اندازه گیری سطح (Level Measurement) – از صفر تا صد (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

اهمیت اندازه گیری سطح (Level Measurement) در صنعت برای کسی پوشیده نیست. 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، به اصول اندازه گیری سطح و روش‌های مختلف آن در صنعت می‌پردازیم و برخی از ترانسمیترهای سطح (Level Transmitters) را معرفی خواهیم کرد.

ملاحظات مربوط به اندازه گیری سطح

همان‌طور که گفتیم، حفظ دقت اندازه گیری، کیفیت محصول، ایمنی مجموعه و راندمان اقتصادی مواردی هستند که استفاده از روش‌های سطح سنجی را در یک فرآیند توجیه می‌کنند. اما روش‌های اندازه گیری سطح بسیار وسیع‌ است. محصول درون مخزن می‌تواند مایع، خمیر، توده انباشته (مانند سیمان و گندم) یا گاز مایع باشد.

فیلم آموزش کاربردی سیستم های اندازه گیری مکانیکی در فرادرس

کلیک کنید

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.

دمای فرآیند در شرایط مختلف ممکن است از حدود $$-200 \: ^ \circ C$$ تا $$+450 \: ^ \circ C$$ متغیر باشد. از طرف دیگر، تغییرات و بازه فشار هم باید در نظر گرفته شود. ممکن است در مخزنی، حالت خلأ و فشار $$-1 \: bar$$ حاکم باشد. ولی مخزن دیگری، تحت فشار $$+400 \: bar$$ قرار بگیرد. مثال‌هایی از این موارد، تمام فرآیندها را شامل می‌شود؛ از صنایع شیمیایی و پتروشیمی تا داروسازی و صنایع غذایی. علاوه بر این مشخصات فیزیکی، ملاحظات اقتصادی و قابلیت اطمینان از سایر مواردی هستند که باید در انتخاب تجهیز مناسب، مد نظر قرار داده شوند.

انواع تجهیزات اندازه گیری سطح

گستردگی تجهیزات اندازه گیری سطح به این دلیل است که هیچ‌یک از این تجهیزات به تنهایی برای تمام فرآیندها مناسب نیست. از این رو باید در هر فرآیند و هر کاربردی، بهترین و بهینه‌ترین گزینه را انتخاب کرد. در این بخش، انواع تجهیزات اندازه گیری سطح معرفی و هریک به اختصار بررسی خواهد شد. برخی از این تجهیزات برای اندازه گیری پیوسته سطح به کار می‌روند. این تجهیزات، از یک سنسور و ترانسمیتر سطح تشکیل شده‌اند و در نهایت، سیگنال $$\large 4 \: - \: 20 \: mA$$ را به اتاق کنترل ارسال می‌کنند. دسته دیگر، تجهیزاتی هستند که برای سنجش سطح در یک نقطه مورد استفاده قرار می‌گیرند. به این تجهیزات، سوئیچ سطح (level switch) گفته می‌شود. کاربرد سوئیچ‌های سطح، در باز و بسته کردن کنتاکت‌های متصل به آنهاست.

اندازه گیری سطح به روش التراسونیک (Ultrasonic)

در این تجهیزات، امواج التراسونیک به سطح محصول داخل مخزن تابیده می‌شود. این امواج پس از برخورد، به دلیل اختلاف چگالی بین هوا و محصول، از سطح محصول بازتابیده می‌شوند و به سنسور برمی‌گردند. مدت زمان ارسال و دریافت این موج، با فاصله سنسور و سطح ماده ارتباط مستقیم دارد. محاسبه این زمان، معیاری از سطح ماده داخل مخزن فراهم می‌سازد. شکل زیر، عملکرد این دستگاه را به صورت شماتیک نشان می‌دهد. پارامترهای مورد نیاز برای کالیبراسیون این تجهیز را مشاهده می‌کنید. این تجهیز قادر به اندازه‌گیری فاصله‌های کمتر از BD نیست.

