تجهیزات اندازه گیری سطح

تجهیزات اندازه گیری سطح برای برآورد دقیق سطح مایعات یا جامدات در تانکها و مخازن اتمسفریک یا تحت فشار، به منظور محاسبه وزن یا حجم استفاده میشوند.

تجهیزات اندازه گیری سطح میتوانند در سیستم های کنترلی مختلف از جمله کنترل موجودی محصول، پایانه فروش، کنترل نشتی، حفاظت از سرریز، کنترل دسته ای، سیستم های تزریق، جداسازی مایعات مخلوط و بسیاری دیگر از سیستم های کنترلی، استفاده شوند.

تجهیزات اندازه گیری سطح به صورت زیر دسته بندی می شوند:

• گیج سطح
• ترانسمیتر سطح
• سویچ سطح

گیجهای سطح برای نمایش سطح بصورت عینی در محل و ترانسمیترهای سطح برای کنترل و مانیتور مداوم سطح در اتاق کنترل استفاده می شوند.

سویچهای سطح معمولا برای کنترل های حفاظتی استفاده می شوند.

گیج سطح

متداولترین نوع گیجهای سطح عبارتند از:

• پنجره بازدید
• گیج شیشه ای سطح
  • انعکاسی
  • شفاف
  • دورنگ
• گیج مغناطیسی سطح
• گیج شناور سطح

پنجره بازدید

پنجره بازدید یک پنجره شیشه ای یا یک تیوب دارای پنجره شیشه ای است که روی تانک یا مخزن نصب می شود و این امکان را به بهره بردار و اوپراتور می دهد تا داخل تانک یا مخزن را مشاهده کند.

ممکن است لازم باشد تا بهره بردار سطح مایع را ببیند یا فرآیند داخل تانک را برای اطمینان از کیفیت یا ایمنی بصورت عینی کنترل کند.

پنجره بازدید میتواند بشکل یک دیسک شیشه ای با یک قاب فلزی فلنجی که روی نازل مخزن نصب می شود یا بصورت یک تیوب عمودی با اتصال فلنجی در بالا و پایین آن، باشد.

پنجرهای بازدید تیوبی مشابه گیجهای سطح امروزی هستند، اما فقط مشاهده سطح را در یک ارتفاع مشخص یا فاصله خیلی کوچک فراهم میکنند.

گیج شیشه ای سطح

سه نوع گیج شیشه ای سطح وجود دارد؛ انعکاسی، شفاف و دو-رنگ.

گیج شیشه ای سطح دارای چهار قسمت اصلی است؛ محفظه یا تیوب فلزی، شیشه، دو عدد شیر فلکه در بالا و پایین، و دو شیر یا درپوش برای تخلیه مایع یا گاز.

گیج لوله ای نوع دیگر تمام شیشه ای گیج سطح است اما در فرآیندهای صنعتی کاربرد ندارد.

گیج انعکاسی سطح

گیج انعکاسی سطح بر اساس قوانین انعکاس و انکسار نور کار میکند.

در گیج انعکاسی، جلوی محفظه فلزی با شیشه ای پوشیده شده است که دارای شیارهای منشوری شکل با زاویه 90 درجه است که با مایع زاویه 45 درجه میسازد.

وقتی مایع وارد محفظه گیج میشود، طبق اصل ظروف به هم مرتبط، سطح مایع داخل محفظه هم سطح مایع داخل تانک یا مخزن میشود.

سطح مایع از اختلاف روشنایی شیشه بین بخش مایع و بخش گاز/بخار به دلیل تفاوت ضریب شکست پرتوهای نور در مایع با گاز/بخار، مشخص میشود.

ضریب انعکاس ناحیه گاز کمتر از 45 درجه است، بنابراین نور در ناحیه گاز کاملا به سطح شیشه منعکس می شود بنابراین آن قسمت به رنگ سفید نقره ای دیده میشود.

به عبارت دیگر، اختلاف ضریب شکست بین گاز و شیشه زیاد است، بنابراین نور نمی تواند از شیارهای منشوری شیشه عبور کند، بنابراین کاملا منعکس میشود.

ضریب شکست ناحیه مایع بیشتر از 45 درجه است، بنابراین نور منعکس نمیشود، و قسمت مایع تیره تر دیده میشود.

یعنی چون اختلاف ضریب شکست بین مایع و شیشه کم است، نور از قسمت شیارهای منشوری شیشه عبور میکند.

گیج انعکاسی سطح به چراغ نیاز ندارد و نور خورشید برای مشخص شدن سطح مایع کافی است.

کاربردهای گیج انعکاسی سطح

گیج انعکاسی سطح برای مایعات تمیز و شفاف استفاده میشود و نباید برای سرویسهای بخار یا خورنده استفاده شود. زیرا استفاده از ورقه محافظ میکا که برای حفاظت شیشه ضروری است، نمیتواند روی شیشه با شیارهای منشوری نصب گردد.

گیج انعکاسی سطح برای سرویسهای دارای دو مایع با چگالی های مختلف مناسب نیست، زیرا سطح بین مایع بالایی و پایینی نمیتواند به وضوح مشخص شود.

گیج انعکاسی سطح میتواند برای C3 (پروپان) و هیدروکربنهای سبکتر، اگر تیره و کدر نباشند، استفاده شود.

هیدروکربنهای سنگین تر و تیره یا مایعات کدر ممکن است روی شیشه را با یک لایه تیره بپوشانند، بنابراین سطحهای مایع پایین تر از این لایه بخوبی قابل تشخیص نیست.

گیج شفاف سطح

گیج شفاف سطح، دو صفحه شیشه در جلو و پشت محفظه گیج دارد.

پرتوهای نور از شیشه پشتی وارد شده، از مایع عبور کرده و از شیشه جلویی خارج میشوند.

اختلاف بین شفافیت مواد، سطح را مشخص میکند.

معمولا به منظور نمایش بهتر سطح، یک چراغ در پشت گیج نصب میشود.

به این دلیل که مایعات با شفافیت های مختلف از یکدیگر تشخیص داده میشوند، از گیج شفاف سطح برای نمایش سطح بین مایعات با چگالی های مختلف، استفاده میشود.

به منظور حفاظت شیشه از بخار، قلیایی های داغ، محلولهای اسیدی، آمینها، اسید هیدروفلوریک و دیگر سرویسهای خورنده، گیج شفاف سطح باید به ورقه محافظ میکا به صورت یک فیلم و ورقه نازک در پشت شیشه مجهز شود.

چراغ گیج شفاف سطح باید مناسب با رتبه بندی محدوده خطر انفجار ( hazardous area classification )مربوط به محل نصب گیج انتخاب شود.

کاربردهای گیج شفاف سطح

گیج شفاف سطح میتواند برای کاربردهای زیر مورد استفاده قرار گیرد:

• مایعات کثیف یا با رنگ تیره
• سرویسهای اسیدی یا قلیایی
• نمایش سطح واسط مایعات
• سرویسهایی با چسبندگی بیشتر از 10 سنتی پوز
• سرویسهای خورنده که لازم است از ورقه میکا استفاده شود

گیج دورنگ سطح

گیج دورنگ سطح برای نمایش سطح آب کندانس شده و بخار در مخازن پرفشار بخار بویلر ها استفاده میشود.

گیج دورنگ سطح آب را در قسمت پایینی به رنگ سبز و بخار را در بخش بالایی به رنگ قرمز نمایش میدهد.

این تجهیز از یک بدنه از استیل زنگ نزن که مقطع ذوزنقه ای شکر دارد، دو شیشه در جلو و عقب بدنه، یک فیلتر دورنگ و یک چراغ در پشت شیشه عقبی، تشکیل شده است.

سطح شیشه ها به دلیل ذوزنقه ای بودن مقطع بدنه، موازی نیستند.

یک فیلتر قرمز و سبز رنگ پشت شیشه عقبی قرار داردکه نور چراغ را به تو دسته پرتو نور قرمز و سبز تبدیل میکند.

پرتوهای نور قرمز و سبز هنگام عبور غیر مستقیم از شیشه، آب و بخار، ضریب انعکاس متفاوتی دارند.

در قسمت پایینی که آب کندانس شده جمع شده است، پرتو نور قرمز منحرف میشود و به دلیل موازی نبودن شیشه ها نمیتواند از شیشه جلویی عبور کند، اما پرتو نور سبز میتواند به شیشه جلویی برسد، بنابراین بیننده این قسمت از گیج سطح را به رنگ سبز میبیند.

در قسمت بالایی که حاوی بخار است، عکس حالت قبلی، پرتو نور سبز منحرف میشود و نمیتواند به شیشه جلویی برسد، اما نور قرمز از شیشه جلویی عبور میکند و این قسمت از گیج سطح قرمز دیده میشود.

