مقایسه روش‌های اندازه گیری سطح مایعات

روش اندازه گیری سطح مایعات : سنسورهای سطح مایع چندین دهه است که در بازارهایی مانند غذا و نوشیدنی، صنعتی، دارویی و خانگی، چاپ، کشاورزی، خودرو و کالاهای سفید برای تشخیص نشت یا اندازه‌گیری سطح وجود دارد. ما اغلب تعجب می‌کنیم که چرا مشتریان یک فناوری را بر دیگری انتخاب می‌کنند و این یک سوال رایج است که از ما می‌پرسند. برخی از تولیدکنندگان تجهیزات نیز ممکن است از تنوع و هوش جایگزین‌های حسگر سطح موجود در بازار شگفت‌زده شوند. آنچه در این مقاله می‌خوانید:

روش هایی که قبلاً برای اندازه‌گیری سطح مایعات استفاده می‌شد، شامل قطعات گران قیمت تجهیزات می‌شد، اکنون با استفاده از فناوری‌های خلاقانه، مبتکرانه و هوشمند به دست می‌آید که می‌تواند مقرون به صرفه، قابل اعتماد، قوی، بسیار دقیق و ساده برای نصب باشد. مایعاتی که در طول تاریخ تشخیص آنها بسیار چالش برانگیز بوده است مانند صابون حاوی حباب/کف، شیر و مواد چسبنده مانند چسب و جوهر، امروزه با انواع فناوری‌های سنجش سطح موجود امکان پذیر و آسان‌تر است.

• سنسور نوری یا سوییچ‌های نوری
• روش خازنی
• سطح‌سنج اولتراسونیک
• روش اندازه‌گیری راداری
• لول‌متر مقاومتی
• سنسور سطح ارتعاشی

1. سنسور‌های نوری یا سوییچ‌های نوری

طیف وسیعی از اصطلاحات فنی برای توصیف این نوع فناوری سنجش سطح استفاده می‌شود. منشور نوری، الکترواپتیک، نوری تک نقطه، سوئیچ سطح نوری و… لیست همچنان ادامه دارد. برای این منظور، ما از عبارت سوییچ سطح‌سنج نوری (Optical Level Switch) استفاده می‌کنیم. این سوئیچ‌های جمع و جور که یک دستگاه حالت جامد هستند، برای طیف وسیعی از برنامه‌های سنجش سطح نقطه، ایده‌آل هستند. به ویژه هنگامی که قابلیت اطمینان ضروری است. کلیدهای سطح مایع نوری برای تشخیص سطح بالا، پایین یا متوسط ​​تقریباً در هر مخزن، بزرگ یا کوچک مناسب هستند. آنها همچنین برای تشخیص نشت از آسیب های پرهزینه جلوگیری می‌کنند. نور منعکس شده در یک مخزن بازتابی کوچک، مخازن آینه‌دار، حباب‌ها، شیر یا مایعات پوشش دهنده اغلب می‌توانند با تاخیر در خواندن مشکل ایجاد کنند.

نحوه‌ی کار سنسور سطح نوری

سنسورهای سطح نوری از دو قسمت اصلی تشکیل شده است. یک LED مادون قرمز همراه با یک ترانزیستور نور و یک نوک منشور شفاف در جلو. LED یک نور مادون قرمز را به سمت بیرون نشان می‌دهد. وقتی نوک سنسور توسط هوا احاطه می‌شود، نور قبل از بازگشت به ترانزیستور با برگشت به داخل نوک واکنش نشان می‌دهد. هنگامی که سنسور در مایع غوطه‌ور می‌شود، نور در سراسر پراکنده می‌شود و کمتر به ترانزیستور باز می‌گردد. میزان نور برگشتی به ترانزیستور بر سطوح خروجی تأثیر می‌گذارد و امکان تشخیص سطح نقطه را ممکن می‌سازد.

مزایا و معایب سنسورهای سطح نوری

مزایای اصلی سنسورهای سطح نوری اندازه جمع و جور، عدم وجود قطعات متحرک و هزینه پایین آنها است. از دیگر مزایا فشرده، بدون قطعات متحرک، قابلیت کارکرد در فشار و درجه حرارت بالا، می‌تواند حتی مقدار کم مایعات را تشخیص دهد. با این حال، در حالی که برای تشخیص سطح نقطه در محیط‌های با استرس بسیار دقیق است، برای اندازه‌گیری سطح مداوم مفید نیست. علاوه بر این، سنسورهای سطح نوری برای برنامه هایی که نصب بالای آنها ضروری است مناسب نیستند. هنگامی که در بالا نصب می شود، دقت سنسورهای سطح نوری ممکن است تحت تأثیر تراکم رطوبت قرار گیرند. همچنین ممکن است نیاز به کالیبراسیون داشته باشد. فقط در مایعات خاصی قابل استفاده است.

