سطح سنج یا Level meter 0000

Level measurement and control

سطح سنج یا Level meter 0000

روش های مختلف جهت اندازه گیری و کنترل سطح :

1 – روش اندازه گیری تماسی                                         Contact Measurement

2- روش غیر تماسی                                              Non-Contact Measurement

روش های تماسی :

1- هیدرو استاتیکی                                                                         Hydrostatic

2 – خازنی                                                                                       Capacitor

3 – ویبرونیک (دیاپازونی)                                                                   Vibroncies

4- شناوری                                                                                              Float

5- راداری تماسی                                                               Guided Radar (TDR)

6 – الکترودی                                                        Conductivity probes(switch)

7- نوری                                                                                Fiber optic cable

8 – روش جابجائی                                           Buoyancy or Displacer method

9 – روش بای پس لوله شیشه ای                        Side glass – Bay pass method                      

روش های غیر  تماسی :

1 – فرا صوتی                                                                                 Ultrasonic 

2 – نوری                                                                                              Optic

3 – رادار و مایکروویو                                     Radar & Microwave level detector 

4- هسته ای                                      Nuclear Level Detection or Gamma rays                   

روش تماسی:

۱- هیدرو استاتیک  Hydrostatic Level Sensor

سطح سنج یا Level meter 0000

سنسورهای فشار هیدرواستاتیک برای اندازه گیری سطح یا ارتفاع پر شدن یک مایع استفاده می شود. اندازه گیری فشار هیدرواستاتیک به دلیل اثر هیدرواستاتیکی سیالات غیر روان برای اندازه گیری سطح مناسب است. این اصل فیزیکی تأثیر نیروی وزنی یک مایع ساکن به معنی غیر روان بودن را بر روی یک نقطه اندازه گیری توصیف می کند.

این نیروی وزنی معمولاً به عنوان “فشار هیدرواستاتیک” توصیف می شود. مهمترین شرط برای اندازه گیری سطح هیدرواستاتیک چیزی است که “پارادوکس هیدرواستاتیک” نامیده می شود. این بدان معنی است که، صرف نظر از شکل و حجم یک ظرف، فشار هیدرواستاتیک در نقطه اندازه گیری یک مخزن یا ظرف تنها با ارتفاع پر شدن متناسب است.

بنابراین، علیرغم تناقض ظاهری افزایش یا کاهش بیش از حد متناسب در حجم یا وزن یک مایع با تغییر ارتفاع، فشار هیدرواستاتیک در نقطه اندازه‌گیری صرفاً متناسب با ارتفاع پر شدن مطلق است و نه با کمیت پر شدن.

فشار هیدرواستاتیک به حجم یا شکل ظرف بستگی ندارد

در اندازه گیری سطح هیدرواستاتیک در حوضه ها یا مخازن باز یا دارای تهویه، یک جبران فشار مداوم هوای محیط با فاز گاز بالای مایع صورت می گیرد. بنابراین فشار محیطی که به عنوان یک “نیروی” اضافی روی محیط عمل می کند، همیشه شبیه فشار محیطی است که بر کل سیستم، از جمله سنسور سطح، اعمال می شود.

بنابراین، اگر از یک سنسور فشار با یک سلول اندازه‌گیری فشار نسبی استفاده کنیم، یک سنسور فشار که (درست مانند مخزن) نسبت به فشار محیط جبران یا تخلیه می‌شود، «به‌طور خودکار» اثر این فشار محیط را بر اندازه‌گیری سطح جبران می‌کند. این به این معنی است که یک سنسور فشار نسبی در مخازن و مخازن دارای تهویه، فشار اتمسفر روی مایع را از اندازه‌گیری سطح کاملاً «لغو» می‌کند. بنابراین، فشار هیدرواستاتیک تنها با ارتفاع پر شدن مایع مطابقت دارد (شکل). بنابراین، ارتفاع پر شدن مخزن یا ظرف باز با استفاده از رابطه زیر محاسبه می شود:

p = hydrostatic pressure [bar (relative)]

ρ = density of the liquid [kg/m³]

g = gravitational force or grav. acceleration [m/s²]

g = gravitational force or grav. acceleration [m/s²]

h = height of the liquid column [m]

اندازه گیری در مخازن تحت فشار

اندازه گیری سطح در مخازن مهر و موم شده و گازگیر که اغلب در صنایع شیمیایی یافت می شود، نیاز به جبران فشار فاز گاز محصور در بالای مایع دارد. فشار محصور فاز گاز به عنوان یک نیروی اضافی روی مایع عمل می کند و هرگونه اندازه گیری فشار هیدرواستاتیک در پایه ظرف را مخدوش می کند. بنابراین، این تأثیر اعوجاج باید از طریق اندازه گیری فشار اضافی فاز گاز جبران شود. اغلب از سنسور فشار دوم برای اندازه گیری فشار گاز استفاده می شود.

