مقدمه
امروزه اندازهگیری نقش بسیار مهمی در کنترل فرآیندها و در نهایت توسعهی صنعت ایفا می کند. یکی از مهمترین پارامترهایی که در طی فرآیند های مختلف در صنایع گوناگون همچون آب و فاضلاب، نفت و پتروشیمی، تولید برق، صنایع غذایی و… باید کنترل شود، سطح مواد گوناگون است. اندازهگیری اشتباه یا نامناسب، ممکن است ارتفاع محصول موجود در مخزن را بیشتر یا کمتر از مقدار واقعی آن نشان دهد. پایین آمدن سطح مخزن میتواند منجر به آسیب رسیدن به تجهیزات و خرابی پمپها شود. از سوی دیگر، بالا آمدن سطح مخزن نیز ممکن است سرریز شدن محصول و به خطر افتادن ایمنی را در پی داشته باشد. علاوه بر این موارد، سنجش صحیح سطح مخزن، در مصرف هزینه و زمان صرفهجویی میکند و موجب بهینهسازی عملکرد مجموعه خواهد شد. در این مقاله ابتدا به اهمیت اندازهگیری سطح میپردازیم و سپس توضیح مختصری دربارهی انواع آن میدهیم. در بخشهای بعدی به بررسی حسگر خازنی برای اندازهگیری سطح میپردازیم و ساختمان، روش کار، کاربردها، نکات صنعتی در نصب و انتخاب، مزایا و معایب آنها را بررسی میکنیم.
اهمیت اندازهگیری سطح
حفظ دقت اندازهگیری، کیفیت محصول، ایمنی مجموعه و راندمان اقتصادی مواردی هستند که استفاده از روشهای سطح سنجی را در یک فرآیند توجیه میکنند. اما روشهای اندازهگیری سطح بسیار وسیع است. محصول درون مخزن میتواند مایع، خمیر، توده انباشته (مانند سیمان و گندم) یا گاز مایع باشد. از طرف دیگر، شکل مخزن، سیلو یا حتی محفظههای متحرک، میتواند در انتخاب نوع تجهیز تأثیرگذار باشد. شکل زیر برخی از انواع ترانسمیترهای سطح را نشان میدهد که هریک برای کاربری خاصی طراحی شدهاند.
از موارد مهمی که باید در اندازهگیری سطح به آن توجه کرد شرایط اندازهگیری است، نوع مخزن و محیط اندازهگیری از جمله این شرایط است. مخازن سر بسته، مخازن سرباز، مخازن تحت فشار مواردی هستند که روشهای اندازهگیری در آنها متفاوت هستند. برای انتخاب نوع دستگاه مناسب برای اندازهگیری ارتفاع سطح، موارد زیر را باید در نظر گرفت :محدوده تغییرات ارتفاع سطح مایع، خصوصیات سیال مثل جرم مخصوص، تمیز یا کثیف بودن سیال، میزان بخارات یا ذرات جامد، خورندگی سیال، تمایل سیال به پوششدهی بر روی دیواره ظرف یا وسیله اندازهگیری، دما و فشار فرآیند، ترکیب شیمیایی، قوانین زیست محیطی، وجود ارتعاش، رطوبت.
انواع روشهای اندازهگیری سطح
اندازهگیری سطح را میتوان به طور کلی به دو دسته اندازهگیری نقطهای و پیوسته تقسیم کرد
اندازهگیری سطح به صورت نقطهای(Level switch) :
در اندازهگیری نقطهای سطح، سطح سیال در یک نقطه خاص اندازهگیری می شود، هدف از سنجش نقطهای، تعیین رسیدن یا نرسیدن ارتفاع ماده در تانک به یک مقدار مشخص میباشد، که به این کار سوییچ کردن می گوییم.
اندازهگیری سطح به صورت مداوم (continuous level measurement) :
در اندازهگیری پیوسته سطح، ارتفاع سیال درون مخزن به طور پیوسته اندازهگیری و کنترل می شود، در این حالت سوییچها کاربرد خاصی ندرند و باید از سطح سنجهایی استفاده شود که به طور پیوسته ارتفاع سیال را در هر نقطه اندازهگیری میکنند.
