مبانی اندازه گیری سطح

اندازه گیری سطح چیست؟

اندازه گیری سطح روشی برای اندازه گیری سطح داخل مخزن، راکتور یا کشتی است. برای ایمنی و سودآوری هر فرآیند صنعتی، ضروری است که کارخانه دارای یک سیستم اندازه گیری سطح قابل اعتماد و دقیق باشد.

اندازه‌گیری نادرست یا نامناسب می‌تواند باعث شود که سطوح در رگ‌ها بسیار بالاتر یا پایین‌تر از مقادیر اندازه‌گیری‌شده‌شان باشد. سطح پایین می تواند باعث آسیب به تجهیزات شود، در حالی که سطوح بالا می تواند باعث سرریز شدن و به طور بالقوه ایجاد مشکلات ایمنی و زیست محیطی شود.

اندازه‌گیری سطح، اندازه‌گیری فاصله عمودی خطی بین نقطه مرجع پایه ظرف نگهداری و سطح ماده در ظرف نگهدارنده است.

مبانی اندازه گیری سطح چیست؟

دستگاه های اندازه گیری سطح مایع به دو گروه طبقه بندی می شوند: (الف) روش مستقیم و (ب) روش استنتاجی. نمونه ای از روش مستقیم، میله اندازه گیری در ماشین شما است که ارتفاع روغن را در ظرف روغن اندازه گیری می کند. نمونه ای از روش منبسط یک فشار سنج در پایین مخزن است، که فشار سر هیدرواستاتیک را از ارتفاع مایع اندازه گیری می کند.

چرا اندازه گیری سطح مهم است؟

اندازه گیری دقیق سطح مواد در یک مخزن یا کشتی برای کاربردهای فرآیندی در صنعت حمل و نقل مواد فله بسیار مهم است.

1. موجودی:  هدف اصلی از اندازه گیری سطح، اندازه گیری موجودی به منظور پیگیری مواد از نظر حجم یا وزن است.
2. کارایی: فرآیند اندازه گیری دقیق سطح می تواند کارایی را افزایش دهد.
3. ایمنی: اندازه‌گیری نادرست می‌تواند باعث مشکلاتی شود، مانند سطوح پایین می‌تواند باعث آسیب به تجهیزات شود، در حالی که سطوح بالا می‌تواند باعث سرریز شدن و به طور بالقوه ایجاد مشکلات ایمنی شود.

سطح سنج

وسیله بسیار ساده ای که به وسیله آن مایع سطح در ظرف به روش شیشه گیج اندازه گیری می شود (شکل ۱). در روش شیشه گیج، یک لوله شفاف به پایین و بالا (اتصال بالا در مخزن باز به اتمسفر لازم نیست) مخزن متصل می شود که نظارت می شود. ارتفاع مایع در لوله برابر با ارتفاع آب در مخزن خواهد بود.

شکل ۱: لوله شفاف 

شکل۱ (الف) یک شیشه گیج را نشان می دهد که برای مخازنی استفاده می شود که در آن مایع در شرایط دما و فشار محیط است. شکل ۱ (ب) یک شیشه گیج را نشان می دهد که برای مخازنی استفاده می شود که مایع در فشار بالا یا خلاء جزئی قرار دارد. توجه داشته باشید که شیشه های گیج در شکل ۱ به طور موثر یک مانومتر لوله “U” را تشکیل می دهند که در آن مایع به دلیل فشار مایع در ظرف، سطح خود را جستجو می کند.

سطح سنج شفاف

شیشه های گیج درست شده از شیشه لوله ای یا پلاستیک برای کار تا دمای ۴۵۰ psig و ۴۰۰ درجه فارنهایت استفاده می شود. اگر بخواهیم سطح یک ظرف را در دماها و فشارهای بالاتر اندازه گیری کنیم، از نوع دیگری از شیشه گیج استفاده می شود. نوع شیشه گیج مورد استفاده در این نمونه دارای بدنه ای از فلز با بخش شیشه سنگین یا کوارتز برای مشاهده بصری سطح مایع است. بخش شیشه ای معمولاً برای ایجاد استحکام و ایمنی صاف است. شکل ۲ یک شیشه گیج شفاف معمولی را نشان می دهد.