این کاربرد به طور موثر نشان دهنده یک اندازه گیری فشار دیفرانسیل است که در آن دو اندازه گیری فشار مجزا در مقابل یکدیگر قرار می گیرند (شکل ). این محاسبه افست می تواند توسط دو سنسور مجزا یا از طریق یک سنسور فشار دیفرانسیل یکپارچه انجام شود. در این کاربرد، سنسورهای مورد استفاده می توانند نسبی (سنسور با جبران فشار محیط) یا انواع فشار مطلق (سنسور با مرجع خلاء مهر و موم شده) باشند. بنابراین، ارتفاع پر شدن مخزن یا مخزن مهر و موم شده با استفاده از معادله زیر محاسبه می شود:

     h = (p2 – p1) / (ρ * g)

p2 = hydrostatic pressure [bar]

p1 = pressure of the enclosed gas in the vessel [bar]

ρ = density of the fluid [kg/m³]

g = gravitational force or grav. acceleration [m/s²]

h = height of the liquid column [m]

مزایا:

اصل اندازه گیری اثبات شده و ثابت شده با قابلیت اطمینان بالا، میلیون ها بار آزمایش شده در محیط
فرآیند اندازه گیری قوی، بدون تأثیر عوامل مخرب مانند گرد و غبار، کف، بخار، تجمع، آلاینده ها و غیره.
اندازه گیری قابل اعتماد بدون تأثیر بسیاری از ویژگی های فیزیکی مانند هدایت، ضریب دی الکتریک یا ویسکوزیته
اندازه گیری سطح تحت تأثیر هندسه کشتی و تجهیزات نصب شده موجود نیست
نصب و راه اندازی ساده ترانسمیترهای فشار شناور و سنسورهای فشار معمولی بدون نیاز به کالیبراسیون یا تنظیم
تماس مستقیم با رسانه
تغییرات متعدد طراحی جایگزین و فناوری‌های حسگر تقریباً برای هر برنامه‌ای

محدودیت ها:

برای مواد فله نامناسب
اندازه گیری دقیق به محیطی با چگالی ثابت یا اندازه گیری چگالی پیوسته محیط نیاز دارد

۲- خازنی  Capacitive Level Sensor

۳- ویبرونیک یا دیاپازونی:    Vibronic Level Sensor

۴- شناوری  Float Level Sensor

شاید ساده‌ترین شکل اندازه‌گیری سطح جامد یا مایع با شناور باشد: وسیله‌ای که روی سطح سیال یا جامد در ظرف ذخیره‌سازی حرکت می‌کند. خود شناور باید چگالی کمتری نسبت به ماده مورد نظر داشته باشد و نباید خورده شود یا با ماده واکنش نشان دهد. همانطور که در اینجا نشان داده شده است می توان از شناورها برای “سنجش” دستی سطح استفاده کرد:

تمام سوئیچ های سطح مایع که با شناور کار می کنند بر اساس اصل شناوری عمل می کنند: “نیروی شناوری که بر یک جسم وارد می شود برابر است با جرم مایع جابجا شده توسط جسم”. در نتیجه، شناور نیمه غوطه ور شده با سطح مایع در ظرف حرکت می کند. شناورها معمولاً برای کاربردهای دیفرانسیل سطح باریک مانند هشدارهای سطح بالا و سطح پایین استفاده می شوند.

سوئیچ های سطح شناور از یک شناور حاوی یک آهنربای داخلی و یک ساقه با یک سوئیچ نی محصور شده و مهر و موم شده استفاده می کنند. با بالا و پایین رفتن شناور با سطح مایع، آهنربای داخلی آن باعث باز و بسته شدن مدار سوئیچ می شود. ساقه غیر مغناطیسی آن را از فرآیند جدا می کند.