به دلیل دمای بالا شیشه های جلویی و عقبی با ورقه میکا محافظت میشوند.

چون گیج دورنگ سطح برای در مخازن پرفشار بخار بویلر استفاده میشود، باید طراحی آن مطابق استاندارد ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE - SEC. I باشد.

چراغ گیج شفاف سطح باید مناسب با رتبه بندی محدوده خطر انفجار ( hazardous area classification )مربوط به محل نصب گیج انتخاب شود.

بخش های گیج شیشه ای سطح

گیج شیشه ای سطح از سه بخش اصلی تشکیل شده است؛ محفگیج شیشه ای سطح از سه بخش اصلی تشکیل شده است؛ محفظه فلزی (بدنه)، شیشه و شیر ها (دو شیر فلکه در بالا و پایین گیج و دو شیر یا درپوش برای تخلیه گیج).

بدنه گیج سطح

محفظه، بخش فلزی بدنه، با شیشه که به محفظه با پیچ و مهره محکم شده است، کل بدنه گیج سطح را شکل میدهند.

به دلیل محدودیت طول شیشه، محفظه ها با طولهای استاندارد که بر مبنای اندازه استاندارد شیشه است، ساخته میشوند.

9 اندازه استاندارد برای شیشه وجود دارد، بنابراین 9 اندازه نیز برای قسمت های بدنه وجود دارد.

سازندگان یک جدول شامل طول قابل مشاهده و طول مرکز-به-مرکز ( C-C ) اتصال، متناسب با تعداد متفاوت قسمت ها برای اندازه های استاندارد شیشه ارایه میکنند.

به منظور حفظ استقامت فیزیکی و مکانیکی گیج سطح، پیشنهاد میگردد از گیج شیشه ای سطح با طول C-C بیشتر از 2000 میلیمتر استفاده نشود.

اگر طول C-C درخواست شده بیشتر از 2000 میلیمتر است، میتوان از دو یا چند گیج سطح با حداقل 50 میلیمتر همپوشانی در طول قابل مشاهده، استفاده کرد.

متریال بدنه معمولا برای سرویسهای غیر خورنده کربن استیل ASTM A105 است، اما برای سرویسهای خورنده و برودتی استیل زنگ نزن ASTM A316 بهترین راه حل است.

برای فرآیندهایی که دارای یونهای مهاجم مانند کلراید ( CL-) هستند، مانند آب دریا، Hastelloy C که یک آلیاژ پایه نیکل با مقادیر مولیبدن است یا Duplex یا Superduplex میتوانند مواد مناسبی برای بدنه گیج باشند.

شیشه گیج سطح

استقامت شیشه با افزایش طول کاهش مییابد؛ بنابراین طول شیشه نمیتواند به اندازه طول اندازه گیری انتخاب گردد.

بنابراین محفظه گیج باید با وصل کردن تعداد مشخصی از قسمت های استاندارد که متناسب با اندازه استاندارد شیشه است، به یکدیگر ساخته شود تا طول قابل مشاهده گیج را تشکیل دهند.

9 اندازه استاندار برای شیشه از 115 میلیمتر تا 340 میلیمتر وجود دارد.

اندازه 9 متداول ترین اندازه شیشه است که در کاربردهای صنعتی استفاده میشود.

شیشه ها با سه ضخامت، 34 میلیمتر، 30 میلیمتر و 25 میلیمتر موجودند، اما 34 میلیمتر ضخامت استاندارد برای گیج شیشه ای سطح است.

شیشه نقطه ضعف گیج سطح است و باید از مواد خاصی ساخته شود تا بتواند در شرایط دما و فشار صنعتی مقاوت کند.

شیشه گرما دیده متداول ترین شیشه است که برای گیجهای سطح استفاده میشود و از نظر دمایی و فیزیکی به دلیل فرآیندهای ساخت گرمایی و شیمیایی خاص ، از شیشه معمولی مقاوم تر است.

شیشه بوروسیلیکات یک نوع شیشه گرما دیده است که از ترکیب سیلیس و تیری اکسایدبرم در دمای بالا ساخته میشود.

شیشه بروسیلیکات ضریب انبساط دمایی بسیار پایینی و بهترین مقاومت را در برابر محلولهای اسیدی دارد، همچنین به تغییرات آن دما مقاوم است ولی در برابر محلولهای قلیایی مقاومت کمی دارد.

شیشه بروسیلیکات میتواند در سرویسهایی با دمای ℃ 315 استفاده شود.

شیشه آلومینوسیلیکات که دارای اکسید آلومینیوم است، بیشتر به دما مقاوم است و میتواند دمایی تا ℃ 425 را تحمل کند؛ درجه فشار بالاتر و مقاوت شیمیایی بهتری بخصوص نسبت به محلولهای قلیایی در مقایسه با شیشه بروسیلیکات دارد.

کوارتز که از ذوب کردن کریستالهای کوارتز ساخته میشود، در برابر مواد فرساینده مقاومت بیشتری نسبت به شیشه دارد و میتواند در سرویسهایی تا دمای ℃ 560 استفاده شود، اما شکننده تر است.

محافظت از شیشه گیج سطح

به منظور محافظت از شیشه در برابر بخار، محلولهای قلیایی یا اسیدی داغ، آمینها، اسید هیدروفلوریک، سود و دیگر سرویسهای خورنده، گیج شفاف سطح باید به ورقه نازک محافظ مجهز شود.

ورقه میکا بهترین و متداول ترین فیلم محافظ است که برای گیجهای سطح شفاف استفاده میشود.

ورقه میکا در گیجهای سطح انعکاسی به دلیل وجود شیارهای منشوری در سطح داخلی شیشه قابل استفاده نیست.

میکا یک کانی طبیعی سیلیکات (سیکیکات صفحه ای ) است که دارای مقاومت دمایی بسیار بالا، انعطاف قابل قبول و مقاومت در برابر خورندگی محلولهای قلیایی و اسیدی داغ، میباشد.

میکا درجه بندی های مختلفی از V1 تا V10 برای کاربردهای متفاوت دارد، اما دو تا از این درجه بندی ها برای محافظت از شیشه گیج سطح مناسبند:

V2 یاقوتی/سبز شفاف و کمی لک دار

درجه V2 میکا سخت است و رنگ یکنواختی دارد و ممکن است دارای لکه های رنگی کریستالی باشد، اما نقش ها و لکه های گیاهی و معدنی، ترک ، گره و دیگر ایرادهای مشابه ندارد.

همچنین بجز چند حباب کوچک هوا که آن هم بیشتر از یک چهارم سطح قابل استفاده نیست، عاری از ناخالصی های خارجی است.

این درجه برای سرویسهای بخار از 600 تا 1500 PSI (41 تا 103 bar ) مناسب است.

این درجه در دو رنگ یاقوتی و سبز موجود است.

V4 یاقوتی/سبز طرح دار

درجه V4میکا سخت است و رنگ یکنواختی دارد و ممکن است دارای لکه های رنگی کریستالی باشد، اما نقش ها و لکه های گیاهی و معدنی، ترک ، گره و دیگر ایرادهای مشابه ندارد.

همچنین بجز چند موج اما نه ناصاف و چند حباب کوچک هوا که آن هم بیشتر از دو سوم سطح قابل استفاده نیست، عاری از ناخالصی های خارجی است.

این درجه برای سرویسهای بخار از 300 تا 600 PSI (20 تا 41 bar ) مناسب است.

این درجه در دو رنگ یاقوتی و سبز موجود است.

اندازه و ضخامت استاندارد ورقه های محافظ میکا به شرح جدول زیر است:

برای سرویسهای اسید هیدروفلوریک در درجه اول، ورقه های PCTFE (Kel-F ® ) استفاده میشود که میتواند در بازه دمایی -240℃ تا 150℃ کار کنند.

شیرهای گیج سطح

گیج سطح با استفاده از 2 شیر فلکه در بالا و پایین آن به مخزن یا تانک متصل میشود.

این شیر فلکه ها، شیرهای زاویه ای هستند که زاویه بین ورودی و خروجی آنها 90 درجه است.

خروجی شیرفلکه که به نازل مخزن وصل میشود معمولا فلنجی است.

اتصال شیر فلکه به گیج سطح معمولا 1/2 اینچ یا 3/4 اینچ رزوه¬ای NPTF است، اما 3/4 اینچ NPTF به دلیل کاهش ریسک مسدود شدن، ارجح است.

شیر فلکه بالایی یک اتصال دیگر 1/2 اینچی برای شیر یا درپوش تخله گاز دارد.

به طور مشابه، شیر فلکه پایینی نیز یک اتصال 1/2 اینچی برای شیر یا درپوش تخلیه مایع دارد.

