انواع روشهای اندازه گیری سطح مخازن

روش‌های مستقیم یا مکانیکی اندازه‌گیری سطح

روش‌های مستقیم عموماً ساده و کم‌هزینه‌اند و برای کاربردهای کم‌حجم یا غیرخودکار مناسب هستند. اما معایبی مانند نیاز به نیروی انسانی، دقت محدود، و عدم امکان اتصال مستقیم به سیستم‌های کنترلی آنلاین دارند. در ادامه سه روش متداول بررسی می‌شود که هر یک برای شرایط خاصی مناسب است.

1) میله مدرج (روش سنتی)

ابتدایی‌ترین روش اندازه‌گیری سطح استفاده از یک میله یا خط هادی مدرج است. این روش در تعیین سطح روغن موتور، عمق چاه یا میزان مایعات در بشکه‌ها کاربرد دارد. مزیت اصلی آن سادگی و هزینه کم است و در بهترین حالت دقت حدود 1 میلی‌متر حاصل می‌شود. معایب شامل تماس فیزیکی، نیاز به اپراتور، تکرارپذیری پایین و نبود قابلیت اتصال آنلاین به سیستم کنترلی است.

2) شیشه سطح (Sight Glass)

شیشه سطح در کنار بدنه مخزن نصب می‌شود و سطح سیال را به‌صورت بصری نشان می‌دهد. این روش در بویلرها، اواپراتورها، کندنسرها و تانک‌های ساده کاربرد دارد و معمولاً زمانی انتخاب می‌شود که ابزارهای الکترونیکی مناسب نباشند. مزایا: سادگی و قابل‌اطمینان بودن؛ معایب: احتمال کثیف شدن یا شکستگی، نیاز به بازرسی چشمی و محدودیت در محیط‌های سخت یا خورنده.

3) زنجیر یا گیج شناور

در این روش یک شناور روی سطح سیال حرکت می‌کند و با اتصال زنجیر یا سیم به پولی و تبدیل حرکت چرخشی شفت پولی به نشانگر مدرج یا سیگنال الکترونیکی (پتانسیومتر، انکودر یا سنسور زاویه) می‌توان سطح را تعیین کرد. این روش نسبت به میله و شیشه قابل‌اعتمادتر و مناسب برای تبدیل به سیستم‌های الکترونیکی است، اما مانند روش‌های مکانیکی دیگر نیاز به نگهداری و کالیبراسیون دارد.

روش‌های غیرمستقیم اندازه‌گیری سطح

در این گروه با استفاده از ترانسدیوسرها، پارامترهای فیزیکی مانند فشار، وزن، امپدانس یا بازتاب امواج به سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شوند. این روش‌ها قابلیت کار در حالت پیوسته و اتصال به سیستم‌های کنترل را فراهم می‌کنند و بسته به کاربرد، دقت و هزینه متفاوتی دارند.

1) اندازه‌گیری وزن توسط لودسل‌ها

وقتی چگالی ماده ثابت و مقطع داخلی مخزن معلوم باشد، می‌توان با اندازه‌گیری وزن کل مخزن (با لودسل) سطح را محاسبه کرد. روابط پایه‌ای که در طراحی سیستم به کار می‌روند عبارتند از: Level = Volume / Surface area و Volume = Weight / Density. این روش مناسب سیلوها و مخازنی است که تغییرات دما یا چگالی اندک است.

2) اندازه‌گیری سطح به روش هیدرواستاتیک (سنسور فشار)

روش هیدرواستاتیک یکی از ساده‌ترین و قابل‌اطمینان‌ترین روش‌های اندازه‌گیری پیوسته سطح مایعات است. فشار هیدرواستاتیک وارده بر دیافراگم ترانسمیتر به‌طور مستقیم با ارتفاع ستون سیال مرتبط است. در مخازن باز قرار دادن یک سنسور فشار در کف کافی است؛ در مخازن بسته معمولاً از سنسورهای اختلاف فشار (DP) برای حذف اثر فشار گاز بالای مایع استفاده می‌شود.

فرمول‌ها

برای مخزن باز: h = p / (ρ · g)
p = فشار هیدرواستاتیک (بار گِیج)، ρ = چگالی مایع (kg/m³)، g = شتاب ثقل (m/s²), h = ارتفاع ستون مایع (m).

برای مخازن بسته با دو سنسور فشار: h = (p₂ − p₁) / (ρ · g)
p₂ = فشار هیدرواستاتیک، p₁ = فشار گاز بالای مایع.

3) اندازه‌گیری سطح توسط سنسورهای رادار (مایکروویو)

سنسورهای رادار بر پایه اندازه‌گیری زمان رفت و برگشت سیگنال (TOF) عمل می‌کنند. این فناوری از دهه 1970 توسعه یافته و امروزه فرکانس‌های بالا مانند 80GHz یا بالاتر برای دقت و نفوذپذیری بهتر رایج است. سنسورها به دو دسته کلی تماس‌دار روی میله (GWR) و بدون تماس (NCR) تقسیم می‌شوند. مزایا: برد زیاد، عدم تأثیرپذیری از دما و رطوبت؛ معایب: هزینه بالا و نیاز به انتخاب آنتن و تنظیم درست برای محیط‌های پیچیده.

