تجهیزات اندازه گیری سطح (Level)

 

ازمتغیرهایی که در صنایع فرآیندی به منظور کنترل واکنش های شیمیایی و صنعتی و جلوگیری از سرریز شدن سیالات خطرناک مورد سنجش و اندازه گیری فراوان قرار می گیرد سطح سیال می باشد.سیال می تواند به صورت مایع و یا ترکیبی از مایع و گاز و جامد یا دو مایع با چگالی های مختلف باشد. هنگام انتخاب تجهیزات اندازه گیری سطح می بایست به پارامترهای متعددی جهت جلوگیری از به وجود آمدن صدمات جبران ناپذیر به محیط زیست و نیروی انسانی و تجهیزات توجه نمود که از آن جمله می توان به تغییرات چگالی در اثر تغییرات دما ، چسبندگی سیال ، وجود حباب یا کف درون سیال ،وجود تلاطم و گازها و بخارات داخل مخزن اشاره نمود.
در حالت کلی اندازه گیری سطح به دو روش انجام می پذیرد:

الف-اندازه گیری مستقیم :در این روش حسگر به صورت مسـتقیم سطح سیال را مشاهده کرده و پارامترهای دیگر سیال همچون فشار و دما در روش اندازه گیری استفاده نمی شوند سنسورهای شناوری (Float Type) ،لرزشی (Vibration) وهمچنین سنسورها با روش اندازه گیری (TOF (Time Of Flight مانند مافوق صوت(Ultrasonic) یارادار از همین روش برای اندازه گیری سطح استفاده می نمایند.

ب- اندازه گیری غیر مستقیم: در این روش از متغیرهایی همچون اختلاف فشار بالادست و پایین دست جهت مشخص نمودن ارتفاع سیال استفاده می شود.جهت اجتناب از خطاهای احتمالی در این روش پارامترهای دیگر سیال نیز می بایست مورد بررسی و توجه قرار گیرد.
سطح سنجها انواع مختلفی دارند که هر یک برای کاربردی خاص طراحی و به بازار عرضه می گردند در ذیل به برخی از مهمترین تجهیزاتی که تا کنون برای اندازه گیری سطح مورد استفاده قرار گرفته اند( به ترتیب از ساده ترین تا پیچیده ترین ) اشاره نموده و با نحوه عملکرد آنها به صورت مختصر آشنا می شویم:

1- نشانگر سطح (Level Gauge)

این نوع سطح سنج ها به صورت فیزیکی جهت نمایش سطح استفاده شده و عموما” دارای یک محفظه بوده و به صورت موازی با مخزن نصب می شوند. جهت نمایش سطح می بایست سیال با تجهیز مربوطه از ناحیه زیرین در ارتباط باشد از انواع متداول این نوع سطح سنج ها می توان به موارد ذیل اشاره نمود:
– نمایشگرهای شیشه ای (Gauge Glass)
– نمایشگرهای انعکاسی (Reflex Level Gauge)
– سطح سنج های حاوی شناور مغناطیس (Magnetic float level gauge)
در نوع اخیر، گوی مغناطیسی می بایست هم تحمل فشار کاری سیال را داشته باشد و هم حالت غوطه وری خود رابر روی سیال حفظ نماید تا با حرکت همزمان خودبا سطح سیال ؛ پره های مغناطیسی داخل محفظه جانبی خود را به حرکت درآورده و نشانگر سطح سیال مخزن متصل به خود باشد. در این حالت می توان با نصب سوییچ های متعدد در طول تجهیز در موارد لزوم ،فرمان مناسب را به صورت الکتریکی برای اتاق کنترل ارسال نمود.

2- نشانگرهای نقطه ای سطح (Point Level Switch)

