظ سنسور خازنی اندازه گیری سطح نیز برای این محصول استفاده می شود که البته تفاوت های ساختاری زیادی بین این دو محصول وجود دارد. این روش معمولا جزو بهترین روشها برای اندازه گیری نقطه ای و یا پیوسته در اکثر مواد مایع و یا جامد، به شمار میرود. دلیل این امر نیز عدم تاثیر پذیری این روش از دما، رطوبت و انباشت مواد می باشد و همچنین قیمت پایین این محصول جذابیت دیگری برای استفاده از این محصول به شمار میرود.
سنسور ادمیتانسی RF لیو
۵) اندازه گیری سطح توسط سنسورهای آلتراسونیک
استفاده از امواج مافوق صوت نیز همانند سنسورهای رادار مربوط به تکنولوژی TOF می شود. در این روش نیز امواج آلتراساند توسط فرستنده ای به سمت مواد داخل مخزن ارسال می گردد و مدت زمانی که طول میکشد تا اکوی این سیگنال به گیرنده برسد، اندازه گیری شده و در نهایت تبدیل به سطح مواد داخل مخزن میشود. سنسورهای آلتراسونیک در دو نوع اندازه گیری پیوسته و نقطه ای در دسترس می باشند. سادگی نصب و بدون تماس بودن این سنسور بهترین مزیت این سنسور است ولی دارای یک ضعف بسیار مشهود می باشد که آنهم تاثیرپذیری بسیار زیاد امواج مافوق صوت از بخار، دود و حرارت داخل مخزن می باشد که همین امر استفاده از این سنسور را محدود به مکانهای خاص با شرایط عادی، کرده است.
سنسور آلتراسونیک سطح
۶) اندازه گیری سطح توسط سنسورهای مگنتواستریکتیو
سنسورهای مگنتواستریکتیو با بهره گیری از خاصیت اثر ویلاری و با تکنولوژی بسیار انحصاری طراحی گردیده اند.این سنسورها دارای یک شناور مغناطیسی می باشند که با تغییر سطح سیال موقعیت این شناور نیز تغییر کرده و باعث ایجاد یک خروجی متناسب با سطح با دقت بسیار بالا می شود. بدون شک سنسورهای سطح مگنتواستریکتیو در رده نخست دقیقترین سنسور اندازه گیری سطح در سیالات قرار میگیرند تا جایی که در برخی شرایط دقت اندازه گیری آنها به ۰.۵ میکرومتر خواهد رسید.
سنسور سطح مگنتواستریکتیو لیو
۷) اندازه گیری سطح توسط سنسورهای رادیومتریک
در این روش فرستنده توسط ایزوتوپ های خفیف رادیواکتیو، امواج گامای متمرکز شده ای را از خود ساطع میکند که این امواج توسط یک گیرنده که در سمت دیگر دیواره مخزن نصب میشود، دریافت میگردد. تغییر سطح مواد داخل مخزن، رابطه مستقیمی با میزان امواج دریافتی توسط گیرنده دارد که در مراحل بعدی این تغییر توسط مدارات واسط به خروجی پیوسته استاندارد تبدیل می شود. بزرگترین مزیت این روش، نصب بیرون از مخرن آن می باشد که در هیچ کدام از روشهای دیگر دیده نمی شود.
سنسور سطح رادیومتریک
۸) آشکارسازی سطح مایعات توسط سنسورهای نوری سطح مایعات
سنسورهای نوری سطح مایعات، جزو دسته بندی حسگرهای سطح نقطه ای می باشند. اصول کاری این سنسورها بر پایه ارسال و دریافت یک بیم مادون قرمز می باشد و به کمک یک منشور شیشه ای، در هنگام رسیدن سطح سیال به منشور، خروجی سوئیچ استاندارد صنعتی( رله، NPN و PNP) را در اختیار کاربر قرار خواهد داد. عدم تاثیر پذیری از بخار و رطوبت، ضد اسید بودن، سادگی در نصب و عدم وجود بخش متحرک و عدم نیاز به کالیبراسیون از ویژگی های سوئیچ سطح نوری می باشد.
سوئیچ سطح نوری مایعات لیو
۹) آشکار سازی سطح توسط سنسور تیونینگ فورک یا دیاپازونی
یکی از کاربردی ترین نوع سنسورهای سوئیچ نقطه ای سطح در مایعات و جامدات، به طور قطع سوئیچ های تیونینگ فورک یا همان دیاپازونی می باشند. اصول کاری این حسگرها بر پایه نوسان دو شاخک سنسور که متصل به یک محرک پیزوالکتریک هستند، می باشد. در حالت نرمال که مواد داخل مخزن به سطح شاخک نرسیده است، گیرنده پیزوالکتریک دارای نوسان طبیعی اسیلاتور مربوطه می باشد و پس از رسیدن مواد و در برگرفته شدن شاخک ها توسط این مواد، این فرکانس کاهش می یابد و این کاهش فرکانسی توسط مدارات رابط تشخیص داده شده و خروجی استاندارد صنعتی( رله یا خروجی های ترانزیستوری) تولید می گردد. مهمترین ویژگی سنسورهای سطح دیاپازونی، عدم نیاز به کالیبراسیون، عدم تاثیرپذیری از رطوبت و دمای محیط و همچنین نصب و راه اندازی آسان می باشد.
سوئیچ سطح دیاپازونی لیو
۱۰) آشکارسازی سطح مواد جامد توسط سنسورهای پدالی سطح
این روش در بسیاری از کاربردهای تشخیص سطح مواد جامد پودری و مصالح در سیلوهای کارخانجات دیده می شود. سنسور سطح پدالی، یک سیستم الکترومکانیکی دوار به حساب می آید و اصول کاری آن نیز بر پایه چرخش یک پدال یا پره توسط یک موتور دور پایین می باشد که به هنگام درگیر شدن این پدال با مواد، یک حرکت هرزگرد باعث تحریک یک میکروسوئیچ شده و خروجی مورد نیاز را در دسترس قرار میدهد. سادگی ساخت این سنسور سبب شده است تا از قیمت پایینی برخوردار باشد که علت استفاده زیاد این محصول در صنعت نیز، همین علت است اما نباید فراموش کرد که سیستم های دوار الکترومکانیکی دارای عمر کاری به مراتب کمتری از سنسورهای الکترونیکی می باشند و احتمالا در دراز مدت هزینه بسیار بیشتری را موجب خواهند شد.
سوئیچ پدالی سطح
