در حال
جستجو...
ده ها روش برای اندازه گیری سطح مایعات
در صنایع پردازشی، نیاز به اندازهگیری سطح دقیق، قابل اطمینان و قابل گزارش الکترونیکی افزایش یافته است. فناوری‌های سنتی مانند گیج‌های شیشه‌ای و شناورها به‌تدریج جای خود را به سنسورهای الکترونیکی مبتنی بر ترانسمیترهای مدرن (اولتراسونیک، رادار، لیزر، خازنی و مغناطیسی) داده‌اند. انتخاب فناوری مناسب بستگی به خصوصیات سیال، شرایط فرآیندی (دما، فشار، فوم، بخار و خورندگی) و نیازهای ارتباطی و کالیبراسیون دیجیتال دارد. در این مطلب مروری فنی و کاربردی بر انواع روشهای اندازهگیری سطح و مزایا، محدودیت‌ها و راهکارهای مهندسی مرتبط ارائه می‌شود.
- تکنولوژی اندازهگیری سطح در حال گذار
- دستگاه‌های هیدرواستاتیک
- Load Cells (سلول‌های بار)
- سطح‌سنج مغناطیسی
- ترانسمیترهای خازنی
- فن‌آوری‌های مدرن (TOF: اولتراسونیک، لیزر، رادار)
- ترانسمیترهای رادار و موج هدایت‌شونده (GWR)
- خلاصه و روندهای کلیدی
تکنولوژی اندازهگیری سطح در حال گذار
ساده‌ترین روشهای اندازهگیری سطح شامل گیج شیشه‌ای و شناور است که به‌صورت دستی یا مکانیکی سطح را نشان می‌دهند. این روش‌ها مزایای سادگی و هزینه کم دارند اما محدودیت‌های ایمنی، دقت پایین، پنهان شدن سطح در اثر آلودگی و نیاز به نگهداری را نیز به همراه دارند.
با رشد اتوماسیون، سنسورهای الکترونیکی مجهز به میکروپردازنده به عنوان استانداردهای جدید مطرح شدند. این دستگاه‌ها خروجی‌هایی در قالب حلقه جریان 4-20 میلی‌آمپر، ولتاژ آنالوگ یا سیگنال‌های دیجیتال ارائه می‌دهند و امکان ترانسمیسیون دیجیتال، کالیبراسیون داخلی و ارتباط بی‌سیم را فراهم می‌سازند. فرمت‌های دیجیتال و پروتکل‌ها قابلیت خواندن ماشینی و یکپارچه‌سازی با سیستم‌های کنترل و ثبت الکترونیکی را ساده می‌کنند.
دستگاه‌های هیدرواستاتیک
اندازه‌گیری‌های هیدرواستاتیک بر پایه فشار هیدرواستاتیک ناشی از ارتفاع ستون سیال است. انواع مرسوم شامل جابجایی (ارشمیدس)، حباب‌ساز (Bubble) و ترانسمیتر اختلاف فشار (DP) هستند. در همه این روش‌ها تغییرات چگالی و دمای سیال می‌تواند دقت را تحت تأثیر قرار دهد؛ بنابراین جبران دما یا اندازهگیری چگالی گاهی لازم است.
جابجایی (Displacement)
در این روش یک ستون جامد (جابجاکننده) در سیال فرو می‌رود و نیروی شناوری متناسب با حجم جابجا شده اندازهگیری می‌شود. تبدیل نیروی اندازه‌گیری‌شده به ارتفاع سطح نیازمند دانستن چگالی و هندسه مخزن است.
حباب‌ساز (Bubble Tube)
جریان گاز رقیق از یک لوله غوطه‌ور تولید فشار می‌کند که توسط مبدل فشار اندازهگیری و به سطح تبدیل می‌شود. این روش برای مخازن با فشار اتمسفری مناسب است و در صورت نیاز به گاز بی‌اثر (نیتروژن) می‌توان از آلودگی جلوگیری کرد.
اختلاف فشار (DP)
سنسورهای اختلاف فشار تفاوت بین فشار پایین مخزن و فشار مرجع در بالای مخزن را اندازه می‌گیرند. این روش برای مخازن تحت فشار نیز قابل استفاده است اگر پورت مرجع به ناحیه‌ای بالاتر از حد بالای پر شدن متصل شود. در طراحی باید از گرفتگی یا تجمع مایع در خطوط اندازهگیری جلوگیری کرد.
Load Cells (سلول‌های بار)
لودسل‌ها تغییر نیروی وارد بر تکیه‌گاه مخزن را اندازهگیری می‌کنند. با ترکیب سیگنال لودسل با هندسه مخزن و چگالی سیال می‌توان سطح یا وزن خالص را محاسبه کرد. مزیت غیرتماسی بودن است، اما نصب گران و نیازمند طراحی سازه‌ای صحیح است تا اثرات بار جانبی، انبساط حرارتی و سخت‌افزار لنگرانداز بر دقت کاهش یابد.