- سطح سنج شناوری(Float Level Switch):
با توجه به قانون ارشمیدس بر هر جسم شناور در سطح سیال یک نیروی رو به بالا وارد می شود، با بکارگیری این نیرو در سنسورهای شناوری میتوان ارتفاع سیال را اندازهگیری کرد. این نیرو منجر به جابجایی شناور در سطح سیال می شود، با تعیین محل شناور میتوان سطح سیال را اندازهگیری کرد. شناور به یک اهرم متصل است و با حرکت آن در سطح سیال جابجا میشود. اهرم یک سوییچ مکانیکی را تحریک میکند، این سوییچ را میتوان به عنوان یک کنتاکت بدون ولتاژ در مدار فرمان پمپی که مخزنی را پر یا خالی میکند به کاربرد. در صورتی که سطح سیال درون مخزن به ارتفاع مورد نظر برسد، سوییچ تحریک شده و فرمان توقف پمپ صادر میشود، تا از سرریزشدن مخزن جلوگیری شود. همچنین میتوان با قرار دادن یک خط کش درجه بندی شده در کنار اهرمی که به شناور متصل شده است، ارتفاع درون مخزن را به طور پیوسته نیز نمایش داد.
- سطح سنج خازنی و رسانایی (Conductivity /Capacitive Level switch):
یکی دیگر از روشهای اندازهگیری نقطهای سطح استفاده از اثر خازنی و یا هدایت الکتریکی است. این سطح سنج ها به سنسورهای RF(Radio Frequency) معروف می باشند. سنسورهای RF از طریق ورود یک میله فلزی به داخل مخزن با سیال در تماس می باشد. با اعمال ولتاژ به میله، تغییرات هدایت الکتریکی و یا خاصیت خازنی اندازهگیری می شود. تفاوت اصلی بین سنسورهای هدایت الکتریکی و خازنی در نوع و فرکانس ولتاژ اعمال شده به میله میباشد. سطح سنجهای خازنی قادر هستند به صورت گسسته و پیوسته به مانیتور کردن سطح مخزن بپردازند. این موضوع بخصوص برای مواد پودری که یکی از گزینهها برای انتخاب سطح سنج، سوئيچ سطح خازني میباشد اهمیت دارد. عملکرد سطح سنج طبق خاصیت خازنی ایجاد شده بين سطح مخزن و الکترود سنسور میباشد. خاصیت دی الکتریک خازن وقتی بیشتر میشود که مقدار مواد بین سطح مخزن و الکترود بیشتر شود درنتیجه خروجی که با ارتفاع مخزن متناسب است را میتوان محاسبه کرد. در نمونههاي گسسته سوئيچ سطح یا خروجي سوئيچ ، يک سنسور مجاورتي خازني میباشد . یکی از مزیت های اين روش پايداري عملکرد در مدت زمان طولاني و اندازهگيري نبود جزء متحرک میباشد. همانطور که گفته شد سطحسنج هاي خازني در مواد پودري يا گرانول و نیز براي تعیین نقاط مرزي دو مايع در مخزن با چگالی متفاوت کاربرد دارند.
- سطح سنج ارتعاشی (Vibrating Level switch):
سنسورهای ارتعاشی شامل یک تیغه میباشند که با فرکانس طبیعی نوسان میکند، چنانچه تیغه با سیال داخل مخزن برخورد نماید فرکانس نوسان آن تغییر خواهد کرد، میتوان با اندازهگیری این تغییر فرکانس، سطح سیال را در ارتفاع مورد نظر اندازهگیری کرد. سنسورهای ارتعاشی در دو نوع میلهای و دیاپازونی ساخته می شوند. سنسورهای دیاپازونی از دو شاخه که چنگاله گفته میشود ساخته شدهاند. شاخه ها با فرکانس طبیعی نوسان می کنند، هنگامی که سیال درون مخزن به سنسور میرسد و با شاخههای در حال نوسان برخورد میکند موجب تغییر فرکانس نوسان آنها میشود، با اندازهگیری این تغییر فرکانس، سطح سیال درون مخزن اندازهگیری میشود. سنسورهای دیاپازونی برای مایعات مناسب میباشند اما چنانچه مایع مورد نظر حاوی ذرات جامد باشد، احتمال گیرکردن این ذرات بین تیغههای سنسور وجود دارد لذا برای جامدات، بهتر است که از سنسورهای میلهای استفاده شود.
- سطح سنج با پره متحرک (Paddle Wheel switch):
این سنسورها از پرههایی تشکیل شدهاند که به کمک یک موتور الکتریکی و با دورکم به چرخش در میآیند. وقتی که سطح سیال بالا میآید و با این پرهها برخورد میکند، مانع چرخش پرهها میشود، در این زمان سوییچ عمل کرده و سطح سیال را نشان میدهد. این سنسورها بیشتر در اندازهگیری سطح جامداتی همچون سیلوهای گندم و سیمان بکار میروند و بسیار ساده، ارزان و قابل اطمینان هستند. تغییرات دما و چگالی برنحوه عملکرد این سنسورها تاثیر گذار نیست. چنانچه این سنسورها برای اندازهگیری سطح مایعات به کار گرفته شوند باید به این مساله توجه داشت که چسبندگی سیال، از میزان طراحی شده برای سنسور بیشتر نباشد.