کاربرد‌ها

• کنترل سطح مایع

در شکل دو کلید نوری به صورت جداگانه در سطح بالا و پایین مخزن نصب شده است. هنگامی که مایع برای پوشاندن سوئیچ نوری بالا می‌رود، باعث می‌شود که شیر برقی بسته شود. هنگامی که سطح مایع به سطح پایین می آید ، سوئیچ نوری شیر برقی را باز می کند تا مخزن پر شود

• حفاظت موتور

در شکل یک سوئیچ نوری در سطح پایین مخزن نصب شده است که قدرت پمپ را قطع می کند. و در نتیجه از آسیب محافظت می کند.

2. سنسورهای سطح سنج خازنی

سنسورهای سطح‌سنج خازنی مناسب برای سیالاتی هستند که دارای ثابت‌های دی‌الکتریک هستند که تفاوت قابل توجهی با هوا دارند. آنها با تغییر ظرفیت بین دو صفحه به وسیله‌ی تغییرات سطح را اندازه گیری می‌کنند. دو نسخه در دسترس است، یکی برای مایعات با ثابت‌های دی الکتریک بالا و دیگری با ثابت‌های دی الکتریک پایین.

سنسورهای سطح خازنی با طیف وسیعی از جامدات، مایعات و مواد مخلوط کار می‌کنند. آنها همچنین در پیکربندی‌های تماسی و غیر تماسی موجود هستند. به این معنی که برخی از آنها می‌توانند در خارج از ظرف/مخزن متصل شوند. هنگام انتخاب دستگاه، مهم است بدانید که هر سنسور خازنی با هر نوع ماده یا مخزن کار نمی‌کند. علاوه بر این، سنسور باید با مواد خاص کالیبره شود تا ثابت‌های مختلف دی الکتریک و تفاوت در طراحی مخزن را معذور کند. از آنجا که این نوع فناوری مبتنی بر تماس است، قابلیت اطمینان این سنسورها می‌تواند به شدت تحت تأثیر مایعات چسبیده به پروب باشد.

مزایا :بدون قطعات متحرک، جمع و جور، قابل اعتماد، تحت تأثیر خواص رسانه نیست.

معایب: عملکرد گران قیمت، می تواند تحت تأثیر عناصر مختلف محیط قرار گیرد.

اندازه گیری سطح با ظرفیت خازنی

اندازه گیری سطح ظرفیت با ظرفیت خازنی مایعات یک راه حل ساده و مقرون به صرفه است که امکانات زیادی را برای نظارت بر سطح مایعات ارائه می‌دهد. به ویژه در مخازن کوچک و رسانه‌های تشکیل دهنده تجمع. تشخیص سطح نقطه با سوئیچ‌های سطح خازنی، همچنین در برنامه‌هایی که شامل تجمع زیاد مایعات و جامدات است، کار می‌کند. سنسورهای سطح خازنی یک راه حل اثبات شده و مقرون به صرفه برای اندازه گیری سطح و تشخیص سطح نقطه در مایعات و جامدات فله هستند. فرستنده‌های مختلفی برای اندازه‌گیری سطح مداوم و سوئیچ‌هایی برای تشخیص سطح نقطه در دسترس هستند. اندازه‌گیری رابط نیز امکان پذیر است. اصل اندازه‌گیری در میلیونها کاربرد ثابت شده است.

از آنجا که سنسورهای سطح خازنی دستگاه‌های الکترونیکی هستند، تعدیل فاز و استفاده از فرکانس های بالاتر، سنسور را برای کاربردهایی که ثابتهای دی الکتریک مشابه آنها هستند مناسب می‌کند. این سنسور حاوی قطعات متحرک نیست، مقاوم، ساده در استفاده و تمیز کردن آسان است و می‌تواند برای کاربردهای دما و فشار بالا طراحی شود. خطری از تجمع و تخلیه بار استاتیک با ولتاژ بالا ناشی از مالش و حرکت مواد دی الکتریک صفر نیست، اما با طراحی و زمین مناسب می توان این خطر را برطرف کرد.