این، یکی از ساده‌ترین و کم‌هزینه‌ترین روش‌های اندازه گیری سطح است. این روش غیر تماسی است و برای اندازه‌گیری پیوسته سطح به کار می‌رود. یکی از کاربردهای مهم سطح سنج التراسونیک، کانال ورودی تصفیه‌خانه‌ها و اندازه‌گیری دبی آب در پارشال فلوم است. همچنین می‌توان از این روش برای اندازه‌گیری ارتفاع مایعات، خمیرها و توده‌های انباشته نیز استفاده کرد. برخی انواع سطح سنج التراسونیک، می‌توانند تا حدود ۷۵ متر را نیز اندازه‌گیری کنند. از مزیت‌های این روش می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

• عدم تأثیر پذیری از برخی ویژگی‌های محصول مانند ثابت دی‌الکتریک، چگالی و درصد رطوبت
• نصب و راه‌اندازی آسان و سریع و عدم نیاز به نگهداری مرتب
• امکان انجام مراحل کالیبراسیون بدون پر و خالی کردن مخزن

اندازه گیری سطح به روش خازنی (Capacitance)

سطح سنج خازنی براساس تغییر ظرفیت خازن عمل می‌کند. به شکل زیر توجه کنید. در هنگام استفاده از این تجهیز، بین پراب (probe) و دیواره مخزن، یک خازن الکتریکی تشکیل می‌شود. دقت کنید که جنس دیواره مخزن باید از ماده‌ای رسانا باشد. هنگامی که فضای بین پراب و دیواره خالی است (شکل 1) خازن تشکیل شده، کمترین ظرفیت ممکن را دارد. در این حالت، هوا نقش دی‌الکتریک را ایفا می‌کند. هنگامی که مخزن پر می‌شود، مطابق شکل‌های 2 و ۳، ماده‌ای غیر از هوا بین دو تیغه خازن قرار می‌گیرد. دی‌الکتریک این ماده بیشتر از هواست. در نتیجه، ظرفیت خازن بالا می‌رود.

فیلم آموزش اصول مهندسی سطح – مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

اگر هدایت الکتریکی ماده بیشتر از $$\large 100 \: \frac {\mu s} {cm}$$ باشد، اندازه‌گیری سطح، مستقل از مقدار دی‌الکتریک ($$\large DK$$) ماده موجود در مخزن خواهد بود. در نتیجه، نوسانات $$\large DK$$ نمی‌تواند تأثیری روی نتیجه اندازه‌گیری داشته باشد.

در شکل بالا، $$\large R$$ و $$\large C$$ به ترتیب نشان دهنده هدایت الکتریکی و ظرفیت خازنی ماده هستند. ظرفیت خازنی اولیه و نهایی نیز با $$\large C_A$$ و $$\large C_E$$ مشخص شده است. در این روش، طول پراب را می‌توان با توجه به شرایط فرآیند، کوتاه‌تر یا بلندتر انتخاب کرد. امکان استفاده از سطح سنج خازنی برای هر دو منظور اندازه‌گیری پیوسته سطح و همچنین سوئیچ سطح وجود دارد. از ویژگی‌های جالب این تجهیز، می‌توان به قابلیت آن در اندازه گیری سطح جدایش (interface) دو مایع اشاره کرد. به عنوان مثال، مخلوط آب و بنزین که با یکدیگر ترکیب نمی‌شوند، را در نظر بگیرید. سطح سنج خازنی برای گستره وسیعی از مایعات مانند آب، بنزین، آب میوه و اسید قابل استفاده است. حداکثر ارتفاعی که با این تجهیز می‌توان اندازه‌گیری کرد را می‌توان در حدود 10 متر تخمین زد. زیرا برخی محدودیت‌های فیزیکی، افزایش طول پراب را با مشکل مواجه می‌سازند.

اندازه گیری سطح به روش فشار تفاضلی (Differential Pressure)

در این روش، اندازه گیری سطح با استفاده از اندازه‌گیری فشار انجام می‌شود. دو عدد ترانسمیتر فشار، یکی در ارتفاع %$$\large 0$$ و دیگری در ارتفاع %$$\large 100$$ مخزن نصب می‌شوند. توجه کنید که این دو نقطه، لزوماً منطبق به کف و سقف مخزن نیستند. در اینجا، صرفاً محدوده‌ای که قرار است در سیستم اتوماسیون تعریف شود، مد نظر قرار می‌گیرد. اختلاف فشار این دو نقطه و استفاده از رابطه آشنای $$\large \Delta P = \rho \times g \times H$$، ارتفاع محصول را در مخزن نتیجه می‌دهد.