این سنسورها نسبت به شوک و ارتعاش در سیستم حساس هستند و نباید در محلی که لرزش های زیادی وجود دارد نصب شوند. قبل از تعیین محل نصب سنسور باید محل ورودی و خروجی مواد جامد به مخزن و نحوه قرارگرفتن مواد و شیب آنها درون مخزن بررسی شود، سقوط اجسام از بالا نیز منجر به شکستن پرههای سنسور خواهد شد، لذا سنسور نباید در مسیر ورودی مخزن نصب شود. هنگامیکه سنسور در کنار مخزن نصب میشود باید شیبی به سمت پایین داشته باشد تا مواد اطراف پرهها نیز همزمان با پایین رفتن سطح مواد درون مخزن، به سمت پایین هدایت شود.
- سطح سنج های نوری (Beam Breaker switch):
سطح سنج های نوری از یک فرستنده و گیرنده نوری ساخته شدهاند و براساس بازتابش نور از سطح اجسام و یا عبور نور از درون سیال عمل میکنند. سوییچ های نوری انواع مختلفی دارند، نوع اول سنسورهایی هستند که گیرنده و فرستنده آنها در مقابل یکدیگر نصب می شوند، نوری که از فرستنده ساطع می شود تا زمانیکه به مانعی برخورد ننماید(مانند سطح مایع درون مخزن) درمسیر مستقیم حرکت کرده و به گیرنده میرسد. زمانی که سطح سیال بالا میآید و مابین گیرنده و فرستنده قرار میگیرد، پرتوهای نور در اثر وقوع پدیده شکست منحرف شده و به گیرنده نمی رسند، دراین زمان خروجی سطح سنج فعال شده و وجود سیال در ارتفاع مشخص را گزارش مینماید. در نوع دیگری از این سنسورها گیرنده و فرستنده در بالای مخزن و در کنار یکدیگر نصب میشوند. نوری که از فرستنده ساطع میشود، سنسور با اندازهگیری زمان رفت و برگشت نور، سطح سیال درون مخزن را اندازهگیری میکند.چنانچه ارتفاع سیال درون مخزن افزایش یابد زمان رفت و برگشت نور کاهش خواهد یافت.
جهت اندازهگیری گسسته سطح سیال از سنسورهای دیگری نظیر سنسور حرارتی و دیافراگمی نیز استفاده می شود که از کاربرد کمتری نسبت به سنسورهای معرفی شده برخوردار هستند.
انواع روشهای سطح سنجی پیوسته
- سطح سنج شناوری (Float Level switch):
از خاصیت شناوری هم در اندازهگیری نقطهای سطح گسسته و هم پیوسته استفاده می شود. در اندازهگیری پیوسته می توان به کمک مکانیزمهایی، موقعیت شناور را در هر نقطه داخل مخزن اندازهگیری و به اتاق کنترل ارسال کرد. یکی از روشها استفاده از وزنه و کابل میباشد. در این نوع از سطح سنج یک وزنه تعادل به وسیله کابل به شناوری که درون مخزن قرار گرفته متصل میشود. این وزنه تعادل همزمان با بالا و پایین رفتن شناور در اثر تغییر ارتفاع سیال درون مخزن، جابجا و ارتفاع سیال را بر روی درجه بندی که در بیرون از مخزن نصب شده است نمایش میدهد. وزنه تعادل کشیدگی کابل را هنگام بالا و پایین رفتن شناور حفظ میکند. به جای کابل میتوان از زنجیر نیز استفاده کرد. این سطح سنجها دقیق میباشند اما معایب مکانیکی همچون گیر کردن کابل و یا اصطکاک میان کابل و چرخ دندهها از دقت آنها میکاهد. هنگام نصب باید دقت شود که بخشهای مکانیکی سنسور با هوا و سیال تماس نداشته باشند زیرا این مساله موجب خوردگی و فرسایش تدریجی این قطعات می شود. این سنسورها به ندرت جهت ارسال سیگنال الکتریکی به کار می روند و تنها برای نمایش محلی ارتفاع سیال مناسب هستند و نصب آنها در مخازن با سقف بسته و تحت فشار نیازمند رعایت شرایط خاص مخزن خواهد بود. سطح سنج های شناوری تکنولوژی ساخت پیچیده ای ندارند و نسبت به انواع دیگر سطح سنجهای پیوسته ارزانتر بوده و اندازهگیری دقیق و قابل اطمینانی را فراهم مینمایند. با توجه به اینکه شناور و لوله آن به طور کامل درون سیال فرو میروند باید از مواردی که در برابر خوردگی مقاوم هستند، ساخته شوند. در هنگام نصب سنسور باید دقت شود که میله سنسور بصورت کاملا قائم درون سیال قرار گیرد و شناور به راحتی و آزادانه درون آن جابجا شود.