یک محدودیت قابل توجه برای پروبهای خازنی در سطل‌های بلند است که برای ذخیره مواد جامد استفاده می‌شود. نیاز به یک پروب رسانا که تا انتهای محدوده اندازه گیری امتداد می یابد مشکل ساز است. پروب های بلند کابل رسانا (به طول 20 تا 50 متر) ، که در سطل زباله یا سیلو معلق هستند ، به دلیل وزن پودر حجیم در سیلو و اصطکاک اعمال شده بر روی کابل ، تحت کشش مکانیکی فوق العاده ای قرار می گیرند. چنین نصب هایی اغلب باعث شکستن کابل می شود.

3. سنسور‌های اندازه گیری سطح اولتراسونیک

سنسورهای مافوق صوت با محاسبه مدت و قدرت امواج صوتی با فرکانس بالا که از سطح مایع منعکس می‌شوند و به سنسور باز می‌گردند، سطوح را اندازه‌گیری می‌کنند. این سنسورها امواج صوتی با فرکانس بالا (20 کیلوهرتز تا 200 کیلوهرتز) را ساطع می کنند که توسط مبدل ساطع کننده بازتاب شده و تشخیص داده می شود. زمان لازم نسبت فاصله بین سنسور و مایع است. مدت زمانی که سنسور برای واکنش نیاز دارد تحت تأثیر عناصر مختلف موجود در جو بالای محیط مانند آشفتگی، کف، دما و غیره قرار می‌گیرد.

سنسورهای سطح اولتراسونیک برای سنجش سطح بدون تماس مایعات چسبناک و همچنین جامدات فله استفاده می شود. آنها همچنین به طور گسترده ای در برنامه های تصفیه آب برای کنترل پمپ و اندازه گیری جریان کانال باز استفاده می‌شوند.سنسورهای سطح اولتراسونیک نیز تحت تأثیر سرعت تغییر صدا به دلیل رطوبت، دما و فشارها قرار می‌گیرند. ولی این تآثیرات چشمگیر نیستند، و معمولا می‌شود از آنها چشم پوشی کرد. برای بهبود دقت اندازه‌گیری می‌توان از عوامل تصحیح برای اندازه‌گیری سطح استفاده کرد.

نکات مهم در نصب سنسور

برای اطمینان از بهترین پاسخ به صدای منعکس شده ، نصب مناسب مبدل مورد نیاز است. علاوه بر این، قیف، سطل یا مخزن باید نسبتاً عاری از موانع مانند جوش، براکت یا نردبان باشد تا بازده کاذب و پاسخ اشتباه ناشی از آن به حداقل برسد. اگرچه اکثر سیستم های مدرن دارای پردازش اکو به اندازه کافی “هوشمند” هستند تا تغییرات مهندسی را تا حد زیادی ایجاد کند. از آنجا که مبدل اولتراسونیک هم برای انتقال و هم برای دریافت انرژی صوتی استفاده می شود، در معرض یک دوره ارتعاش مکانیکی قرار دارد که به آن “زنگ زدن” می‌گویند. این ارتعاش قبل از پردازش سیگنال اکو باید ضعیف شود (متوقف شود). نتیجه اینکه یک فاصله از صورت مبدل است که نقطه کور است و نمی‌تواند یک شی را تشخیص دهد. بسته به محدوده مبدل، به عنوان “منطقه خالی” شناخته می‌شود، معمولاً 150 میلی متر تا 1 متر.

از الزامات مدارهای پردازش سیگنال الکترونیکی می توان برای تبدیل سنسور اولتراسونیک به یک دستگاه هوشمند استفاده کرد. سنسورهای اولتراسونیک می‌توانند طوری طراحی شوند که کنترل سطح، نقطه، نظارت مستمر یا هر دو را انجام دهند. با توجه به وجود ریزپردازنده و مصرف برق نسبتاً کم، همچنین قابلیت برقراری ارتباط سری از سایر دستگاه‌های محاسباتی وجود دارد که این را به تکنیکی مناسب برای تنظیم کالیبراسیون و فیلتر سیگنال سنسور، نظارت بی سیم از راه دور یا ارتباطات شبکه کارخانه تبدیل می‌کند. حسگر اولتراسونیک به دلیل ترکیب قدرتمند قیمت پایین و عملکرد بالا از محبوبیت زیادی برخوردار است.