استفاده از درپوش تخلیه گاز یا مایع یک راه حل اقتصادی است، اما بعد از سالها کار و تعمیرات، تبدیل به نقطه ظعف و محل نشتی گیج سطح میشود.

بنابراین، پیشنهاد میشود از شیر 1/2 اینچی بجای درپوش استفاده شود.

شیر فلکه باید از نوع انحراف دار باشد که در آن میله اصلی شیر نسبت به محور اصلی گیج دارای انحراف است تا این امکان فراهم شود که تمیز کردن شیشه با برس و فرچه تمیزکاری بدون باز کردن شیر فلکه و پایین آوردن گیج انجام شود.

اما این انحراف میتواند از سمت راست یا سمت چپ باشد که لازم است قبل از سفارش گذاری در دیتاشیت با توجه به موقعیت نازل مخزن و نقطه دسترسی یا موقعیت نردبان، تعریف شود.

همچنین اگر شیر فلکه بالایی از سمت راست باشد، آنگاه شیر فلکه پایینی باید از سمت چپ باشد.

این مشکل میتواند با انتخاب شیرفلکه قابل چرخش حل شود، که میتواند هنگام نصب در سمت چپ یا سمت راست بدنه گیج نصب گردد.

شیر فلکه ها باید با یک تجهیز ایمنی مجهز شوند که به آن توپی یکطرفه (Ball check) می گویند.

توپی یکطرفه از خروج محتویات مخزن در صورت ایراد در گیج سطح که میتواند نشت یا شکسته شدن شیشه باشد، جلوگیری میکند.

در صورت ایراد در گیج سطح (شکسته شدن شیشه) فشار داخل گیج سطح کاهش پیدا میکند و مایع داخل مخزن به طرف داخل گیج حرکت میکند و توپی یکطرفه را به گلوگاه شیر فشار میدهد، بنابراین ورودی گیج سطح مسدود میگردد.

طبق استاندارد ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE - SEC. I. توپی یکطرفه برای گیجهای سطح نصب شده روی مخازن بویلر ضروری نیست، زیرا از عبور بخار در زمان تخلیه بخار دوره ای جلوگیری میکند.

در غیر اینصورت برای سرویسهای بخار باید از توپی یکطرفه که عمودی حرکت میکند و فقط برای شیرفلکه پایین، استفاده شود.

شیرفلکه ها معمولا به دلیل کوچک بودن اندازه از مواد فورج ساخته میشوند و از نظر متالورژی باید کاملا مطابق ماده بدنه گیج باشد.

به عنوان مثال اگر ماده بدنه گیج کربن استیل ریخته گری ASTM A216 WCB باشد ماده شیرفلکه باید معادل فورج آن کربن استیل، یعنی ASTM A105 باشد.

ماده پلاگ، سوزن، گلوگاه، میله اصلی و توپی یکطرفه شیر فلکه باید از جنس استیل زنگ نزن AISI 316 یا ماده ای بهتر از آن باشد.

چراغ گیج سطح

گیجهای سطح شفاف و دورنگ نیاز به چراغ دارند.

چراغهای امروزی چراغهای ال ای دی هستند، اما در گذشته لامپهای رشته ای و فلورسنت بیشترین استفاده را داشتند.

لامپهای رشته ای و فلورسنت نیاز به یک پخش کننده پلاستیکی برای پخش کردن نور در طول گیج دارند.

چراغهای ای ای دی مصرف برق کمتر و چرخه عمر طولانی تری دارند.

بنابراین، به منظور افزایش طول عمر، لامپهای رشته ای و فلورسنتی میتوانند به یک کلید فنری مجهز شوند با بعد از رویت خاموش شوند.

چراغهای ال ای دی طول عمر و قابلیت اطمینان بزرگتری دارند، زیرا اگر یک ال ای دی خراب شود، ال ای دی کناری ناحیه ال ای دی خراب شده را پوشش میدهد.

چراغهایی که در ناحیه خطر انفجار قرار دارند باید از نوع ضد انفجار باشند.

دپارتمان برق مسئولیت تهیه نیروی برق مورد نیاز چراغها را بر عهده دارد، بنابراین باید این دپارتمان را از سطح ولتاژ و جریان، میزان توان مصرفی و موقعیت چراغها مطلع شود.

نصب گیج شیشه ای سطح

استقامت شیشه با افزایش طول کاهش مییابد؛ بنابراین طول شیشه نمیتواند به اندازه طول اندازه گیری انتخاب گردد.

بنابراین محفظه گیج باید با وصل کردن تعداد مشخصی از قسمت های استاندارد که متناسب با اندازه استاندارد شیشه است، به یکدیگر ساخته شود تا طول قابل مشاهده گیج را تشکیل دهند.

همانطور که پیشتر بیان شد، 9 اندازه استاندارد برای شیشه از 115 میلیمتر تا 340 میلیمتر وجود دارد.

اندازه 9 متداول ترین اندازه شیشه است که در کاربردهای صنعتی استفاده میشود.

جدول زیر تعداد پیشنهادی قسمت ها و اندازه شیشه برای طولهای قابل رویت مختلف را ارایه میکند:

طول قابل رویت گیج سطح باید سطوح اندازه گیری تمام ترانسمیترها و سویچهای روی مخزن یا تانک را پوشش دهد.

پیشنهاد میشود طول قابل رویت گیج سطح 50 میلیمتر بالاتر از بالاترین سطح اندازه گیری (HH) و 50 میلیمتر پایین تر از پایین ترین سطح اندازه گیری (LL) در نظر گرفته شود.

بعد از انتخاب طول قابل رویت گیج سطح، طول تقریبی C-C را میتوان از جدول فوق یا کاتالوگ سازنده بدست آورد.

به منظور حفظ استقامت فیزیکی و مکانیکی گیج سطح، پیشنهاد میشود تا از گیج سطح با طول C-C بیشتر از 2000 میلیمتر استفاده نشود.

اگر طور C-C مورد نیاز از 2000 میلیمتر بیشتر باشد، آنگاه میتوان از دو یا چند گیج سطح با حداقل 50 میلیمتر همپوشانی در طول قابل رویت استفاده کرد.

اما استفاده از دو یا چند گیج سطح نیاز به نازلهای بیشتری روی مخزن دارد که میتواند استحکام مکانیکی آن را تحت تاثیر قرار دهد و تبدیل به یک نقطه ضعف گردد.

بنابراین نصب یک استندپایپ کنار مخزن یا تانک برای دو یا تعداد بیشتری گیج سطح طراحی مناسبی است.

قطر استندپایپ میتواند 4 یا 6 اینچ باشد و باید دارای شیرهای جداکننده باشد.

گیج مغناطیسی سطح

گیج مغناطیسی سطح از یک شناور دارای ماده مغناطیسی دایمی درون یک محفظه فلزی غیر مغناطیسی و یک نمایش گر دارای پرچم های چرخنده مغناطیسی تشکیل شده است.

گیج مغناطیسی سطح شیشه ندارد بنابراین محدودیت طول گیج شیشه ای سطح را ندارد و میتواند در کاربردهایی با فشار و دمای بالا استفاده شود.

یکی دیگر از مزایای گیج مغناطیسی سطح در مقایسه با گیج شیشه ای سطح این است که سطح مایع میتواند از فاصله دور دیده شود.

کاربردهای گیج مغناطیسی سطح

• سرویسهایی با دما و فشار بالا که ممکن است شیشه شکسته شود
• C4 مایع و هیدروکربنهای سبکتر که بی رنگ و قابل اشتعالند
• سرویسهای قابل اشتعال که در صورت شکستن شیشه خطر آتش سوزی وجود دارد
• سرویسهای کثیف یا چسبنده که ممکن است سطح شیشه پوشیده شود و شفافیت خود را از دست بدهد
• نمایش سطح بین دو مایع در مخازن جداکننده
• سرویسهای خیلی خوردنده یا اسیدی
• سرویسهای برودتی

نحوه عملکرد گیج مغناطیسی سطح

سطح مایع در محفظه گیج مغناطیسی سطح طبق قانون ظروف به هم پیوسته دقیقا برابر با سطح مایع داخل مخزن است.

شناور طبق قانون شناوری ارشمیدس روی سطح مایع شناور میماند.

یک آهنربای مغناطیسی داخل شناور قرارداد و هنگامی که شناور با سطح مایع بالا و پایین میرود، پرچمهای مغناطیسی رنگی چرخنده روی نمایش دهنده که روی محفظه گیج بسته شده است را میچرخاند.

در نتیجه رنگ نمایشگر از سطح مایع تا پایین با رنگ نمایشگر از سطح مایع تا بالای گیج متفاوت است.