این نوع نشانگر ها سطح سیال را در یک نقطه مشخص از مخزن نمایش می دهند به عبارت دیگر با این نوع تجهیزات تنها می توان فهمید که سطح سیال از یک میزان مشخص بیشتر یا کمتر شده است از انواع رایج این نوع سطح سنج ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
– سطح سنجهای دارای شناور (Float Level switch)
این نوع تجهیزات می توانند به صورت عمود (شناور بازویی) و یا از بالا (شناور های متصل به اهرم) به مخزن وصل گردند اما نحوه عملکرد همه آنها با استفاده از قانون ارشمیدس بوده و عموما تغییر در زاویه شناور باعت تحریک سوییچ به وسیله آهنربا متصل به شناور شده و خروجی سنسور را فعال می نمایید.
– سطح سنج های خازنی (Capacitive Level Switch)
سنسورهای تجهیزات فوق که به سنسورهای (Radio Frequency(RF نیز مشهور می باشند مانند دو صفحه یک خازن عمل کرده وسیال را به عنوان یک ماده نارسانا در بین خود جای می دهند ؛تغییردر ضریب دی الکتریک ماده نارسانا(سیال) نشانگر رسیدن سیال به سطح مورد نظر و یا عدم حضور آن در نقطه تعیین شده می باشد.
– سطح سنج های رسانایی (Conductivity level switch)
این نوع سطح سنج ها عملکردی مشابه سطح سنج های خازنی داشته با این تفاوت که در این نوع تجهیزات از هدایت الکتریکی جهت نشان دادن سطح استفاده می شود و بر عکس سنسور های خازنی که در آنها از ولتاژبا فرکانس بالا و جریان متناوب استفاده می شود در این تجهیزات فرکانس جریان متناوب پایین بوده و گاها ” نیز از جریان مستقیم استفاده می گردد.
-سطح سنج ارتعاشی (Vibrating level switch)
سنسورهای ارتعاشی عموما” دارای یک نوسان کننده با فرکانس نوسانی مشخص می باشد که فرکانس مربوطه با برخورد سیال (در نقطه از پیش تعیین شده )به سنسور تغییر کرده و این تغییر نشانگر رسیدن سطح سیال به ارتفاع مشخص شده می باشد.
– سطح سنج پره ای (Paddle type Level Switch)
سنسور مربوط به این سطح سنج ها دارای پره های گردن بوسیله موتور الکتریکی بوده که در اثر برخورد سیال به پره حرکت پره کند شده و سوییچ عمل می نماید.
– سطح سنج های نوری (Beam Breaker switch)
این نوع سطح سنج ها شامل یک فرستنده و گیرنده نوری بوده و از انعکاس نور( پس از برخورد آن با سیال) برای تشخیص ارتفاع سیال استفاده می نمایند.

3-نشانگرهای پیوسطه سطح (Continues Level Transmitter)