مزایا و معایب و کاربرد سنسور التراسونیک

مزایا: بسیار دقیق، بدون نیاز به کالیبراسیون

برنامه های کاربردی: محیط های مرطوب، بخار و گرد و غبار. آنها همچنین در سیستم هایی که دما در آنها متفاوت است استفاده می‌شوند.

4. مایکروویو/ راداری

یکی دیگر از روش‌های اندازه‌گیری سطح مایعات روش راداری است. در اصل رادار مشابه التراسونیک عمل می‌کند، اما پالس‌ها با سرعت نور حرکت می‌کنند. قابلیت اطمینان و تکرارپذیری می‌تواند تحت تأثیر قرار گیرد، اما این بار توسط ثابت دی الکتریک سیال. با این حال، رادار می‌تواند اطلاعات سطح بسیار دقیقی را ارائه دهد و همچنین ساختارهای ثابت درون ظرف را جبران کند. نکته منفی می‌تواند این باشد که هزینه اولیه سنسور نسبتاً بالا است، اما چندین تولید کننده این فناوری را برای بازار وسیع‌تر در دسترس قرار می‌دهند. این سنسورها از جمله فناوری‌های انگشت شماری هستند که به خوبی روی مواد فوم و چسبناک کار می‌کنند.

سنسورهای مایکروویو برای استفاده در محیط های مرطوب، بخار و گرد و خاک و همچنین در مواردی که دما و فشارها متفاوت است ایده آل هستند. ماکروویوها (که اغلب به عنوان رادار(RADAR) نیز توصیف می‌شوند) به لایه‌های دما و بخار نفوذ می‌کنند که ممکن است برای سایر تکنیک‌ها مانند اولتراسونیک مشکل ایجاد کند. مایکروویوها انرژی الکترومغناطیسی هستند و بنابراین نیازی به مولکول‌های هوا برای انتقال انرژی ندارند و آنها را در خلاء مفید می‌کند. مایکروویوها به عنوان انرژی الکترومغناطیسی توسط اجسامی با خواص رسانایی بالا مانند فلز و آب رسانا منعکس می‌شوند. از طرف دیگر، آنها در درجات مختلف توسط “دی الکتریک کم” یا مواد عایق مانند پلاستیک، شیشه، کاغذ، بسیاری از پودرها و مواد غذایی و سایر مواد جامد جذب می‌شوند.

نحوه‌ی عملکرد سنسور راداری

سنسورهای مایکروویو در طیف گسترده‌ای از تکنیک‌ها اجرا می‌شوند. دو تکنیک اساسی پردازش سیگنال اعمال می‌شود. که هر کدام مزایای خاص خود را دارند. بازتاب سنجی پالسی یا بازه زمانی (TDR) که اندازه گیری زمان پرواز تقسیم بر سرعت نور، شبیه به سنسورهای سطح اولتراسونیک و سیستم های داپلر با استفاده از تکنیک های FMCW است. مانند سنسورهای سطح اولتراسونیک، سنسورهای مایکروویو در فرکانس های مختلف، از 1 گیگاهرتز تا 60 گیگاهرتز اجرا می‌شوند. به طور کلی، هرچه فرکانس بیشتر باشد، دقیق تر و پرهزینه‌تر است. مورد دیگر با نظارت بر سیگنال مایکروویو است که از طریق فضای آزاد (از جمله خلاء) منتقل می‌شود و به عقب منعکس می‌شود، یا می تواند به عنوان یک تکنیک “رادار روی سیم” اجرا شود. که عموماً با نام رادار موج هدایت شونده شناخته می‌شود.

برنامه های کاربردی : کنترل سطح مایع، پودرها و جامدات دانه ریز در معدن، صنایع شیمیایی و صنایع غذایی و آشامیدنی.