گیج مغناطیسی سطح میتواند برای نمایش سطح بین دو مایع نیز استفاده شود.

در این حالت شناور با در نظر گرفتن چگالی مایع پایینی چنان طراحی میشود که روی سطح مایع سنگین تر که سطح بین دو مایع است، شناور بماند.

محفظه گیج مغناطیسی سطح

محفظه گیج مغناطیسی سطح یک لوله با قطر استاندارد (NPS) 2 اینچ و اسکجول 40 است.

NPS (Nominal Pipe Size) یک استاندارد آمریکایی برای اندازه لوله است.

لوله NPS 2 اینچ معادل اندازه لوله استاندارد اروپاییDN 50 و معادل 60.33 میلیمتر است.

اسکجول لوله، ضخامت دیوار لوله را تعریف میکند و 40 بیانگر ضحامت دیواره 3.912 میلیمتر برای لوله 2 NPS است.

ماده مورد استفاده در محفظه باید از فلز غیر مغناطیسی باشد تا بتواند میدان مغناطیسی شناور را از خود عبور دهد.

استیل های زنگ نزن آستنیتیک ( 316SS, 304SS و ...) استیل های زنگ نزن غیر پایه آهنی هستند و میتوانند میدان مغناطیسی را عبور دهند.

استیل های زنگ نزن AISI 316/316L بهترین و متداول ترین ماده برای محفظه با توجه به مقاومت مناسب دربرابر خوردگی و مشخصات مکانیکی قابل قبول در بازه دمایی منفی 254 تا مثبت 816 درجه سانتیگراد، هستند.

برای فرآیندهایی که دارای یونهای مهاجم مانند کلراید ( CL-) هستند، مانند آب دریا، 316SS و 316L SS نمی توانند استفاده شوند و Hastelloy C که یک آلیاژ پایه نیکل با عدد PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) بزرگتر از 40 است برای چنین سرویسهایی پیشنهاد میشود اما قیمت آن قابل ملاحظه است.

به منظور فراهم کردن امکان تعویض شناور، پایین محفظه دارای اتصال فلنجی است.

یک شیر فلنجی در پایین محفظه میتواند برای تخلیه محفظه در هنگام تعمیرات در نظر گرفته شود.

پیشنهاد میشود تا از درپوش تخلیه بجای شیر تخلیه استفاده نگردد زیرا رزوه های درپوش در اثر باز و بسته شدن زیاد ساییده شده و میتواند تبدیل به نقطه نشت شود.

باید یک درپوش یا شیر تخله گاز در بالای محفظه برای تخلیه گاز جمع شده در نظر گرفته شود؛ درپوش یک انتخاب اقتصادی است.

اگر گیج مغناطیسی سطح در فرآیند بویلر استفاده می¬شود، محفظه باید طبق استاندار های ASME B31.1 و B31.3 طراحی شود.

برای دیگر کاربردها روی مخازن تحت فشار، محفظه باید مطابق با ASME B&PV Code, Section VIII, Division 1 ساخته شود.

برای کاربردهای نمایش سطح بین دو مایع، محفظه باید اتصالات دیگری روی مخزن علاوه بر اتصالات بالا و پایین داشته باشد و حداقل یک اتصال بالاتر از سطح بین دو مایع باید در نظر گرفته شود، در غیر این صورت مایع بالایی ممکن است داخل مخزن به دام افتاده و نتواند وارد محفظه شود.

محفظه باید به فنرهای نگه دارنده در بالا و پایین مجهز شود تا از برخورد شدید شناور به محفظه در اثر تخلیه سریع یا افزایش سطح سریع، جلوگیری کند.

شناور گیج مغناطیسی سطح

شناور بر اساس فشار، دما، چگالی و خورندگی مایع طراحی میشود.

آهنربای مغناطیسی داخل شناور پرچم های دو رنگ نمایشگر را هنگامی که با سطح مایع بالا و پایین میرود میچرخاند.

آهنربای مغناطیسی باید به نحوی داخل شناور قرارگیرد که سطح نمایش داده شده منطبق با سطح واقعی مایع باشد.

طول شناور باید از 250 میلیمتر کمتر باشد.

ماده شناور باید از مواد غیر مغناطیسی باشد تا میدان مغناطیسی آهنربای داخل خود را عبور دهد.

دمای فرآیندی برای انتخاب ماده آهنربای مغناطیسی و طراحی شناور بسیارمهم است.

دمای سیال نباید از دمای مغناطیسی کوری بالاتر باشد.

دمای مغناطیسی کوری (TC) دمایی است که مواد مغناطیسی خصوصیات مغناطیسی خود را در دمای بالاتر از آن از دست می¬دهند.

برای فرآیند هایی با دمای بالاتر از ℃ 150 ، باید از آهنرباهای دما بالا استفاده کرد.

باید توجه شود که شناور قبل از انجام تست هیدروستاتیک مخزن از محفظه گیج خارج شود.

بعد از انجام تست هیدروستاتیک باید موارد زیر برای نصب و جایگذاری مجدد شناور مورد توجه قرار گیرند:

• شماره سریال شناور باید حتما کنترل شود، زیرا شناور بطور خاص برای هر گیج سطح و باتوجه به چگالی مایع طراحی شده است.
• شناور نباید سروته نصب شود.
• ابتدا باید شیر جداکننده بالایی برای هم فشاری به آرامی باز شود، سپس شیر پایینی برای پر شدن محفظه گیج باز شود.

نمایشگر گیج مغناطیسی سطح

نمایشگر از یک ستون پرچم یا غلتک های دورنگ مغناطیسی داخل یک قاب غیر مغناطیسی تشکیل شده است که به محفظه محکم شده است.

هم راستا با ستون پرچم ها یک خط کش از جنس استیل زنگ نزن قرار دارد که معمولا با درجه های 10 میلیمتری مدرج شده است.

رنگ پرچمها معمولا زرد-سیاه یا قرمز-سفید است.

نمایشگر با سیال در تماس نیست بنابراین قاب آن میتواند از جنس آلیاژهای آلومینیومی حتی برای سرویسهای خورنده باشد، اما در صورت وجود شرایط محیطی سخت و خورنده استیل زنگ نزن پیشنهاد میگردد.

ستون پرچمها باید درزگیری شده باشد تا در برابر گرد و غبار و میعان رطوبت محیط محافظت شود.

ستون پرچمها باید بگونه ای طراحی شود تا از چرخش پرچمها به علت تغییر سطح بسیار سریع گذرا یا لرزش، جلوگیری شود؛ می تواند به ترمز یا قفل مغناطیسی مجهز شود.

سویچ های مغناطیسی میتوانند به منظور ایجاد سیگنالهای آلارم یا تریپ در یک سطح مشخص به نمایشگر بسته و محکم شوند.

یک نوع دیگری از نمایشگر وجود دارد که بجای پرچمهای دورنگ از یک دنبال کننده تشکیل شده است که در یک تیوب شفاف همراه با شناور داخل محفظه گیج بالا و پایین میرود.

این نوع نمایشگر برای فرآیندهایی با تغییر سطح مایع سریع یا لرزش پیشنهاد نمیگردند زیرا ممکن است دنبال کننده اتصال مغناطیسی خود را با شناور از دست بدهد و جا بماند همچنین دنبال کننده از فاصله دور قابل رویت نیست.

نصب گیج مغناطیسی سطح

نصب گیج مغناطیسی سطح کاملا مشابه نصب گیج شیشه ای سطح است، اما گیج مغناطیسی سطح میتواند روی مخزن نصب شود که برای گیج شیشه ای سطح امکان پذیر نیست.

گیج مغناطیسی سطح نصب از بالا برای نصب روی مخازن زیر زمینی و پوشیده شده مفید است.

متداول ترین شیوه های نصب گیج مغناطیسی سطح عبارتند از: کنار-کنار، بالا-کنار، بالا-پایین و نصب از بالا.

برای نمایش سطح بین دو مایع، شناور باید با درنظر گرفتن چگالی مایع پایینی طراحی شود تا در مایع با چگالی کمتر نفوذ کند و روی سطح مایع سنگین تر که همان سطح بین دو مایع است، شناور بماند.

در این کاربرد بیشتر از دو اتصال در سطوح مختلف به مخزن ضروری است، در غیر اینصورت سطح بین دو مایع در محفظه گیج و مخزن برابر نخواهد بود.

حداقل یک اتصال اضافه بالاتر از ماکزیمم سطح بین دو مایع باید در نظر گرفته شود.

مهمترین مسئله در خصوص نصب گیج مغناطیسی سطح این است که باید دور از تجهیزاتی که در میدان مغناطیسی آن تاثیر میگذارند، نصب شود.