– این نوع سطح سنج ها هنگامی مورد استفاده قرار می گیرند که لزوم اندازه گیری ارتفاع سیال به صورت پیوسته و دائم احساس می گردد.عموما “این نوع تجهیزات مجهز به نمایشگر محلی و یا سیستمی جهت ارسال سیگنال به اتاق کنترل می باشند که از متداول ترین آنها می توان به موارد ذیل اشاره نمود:
– سطح سنجهای اختلاف فشار (Differential pressure level transmitter)
این نوع سطح سنج ها با اندازه گیری اختلاف فشار در دو ارتفاع متفاوت سیال و با مشخص بودن چگالی سیال و فشار وارد بر سطح آن به اندازه گیری ارتفاع سیال می پردازند.این نوع اندازه گیری برای مخازن بدون سقف و مخازن تحت فشار مورد استفاده قرار می گیرد.
– سطح سنج های سروموتوری (Servo Level Transmitter)
این سنسورها در حقیقت ارتقاء یافته سطح سنج های تغییر مکانی می باشند،با این تفاوت که جسم غوطه ور در این نوع تجهیزات با چگالی بیشتری نسبت به سیال بوده و یک سیستم اندازه گیری وزن به صورت پیوسته نیروی وارده از طرف سیال به شناور را اندازه گیری می نماید، کاهش یا افزایش این نیرو (که خود به دلیل تغیر ارتفاع سطح سیال می باشد) سبب ارسال فرمان به سرووموتور و جابه جایی شناور شده ومیزان تغییر مکان شناور در واقع برابر با میزان تغییر ارتفاع سیال می باشد.
-سطح سنج های ما فوق صوت (Ultrasonic Level Transmitter)
در سطح سنج های مافوق صوت از سیستم (Time of Flight(TOF جهت اندازه گیری ارتفاع سیال استفاده می شود؛ بدین ترتیب که از يك پالس توسط يك كريستال پيزوالكتريك از سوی ترانسمیتر توليد و ارسال مي شودو این امواج پس از برخورد به سطح سیال توسط یک گیرنده متصل به تجهیز دریافت می گردد.زمان این رفت و برگشت توسط دستگاه محاسبه شده و با توجه به ثابت بودن سرعت امواج سطح سیال مورد اندازه گیری قرار می گیرد. از جمله مشكلات ناشی از این نوع اندازه گیری مي توان به بازتابهاي اشتباه توسط دیواره تانک یا سایر موانع موجود در تانک اشاره داشت . اين مشكل با نصب سنسور در موقعیت مناسب و حذف بازتابهای غلط درزمان کالیبراسیون و خالی بودن تانک كمتر مي شود.از موارد دیگر نیز می توان به وجود تلاطم در سطح سیال و یا تغییر در ترکیب گاز بالای سطح سیال اشاره نمود که سبب خارج شدن دستگاه از کالیبراسیون می شود.
– سطح سنج های راداری (Radar Level Transmitter)
این نوع سطح سنجها از امواج طیف میانی(3 تا 30 گیگا هرتز) امواج الکترو مغناطیس (رادار) جهت اندازه گیری سطح استفاده می نمایند.این نوع تجهیزات برای اندازه گیری سطح موادی که ثابت دی الکتریک آنها بزرگتراز 1.8 می باشد استفاده می گردد. از آنجاییکه ثابت دی الکتریک در بسیاری از گازها و بخارها کمتر از این مقدار می باشد این تجهیزات برای سنجش ارتفاع مخازنی که در بالای سیال خود دارای بخار و گاز می باشند (به دلیل عدم ایجاد اختلال در امواج رادار)گزینه مناسبی می باشند.
– سطح سنج های رادیو اکتیو (Radioactive Level Transmitter)
در این نوع تجهیزات عموما” از یک منبع رادیو اکتیو (Source)که ساتع کننده امواج رادیو اکتیو (معمولا” گاما )بوده و یک گیرنده (Detector ) که به صورت مجزا در بیرون از مخزن و روبروی یکدیگر قرار دارند استفاده می شود.سیستم عملکردی این تجهیزات بدین ترتیب است که اشعه گاما که عمدتا”از چشــــــــمه رادیو اکتیو ســـــــــــــزیوم با ایزوتوپ 137 (Cs 137) و یا کبالت با ایزوتوپ 60 (Co 60)ساتع می گردد و قابلیت عبور از همه مواد را دارا می باشد ؛پس از عبور از دیواره مخزن و مواد داخل آن و کاهش میزان انرژی به گیرنده مربوطه که خود شامل سه قسمت اصلی : آشکار سازیا Scintillator،افزاینده فوتوالکتریک یا (Photomultiplier(PMTویک مدار تحلیلگریا Evaluation circuit می باشد برخورد می نماید.از برخورد اشعه به آشکار ساز فلاشهای نوری تولید شده که افزاینده فوتو الکتریک آنها را در مرحله بعد به پالس های الکتریکی تقویت شده ای تبدیل می نماید که میزان آنها در واحد ثانیه نشان از قدرت تشعش رسیده شده به دیتکتور دارد؛ در صورتی که مواد داخل مخزن انرژی ساتع شده از چشمه را کاهش داده باشند پالس های دریافتی به مدار تحلیلگر کمتر بوده و این بدان معنی است که سطح سیال داخل مخزن تغییر نموده است.بدین ترتیب با کالیبراسیون اولیه این تجهیزات بر اسلس تعدادپالس دریافتی در حالت پر و خالی قابلیت سنجش دقیق ارتفاع سیال درون مخزن فراهم می گردد.

 

انواع سطح سنج

سطح سنج هایی که به طور پیوسته ارتفاع سیال را در هر نقطه درون مخزن اندازه گیری می کنند به انواع زیر تقسیم می شوند:

1-سطح سنج شناوری Float Level Switch

از خاصیت شناوری هم در اندازه گیری نقطه ای سطح گسسته و هم پیوسته استفاده می شود. در اندازه گیری پیوسته می توان به کمک مکانیزم هایی، موقعیت شناور را در هر نقطه داخل مخزن اندازه گیری و به اتاق کنترل ارسال کرد. یکی از روش ها استفاده از وزنه و کابل می باشد. در این نوع از سطح سنج یک وزنه تعادل به وسیله کابل به شناوری که درون مخزن قرار گرفته متصل می شود. 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 می دهد. وزنه تعادل کشیدگی کابل را هنگام بالا و پایین رفتن شناور حفظ می کند. به جای کابل می توان از زنجیر نیز استفاده کرد. این سطح سنج ها دقیق می باشند اما معایب مکانیکی همچون گیر کردن کابل و یا اصطکاک میان کابل و چرخ دنده ها از دقت آنها می کاهد. هنگام نصب باید دقت شود که بخش های مکانیکی سنسور از تماس با هوا و سیال در امان بمانند. 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 سنج های پیوسته ارزانتر بوده و اندازه گیری دقیق و قابل اطمینانی را فراهم می نمایند. با توجه به اینکه شناور و لوله آن به طور کامل درون سیال فرو می روند 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.