همان‌طور که می‌بینید، با توجه به رابطه فشار، یکی از عوامل تأثیرگذار در دقت این تجهیز، چگالی ماده است. از آنجایی که معمولاً در کاربردهای واقعی، دقت زیادی روی مقدار چگالی نمی‌شود و مقدار چگالی متوسط مورد استفاده قرار می‌گیرد، اندازه گیری سطح با کمک این تجهیز، همواره با درصدی از خطا همراه است. شماتیک اندازه گیری سطح به روش فشار تفاضلی، در شکل زیر قابل مشاهده است. با توجه به مطالبی که گفته شد، نتیجه این اندازه‌گیری را می‌توان به صورت اختلاف فشار نیز بیان کرد. سنسور فشار بالا (HP) فشار هیدرواستاتیک و سنسور کم فشار (LP) نیز فشار هد را اندازه‌گیری می‌کند.

اندازه گیری سطح به روش رادار (Radar)

سطح‌سنج رادار نیز مانند سطح‌سنج التراسونیک و براساس مدت زمان رفت و برگشت موج عمل می‌کند. تفاوت اصلی این دو گروه تجهیز در این است که در سطح‌سنج رادار، به جای موج التراسونیک، موج رادیویی منتشر می‌شود. امواج رادیویی جزء امواج الکترومغناطیسی به حساب می‌آیند و فرکانس بالایی در حد گیگاهرتز دارند. سطح‌سنج رادار در بلندترین ارتفاع مخزن نصب می‌شود و آنتن آن، امواج رادیویی ارسال می‌کند. شماتیک اندازه گیری سطح به روش رادار را در شکل زیر مشاهده می‌کنید.

این روش، غیر تماسی است و چگالی و هدایت الکتریکی ماده موجود در مخزن، تأثیری روی کیفیت اندازه‌گیری ندارد. اما شاید برگ برنده این تجهیز در مقابل سایر رقیبانش این باشد که گرد و غبار و نویز، کوچکترین تأثیری روی عملکرد سطح‌سنج رادار ندارد. مخزنی را در نظر بگیرید که برای انبار کردن توده‌ انباشته‌ای از سیمان به کار می‌رود. در این وضعیت، فضای داخل مخزن همواره پر از گرد و غبار است. این گرد و غبار، قادر است عملکرد تجهیزی مانند سطح‌سنج التراسونیک را کاملاً مختل کند. ولی سطح‌سنج رادار بدون تأثیرپذیری از این موضوع، به کار خود ادامه می‌دهد. از دیگر مزایای این روش می‌توان به تحمل دما تا حدود $$\large + 450 \: ^ \circ C$$ نیز اشاره کرد.

اندازه گیری سطح به روش رادار هدایت شده (Guided Radar)

اساس کار این تجهیز، برخلاف تجهیز قبلی، روش تماسی است. در اینجا از پراب‌هایی برای هدایت امواج رادیویی استفاده می‌شود. شماتیک عملکرد سطح‌سنجِ رادارِ هدایت شده در شکل زیر نشان داده شده است. با مقایسه این شکل با شکل مربوط به سطح‌سنج رادار، در می‌یابیم که امواج رادیویی دیگر به صورت مخروط منتشر نمی‌شوند و فقط در راستای پراب هدایت کننده، پایین می‌آیند. این تجهیز در فرآیندهایی کاربرد دارد که دی‌الکتریک ماده، نسبتاً پایین باشد.

از ویژگی‌های مهم این روش، می‌توان به این موضوع اشاره کرد که استفاده از این تجهیز حتی در هنگام پر شدن مخزن هم دچار اختلال نمی‌شود. در سطح‌سنج رادار هدایت شده، پس از اینکه موج رادیویی به سطح ماده برخورد می‌کند، بخشی از آن به تجهیز بازتابیده می‌شود. اما بخش دیگر، همچنان به راه خود ادامه می‌دهد. در نتیجه، اگر دو ماده با دو دی‌الکتریک مختلف در مخزن وجود داشته باشد، با این روش می‌توان ارتفاع سطح جدایش آنها را اندازه‌گیری کرد.