- سطحسنج تغییر مکانی:
سنسورهای تغییر مکانی نیز براساس اصل شناوری ارشمیدس طراحی میشوند. همانطور که گفته شد براساس این اصل هرگاه یک جسم درون مایعی غوطهور باشد، نیرویی رو به بالا و برابر با وزنش به آن وارد می شود که به آن نیروی شناوری گفته میشود.
طبق قانون ارشمیدس وقتی جسمی در مایع فرو میرود به اندازه وزن مایعی که جسم را در برمیگیرد، از وزن آن کاسته می شود. از این قاعده در ساخت سنسورهای تغییر مکانی استفاده میشود. در این سنسورها یک جسم جابجا شونده که به اهرمی متصل است، وارد مخزن میشود. هنگامیکه مخزن خالی است تمام نیروی وزن جسم جابجا شونده، به اهرم وارد شده و ترانسمیتر این نیرو را به عنوان سطح صفر سیال منظور میکند. در سنسورهای شناوری شناور تابع سطح سیال است و با تغییر سطح سیال به بالا و پایین می رود. با کاهش ارتفاع سیال شناور میتواند تا کف مخزن هم پایین برود. شناور همیشه در سطح سیال قرار دارد و ترانسمیتر با تعیین موقعیت آن، ارتفاع سیال را اندازهگیری می کند. اما در سنسورهای تغییر مکانی جسم جابجا شونده به طور کامل در سیال فرورفته و جابجایی آن با تغییر ارتفاع سیال بسیار محدود است. ترانسمیتر با اندازهگیری میزان تغییر نیروی وزن جسم جابجا شونده، در اثر افزایش یا کاهش ارتفاع سیال، سطح سیال درون مخزن را اندازهگیری میکند. تغییر نیروی وزن جسم جابجا شونده که با تغییر ارتفاع سیال متناسب است، را میتوان با روشهای مختلفی اندازهگیری کرد. محاسبه تغییر نیروی وارده به یک فنر و یا محاسبه تغییرات گشتاور وارده به یک میله از پرکاربردترین تکنیک هایی هستند که بدین منظور بکار گرفته میشوند.
- سطح سنج آلتراسونیک:
در سنسورهای اولتراسونیک و یا مافوق صوت از اصل انعکاس امواج استفاده میشود، ترانسمیتر امواج اولتراسونیک صوت را تولید و به سطح سیال ارسال میکند، این امواج پس از برخورد با سطح سیال برگشت داده می شوند، یک گیرنده امواج برگشت شده از سطح سیال را دریافت میکند، ترانسمیتر با محاسبه زمان رفت و برگشت امواج، ارتفاع سیال را اندازهگیری میکند. در اندازهگیری سطح در مواردی که امکان تماس با سطح سیال وجود نداشته باشد، می توان از سطحسنج های اولتراسونیک استفاده کرد. ارتفاع مخزن به عنوان اطلاعات اولیه به ترانسمیتر داده شده است و ترانسمیتر با اندازهگیری فضای خالی مخزن، ارتفاع سیال درون آن را محاسبه می کند. دقت این سنسورها به میزان بازگشت امواج از سطح سیال بستگی دارد. در مخازنی که سطح سیال آرام و بی تلاطم است، امواج به خوبی بازگشت میشوند، اما حضور حباب، بخار و ذرات گرد و غبار غلیظ در سطح سیال موجب جذب امواج شده و دقت اندازهگیری کاهش می یابد. همچنین هرچه امواج فاصله بیشتری را طی کنند از قدرت آنها کاسته میشود و میزان امواج بازگشت داده شده به سمت سنسور کمتر میشود لذا در صورتی که ارتفاع مخزن زیاد باشد باید از ترانسمیترهایی استفاده شود که امواج پرقدرت و با زاویه کمتری ارسال میکنند.