روش های اندازه گیری سطح سیالات

اندازه گیری سطح یکی از مهمترین پارامترهایی است که در صنایع مهم کشور از قبیل صنایع نفت، پتروشیمی، صنایع غذایی، صنایع شیمیایی  و آب و فاضلاب به کار می رود.در مخازن بزرگ نفتی و… اندازه گیری سطح بسیار لازم و اساسی می باشد.  اطلاع از ارتفاع سیال به منظور کنترل واکنش های شیمیایی و صنعتی، جلوگیری از سریز شدن سیالات فرآیندی و خطرناک، حفاظت محیط زیست و تامین ایمنی واحد فرآیندی، ضروری می باشد. به همین منظور از سطح سنج ها و یا لول سنج ها جهت اندازه گیری سطح سیالات استفاده می شود.

از موارد مهمی که باید در اندازه گیری لول به آن توجه کرد شرایط اندازه گیری است،که آیا قرار اندازه گیری برای چه نوع مخزنی و یا محیطی انجام گردد. مخازن سر بسته، مخازن سرباز، مخازن تحت فشار مواردی هستند که روش های اندازه گیری در آنها متفاوت هستند. برای انتخاب نوع دستگاه مناسب برای اندازه گیری ارتفاع سطح، عواملی به شرح 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 پوشش دهی بر روی دیواره ظرف یا وسیله اندازه گیری
• دما و فشار فرآیند
• ترکیب شیمیایی
• قوانین زیست محیطی
• وجود ارتعاش
• رطوبت
• و…

اندازه گیری سطح را می توان به طور کلی به دو دسته اندازه گیری نقطه ای و پیوسته تقسیم کرد :

اندازه گیری لول به صورت نقطه ای یا level switch : در اندازه گیری نقطه ای سطح، سطح سیال در یک نقطه خاص اندازه گیری می شود، هدف از سنجش نقطه ای، تعیین رسیدن یا نرسیدن ارتفاع ماده در تانک به یک مقدار مشخص میباشد، که به این کار عمدتاً سوییچ کردن می گوییم.

اندازه گیری لول به صورت مداوم یا continuous level measurement : در اندازه گیری پیوسته سطح، ارتفاع سبال درون مخزن به طور پیوسته اندازه گیری و کنترل می شود، دراین حالت سوییچ ها بکار نمی آیند و باید از سطح سنج هایی استفاده شود که به طور پیوسته ارتفاع سیال را در هر نقطه اندازه گیری می کنند.

در ادامه سوییچ های مختلفی به منظور اندازه گیری نقطه ای سطح وجود دارد که به آن می پردازیم.

انواع سطح سنج نقطه ای سطح

1-سطح سنج شناوری Float Level Switch

با توجه به قانون ارشمیدس برهر جسم شناور در سطح سیال یک نیروی رو به بالا وارد می شود، با بکارگیری این نیرو در سنسورهای شناوری می توان ارتفاع سیال را اندازه گیری کرد. این نیرو منجر به جابجایی شناور در سطح سیال می شود، با تعیین محل شناور می توان سطح سیال را اندازه گیری کرد.
شناور به یک اهرم متصل است و با حرکت آن در سطح سیال جابجا می شود. اهرم یک سوییچ مکانیکی را تحریک می کند، این سوییچ را می توان به عنوان یک کنتاکت بدون ولتاژ در مدار فرمان پمپی که مخزنی را پر یا خالی می کند به کاربرد. در صورتی که سطح سیال درون مخزن به ارتفاع مورد نظر برسد، سوییچ تحریک شده و فرمان توقف پمپ صادر می شود، تا از سرریزشدن مخزن جلوگیری شود. همچنین می توان 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.