شکل ۲: شیشه گیج 

سطح سنج رفلکس

نوع دیگری از شیشه های گیج، شیشه های گیج رفلکس هستند (شکل ۳). در این نوع یک طرف قسمت شیشه ای منشوری است. شیشه به گونه‌ای قالب‌گیری می‌شود که یک طرف آن دارای زوایای ۹۰ درجه است که در طول قرار دارند. پرتوهای نور با زاویه ۹۰ درجه به سطح بیرونی شیشه برخورد می کنند. پرتوهای نور از شیشه عبور می کنند و با زاویه ۴۵ درجه به سمت داخلی شیشه برخورد می کنند. وجود یا عدم وجود مایع در محفظه تعیین می کند که آیا پرتوهای نور به داخل محفظه یا به سطح بیرونی شیشه منعکس می شود.

شکل ۳: شیشه بازتابی 

هنگامی که مایع در سطح متوسطی در شیشه گیج قرار دارد، پرتوهای نور در یک قسمت از محفظه با یک رابط شیشه ای هوا و در قسمت دیگر با یک رابط شیشه ای آب مواجه می شوند. بخشی از اتاق در جایی که رابط هوا و شیشه وجود دارد، پرتوهای نور به سطح بیرونی شیشه منعکس می‌شوند زیرا زاویه بحرانی عبور نور از هوا به شیشه ۴۲ درجه است. این باعث می شود شیشه گیج نقره ای-سفید به نظر برسد. در بخشی از محفظه با رابط لیوان-آب، نور توسط منشورها به داخل محفظه شکسته می شود. انعکاس نور به سطح بیرونی شیشه گیج رخ نمی دهد زیرا زاویه بحرانی عبور نور از شیشه به آب ۶۲ درجه است. این منجر به سیاه شدن شیشه می شود،

سنج سطح تابش – تشعشع

سومین نوع شیشه گیج نوع شکست است (شکل ۴). این نوع به ویژه در مناطقی که نور کمتری دارند مفید است. چراغ ها معمولاً به شیشه گیج وصل می شوند. عملکرد بر این اصل استوار است که خمش نور، یا شکست، با عبور نور از رسانه های مختلف متفاوت خواهد بود. نور به میزان بیشتری در آب خم می شود یا منکسر می شود تا در بخار. برای بخشی از محفظه که حاوی بخار است، پرتوهای نور نسبتاً مستقیم حرکت می کنند و عدسی قرمز روشن می شود. برای بخشی از محفظه که حاوی آب است، پرتوهای نور خم می شوند و باعث می شوند عدسی سبز روشن شود. قسمتی از گیج حاوی آب سبز به نظر می رسد. بخشی از سنج از آن سطح به بالا قرمز به نظر می رسد.

شکل ۴: سطح انکسار

سنج سطح شناور توپ

روش شناور توپ یک مکانیسم سطح مایع خواندن مستقیم است. کاربردی ترین طراحی برای شناور، یک توپ یا کره توخالی فلزی است. با این وجود، هیچ محدودیتی برای سایز، شکل، یا مواد استفاده شده، وجود ندارد. این طرح شامل یک شناور توپ است که به یک میله متصل است، که به نوبه خود به یک محور دوار متصل می شود که سطح را در مقیاس مدرج نشان می دهد (شکل ۵). عملکرد شناور توپ ساده است. توپ روی مایع داخل مخزن شناور می شود. اگر سطح مایع تغییر کند، شناور دنبال می شود و موقعیت اشاره گر متصل به شفت چرخان را تغییر می دهد.

 

 

شکل ۵: مکانیسم سطح شناور توپ

حرکت شناور توپ با طراحی آن محدود شده است تا در 30± درجه از صفحه افقی باشد که منجر به پاسخ و عملکرد بهینه می شود. محدوده سطح واقعی با طول بازوی اتصال تعیین می شود.

جعبه پرکننده برای تشکیل یک مهر و موم ضد آب در اطراف شفت تعبیه شده است تا از نشت از ظرف جلوگیری شود.

سنج سطح شناور زنجیره ای

این نوع گیج شناور دارای اندازه شناور تا قطر 12 اینچ است و در مواردی استفاده می شود که از محدودیت های سطح کوچک اعمال شده توسط شناورهای توپی باید فراتر رود. محدوده سطح اندازه گیری شده تنها با اندازه ظرف محدود می شود. عملکرد شناور زنجیری به جز در روش قرار دادن اشاره گر و اتصال آن به نشانگر موقعیت مشابه شناور توپ است. شناور توسط یک زنجیر با وزنه ای متصل به سر دیگر به یک عنصر چرخان متصل می شود تا وسیله ای برای محکم نگه داشتن زنجیر در طول تغییرات سطح (شکل ۶) فراهم کند.