بنابراین گیج مغناطیسی سطح باید حداقل 20 سانتیمتر ( 8 اینچ) دور از مواد آهن دار مانند پله کان، پایه های ساپورت و نصب، لوله های کربن استیل، گریتینگ کف و... نصب شود.

محل ترانسفورماتورها، موتورهای الکتریکی، جداکننده های مغناطیسی، کابلهای گرم کننده دور مخازن که تشکیل یک سیم پیچ میدهند و دیگر تجهیزاتی که میدان مغناطیسی تولید میکنند، باید برای نصب گیج مغناطیسی سطح در نظر گرفته شود.

گیج مغناطیسی سطح همراه با ترانسمیتر و سویچ

گیج مغناطیسی سطح میتواند به یک ترانسمیتر مغناطیسی برای اندازه گیری مداوم سطح علاوه بر نمایش سطح مجهز شود.

ترانسمیتر مغناطیسی از یک سیم فلزی مغناطیسی که تحت کشش داخل یک تیوب قرار دارد تشکیل شده است.

این تیوب به محفظه گیج مغناطیسی محکم شده است.

یک پالس جریان یک میدان مغناطیسی چرخشی در طول سیم مغناطیسی تولید میکند.

برهم نهی این میدان مغناطیسی و میدان مغناطیسی شناور یک نیروی پیچشی در سیم ایجاد میکند که باعث تولید یک موج مکانیکی متناسب با موقعیت شناور در سیم میشود که میتواند با استفاده از یک سنسور پیزوسرامیکی به یک سیگنال الکتریکی تبدیل شود.

اگر دقت بیشتری برای اندازه گیری مداوم سطح مورد نیاز باشد میتوان یک ترانسمیتر سطح رادار را با گیج مغناطیسی سطح متصل کرد.

این ترانسمیتر رادار میتواند در بالای محفظه گیج یا روی یک محفظه دیگر که به محفظه گیج متصل است، نصب شود.

مزیت این نوع ترکیب دقت بیشتر، قابلیت اطمینان بیشتر و اتصالات کمتر روی مخزن، است.

سویچهای مغناطیسی را در صورت نیاز به سیگنالهای دیجیتال برای آلارم یا تریپ میتوان با بست در سطوح مشخص روی نمایشگر گیج سطح محکم کرد.

سویچها توسط میدان مغناطیسی شناور با عبور شناور روی وضعیت از قبل تعیین شده (باز/بسته) قفل میشوند و در برگشت شناور به حالت قبلی باز میگردند.

گیج شناور سطح

گیج شناور سطح معمولا برای نمایش سطح در تانکهای ذخیره سازی بزرگ استفاده میشود.

این گیج از شناور، وزنه تعادل، صفحه مدرج گیج، بند یا زنجیر، لوله های هدایت کننده و پولی ها و چرخدنده های تنظیم حرکت تشکیل شده است.

شناور داخل تانک قرار دارد که همراه با سطح مایع طبق قانون ارشمیدس بالا و پایین میرود.

شناور توسطه سیم یا زنجیر که داخل لوله های هدایت کننده در بالای تانک قرار دارند به یک وزنه تعادل در خارج تانک متصل است.

حرکت بالا و پایین وزنه تعادل روی صفحه مدرج خارج مخزن با استفاده از مجموعه ای از پولی ها یا چرخدنده ها، به نحوی تنظیم میشود تا آنرا دقیقا هم سطح شناور نگه دارد.

در بعضی از انواع این گیج، پولی ها و چرخدنده های تنظیم کننده، داخل یک نمایش گر محلی در پایین تانک قراردارند که دقت بیشتری دارد و در صورت نیاز به سیگنالهای آنالوگ یا دیجیتال برای سیستم کنترل، میتواند به ترانسمیتر و سوییچ مجهز شود.

کاربردهای گیج شناور سطح

• تانکهای ذخیره بزرگ
• سیالاتی با چسبندگی بالا مانند قیر مایع
• تانکهای ذخیره محصولات پتروشیمی و خوراکی ماننده نفت سفید، نفت خام، گازوییل و روغنهای گیاهی
• گازهای مایع شده در تانکهای کروی

مزایای گیج شناور سطح

• قابلیت اطمینان بالا
• قابل رویت بودن از فاصله دور
• ساختار ساده
• قیمت کم در مقایسه با دیگر گیج ها برای تانکهای بزرگ
• تعمیرات کم

ترانسمیتر سطح

ترانسمیترهای سطح برای نظارت و کنترل سطح به صورت مداوم از اتاق کنترل استفاده میشوند.

خروجی ترانسمیتر سطح یک سیگنال 4 تا 20 میلی آمپری است که 4 میلی آمپر نشان دهنده سطح 0% و 20 میلی آمپر نشان دهنده سطح 100% در تجهیز کنترل شونده است.

متداول ترین ترانسمیترهای سطح که در کاربردهای صنعتی استفاده میشوند عبارتند از:

• اختلاف فشار
• هیدروستاتیک
• فراصوت
• رادار
• لیزر
• پتانسیلی
• مغناطیسی
• جابجایی (Displacer)
• خازنی
• حبابی
• شناور
• سروو (Servo)
• رادیواکتیو

ترانسمیتر اختلاف فشار سطح

ترانسمیتر اختلاف فشار سطح در حقیقت یک ترانسمیتر اختلاف فشار است که برای اندازه گیری سطح مایع داخل تانک یا مخزن استفاده میشود.

ترانسمیتر اختلاف فشار دو ورودی (LP و HP) برای اتصال به دو نقطه اندازه فشار دارد.

ورودی های LP و HP در دو سمت مقابل دیافراگم قرار دارند.

تفاوت فشار بین LP و HP باعث خم شدن دیافراگم به سمت فشار کمتر میشود.

این حرکت توسط منسور حس شده و به سیگنال الکتریکی خروجی تبدیل میگردد.

متداول ترین انواع حسگر فشار برای ترانسمیترهای فشار عبارتند از:

• کشش سنج (استرین گیج) الکترومکانیکی
• خازن متغییر
• پیزومتر مقاومتی
• پیزوالکتریک

نحوه عملکرد و ساختار آنها در بخش ترانسمیتر های فشار شرح داده شده است.

در کاربردهای اندازه گیری سطح نازل پایینی به سمت HP و نازل بالایی به سمت LP متصل میشوند.

در یک مخزن تحت فشار بسته، فشار نازل بالایی،P_L ، برابر با فشار گاز بالای مایع در مخزن P_vapor است.

فشار نازل پایینی،P_H، معادل فشار مایع، P_Liquid به علاوه P_vapor است.

اختلاف فشار اندازه گیری شده توسط ترانسمیتر اختلاف فشار حاصل تفریق P_L از P_H است.

بدین معنی که اختلاف فشار برابر با فشار ارتفاع مایع، ρgh است.

سپس ارتفاع مایع داخل مخزن میتواند از معادله بالا استخراج شود.

نازلهای مخزن با استفاده از تیوب هایی از جنس استیل زنگ نزن به ورودی های فشار ترانسمیترهای اختلاف فشار ( LP و HP ) متصل میشوند و به آنها خطوط ایمپالس میگویند.

اگر گاز بالای مایع امکان دارد در اثر میعان به مایع تغییر شکل دهد، آنگاه خط ایمپالس LP باید قبل از شروع بهره برداری با مایع پرشود که به آن خط پر شده (wet leg ) میگویند.

اگر این گاز به مایع تبدیل نمیشود آنگاه این گاز خشک مخزن وارد خط ایمپالس LP میشود که به آن خط خالی ( dry leg ) گفته میشود.

در خط پرشده ( wet leg)، فشار حس شده در سمت LP ترانسمیتر بیشتر از فشار حس شده در سمت HP است، و علت آن فشار ارتفاع مایع در خط ایمپالس LP است.

بدین معنی که عدد سطح خروجی ترانسمیتر همواره یک مقدار منفی است.

برای حل این مشکل، باید ترانسمیتر به نحوی تنظیم شود که یک مقدار مثبت به سیگنال خروجی ترانسمیتر اضافه شود تا فشار ارتفاع مایع داخل خط ایمپالس LP را جبران کند.

به این کار افزایش نقطه صفر (Zero Suppression) میگویند.

در بیشتر مواقع، ارتفاع ترانسمیتر اختلاف فشار سطح پایین تر از سطح 0% است، بنابراین فشار حس شده در سمت HP ترانسمتر اختلاف فشار سطح بیشتر از فشار ارتفاع مایع داخل مخزن است که این امر به دلیل فشار مایع باقی مانده در خط ایمپالس HP است.

در این حالت اگر مخزن بطور کامل خالی شود ترانسمیتر یک مقدار برای سطح مخزن نشان میدهد.