۵- راداری تماسی (هدایت شده)  Guided Radar

بهترین روش جهت اندازه گیری سطح مایعات دو فازی

۶- الکترودی:  Electrod Level Sensor

شاید ساده‌ترین (و قدیمی‌ترین) شکل تشخیص سطح الکتریکی جایی است که یک جفت الکترود فلزی با مواد فرآیند تماس پیدا می‌کند تا یک مدار الکتریکی کامل را تشکیل دهد و یک رله را فعال کند.

البته این نوع سوئیچ فقط با جامدات و مایعات دانه ای که رسانای الکتریکی هستند (مانند آب آشامیدنی یا کثیف، اسیدها، مواد سوزاننده، مایعات غذایی، زغال سنگ، پودرهای فلز) و نه با مواد نارسانا (مانند آب فوق خالص، روغن ها، پودرهای سرامیکی).

یک طرح قدیمی برای سوئیچ‌های سطح رسانا، مدل 1500 “رله القایی” است که در ابتدا توسط B/W Controls ساخته شد و از یک ترانسفورماتور/رله ویژه برای تولید ولتاژ پروب AC ایزوله و احساس وجود مایع استفاده می‌کند:

ولتاژ خط (120 VAC) به سیم پیچ اولیه انرژی می دهد و یک میدان مغناطیسی را از طریق هسته آهنی چند لایه رله می فرستد. این میدان مغناطیسی به راحتی از مرکز سیم پیچ ثانویه زمانی که مدار ثانویه باز است عبور می کند (هیچ مایعی مدار پروب را نمی بندد)، بنابراین “مدار” مغناطیسی در هسته کامل می شود. با تکمیل مدار مغناطیسی، آرمیچر به سمت هسته جذب نخواهد شد.

با این حال، هنگامی که یک مدار با افزایش سطح مایع برای تماس با هر دو پروب تکمیل می‌شود، جریان حاصل از سیم پیچ ثانویه، شار مغناطیسی را از مرکز آن عبور می‌دهد و باعث می‌شود که شار مغناطیسی بیشتری به قطب‌های انتهایی دور بزند، جایی که آرمیچر آهنی را به سمت هسته جذب می‌کند. قاب این جاذبه فیزیکی، کنتاکت های سوئیچ را فعال می کند که سپس وجود سطح مایع را در پروب ها نشان می دهد.

طراحی “ترانسفورماتور” این سوئیچ سطح رسانای خاص نه تنها ایزوله الکتریکی بین پروب ها و مدار انرژی زا (120 VAC) را فراهم می کند، بلکه طیف وسیعی از ولتاژهای تشخیص را نیز قادر می سازد فقط با تغییر تعداد پروب ها تولید شود. سیم در سیم پیچ ثانویه “چرخش” می شود. رله القایی B/W Controls مدل 1500 در انواع سطوح ولتاژ خروجی AC موجود است که از 12 VAC (برای تشخیص مواد فلزی) تا 800 VAC برای استفاده با آب غیر معدنی مانند آنچه در سیستم‌های دیگ بخار یافت می‌شود، موجود است.

تغییرات مدرن تر در طرح یکسان، از ولتاژهای متناوب بسیار کمتری برای انرژی دادن به پروب ها استفاده می کنند و از مدارهای تقویت کننده نیمه هادی حساس برای تشخیص جریان پروب و سیگنال سطح مایع استفاده می کنند.

۷- نوری  Photo Electric Level Sensor

۸- روش جابجایی:  Displacer Level Sensor

۹- روش بای پس(side glass):

استفاده از شیشه دید احتمالا ساده ترین روش برای اندازه گیری سطح مایع است. شیشه دید به بیرون مخزن متصل می شود تا سطح مایع از طریق شیشه قابل مشاهده باشد. شیشه دید با درجه بندی مشخص شده است تا بتوان سطح را اندازه گیری کرد. عیب اصلی این روش این است که فقط نشانگر سطح محلی به رگ می دهد.

هنگامی که بخشی از ظرف از مواد شفاف ساخته شده باشد یا مایع موجود در یک ظرف از طریق یک لوله شفاف عبور داده شود، می توان نشانه بصری سطح را به دست آورد. مزیت استفاده از شیرهای توقف با استفاده از لوله بای پس، سهولت در حذف برای تمیز کردن است.

