روشهای اندازه گیری سطح مخازن

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، ابتدایی‌ترین و باستانی‌ترین روش اندازه‌گیری سطح، روش اندازه‌گیری توسط یک میله یا خط هادی مدرج شده است. این روش از سال‌های بسیار دور برای تعیین سطح آب زیر کشتی‌ها و سنجش عمق چاه‌های 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 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.

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 و اتصال آن به شفت پولی، قابلیت تبدیل شدن به یک سیستم اندازه گیری الکترونیکی را دارا می باشد.

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 می‌باشد و سطح مقطع داخلی مخزن نیز معلوم است، گزینه‌ی مناسبی برای اندازه‌گیری پیوسته سطح مواد توسط لودسل‌ها به شمار می‌رود. سطح اندازه‌گیری شده در این روش با استفاده از فرمول زیر محاسبه می‌شود (وزن مخزن و سطح مقطع در روابط زیر معلوم هستند):

سطح = وزن / (چگالی × سطح مقطع)

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.

۲)     اندازه گیری سطح به روش هیدرواستاتیک

یکی از ساده‌ترین و قابل اعتماد‌ترین روش‌ها برای اندازه‌گیری پیوسته سطح سیالات، روش هیدرواستاتیکی یا استفاده از سنسورهای فشار است. در این روش، فشار حاصل از مواد سیال درون مخزن بر روی دیافراگم ترانسمیترهای فشار قرار می‌گیرد که رابطه مستقیمی با سطح مواد دارد و اندازه‌گیری می‌شود. سپس با استفاده از یک فرمول، فشار به میزان ارتفاع یا سطح سیال تبدیل می‌شود.

در مخازنی که قسمت بالای آنها باز است، نصب یک سنسور فشار در انتهای مخزن کافی است. اما در مخازنی که سطح فوقانی آنها کاملاً بسته است، به دلیل ایجاد فشار مضاعف در ناحیه خالی مخزن، نیاز است که فشار این ناحیه نیز توسط سنسور دیگری که در بالای مخزن نصب می‌شود، اندازه‌گیری شود. برای این منظور، معمولاً از سنسورهای فشار دیفرانسیلی (DP) استفاده می‌شود.

• • • 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 عدد سنسور فشار :

h = (p_۲ – p_۱) / ((ρ * g)

p_۲ = hydrostatic pressure [bar]

p_۱= 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

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.

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. این محصول را با بالاترین کیفیت رقابتی با سایر محصول های خارجی و با خروجی های استاندارد صنعتی، تولید مینماید.

۵)     اندازه گیری سطح توسط سنسورهای التراسونیک

استفاده از امواج مافوق صوت نیز همانند سنسورهای رادار مربوط به تکنولوژی TOF می شود. در این روش نیز، امواج آلتراسونیک توسط یک فرستنده به سمت مواد داخل مخزن ارسال می‌شوند. مدت زمانی که طول می‌کشد تا اکوی این سیگنال به گیرنده برسد، اندازه‌گیری می‌شود و در نهایت به سطح مواد داخل مخزن تبدیل می‌شود. سنسورهای آلتراسونیک در دو نوع اندازه‌گیری پیوسته و نقطه‌ای در دسترس هستند. 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.

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.

افتخار دارد تا به عنوان اولین تولید کننده سنسورهای مگنتواستریکتیو در ایران و خاورمیانه ، در خدمت مشتریان و هم وطنان عزیز باشد.

۷)     اندازه گیری سطح توسط سنسورهای رادیومتریک

در این روش، فرستنده از ایزوتوپ‌های خفیف رادیواکتیو استفاده می‌کند تا امواج گاما متمرکز شده‌ای را از خود ساطع کند. این امواج توسط یک گیرنده که در سمت دیگر دیواره مخزن نصب شده است، دریافت می‌شود.

تغییر سطح مواد داخل مخزن، رابطه مستقیمی با میزان امواج دریافتی توسط گیرنده دارد. در مراحل بعدی، این تغییر توسط مدارات واسط به خروجی پیوسته استاندارد تبدیل می‌شود. بزرگترین مزیت این روش، نصب بیرون از مخزن است که در هیچ کدام از روش‌های دیگر دیده نمی‌شود.

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 می‌باشد. با استفاده از یک منشور شیشه‌ای، هنگامی که سطح سیال به منشور می‌رسد، خروجی سوئیچ استاندارد صنعتی (مانند رله، NPN و PNP) در اختیار کاربر قرار می‌گیرد. از ویژگی‌های سوئیچ سطح نوری می‌توان به عدم تأثیر پذیری از بخار و رطوبت، ضد اسید بودن، سادگی در نصب و عدم وجود بخش متحرک و عدم نیاز به کالیبراسیون اشاره کرد.

انواع مختلفی از سنسور نوری سطح سنج مایعات را طراحی و تولید می نماید.

۹)      آشکار سازی سطح توسط سنسور تیونینگ فورک یا دیاپازونی

یکی از کاربردی‌ترین نوع سنسورهای سوئیچ نقطه‌ای سطح در مایعات و جامدات، سوئیچ‌های تیونینگ فورک یا دیاپازونی هستند. اصول کار این حسگرها بر پایه نوسان دو شاخک سندر است. در حالت نرمال که مواد داخل مخزن به سطح شاخک نرسیده‌اند، گیرنده پیزوالکتریک دارای یک اسیلاتور طبیعی است. وقتی مواد به سطح شاخک‌ها رسیده و آنها را فشرده می‌کنند، فرکانس اسیلاتور کاهش می‌یابد. این کاهش فرکانس توسط مدارهای رابط تشخیص داده می‌شود و خروجی استاندارد صنعتی مانند رله یا خروجی‌های ترانزیستوری تولید می‌شود. سنسورها به یک محرک پیزوالکتریک متصل هستند.

در حالت نرمال که مواد داخل مخزن به سطح شاخک نرسیده‌اند، گیرنده پیزوالکتریک دارای یک اسیلاتور طبیعی است. پس از رسیدن مواد و در برگرفته شدن شاخک‌ها توسط این مواد، فرکانس این اسیلاتور کاهش می‌یابد. این کاهش فرکانس توسط مدارات رابط تشخیص داده شده و خروجی استاندارد صنعتی مانند رله یا خروجی‌های ترانزیستوری تولید می‌شود. مهمترین ویژگی سنسورهای سطح دیاپازونی، عدم نیاز به کالیبراسیون، عدم تأثیرپذیری از رطوبت و دمای محیط و همچنین نصب و راه‌اندازی آسان است.

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 استفاده می‌شود. سنسور سطح پدالی یک سیستم الکترومکانیکی دوار است که اصول کاری آن بر پایه چرخش یک پدال یا پره توسط یک موتور دور پایین است. هنگامی که این پدال با مواد درگیر می‌شود، یک حرکت هرزگرد ایجاد می‌شود. این حرکت هرزگرد باعث تحریک یک میکروسوئیچ می‌شود تا خروجی مورد نیاز در دسترس قرار گیرد.

سادگی ساخت این سنسور سبب شده است که قیمت آن نسبتاً پایین باشد و از این رو، در صنعت استفاده گسترده‌ای داشته باشد. اما باید به خاطر داشت که سیستم‌های دوار الکترومکانیکی دارای عمر کاری به مراتب کمتری نسبت به سنسورهای الکترونیکی هستند. در نتیجه، احتمالا در طولانی‌مدت، هزینه‌های بسیار بیشتری را به دنبال خواهند داشت.