2-سطح سنج های تغییر مکانی

سنسورهای تغییر مکانی نیز براساس اصل شناوری ارشمیدس طراحی می شوند. همانطور که گفته شد براساس این اصل هرگاه یک جسم درون مایعی غوطه ور باشد، نیرویی رو به بالا و برابر با وزنش به آن وارد می شود که به آن نیروی شناوری گفته می شود.
طبق قانون ارشمیدس وقتی جسمی در مایع فرو می رود به اندازه وزن مایعی که جسم را در برمیگیرد، از وزن آن کاسته می شود. از این قاعده در ساخت سنسورهای تغییر مکانی استفاده می شود. در این سنسورها یک جسم جابجا شونده که به اهرمی متصل است، وارد مخزن می شود. هنگامیکه مخزن الی است تمام نیروی وزن جسم جابجا شونده، به اهرم وارد شده و ترانسمیتر این نیرو را به عنوان سطح صفر سیال منظور می کند. وقتی سیال وارد مخزن می شود و بخشی از جسم جابجا شونده را در برمی گیرد، همزمان با افزایش نیروی شناوری سیال، از میزان نیروی وزن جسم، که به اهرم وارد می شود کاسته می شود. ترانسمیتر سطح با اندازه گیری این تغییر نیرو، ارتفاع سیال درون مخزن را محاسبه می کند.

تفاوت سنسور تغییر مکانی با سنسور شناوری

در سنسورهای شناوری شناور تابع سطح سیال است و با تغییر سطح سیال به بالا و پایین می رود. با کاهش ارتفاع سیال شناور می تواند تا کف مخزن هم پایین برود. شناور همیشه در سطح سیال قرار دارد و ترانسمیتر با تعیین موقعیت آن، ارتفاع سیال را اندازه گیری 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 اندازه گیری میزان تغییر نیروی وزن جسم جابجا شونده، در اثر افزایش یا کاهش ارتفاع سیال، سطح سیال درون مخزن را اندازه گیری می کند. تغییر نیروی وزن جسم جابجا شونده که با تغییر ارتفاع سیال متناسب است، را می توان با روشهای مختلفی اندازه گیری 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 می شوند.

3-سطح سنج اختلاف فشاری Differential Pressure Level Transmitters

همان طور که میدانیم فشار را می توان براساس نحوه عملکرد مانومترها و با محاسبه فشار ستونی از مایع اندازه گیری کرد. در سطح سنج هایی که براساس محاسبه فشار کار می کنند می توان طبق رابطه زیر با اندازه گیری فشار و معلوم بودن مقدار چگالی سیال(ρ) ارتفاع ستون مایع درون مخزن را بدست آورد:

(Pabs=P+(ρ*g*H

در این رابطه P فشار گازها و بخارات بالای مخزن است که در مخازن بدون سقف با فشار جو در منطقه برابر می باشد. جهت محاسبه ارتفاع سیال درون یک مخزن با این روش، نیاز است که فشار ستون مایع و فشار بالای مخزن اندازه گیری شوند. بدین منظور ترانسمیتر های اختلاف فشاری ساخته شده اند که با محاسبه اختلاف فشار مخزن، سیگنالی متناسب با ارتفاع سیال درون آن ارسال می کنند. فشاری که در این حالت اندازه گیری می شود فشار استاتیک مایعی می باشدکه در حالت سکون درون مخزن قرار دارد. لذا به این روش روش اندازه گیری هیدرواستاتیک سطح نیز گفته می شود. اندازه گیری سطح با این روش پیچیدگی خاصی ندارد و استفاده از این نوع سنسورها به دلیل سادگی و قیمت پایین بسیار فراگیر شده است.

4- سطح سنج اولتراسونیک Ultrasonic Level Transmitters

در سنسورهای اولتراسونیک و یا مافوق صوت از اصل انعکاس امواج استفاده می شود، ترانسمیتر امواج اولتراسونیک صوت را تولید و به سطح سیال ارسال می کند، این امواج پس از برخورد با سطح سیال برگشت داده می شوند، یک گیرنده امواج برگشت شده از سطح سیال را دریافت می کند، ترانسمیتر با محاسبه زمان رفت و برگشت امواج، ارتفاع سیال را اندازه گیری می کند. در اندازه گیری سطح در مواردی که امکان تماس با سطح سیال وجود نداشته باشد، می توان از سطح سنج های اولتراسونیک استفاده کرد. ارتفاع مخزن به عنوان اطلاعات اولیه به ترانسمیتر داده شده است و ترانسمیتر با اندازه گیری 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 می شوند، اما حضور حباب، بخار و ذرات گرد و غبار غلیظ در سطح سیال موجب حذب امواج شده و دقت اندازه گیری کاهش می یابد. همچنین هرچه امواج فاصله بیشتری را طی کنند از قدرت آنها کاسته می شود و میزان امواج بازگشت داده شده به سمت سنسور کمتر می شود لذاا در صورتی که ارتفاع مخزن زیاد باشد باید از ترانسمیترهایی استفاده شود که امواج پرقدرت و با زاویه کمتری ارسال می کنند.