یک آهنربا حاوی شناور از سطح مایع در محفظه مایع پیروی می کند که مطابق با سطح مخزن است. موقعیت
شناور داخل محفظه بیرون با فلپر دو رنگ تعبیه شده با آهنربا با چرخش 180 درجه و به رنگ یکنواخت در امتداد تراورس شناور نشان داده می شود.

اندازه گیری سطح به روش غیر تماسی

1 – مافوق صوتی    Ultrasonic:

پهنای موج در سنسورهای اتراسونیک

در این روش ، سنسور یک پالس صوت ارسال می کند . سرعت این صوت برابر C  می باشد . همانطور که می دانیم :

x = c .t

X جابجائی است که در اینجا : X=2L

در نتیجه :

L = C. t /2

پس سطح یعنی h  برابر است با

 h = L max – L = L max – c .t / 2

در حالت کلی اگر زمان رفت و برگشت برابر نباشند t  برابر است با زمان رفت به علاوه زمان برگشت

فرکانس ارسال صوت (20KHz -320KHz )

خروجی این سنسور ها می توان به صورت سوئیچ و یا به صورت آنالوگ ( جریان یا ولتاژ ) باشد .

کاربرد سنسور های آلتراسونیک :

• از این سـنسور ها می توان برای اندازه گیری ســطوح مایعات ، جامدات دانه ریز ، مواد چســـبنده و یا مواد خمیری استفاده نمود .
• این سنسور ها قابلیت اســتفاده در مـــخازن باز و یا بسته را دارا می باشند .
• این ابزار برای اندازه گیری مایــعات دارای بـــــخار و گاز و یا جامدات دارای گرد و خاک ، مواد دارای تــلاطم و یا دارای کف مناسب نمی باشد زیرا این عوامل بر روی سرعت ارسال صوت موثر می باشند .

2- نوری  Optic:

a )  سوئیچ نوری با استفاده از IR

اصول اندازه گیری این سنسور ها بر اساس قانون باز تابش ( نوری که در اثر برخورد با مایع از بین می رود ) و قانون شکست ( تغییر زاویه نور به علت تغییر محیط ) و بر اساس کاهش و یا تغییر نور منتشر شده IR  از LED  می باشد .

کاربرد : از این روش معمولاً برای اندازه گیری رسوب و یا مواد دارای ذرات معلق  و یا مایعات خورنده و یا اورگانیک استفاده نمود .

اندازه گیری سطح با استفاده از قانون زمان رفت و برگشت

در این روش دیگر مانند بالا سنسور شامل دو بخش نیست . در این سنسور ها از نور لیزر قرمز استفاده می شود  . این سنسور ها را به سمت سطحی که می خواهیم اندازه آن ها را محاسبه کنیم نصب می کنیم و بر اساس زمانی که طول می کشد تا به سطح برخورد کند ، فاصله دقیق محاسبه می شود .

3 – رادار و مایکروویو  Radar & Microwave Level Detector:

تجهیزات شامل فرستنده ،گیرنده و آنتن می باشد . در این روش از فرکانس رادیویی FM  با فرکانس (8-108MHz) و مایکرو ویو با فرکانس (1-300GHz) استفاده می شود .

با توجه به اینکه سطح انرژی مایکروویو بالاتر است ، مقاومت بالاتری نسبت به رادار دارا می باشند .

کاربرد :

برای اندازه گیری پیوسته جامدات و مایعات

مناسب برای محیط های خاک آلود ، بخار آلود و دارای مه

L=C.t / 2   h = Lmax-L

سرعت مایکروویو:  C

تعریف فوکوس سیگنال آنتن

pmax ماگزیمم قدرت ساطع شده در مسیر مستقیم تابش می باشد

Pmax/2 نصف ماگزیمم قدرت ساطع شده از سنسور می باشد که اغلب نقطه 3b نامیده میشود

زاویه  a  زاویه کامل آنتن می باشد

توجه

انرژی معمولا خارج از زاویه a نیز منتشر خواهد شد

سایز آنتن

آنتن بزرگتر،فوکوس سیگنال بهتر

فرکانس انتشار

فرکانس انتشار بالاتر،فوکوس سیگنال بهتر(با سایز آنتن ثابت)