2-سطح سنج خازنی و رسانایی Conductivity/Capacitive Level Switches

یکی دیگر از روشهای اندازه گیری نقطه ای 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 اندازه گیری می شود. تفاوت اصلی بین سنسورهای هدایت الکتریکی و خازنی درنوع و فرکانس ولتاژ اعمال شده به میله می باشد.
سطح سنج های خازنی قادرند به صورت گسسته و پیوسته به مانیتور کردن سطح مخزن بپردازند. این موضوع بخصوص برای مواد پودری که یکی از گزینه ها برای انتخاب، 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 نمونه هاي گسسته سوئيچ سطح یا خروجي سوئيچ ، يک سنسور مجاورتي خازني میباشد . یکی از مزیت های اين روش پايداري عملکرد در مدت زمان طولاني و اندازه گيري نبود جزء متحرک میباشد. همانطور که گفته شد سطح سنج هاي خازني در مواد پودري پرک يا گرانول و نیز براي تعیین نقاط مرزي دو مايعی که در مخزن چگالی متفاوتی دارند کاربرد دارند.

3-سطح سنج ارتعاشی Vibrating Level Switch

سنسورهای ارتعاشی شامل یکتیغه می باشند که با فرکانس طبیعی نوسان می کند، چنانچه تیغه با سیال داخل مخزن برخورد نماید فرکانس نوسان آن تغییر خواهد کرد، میتوان با اندازه گیری این تغییر فرکانس، سطح سیال را در ارتفاع مورد نظر اندازه گیری کرد. سنسورهای ارتعاشی در دو نوع میله ای و دیاپازونی ساخته می شوند. سنسورهی دیاپازونی از دو شاخه که چنگاله گفته می شود ساخته شده اند. شاخه ها با فرکانس طبیعی نوسان می کنند، هنگامیکه سیال درون مخزن به سنسور می رسد و با شاخه های در حال نوسان برخورد می کند موجب تغییر فرکانس نوسان آنها می شود، با اندازه گیری این تغییر فرکانس، سطح سیال درون مخزن اندازه گیری می شود. سنسورهای دیاپازونی برای مایعات مناسب می باشند اما چنانچه مایع مورد نظر حاوی ذرات جامد باشد، احتمال گیر کردن این ذرات بین تیغه های سنسور وجود دارد لذا برای جامدات، بهتر است که از سنسورهای میله ای استفاده شود.

4-سطح سنج با پره متحرک Paddle Wheel Switches

این سنسورها از پره هایی تشکیل شده اند که به کمک یک موتور الکتریکی و با دورکم به چرخش در می آیند. وقتی که سطح سیال بالا می آید و با این پره ها برخورد می کند، مانع چرخش پره ها می شود، در این زمان سوییچ عمل کرده و سطح سیال را نشان می دهد. این سنسورها بیشتر در اندازه گیری سطح جامداتی همچون سیلوهای گندم و سیمان بکار می روند و بسیار ساده، ارزان و قابل اطمینان هستند. تغییرات دما و چگالی برنحوه عملکرد این سنسورها تاثیر گذار نیست. چننچه این سنسورها برای اندازه گیری 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 پره هاب سنسور خواهد شد، لذا سنسور نباید در مسیر ورودی مخزن نصب شود. هنگامیکه سنسور در کنار مخزن نصب می شود باید شیبی به سمت پایین داشته باشد تا مواد اطراف پره ها نیز همزمان با پایین رفتن سطح مواد درون مخزن، به سمت پایین هدایت شود.

5-سطح سنج های نوری Beam Breaker Switches

سطح سنج های نوری از یک فرستنده و گیرنده نوری ساخته شده اند و براساس بازتابش نور از سطح اجسام و یا عبور نور از درون سیال عمل می کنند. 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 می آید و مابین گیرنده و فرستنده قرار می گیرد، 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 می نماید. در نوع دیگری از این سنسورها گیرنده و فرستنده در بالای مخزن و در کنار یکدیگر نصب می شوند. نوری که از فرستنده ساطع می شود، سنسور با اندازه گیری زمان رفت و برگشت نور، سطح سیال درون مخزن را اندازه گیری می کند.چنانچه ارتفاع سیال درون مخزن افزایش یابد زمان رفت و برگشت نور کاهش خواهد یافت.

جهت اندازه گیری 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.

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:

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 رادیو اکتیو

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.