اندازه گیری سطح به روش رادیومتری (Radiometric)

مبنای این روش اندازه‌گیری این است که امواج گاما در حین عبور از ماده، تضعیف می‌شوند. اندازه‌گیری به روش رادیومتری در کاربردهای زیادی مانند اندازه‌گیری پیوسته سطح، استفاده به عنوان سوئیچ سطح، تشخیص سطح جدایش و حتی اندازه‌گیری چگالی هم مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای اندازه‌گیری با این روش، به دو تجهیز اصلی نیاز داریم. تجهیز اول، منبع گاما (gamma source) نامیده می‌شود. منبع گاما می‌تواند ایزوتوپی از عنصر سزیم (cesium) یا کبالت (cobalt) انتخاب شود. این منبع، مطابق شکل زیر، در یک طرف لوله یا مخزن نصب می‌شود. ماده درون مخزن، بخشی از امواج گاما را جذب می‌کند. ترانسمیتری که در سمت مقابل مخزن نصب شده، تجهیز اصلی دوم، به حساب می‌آید. این ترانسمیتر به عنوان دریافت کننده (receiver) عمل کرده و امواج باقیمانده گاما را جذب می‌کند.

میزان امواج جذب شده توسط ترانسمیتر را می‌توان به عنوان معیاری از پر و خالی بودن مخزن در نظر گرفت. روش اندازه گیری سطح به روش رادیومتری، از دسته روش‌های غیر تماسی محسوب می‌شود و اگر مراحل کالیبراسیون به درستی انجام پذیرد، دقت بالایی هم به همراه خواهد داشت. به دلیل احتیاط‌های لازمی که در هنگام کار با این امواج باید رعایت شود، زمانی به سراغ این روش می‌رویم که هیچ‌یک از روش‌های دیگرِ اندازه‌گیری سطح، قابل استفاده نباشند. البته برای ایمنی اپراتور، مخزن حاوی مواد رادیواکتیو، طوری طراحی می‌شود که امواج فقط در یک سمت منتشر شوند و بقیه جهت‌ها مسدود می‌شود. با استفاده از این تجهیز، اندازه گیری سطح مایعات، جامدات، مواد سوسپانسیون و حتی دوغاب با دقت بالایی انجام می‌پذیرد. در تمام کارخانه‌های سنگ آهن از این تجهیز برای اندازه‌گیری چگالی استفاده می‌شود.

اندازه گیری سطح به روش هیدرواستاتیک (Hydro-static)

مبنای اندازه گیری سطح به روش هیدرواستاتیک، اندازه‌گیری فشار است. این روش، مشابه روش فشار تفاضلی است. با این تفاوت که در اینجا، مخزن تحت فشار نیست و فقط با محاسبه فشار در کف مخزن، می‌توان ارتفاع را به دست آورد. در یکی از ساده‌ترین روش‌ها می‌توان یک ترانسمیتر فشار ساده را روی فلنجی در بدنه و نزدیک به کف مخزن نصب کرد به طوری که سنسور آن، در تماس با مایع قرار گیرد. در شیوه‌ای دیگر، که در شکل زیر نشان داده شده است، سنسور فشار به کمک کابلی از بالا به داخل مخزن فرستاده می‌شود. در این حالت، سنسور در نزدیکی کف مخزن قرار می‌گیرد و بدنه سنسور به بدنه مخزن بسته می‌شود تا از حرکت و ارتعاش احتمالی جلوگیری شود.

مقادیر فشار نسبی و مطلق را در شکل مشاهده می‌کنید. با توجه به رابطه کلیدی $$\large P = \rho g H$$، دقت محاسبه ارتفاع به میزان زیادی به دقیق بودن چگالی ماده وابسته است. در این تجهیز، ترانسمیتر در بیرون و با فاصله از مخزن نصب شده و مقدار فشار یا ارتفاع به صورت یک سیگنال جریان $$\large 4 \: - \: 20 \: mA$$ به اتاق کنترل ارسال می‌شود.