فرکانس انتشار بالاتر ،سایز آنتن پایین تر

شرایط فوکوس آنتن:

K-Band

40   mm  22°

48   mm  18°

76   mm  10°

96   mm    8°

250 mm    4°

(parabolic antenna)

C-Band

75   mm  38°

96   mm  30°

145 mm  21°

240 mm  15°

تاثیرات شرایط پروسه-مقدار DK /ضریب هدایت الکتریکی

ارتفاع مقدار DK یا ضریب هدایت الکتریکی – نقطه قوت بازتاب – عدم تاثیر پذیری رنج داینامیک دراثر تغییر مقدارK – عدم تاثیر مستقیم از فرکانس های مختلف

تاثیرات پروسه- تغییرات فشار

استفاده در رنج گسترده ای از فشار – وکیوم تا 160 بار – تاثیر روی مقدار اندازه گیری شده فقط در فشار های بالا – عدم تاثیر پذیری در مواقع شوک های فشار لحظه ای – رنج فرکانسهای مختلف نیز بی تاثیر می باشند

تاثیرات پروسه،بخار، مه ،گرد و غبار

با وجود بخار و گرد و غبار اندازه گیری کاهش نمی یابد – مدت زمان شروع به کار RUNNING TIME  افزایش نمی یابد – مقدار ناچیزی کاهش با کندانس شدن بخار و گرد و غبار برروی سیستم آنتن – فرکانس های بالا کمی بیشتر از فرکانس های پایین تاثیر پذیر می باشند

تاثیرات پروسه – پرکردن مخازن

تاثیر بسیار پایین با آنتن های قیفی شکل – کاهش سیگنال رادار با آنتن های میله ای با توجه به ضریب هدایت الکتریکی

با فرکانس های انتشار بالا،پرکردن مخزن مقدار بسیار کمی منجر به کاهش سیگنال رادار می شود

تاثیرات پروسه – وجود گاز در مخازن

عدم تاثیر زمان راه اندازی سنسور با ترکیب مختلفی از گاز و یا وکیوم – مقدار بسیار کمی کاهش سیگنال مایکروویو با گازهای مختلف

استثناء:

فرکانسهای بالا کاهش می یابند – با گاز آمونیاک و وینیل کلراید

تاثیرات پروسه – وجود تلاطم در مخزن

شرایط بازتاب مختلف با سطح متلاطم درون مخزن قدرت سیگنال پایین تر(نه در لوله های ایستاده) – فرکانسهای بالاتر با طول موج کوتاه تر بیشتر تاثیر می پذیرند

تاثیرات پروسه – وجود کف با فوم در مخزن

کاهش سیگنال با توجه به مواد تشکیل دهنده رطوبت،ضریب هدایت الکتریکی و ضخامت فوم – فرکانس های پایین انتشار سیگنال بهتر به فوم نفوذ میکنند – جذب بیشتر با سیگنالهای با فرکانس انتشار بالا در فوم

4 – هسته ای    Nuclear level detector or Gamma rays:

• در این روش از اشعه گاما استفاده می شود و این روش آخرین انتخاب است در زمانی که نتوان از دستگاه های دیگری استفاده کرد .
• معمولاً از این روش برای نظارت بر استیل مذاب در تولید استیل و ریخته گری استفاده می شود .
• برای منبع گاما از عناصر زیر استفاده می شود :

Cobalt-60, cesium-137 or radium-226

شدت تابش متناسب با سطح مایع

کاربرد :

سطوح مایعات و جامدات – دمای بالا ، فشار بالا ، چسبندگی و غلظت بالا ، مواد خورنده

با توجه به تنوع بالای مخازن و تنوع شرایط کاری سنسورها و قیمت بالای برخی از سنسورها نیاز به در دست داشتن اطلاعات دقیقی از شرایط مخزن می باشد که میتوانید با دریافت فایل پرسشنامه و تکمیل آن و ارسال به ایمیل info@katisanat.com یا به شماره واتس اپ/ایتا ۰۹۱۹۸۳۰۱۲۰۰ از مشاوره رایگان کارشناسان ما بهره مند گردید.

دریافت فایل:

level questionair kati sanat khazar