راه حل تفریق فشار ارتفاع مایع داخل خط ایمپالس از فشار حس شده در سمت HP است، بدین معنی که ترانسمیتر با یک عدد منفی تنظیم (بایاس) شود.

به این کار کاهش نقطه صفر (Zero Suppression ) میگویند.

راه حل دیگر برای حذف مشکلات خطوط ایمپالس استفاده از محافظ جدا کننده (دیافراگم سیل) است.

دیافراگم سیل از یک دیافراگم فلزی حس کننده خارجی تشکیل شده است که توسط تیوب کپیلری پر شده با مایع به ترانسمیتر اختلاف فشار متصل میشود.

در این طراحی، سنسور فشار از سیال جدا میشود و فشار مخزن، صفحه دیافراگم را خم میکند، بدین ترتیب فشار به مایع داخل کپیلری و در نهایت به حسگر ترانسمیتر، برای اندازه گیری منتقل میشود.

تیوبهای کپیلری توسط سازنده به دیافراگم سیل و ترانسمیتر جوش داده میشوند تا یک سیستم کاملا درزگیری شده و بدون نشت را فراهم آورند.

انواع مختلف دیافراگم سیل در بخش دیافراگم سیل شرح داده شده اند.

استفاده از دیافراگم سیل برای سرویسهای زیر پیشنهاد میشود:

• سرویسهای بسیار خورنده
• نشت خطرناک و غیر قابل قبول است ( سرویسهای سمی، قابل اشتعال و ...)
• سرویسهایی با دمای بالا
• سرویسهای برودتی
• کاربردهای بهداشتی ( صنایع غذایی و دارویی)
• سرویسهای کثیف
• سرویسهای دارای ریز مواد جامد
• سرویسهای دوغ آبی (Slurry)
• سرویسهای بسیار چسبنده
• سرویسهایی که امکان پلیمره یا کریستالی شدن سیال وجود دارد

مایع پر کننده دیافراگم سیل

مایع پر کننده دیافراگم سیل باید دارای چسبندگی کم، ضریب انبساط حرارتی کم، فشار بخار شوندگی پایین باشد و از همه مهمتر باید در بازه دمای فرآیندی پایدار باشد.

در دمای بالا، مایع پر کننده ممکن است بخار شود و اندازه گیری فشار واقعی را تحت تاثیر قرار دهد.

در دمای بسیار پایین و یخبندان، مایع پرکننده ممکن است بسیار چسبنده یا حتی تبدیل به جامد شود.

بنابراین مهمترین نکته برای انتخاب مایع پرکننده دمای فرآیندی که در آن پایدار است، میباشد.

مایعهای پرکننده با بازه دمایی از منفی ℃ 90 تا مثبت ℃ 350 وجود دارند.

گلیسیرین و روغن سیلیکون متداول ترین مایع های پرکننده هستند.

در شرایط محیطی برودتی روغن سیلیکون به دلیل چسبندگی کم حتی در دماهای پایین،کارایی بهتری دارد.

اما گلیسیرین و روغن سیلیکون نباید در برای مواد اکسید کننده قوی مانند اکسیژن، کلراین، اسید نیتریک و پراکسید هیدروژن استفاده شوند.

برای این مواد و سیالات باید از مایعهای فلوئوری شده یا کلرینه شده مانند هالوکربن یا فلورولوب استفاده شود.

اثر دمای محیط بر کپیلری

دمای محیط باعث انبساط یا انقباض مایع پرکننده تیوب کپیلری میشود که نتیجه آن تغییر فشار داخلی تیوب کپیلری است.

این تغییر فشار خطای اندازه گیری ترانسمیتر اختلاف فشار سطح با دیافراگم سیل و تیوب کپیلری است.

یک راه حل این است که طول تیوب کپیلری سمت LP و سمت HP دقیقا برابر در نظر گرفته شوند تا خطای ایجاد شده در دو طرف یکسان شود و با محاسبه ΔP بطور اتوماتیک حذف شوند.

راه حل دوم نصب یک سنسور دما در ترانسمیتر اختلاف فشار سطح برای جبران سازی تغییر چگالی مایع پرکننده است.

راه حل سوم استفاده از طراحی نوین ترانسمیترهای اختلاف فشار سطح، سنسور دیجیتالی یا الکترونیکی ریموت است.

ترانسمیتر اختلاف فشار سطح با سنسور الکترونیکی ریموت

در طراحی ترانسمیتر اختلاف فشار سطح با سنسور الکترونیکی ریموت، از دو سنسور فشار مجزا استفاده میشود.

یکی روی نازل HP و دیگری روی نازل LP نصب میشود.

این دو سنسور با استفاده از یک کابل ارتباطی مخصوص به یکدیگر متصل میشوند.

یکی از سنسورها اختلاف فشار را محاسبه کرده و آنرا به سیگنال 4 تا 20 میلی آمپر تبدیل میکند.

در این طراحی جدید، خطوط ایمپالس و تیوبهای کپیلری و مشکلاتشان حذف میشود.

مزایای طراحی سنسورهای ریموت

• اثر دمای محیط حذف میشود
• نیازی به افزایش و کاهش نقطه صفر نیست
• ریسک نشت خطوط ایمپالس حذف میشود
• پاسخ سریع
• نصب آسان
• تعمیرات و نگهداری کم

طراحی سنسورهای ریموت برای مخازن بلند که فاصله بین نازلهای LP و HP زیاد است، مناسب است.

در آب و هوای سرد، عایق بندی حرارتی برای ایمپالسهای مرسوم ضروری است که در طراحی جدید حذف میشود.

ترانسمیتر هیدروستاتیکی

ساختار ترانسمیتر هیدروستاتیکی مانند ترانسمیتر اختلاف فشار سطح است، اما سمت کم فشار (LP) باز است و هم فشار با اتمسفر است.

ترانسمیتر هیدروستاتیکی معمولا برای اندازه گیری سطح مخازن و تانکهای باز استفاده میشود.

نوع غرق شونده ترانسمیتر هیدروستاتیکی که قابلیت قرارگیری در مایعات را دارد نیز وجود دارد که میتواند برای کاربردهای نصب از بالای مخزن، استفاده شود.

این نوع از ترانسمیتر هیدروستاتیکی برای تانکهای دفنی اتمسفریک و چاهک ها مناسب است.

در این طراحی سنسور در مایع غرق میشود و با استفاده از کابل سنسور یا یک میله در نقطه سطح 0% تنظیم میشود و ترانسمیتر در بالای مخزن نصب میگردد.

ترانسمیتر فراصوتی سطح

ترانسمیتر فراصوتی از امواج فراصوت استفاده کرده و بر اساس اصل مدت زمان پژواک (Time-of-Flight) کار میکند.

سنسور آن یک موج فراصوت تولید کرده و آنرا به سمت ماده داخل مخزن که میتواند مایع یا جامد باشد، ارسال میکند و سپس پژواک آن از سطح ماده را دریافت میکند.

زمان صرف شده بین ارسال تا دریافت پژواک آن که زمان پرواز (Time-of-Flight) نامیده میشود، با فاصله بین سنسور و سطح ماده متناسب است.

ترانسمیتر فراصوت زمان پرواز موج را تحلیل کرده و میزان سطح ماده در مخزن را بصورت یک سیگنال خروجی 4 تا 20 میلی آمپر ارائه میکند.

بازه فرکانسی موج فراصوت

صوت، موجی است که در بازه شنوایی انسان از 20 هرتز تا 20 کیلو هرتز است.

موج فراصوت بالاتر از بازه شنوایی انسان است.

بعضی از جانوران مانند خفاشها و دلفینها از امواج فراصوتی بین 20 کیلوهرتز تا 200 کیلوهرتز و پژواک یابی برای تشخیص اجسام و غذا در تاریکی استفاده میکنند.

از امواج فراصوت برای کاربردهای مختلف صنعتی با بازه فرکانسی 20 کیلوهرتز تا 10 مگاهرتز استفاده میشود.

فرکانس موج فراصوتی که در ترانسمیتر فراصوت سطح استفاده میشود معمولا در بازه 40 تا 200 کیلوهرتز است.

محدودیت های ترانسمیتر فراصوتی سطح

تغییرات دمایی

سرعت صوت به چگالی ماده واسط بستگی دارد. هرچه چگالی بیشتر باشد، سرعت صوت بیشتر است.

صوت در گازها بسیار آهسته، در مایعات سریعتر و در جامدات با بیشترین سرعت حرکت میکند.

سرعت صوت در هوا 343 متربرثانیه، در آب 1481 متربرثانیه و در آهن 5120 متربرثانیه است.

در مخازن، چگالی گاز بالای مایع با دما تغییر میکند، درنتیجه سرعت موج فراصوتی ارسال شده توسط سنسور در دماهای مختلف، متفاوت است.