 

شکل ۶: اصل گیج سطح شناور زنجیره ای

روش پیوند مغناطیسی

روش پیوند مغناطیسی برای غلبه بر مشکلات قفس ها و جعبه های پر کردن ابداع شد. مکانیسم پیوند مغناطیسی شامل یک شناور مغناطیسی است که با تغییر سطح بالا و پایین می‌رود. شناور خارج از یک لوله غیر مغناطیسی حرکت می کند که آهنربای داخلی را در خود جای داده است که به یک نشانگر سطح متصل است. هنگامی که شناور بالا و پایین می رود، آهنربای بیرونی آهنربای داخلی را جذب می کند و باعث می شود آهنربای داخلی سطح داخل ظرف را دنبال کند (شکل ۷).

 

 

 شکل ۷: آشکارساز پیوند مغناطیسی

روش پروب رسانایی

شکل ۸ یک سیستم تشخیص سطح کاوشگر رسانایی را نشان می دهد. این شامل یک یا چند آشکارساز سطح، یک رله عملیاتی و یک کنترلر است. هنگامی که مایع با هر یک از الکترودها تماس پیدا می کند، جریان الکتریکی بین الکترود و زمین جریان می یابد. جریان یک رله را انرژی می دهد که بسته به وضعیت فرآیند درگیر باعث باز یا مسدود شدن کنتاکت های رله می شود. رله به نوبه خود یک زنگ هشدار، یک پمپ، یک شیر کنترل یا هر سه را فعال می کند. یک سیستم معمولی دارای سه کاوشگر است: یک کاوشگر سطح پایین، یک کاوشگر سطح بالا و یک پروب هشدار سطح بالا.

 

شکل ۸: سیستم تشخیص سطح پروب هدایت

مزیت سنسورهای رسانایی یا سطح مقاومت در اندازه گیری سطح عبارتند از:

طراحی ساده

مقاوم و کم هزینه

نصب در هر نقطه امکان پذیر است

تشخیص چند نقطه امکان پذیر است

سنسورهای سطح فشار دیفرانسیل

روش سنسور/آشکارگر فشار تفاضلی (DP) برای اندازه‌گیری سطح مایع از یک آشکارساز DP متصل به پایین مخزن تحت نظارت استفاده می‌کند. فشار بالاتر، ناشی از سیال در مخزن، با فشار مرجع پایین تر (معمولاً اتمسفر) مقایسه می شود. این مقایسه در آشکارساز DP انجام می شود. شکل ۹ یک آشکارساز فشار دیفرانسیل معمولی متصل به مخزن باز را نشان می دهد.

 

شکل ۹: اندازه گیری سطح فشار تفاضلی مخزن باز

مخزن به اتمسفر باز است. بنابراین، استفاده از اتصال فشار بالا (HP) در فرستنده DP ضروری است. سمت فشار کم (LP) به اتمسفر تخلیه می شود. بنابراین، اختلاف فشار، سر هیدرواستاتیک یا وزن مایع در مخزن است. حداکثر سطح قابل اندازه گیری توسط فرستنده DP با حداکثر ارتفاع مایع بالای فرستنده تعیین می شود. حداقل سطح قابل اندازه گیری با نقطه اتصال فرستنده به مخزن تعیین می شود.

الف: پایه مرجع خشک 

همه تانک ها یا کشتی ها در معرض جو نیستند. بسیاری از آنها کاملاً محصور هستند تا از خروج بخارات یا بخار جلوگیری کنند یا به محتویات مخزن فشار وارد کنند. هنگام اندازه‌گیری سطح در مخزن تحت فشار، یا سطحی که می‌تواند توسط فشار بخار مایع تحت فشار قرار گیرد، هر دو طرف فشار بالا و فشار پایین فرستنده DP باید متصل شوند (شکل ۱۰).

شکل ۱۰: مخزن مسدود، پایه مرجع خشک

ب: پایه مرجع مرطوب

اتصال فشار بالا به مخزن در محدوده پایین‌تر یا کمتر از مقدار مورد اندازه‌گیری متصل می‌شود. سمت فشار پایین به یک “پای مرجع” متصل است که در محدوده یا بالاتر از مقدار محدوده بالایی که باید اندازه گیری شود متصل است. پایه مرجع توسط گاز یا فشار بخار تحت فشار قرار می گیرد، اما هیچ مایعی مجاز نیست در پایه مرجع باقی بماند. پایه مرجع باید خشک نگه داشته شود تا فشار سر مایع در سمت کم فشار فرستنده وجود نداشته باشد. طرف فشار بالا در معرض سر هیدرواستاتیک مایع به اضافه فشار گاز یا بخار اعمال شده بر روی سطح مایع قرار می گیرد. فشار گاز یا بخار به طور مساوی در دو طرف فشار کم و فشار بالا اعمال می شود. بنابراین، خروجی فرستنده DP با فشار هد هیدرواستاتیکی متناسب است.