5-سطح سنج راداری Radar Level Transmitters

امواج راداری که مخفف Radio Detection and Ranging و به معنای تشخیص رادیویی و مسافت یابی می باشند، در اواخر دهه 1390 و در صنایع نظامی جهت تخمین مسافن های هوایی ارائه شد. از آن زمان به بعد رادار علاوه بر کاربردهای نظامی در حوزه های از جمله سیستم ناوبری کشتی و هواپیما، هواشناسی، وسیایل خانگی و … یه کار گرفته شد. در حدود 50 سال است که با ساخت سنسورهای راداری از این امواج جهت اندازه گیری ارتفاع سیال درون مخزن نیز استفاده می شود. امواج راداری در حقیقت امواج الکترومغناطیس هستند، طیف وسیعی از امواج همچون امواج رادیویی و تلویزیونی، امواج تلفن همراه و رادیواکتیو ایکس و گاما در محدوده امواج الکترومغناطیسی قرار می گیرند. در استفاده از امواج الکترومغناطیسی مساله ایمنی بسیار مهم است و امواج راداری مورد استفاده در ترانسمیترهای راداری از این حیث کاملا ایمن می باشند. فرکانس کاری این امواج در محدوده 3 تا 30 گیگاهرتز می باشد. این محدوده کاملا ایمن می باشد. میزان انرژی لازم جهت ارسال امواج رادار نیز در یک محدوده ایمن قرار دارد و از انرژی امواج ارسالی در وسایل خانگی نیز کمتر می باشد. انرژی امواج ارسالی ترانسمیترهای راداری در حدود 3 درصد انرژی نشتی مجازی است که وسایل خانگی نشت می کند.
سطح سنج راداری با ارسال امواج به سطح سیال، فضای خالی مخزن را اندازه گیری می کنند و با کسر مقدار اندازه گیری شده از ارتفاع واقعی مخزن که به عنوان مقدار اولیه به ترانسمیتر داده شده است، ارتفاع مایع درون مخزن را محاسبه می کنند.

6-سطح سنج رادیواکتیو

نوع دیگری از سنسورهای اندازه گیری سطح، از ارسال و دریافت امواج رادیواکتیو استفاده می کنند. این سنسورها بیرون از مخزن نصب می شوند و یک منبع رادیواکتیو امواج را به درون مخزن می فرستد، امواج ارسالی توسط گیرنده رادیواکتیو که در سمت دیگر مخزن نصب شده است، دریافت و به سیگنال الکتریکی متناسب با سیستم کنترل تبدیل می شوند. وقتی که مخزنی خالی است میزان امواج دریافتی بیشتر می باشد و هنگامیکه سیال در مسیر امواج قرار می گیرد مقداری از امواج ارسالی منحرف شده و به گیرنده نمی رسند.
امواج رادیو اکتیو در محدوده خطرناک برای انسان قرار دارند، لذا منبع ارسال امواج رادیواکتیو باید به گونه ای طراحی شود که هیچگونه خطری برای نفرات شاغل در واحد صنعتی نداشته باشد. این منبع مجموعه ای از امواج رادیواکتیو را بصورت موازی با مخزن ارسال می کند و از انتشار امواج به جهت های دیگر جلوگیری می کند. نیرو و انرژی امواج ارسالی وابسته به ضخامت مخزن و فاصله بین منبع رادیواکتیو و گیرنده امواج و چگالی سیال درون مخزن می باشد.

7-سطح سنج سروو موتوری Servo Level Transmitter

سطح سنج های سروو موتوری در دهه 1950 به بازار معرفی شدند این سنسورها در حقیقت ارتقاء یافته سطح سنج های تغییر مکانی می باشند، در این سطح سنج ها جسم جابجا شوند به یک وزنه به قطر تقریبا 50 میلیمتر و با چگالی بالاتر از چگالی سیال مورد اندازه گیری تبدیل شده است. مبنای کار اندازه گیری در این سطح سنج ها نیز بر اساس اندازه گیری نیروی شناوری ارشمیدوس می باشد. استفاده از فناوری زیرپردازنده امکان تصحیح بسیاری از خطاهای محیطی از قبیل وزن و یا تغییر شکل مخزن که به علت وجود فشار هیدرواستاتیکی به وقوع می پیوندد را فراهم نموده است.