این مسئله در سیستمها یا محیطهایی که تغییرات سریع دمایی دارند باعث ایجاد عدم دقت میشود.

این مشکل با نصب یک سنسور دما داخل ترانسمیتر فراصوتی برای جبران سازی چگالی حل میشود.

درمخازن بسته برای بدست آوردن بالاترین دقت، فشار و ضریب تراکم پذیری گاز یا بخار بالای مایع، برای جبران سازی چگالی باید در نظر گرفته شود.

اکوهای مزاحم

مشکل دیگر ترانسمیترهای فراصوتی سطح، به ساختار مخزن مربوط است که میتواند پژواکهای مزاحمی ایجاد کند و روی اندازه گیری سطح تاثیر بگذارد.

ترموولها، همزنها، لوله های موج گیر، مشها، لوله های بخار گرم کننده و... از نظر ترانسمیتر سطح مانع هستند و ایجاد پژواک مزاحم میکنند.

مشکلات اکوی مزاحم میتواند با اصلاح نرم افزاری حل شود، بدین صورت که ترانسمتر فراصوت سطح اکوهای نامطلوب را نادیده بگیرد، به این کار مپینگ یا حذف اکوی مزاحم میگویند.

برای مپینگ، وقتی که مخزن خالی است ترانسمیتر فراصوتی سطح روشن میشود و موج فراصوتی ارسال و پژواکها را دریافت میکند.

همه پژواکها از موانع بالاتر از حداقل سطح مایع به عنوان اکوی مزاحم شناسایی شده و ترانسمیتر سطح یادمیگیرد که آنها را در آینده نادیده بگیرد.

ترانسمتر فراصوتی سطح بعضی از سازندگان میتواند مپینگ مخزن خالی را علاوه بر روش دستی توسط اوپراتور، بصورت اتوماتیک نیز انجام دهد.

انسداد سنسور

سنسور ترانسمیتر فراصوتی سطح ممکن است با کثیفی های بالا آمده از سطح مایع توسط بخار یا گرد و غبار پوشیده شود.

این مشکل در اندازه گیری سطح جامدات در هاپرها یا صنایع غذایی برای اندازه گیری سطح روغن بسیار شایع است.

سازندگان این مشکل را با لرزاننده خود تمیز کن که کثیفی و گرد و غبار را از روی سنسور پاک میکند، حل کرده اند.

کف روی مایع

در بعضی از فرآیندها روی سطح مایع کف جمع میشود و صوت فراصوتی را به سنسور انعکاس میدهد یا بعضی مواقع موج فراصوت را جذب میکند و باعث ایجاد خطا در اندازه گیری سطح میشود.

این مشکل میتواند با نصب لوله هدایت کننده موج از سنسور تا پایین مخزن به نحوی که مایع از پایین وارد آن میشود و از جمع شدن کف روی مایع داخل لوله جلوگیری میکند، حل شود.

اما این راه حل 100% قابل اطمینان نیست، بنابراین پیشنهاد میشود تا از ترانسمیتر فراصوتی سطح برای سیالاتی که کف دارند استفاده نشود و بجای آن ترانسمیتر رادار میتواند مفید باشد.

مزایای ترانسمیتر فراصوتی سطح

• اندازه گیری بدون تماس
• نصب و راه اندازی ساده
• منبع تغذیه از مدار کنترل ( نیاز به منبع تغذیه خارجی ندارد)
• تعمیرات کم
• دقت و قابلیت اطمینان بالا

ترانسمیتر رادار

دو نوع اصلی ترانسمیتر رادار عبارتند از:

• تماسی
• غیر تماسی

در ترانسمیتر رادار تماسی، یک پروب یا سیم در تماس با مایع داخل تانک یا مخزن است و موج را به داخل مایع و انعکاس آن را از مایع به ترانسمیتر هدایت میکند.

در ترانسمیتر رادار غیر تماسی، هیچ تماس مستقیمی بین ترانسمیتر و مایع وجود ندارد و ترانسمیتر از یک آنتن برای ارسال موج رادار و دریافت انعکاس آن از سطح مایع استفاده میکند.

ترانسمیتر رادار تماسی

دو نوع ترانسمیتر رادار تماسی وجود دارد:

• GWR (موج رادار هدایت شده)
• PDS (سنسور اختلاف فاز)

موج رادار هدایت شده (GWR) نوعی است که بیشترین استفاده را در اندازه گیری صنعتی دارد.

موج رادار هدایت شده (GWR)

ترانسمیتر سطح GWR از تکنولوژِی سنجش فاصله زمانی بازتاب (TDR)، برای اندازه گیری سطح استفاده میکند.

ترانسمیتر سطح GWR پالسهای الکترومغناطیسی با فرکانس بالا و دامنه کم را در طول پروب یا سیم به سمت مایع میفرستد، سپس دامنه پالس بازتابی دریافت شده را اندازه گیری میکند.

دامنه پالس منعکس شده با ثابت دی الکتریک ماده داخل مخزن که پالس را منعکس میکند، رابطه دارد.

هرچه ثابت دی الکتریک ماده بیشتر باشد، دامنه پالس انعکاسی نیز بیشتر است.

امپدانس سیم یا پروب هدایت کننده موج در نقطه سطح مایع کاهش پیدا میکند، در نتیجه دامنه پالس منعکس شده افزایش می یابد.

ترانسمیتر پالس منعکس شده با دامنه تغییر کرده را دریافت میکند و آنرا به عنوان پالس منعکس شده از سطح مایع شناسایی کرده، سپس اندازه سطح مایع را با استفاده از فاصله زمانی استخراج میکند.

اگر ثابت دی الکتریک بخار بالای مایع زیاد باشد ( به عنوان مثال بخار اشباع شده)، ممکن است باعث ایجاد تاخیر در پالس منعکس شده و ایجاد خطا در اندازه گیری سطح مایع شود که نیاز به جبرانسازی یا کالیبراسیون ویژه توسط سازنده دارد.

موارد زیر باید در انتخاب نوع و متریال پروب یا هدایت گر موج مد نظر قرار گیرد:

• ثابت دی الکتریک ماده
• دما
• فشار
• خورندگی ماده
• طول اندازه گیری
• طبقه بندی منطقه خطر ( Hazardous area Classification)
• موانع داخل تانک یا مخزن

اندازه گیری سطح جداکننده دو مایع

ترانسمیتر سطح GWR، تجهیز خوبی برای اندازه گیری سطح جداکننده دو مایع است.

برای اندازه گیری دقیق سطح، ثابت دی الکتریک ماده بالایی و پایینی بیشتر از 6 (≥ 6) باشد و ثابت دی الکتریک ماده بالایی باید کم باشد (≤ 10).

همچنین نقطه تماس بین دو مایع باید بدون هرگونه لایه امولسیون باشد.

سنسور اختلاف فاز (PDS)

ترانسمیتر رادار PDS یک سیگنال با فرکانس بالا را از طریق پروب ارسال میکند.

وقتی که سیگنال به سطح ماده میرسد، منعکس میشود اما به دلیل تغییر ناگهانی در امپدانس در سطح ماده، فرکانس سیگنال منعکس شده با فرکانس سیگنال ارسال شده توسط ترانسمیتر متفاوت است.

ترانسمیتر اختلاف فاز (فرکانس) بین سیگنالهای ارسال شده و دریافت شده را اندازه گیری کرده و فاصله و در نهایت سطح ماده را در تانک یا مخزن استخراج میکند.

ترانترانسمیتر رادار غیرتماسی

• FMCW (موج حامل فرکانس مدوله شده)
• پالس

در این نوع ترانسمیتر هیچ تماسی بین ترانسمیتر و ماده وجود ندارد.

موج های ماکروویو رادار با استفاده از آنتن به سمت ماده ارسال میشوند.

هر دو نوع این ترانسمیتر های غیر تماسی، از تکنولوژی مدت زمان بازگشت موج برای اندازه گیری سطح استفاده میکنند. آنها یک موج ماکروویو به سطح ماده میفرستند و تاخیر زمانی موج بازتابی را اندازه گیری میکنند که با استفاده از آن موقعیت سطح ماده مشخص میشود.

ترانسمیتر رادار FMCW

ترانسمیتر FMCW یک سیگنال با فرکانس مشخص به سمت ماده می فرستد و سیگنال بازتابی از سطح را که فرکانس آن تغییر کرده است را دریافت می کند.

فاصله تا سطح ماده و سپس موقعیت سطح ماده با استفاده از تبدیل فوریه سریع یا روش تجزیه و تحلیل سیگنال ساده، بدست می آید.