یعنی:

جایی که مخزن حاوی مایع قابل چگالش، مانند بخار است، از آرایش کمی متفاوت استفاده می شود. در کاربردهایی با سیالات متراکم شونده، تراکم در پایه مرجع بسیار افزایش می یابد. برای جبران این اثر، پایه مرجع با همان مایع مخزن پر می شود. مایع موجود در پایه مرجع یک سر هیدرواستاتیک را به سمت فشار بالای فرستنده اعمال می کند و مقدار این سطح تا زمانی که پایه مرجع پر باشد ثابت است. اگر این فشار ثابت بماند، هر تغییری در DP به دلیل تغییر سمت فشار پایین فرستنده است (شکل ۱۱).

شکل ۱۱: مخزن بسته، پایه مرجع مرطوب

پایه مرجع پر شده یک فشار هیدرواستاتیکی را به سمت فشار بالای فرستنده اعمال می کند که برابر با حداکثر سطح قابل اندازه گیری است. فرستنده DP در دو طرف فشار بالا و پایین در معرض فشار یکسانی قرار می گیرد زمانی که سطح مایع در حداکثر است. بنابراین، فشار دیفرانسیل صفر است.

با پایین آمدن سطح مخزن، فشار اعمال شده به سمت فشار کم، کاهش و فشار دیفرانسیل افزایش می یابد. در نتیجه، فشار دیفرانسیل و خروجی فرستنده با سطح مخزن نسبت معکوس دارند.

سنسور سطح ویبره

سنسورهای سطح ارتعاش از دو چنگال استفاده می‌کنند که در فرکانس تشدید طبیعی خود می‌لرزند. سوئیچ معمولاً در کنار یا بالای مخزن با استفاده از فلنج نصب می شود.

در نبود مواد، چنگال های تنظیم در فرکانس رزونانس طبیعی خود که توسط مدار آشکارساز شناسایی می شود، می لرزند. 

مزیت سوئیچ های سطح چنگال ویبره عبارتند از:

آنها تحت تأثیر جریان، حباب، کف قرار نمی گیرند

مقرون به صرفه و در اندازه جمع و جور

نصب آسان

سنسور سطح اولتراسونیک

سنسورهای سطح اولتراسونیک از امواج صوتی برای شناسایی سطح، در مخزن مسدود استفاده می کنند. موج صوتی به سمت جسم حرکت می کند و به فرستنده بازتاب می شود. بنابراین می توان آن را نوعی تکنیک اندازه گیری سطح صدا نامید.

زمان پیموده توسط پالس های اولتراسونیک برای اندازه گیری فاصله جسم حساب می شود. معمولاً یک سنسور سطح اولتراسونیک در بالای مخزن مسدود نصب می شود.

 

مزایای سنسورهای سطح اولتراسونیک عبارتند از:

فاقد قطعات متحرک است

اندازه آن کوچک است

بسیار قابل اعتماد

اندازه گیری نوع بدون تماس

خود تمیز شوندگی

 

سنسور سطح رادار

بر اساس همان اصل سنسور سطح اولتراسونیک کار می کند. سنسور سطح اولتراسونیک از امواج صوتی استفاده می کند در حالی که سنسور سطح رادار از امواج رادیویی استفاده می کند. این نیز نوعی تکنیک اندازه گیری سطح صدا است.

برای اندازه گیری سطح ماده مایع یا جامد، سیگنال های رادار توسط آنتن ابزار رادار واقع در بالای مخزن ذخیره می شود.

این سیگنال رادار از سطح محصول پریده و به آنتن باز می گردد. فرستنده تاخیر زمانی بین سیگنال ارسالی و دریافتی را اندازه گیری می کند که برای اندازه گیری فاصله جسم استفاده می شود.

 

مزایای سنسورهای سطح رادار عبارتند از:

دقت بالا

بدون تماس

می تواند موانع موجود در لوله ها یا پرس ها را تشخیص دهد

در مکان هایی که جابجایی آنها سخت است استفاده می شود

 

مترجم: مهشید منتجبی

در صورت هرگونه سوال و نظر با مجموعه پرگاران تماس حاصل فرمایید.

جهت کسب اطلاعات بیشتر اینجا کلیک کنید.