سطح‌سنج مغناطیسی
در این سامانه‌ها یک شناور مغناطیسی در محفظه‌ای غیرمغناطیسی بالا و پایین می‌رود و موقعیت آن توسط یک نشانگر مغناطیسی یا سنسورهای القایی گزارش می‌شود. این گیج‌ها برای محیط‌های خورنده، دما و فشار بالا قابل ساخت از مواد ویژه (Kynar، Hastelloy، تیتانیوم و غیره) هستند و امکان ارائه خروجی‌های 4-20 mA و ارتباط دیجیتال را دارا می‌باشند.
ترانسمیترهای خازنی
سنسورهای خازنی تغییر ظرفیت خازن بین یک پروب و مرجع را با تغییر سطح مایع تشخیص می‌دهند. این روش برای سیالات با ثابت دی‌الکتریک متفاوت (Er) مناسب است؛ برای مثال روغن‌ها Er تقریباً 1.8–5، و محلول‌های آبی مقادیر بسیار بالاتری دارند. کالیبراسیون و طراحی پروب بسته به Er سیال اهمیت دارد.
فن‌آوری‌های مدرن
نسل جدید ترانسمیترها عمدتاً بر مبنای اندازهگیری زمان رفت و برگشت (TOF) سیگنال‌ها کار می‌کنند: ارسال پالس از سنسور، بازتاب از سطح و اندازهگیری زمان سفر. این پالس‌ها می‌تواند صوتی (اولتراسونیک)، نوری (لیزر) یا مایکروویو (رادار) باشد. استفاده از مدارهای دیجیتال، کالیبراسیون داخلی و ارتباطات مدرن باعث افزایش دقت و قابلیت اطمینان شده است.
ترانسمیتر سطح مغناطیسی مبتنی بر موج پیچشی
در این طراحی، شناور حامل آهنربا با یک سیم سنسور جفت می‌شود و موجی پیچشی در سیم القا می‌شود. زمان بازگشت موج از موقعیت شناور اندازهگیری و موقعیت بسیار دقیق تعیین می‌شود. این روش نسبت به فوم و پژواک‌های کاذب مقاوم است زیرا موج پیچشی تحت تاثیر تغییرات دما و فشار فضای سر قرار نمی‌گیرد.
ترانسمیتر سطح اولتراسونیک
مبدل‌های اولتراسونیک پالس صوتی ارسال می‌کنند و زمان بازگشت را اندازهگیری می‌کنند. مزایا شامل نصب غیرتماسی و هزینه پایین در فواصل کوتاه است، اما سرعت صوت به ترکیب گازهای فضای سر و دما وابسته است و در حضور بخار داغ یا تغییرات فشار نیاز به جبران دارد.
ترانسمیتر سطح لیزری
ترانسمیترهای لیزری از سرعت نور برای اندازهگیری TOF استفاده می‌کنند. دارای پرتو بسیار باریک و دقت بالا بوده و مناسب مخازن پیچیده، فواصل بلند و سیالات مات می‌باشند. در کاربردهای دما یا فشار بالا معمولاً ترانسمیتر پشت پنجره شیشه‌ای محافظ نصب می‌شود.
ترانسمیتر سطح رادار و موج هدایت‌شونده (GWR)
رادارهای هوایی امواج مایکروویو را از بالای مخزن ارسال می‌کنند و بر اساس TOF فاصله را تعیین می‌کنند. مقدار انرژی بازتابیده به ثابت دی‌الکتریک سیال وابسته است؛ آب با Er بالا بازتاب بسیار خوبی تولید می‌کند.
در سیستم‌های موج هدایت‌شونده (GWR)، مایکروویو در یک پروب یا کابل هدایت می‌شود که مسیر متمرکزی به سطح عرضه می‌کند؛ این روش کارایی بسیار بالاتری نسبت به رادار هوایی دارد، نسبت به فوم مقاوم است و می‌تواند تا Erهای پایین‌تر نیز کار کند. سرعت موج رادار معمولاً تحت تأثیر دما/فشار فضای سر نیست و در خلاء نیز عملکرد پایداری ارائه می‌دهد.
خلاصه
روند کلی در اندازهگیری سطح به سمت دیجیتال‌سازی، استفاده از الکترونیک پردازشی، ارتباطات بهبود یافته و مواد مقاوم‌تر برای پاسخگویی به محیط‌های سخت حرکت کرده است. انتخاب صحیح بر پایه تحلیل دقیق خواص سیال، شرایط فرآیندی و نیازهای کنترلی و ثبت انجام شود. ترکیب روش‌ها (مثلاً رادار با پروب هدایت‌شونده یا گیج مغناطیسی با خروجی دیجیتال) اغلب بهترین راهکار برای دستیابی به دقت، قابلیت اطمینان و نگهداری پایین است.
توئیتر
فیس بوک
لینکدین