5-لول متر رسانایی یا مقاومت

از حسگرهای رسانا برای سنجش مایعات رسانای سطح مانند آب استفاده می‌شود. به زبان ساده، دو پراب فلزی با طول‌های مختلف (یکی بلند ، یکی کوتاه) در یک مخزن قرار می گیرند. پروب بلند ولتاژ پایینی را منتقل می‌کند، دومین پروب کوتاهتر بریده می شود تا نوک در نقطه سوئیچینگ باشد. هنگامی که پراب ها در حالت مایع هستند، جریان در هر دو پروب جریان می‌یابد تا سوئیچ فعال شود. یکی از مزایای این دستگاه ها ایمن بودن آنها به دلیل ولتاژ و جریان کم است. استفاده و نصب آنها نیز آسان است. اما باید به طور منظم بررسی های تعمیر و نگهداری را انجام دهید تا مطمئن شوید هیچگونه تجمع در پروب وجود ندارد. در غیر این صورت به درستی کار نخواهد کرد.

نحوه‌ی عملکرد سنسور مقاومتی

سنسورهای سطح مقاومتی شبیه سنسورهای سطح شناور مغناطیسی هستند. از این جهت که یک آهنربای دائمی مهر و موم شده در داخل شناور ساقه ای را بالا و پایین می‌برد که در آن کلیدها و مقاومتها با فاصله بسیار نزدیک مهر و موم شده‌اند. هنگامی که سوئیچ ها بسته می‌شوند، مقاومت جمع می‌شود و به سیگنال های جریان یا ولتاژ متناسب با سطح مایع تبدیل می شود.

کاربردها: کاربردهای سطح مخزن که در آن از آب، روغن، مایعات هیدرولیک و مواد شیمیایی استفاده می‌شود.

6-سنسور سطح ارتعاشی

فناوری سنسور ارتعاشی برای کنترل سطح جامد و مایع، از جمله مواد چسبنده و فوم، و همچنین پودرها و جامدات دانه ریز بسیار مناسب است. با این حال، انواع برنامه‌هایی که می‌توانند از چنگال ارتعاشی استفاده کنند محدود به پر کردن یا اجرای برنامه‌های خشک است و اندازه گیری مداوم فرآیند را ارائه نمی‌دهند. با این حال می‌تواند در ارتباط با سیستم‌های تشخیص سطح مداوم مورد استفاده قرار گیرد. و به عنوان نقاط هشدار دهنده برای پر شدن بیش از حد و نشت عمل می‌کند.

سنسورهای سطح ارتعاشی تک پروب برای سطح پودر فله ایده‌آل هستند. از آنجا که تنها یک عنصر حسگر با پودر تماس می‌گیرد، پل زدن بین دو پروب و تجمع رسانه به حداقل می‌رسد. ارتعاش پروب باعث از بین رفتن تجمع مواد روی عنصر کاوشگر می‌شود. سنسورهای سطح ارتعاشی تحت تأثیر گرد و غبار، تجمع بار استاتیک از پودرهای دی الکتریک یا تغییر در رسانایی، دما، فشار، رطوبت قرار نمی‌گیرند. سنسورهای ارتعاش به سبک چنگال گزینه دیگری است. آنها هزینه کمتری دارند، اما مستعد تجمع مواد بین پنجه ها هستند.

کاربردها: کنترل سطح مایع، پودرها و جامدات دانه ریز در معادن، فرآوری شیمیایی و صنایع غذایی و آشامیدنی.

7. سوئیچ شناور

سوئیچ‌های شناور یکی از مقرون به صرفه‌ترین و در عین حال اثبات شده برای سنجش سطح آب هستند. سوئیچ شناور شامل آهنربای درون شناور و سوئیچ نی مغناطیسی است که در محفظه ایمن قرار دارد. شناور با تغییر مایع حرکت می کند و باعث می شود که سوئیچ نی بسته به هوا یا مایع باز یا بسته شود. این فناوری اگرچه در طراحی ساده است، اما قابلیت اطمینان طولانی مدت را با قیمت جذاب ارائه می‌دهد.

نصب این سوییچ به شدت بستگی به طراحی و ساخت مخزن یا ظرفی دارد که سوئیچ در آن قرار می‌گیرد. به طور معمول، تامین کنندگان طیف وسیعی از گزینه‌های نصب را ارائه می‌دهند که رایج ترین آنها نصب افقی/جانبی و نصب عمودی است. کاربردها: کاربردهای سطح مخزن که در آن از آب، روغن، مایعات هیدرولیک و مواد شیمیایی استفاده می‌شود

برای مشاهده مطالب مرتبط با سطح سنج می‌توانید به این لینک مراجعه کنید.

و یا برای مشاهده محصولات سطح‌سنج ما اینجا بروید.

منابع: ویکی پدیا، منبع دوم، منبع سوم،