سوئیچ سطح القایی (Conductive)

این سوئیچ‌ها را می‌توان در مایعاتی با هدایت الکتریکی حداقل $$\large 10 \: \mu S/cm$$ به کار برد. در برخی از سوئیچ‌های سطح، این امکان وجود دارد که تجهیز، پنج ارتفاع مختلف را تشخیص دهد. این تجهیزات، عموماً برای مایعات مناسب هستند ولی در برخی کاربردها برای خمیر یا دوغاب نیز به کار گرفته می‌شوند. به شکل زیر توجه کنید. برای تعیین دو نقطه ماکسیمم و مینیمم در مخزن، به تجهیزی با سه پراب نیاز داریم. یکی از پراب‌ها نقش زمین را ایفا می‌کند. هنگامی که مخزن خالی است، بین پراب‌ها ولتاژ متناوبی برقرار می‌شود. به محض اینکه ماده‌ای رسانا، بین پراب زمین و یکی دیگر از پراب‌ها (مثلاً پراب ماکسیمم) قرار بگیرد، بین این دو پراب، جریان الکتریکی برقرار شده و سوئیچ عمل می‌کند. از طرف دیگر نیز به محض اینکه مخزن خالی شود، دیگر در بین دو پراب، ماده رسانا وجود نخواهد داشت. در این حالت، مجدداً جریان الکتریکی قطع شده و سوئیچ به نقطه اول خود بر می‌گردد. وجود این ولتاژ متناوب، از خوردگی پراب‌ها جلوگیری کرده و اجازه بروز تغییرات الکترولیتی در محصول موجود در مخزن را نمی‌دهد.

سوئیچ سطح شناوری (Float)

سوئیچ‌های شناوری در ارتفاع مشخصی از مخزن نصب می‌شوند. این سوئیچ‌ها در دو حالتی که سطح مایع از آنها بالاتر یا پایین‌تر باشد، تغییر وضعیت می‌دهند. با تغییر وضعیت این سوئیچ‌ها، کنتاکت متصل به آنها قطع یا وصل می‌شود. ساختار این سوئیچ‌ها بسیار ساده و کم‌هزینه است. بالا رفتن سطح مخزن از حد ماکسیمم و پایین‌تر آمدن آن از حد مینیمم، می‌تواند موجب سرریز شدن یا آسیب رسیدن به پمپ‌ها شود. در چنین موقعیت‌هایی استفاده از سوئیچ سطح اهمیت زیادی دارد. در شکل زیر، موقعیت‌های مختلفی را مشاهده می‌کنید که می‌توان در آنها این سوئیچ را نصب کرد.

از آنجایی که این سوئیچ‌ها از روش تماسی استفاده می‌کنند، انتخاب جنس بدنه و حتی کابل آنها باید با توجه به میزان خورندگی مایع و سایر مشخصات آن انجام شود. از این سوئیچ ‌می‌توان حتی در مخازن و مجراهایی که در آنها اسید، نفت و فاضلاب وجود دارد، استفاده کرد. تصویر متحرک زیر، عملکرد این سوئیچ را به صورت شماتیک نشان می‌دهد.

سوئیچ سطح ارتعاشی (Vibronic)

سوئیچ‌های سطح ارتعاشی که در صنعت به نوع چنگالی هم معروف هستند، می‌توانند در صنایع مختلف برای مایعات و ذرات جامد مورد استفاده قرار گیرند. ابتدا سنسور این تجهیز با فرکانس رزونانس، تحریک شده و با فرکانس ثابت به ارتعاش در می‌آید. به محض اینکه ماده موجود در مخزن، سطح سنسور را بپوشاند، فرکانس نوسان، تغییر می‌کند. در نهایت، این تغییر فرکانس، منجر به ارسال سیگنال سوئیچینگ شده و سوئیچی را قطع یا وصل می‌کند. از مزایای این روش، می توان به کم هزینه‌ بودن و نصب آسان آن اشاره کرد. چگونگی نصب این سنسور را در شکل زیر مشاهده می‌کنید.

در مقالات بعدی مجله فرادرس، هریک از روش‌های معرفی شده برای اندازه گیری سطح را با جزئیات دقیق‌تری بررسی خواهیم کرد. در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه مهندسی مکانیک و ابزار دقیق، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• فلومتر (Flowmeter) – از صفر تا صد
• برنامه نویسی PLC – به زبان ساده
• سنسور و ترنسدیوسر در مهندسی برق — به زبان ساده

^^