4) اندازه‌گیری سطح توسط سنسورهای ادمیتانسی RF (خازنی)

در این روش از پروبی استفاده می‌شود که سیگنال RF را ارسال کرده و تغییر ادمیتانس بین پروب و دیواره مخزن با تغییر سطح آشکار می‌شود. گاهی این تجهیزات به‌عنوان سنسور خازنی نامیده می‌شوند. این روش برای اندازه‌گیری نقطه‌ای و پیوسته در اکثر مایعات و جامدات مناسب است، چون به‌طور کلی از دما و رطوبت کمتر متاثر می‌شود و قیمت مناسبی دارد.

5) اندازه‌گیری سطح توسط سنسورهای آلتراسونیک

سنسورهای آلتراسونیک نیز مبتنی بر TOF هستند؛ فرستنده امواج صوتی را ارسال و گیرنده اکو را دریافت می‌کند. از مزایای این روش نصب ساده و بدون تماس است، اما معایب آن شامل حساسیت بالا به بخار، دود، گرد و غبار و تغییرات دمایی درون مخزن است که می‌تواند دقت را کم کند.

6) اندازه‌گیری سطح توسط سنسورهای مگنتواستریکتیو

این سنسورها از شناور مغناطیسی بهره می‌برند که با تغییر سطح موقعیت آن تغییر کرده و خروجی بسیار دقیق ایجاد می‌شود. سنسورهای مگنتواستریکتیو از دقیق‌ترین روش‌ها برای اندازه‌گیری سطح به شمار می‌روند و در شرایط استاندارد می‌توانند دقت بسیار بالا (تا چند میکرومتر در بستر کاربردی) ارائه دهند. این فناوری اغلب در کاربردهای حساس و صنعتی برتر انتخاب می‌شود.

7) اندازه‌گیری سطح توسط سنسورهای رادیومتریک

در این روش از یک منبع ایزوتوپ رادیواکتیو ضعیف استفاده می‌شود که پرتوهای گاما را ساطع می‌کند و گیرنده مقابل میزان جذب یا عبور پرتو را اندازه‌گیری می‌کند. بزرگ‌ترین مزیت، نصب تجهیزات بیرون از مخزن است که برای مخازنی با شرایط داخلی دشوار مناسب است. نکته مهم رعایت الزامات ایمنی و مجوزهای قانونی برای استفاده از منابع رادیواکتیو است.

8) آشکارسازی سطح مایعات توسط سنسورهای نوری

سنسورهای نوری نقطه‌ای بر پایه ارسال و دریافت پرتو مادون‌قرمز و استفاده از منشور عمل می‌کنند؛ هنگام رسیدن سطح به منشور، خروجی سوئیچ (رله یا ترانزستور) فعال می‌شود. این سنسورها مزایایی چون مقاومت در برابر بخار و رطوبت، عدم نیاز به کالیبراسیون و نصب ساده دارند؛ برای کاربردهای کنترلی نقطه‌ای بسیار کاربردی‌اند.

9) آشکارسازی سطح توسط تیونینگ فورک (دیاپازونی)

تیونینگ فورک یک سوئیچ نقطه‌ای است که با نوسان دو شاخک (اتصال به محرک پیزوالکتریک) کار می‌کند. در حالت آزاد، شاخک‌ها نوسان مشخصی دارند؛ در صورت تماس با ماده (مایع یا جامد)، فرکانس نوسان کاهش یافته و خروجی سوئیچ فعال می‌شود. این سنسورها معمولاً بدون نیاز به کالیبراسیون، با نصب آسان و مقاومت خوب در برابر شرایط محیطی ارائه می‌شوند.

10) آشکارسازی سطح مواد جامد توسط سنسورهای پدالی

سنسور پدالی نوعی سیستم الکترومکانیکی است که با چرخش یک پره یا پدال عمل می‌کند. برخورد مواد با پدال موجب فعال شدن میکروسوئیچ می‌شود. این روش در سیلوها و مخازن مواد پودری و دانه‌ای رایج است. مزیت آن قیمت پایین و سادگی است، اما عمر مکانیکی کمتر و نیاز به نگهداری دوره‌ای از معایب آن است.

جمع‌بندی و پیشنهادات کاربردی

انتخاب روش مناسب اندازه‌گیری سطح به پارامترهای فرآیندی و اقتصادی بستگی دارد. برای دقت بالا در مایعات تمیز، سنسورهای مگنتواستریکتیو یا رادار مناسب‌اند؛ برای کاربردهای کم‌هزینه و ساده، روش‌های مکانیکی یا آلتراسونیک کاربردی‌اند؛ برای شرایط بیرونی یا دیواره‌های خاص، رادیومتریک گزینه‌ای مطلوب است. همچنین در کاربردهای مهندسی پیشنهاد می‌شود تست میدانی و ارزیابی عملکرد تحت شرایط واقعی پیش از انتخاب نهایی انجام شود.