ترانسمیتر FMCW به دلیل الگوریتم تحلیل آن، توان زیادی نیاز دارد. در گذشته ترانسمیتر های FMCW موجود در بازار نیاز به منبع تغذیه خارجی بودند، اما امروزه ترانسمیتر های رادار FMCW که از توان لوپ استفاده می کنند، در بازار موجود اند و دقت قابل قبولی نیز دارند.

ترانسمیتر رادار پالس

ترانسمیتر رادار پالسی یک پالس ماکروویو به سمت ماده میفرستد و بازتاب آن را دریافت می کند. سپس موقعیت سطح ماده را با استفاده از مدت زمان بازگشت سیگنال محاسبه می کند.

در این روش اندازه گیری سطح، موادی که رسانایی بالاتری دارند سیگنال قوی تری را بازتاب می دهند و موادی که رسانایی پایین تری دارند انرژی موج را جذب کرده و یک سیگنال ضعیف بازتاب می دهند.

برای مواد با رسانایی پایین، ترانسمیتر رادار FMCW دقت بالاتری برای اندازه گیری سطح در مقایسه با ترانسمیتر رادار پالسی دارد.

فرکانس های ترانسمیتر رادار

فرکانسهای ماکروویو از 5.8 گیگاهرتز تا 26 گیگاهرتز برای ترانسمیترهای سطح راداری استفاده می شوند.

استفاده از این بازه فرکانسی در اتمسفر به دلیل قوانین فرکانسی ممنوع است و نیاز به دریافت مجوز دارد.

مخازن فلزی مانند قفس فارادی عمل کرده و امواج الکترومغناطیسی را عبور نمی دهند، بنابراین استفاده از ترانسمیتر های راداری غیر تماسی برای این مخازن نیاز به دریافت مجوز ندارد.

اگر مخزن فلزی نباشد، ترانسمیتر با فرکانس 2.4 گیگاهرتز تا 5.8 گیگاهرتز، که فرکانسهای مجاز و بدون نیاز به مجوز هستند و برای شکبه های Wi-Fi و مقاصد دیگر کاربرد دارند، میتواند استفاده شود.

فرکانسهایی که در ترانسمیتر های راداری برای مخازن فلزی متداول هستند عبارتند از؛ 6، 10، و 26 گیگاهرتز.

آنتن

اندازه آنتن و فرکانس با هم ارتباط دارند. بهره آنتن با افزایش اندازه آنتن یا استفاده از فرکانس بالاتر افزایش می یابد.

بهره آنتن با فرکانس ² xقطر آنتن ² متناسب است.

زاویه ارسال برای فرکانسهای بالاتر کمتر است، بنابراین برای نازل های کوچک می توان از ترانسمیتر رادار با فرکانس بالا استفاده کرد. به عنوان مثال نازل برای ترانسمیتر 5.8 گیگاهرتزی باید کمتر از 6 اینچ باشد.

بهره آنتن به بازده دهانه نیز مرتبط است، که روی طول و شکل آنتن تاثیر دارد.

سه نوع آنتن وجود دارد:

میله ای

شیپوری

سهموی

بیشترین بهره از آنتن سهموی بدست می آید، در حالی که آنتن میله ای کمترین بهره را دارد.

آنتن شیپوری متداولترین نوع آنتن است.

آنتن سهموی دارای محدودیت فشار است، اما در برابر کثیفی و آلودگی سطح آنتن محدودیت کمتری دارد. آنتن سهموی بیشتر برای مزارع تانک استفاده می شود.

آنتن میله ای برای فرکانسهای پایین و نازل های کوچک مناسب است. آلودگی بازده این آنتن را کاهش می دهد بنابراین برای کاربردهایی که ممکن است مواد روی آنتن را بپوشانند و با آن در تماس باشند مناسب نیست.

آنتن شیپوری بیشتر توصیه می شود. آنتن شیپوری با طول اضافه شده برای نصب روی نازلهایی که طول زیادی دارند، میتواند استفاده شود.

ترانسمیتر سطح لیزری

اصول عملکرد ترانسمیتر لیزری مشابه ترانسمیترهای سطح فراصوتی و راداری است، اما ترانسمیتر بجای موج صوتی یا ماکروویو یک پالس کوتاه نوری به سطح ماده میفرستد و انعکاس آن را دریافت میکند.

ترانسمیتر فاصله تا سطح ماده را از زمان سپری شده ارسال موج نوری محاسبه میکند.

مزیت ترانسمیتر لیزری به ترانسمیترهای مشابه مانند ترانسمیتر فراصوتی این است که بجای یک پرتو مخروطی و گسترده، یک پالس لیزری مستقیم باریک ارسال میکند. بنابراین این ترانسمیتر میتواند با نازلهای کوچک استفاده شود و دیگر اینکه اکوها و بازتابهای خطا در ترانسمیتر لیزری مسئله و مشکل مهمی نیست.

ترانسمیتر لیزری میتواند از ماده فرآیندی با استفاده از شیشه محافظ جدا شود که انتشار و تضعیف قابل چشم پوشی روی پرتوی لیزر دارد.

در نهایت سطح از معادله زیر محاسبه میشود:

کاربردهای ترانسمیتر سطح لیزری

ترانسمیترهای سطح لیزری برای کاربردهای زیر مناسب است:

• مواد جامد، دوغ آبی و مایع های کدر
• محیطهای غبارآلود متوسط ( قیفها و مخازن معدنی)
• وجود بخار روی مایع
• مایعهای پوشیده با کف
• مواردی که اکوها و بازتابهای خطای زیادی دارد
• مخازن با موانع زیاد که نیاز به پرتو اندازه گیری باریک دارند

ترانسمیتر لیزری برای اندازه گیری سطح مایعاتی که شفافیت زیادی دارند و نور را از خود عبور داده و انعکاس ضعیفی دارند مناسب نیست.

ایمنی ترانسمیتر لیزری

سلامت و ایمنی چشم یک مسئله مهم در ایمنی افراد است که توسط استانداردهای سازمانهای IEC و ANSI برای استفاده از پرتو لیزر کنترل شده است.

طبق استاندارد ANSI Z136.1، لیزرهای کلاس 1، 2، و a3 لیزرهایی با توان کمتر از 5 میلی وات هستند که برای چشم ضرری ندارند و میتوانند در کاربردهای صنعتی آزادانه و بدون نیاز به روش های محافظتی استفاده شوند.

لیزر کلاس 3 برای چشم مضر است و نباید با چشم غیر مسلح دیده شود.

یکی دیگر از مسائل ایمنی مربوط به کاربردهای سنسورهای لیزری، در نظر گرفتن توان پرتو لیزری در مناطق پرخطر است، که ریسک اشتعال گاز و بخار اشتعال پذیر وجود دارد.

پرتو لیزری ممکن است روی سطوح ایجاد نقطه گرم کند که میتواند پتانسیل انفجار در نقاط پر خطر را داشته باشد.

در استفاده از ترانسمیترهای لیزری در نقاط پر خطر باید مراقبت های ویژه ای انجام شود و حتما باید برای کاربرد مورد نظر استاندارد NFPA بررسی شود.

ترانسمیتر مغناطیسی سطح

ترانسمیتر مغناطیسی سطح از سه قسمت تشکیل شده است:

• قسمت الکترونیکی (سر)
• پروب یا میله فرومغناطیسی
• شناور مغناطیسی

چگونگی عملکرد ترانسمیتر مغناطیسی

قسمت الکترونیکی که در سر ترانسمیتر قرار دارد یک پالس الکتریکی با الگوی تکرار مشخص در طول پروب ارسال میکند که یک میدان مغناطیسی دور پروب بوجود می آورد.

پروب یک سیم یا میله فلزی فرومغناطیسی است.

شناور مانند شناور گیج مغناطیسی سطح دارای یک آهن ربا است.

شناور با سطح مایع بالا و پایین میرود.

وقتی که پالس الکتریکی به شناور میرسد، میدان مغناطیسی تولید شده توسط پالس الکتریکی با میدان مغناطیسی شناور برخورد میکند و یک نیروی چرخشی تولید میکند که باعث لرزش پروب می شود.

این لرزش توسط قسمت الکترونیکی حس می شود و فاصله را با اندازه گیری اختلاف زمانی بین ارسال پالس الکتریکی و دریافت پالس لرزش، محاسبه میکند.

این فاصله محاسبه شده موقعیت دقیق سطح مایع در مخزن را نشان میدهد.

کاربردهای ترانسمیتر مغناطیسی

ترانسمیتر مغناطیسی بیشتر به همراه گیج مغناطیسی سطح به صورت یک مجموعه استفاده می شود که میتواند یک پکیج اقتصادی برای اندازه گیری سطح باشد. این مجموعه یک اندازه گیری محلی و لوکال و یک اندازه گیری مداوم از سطح در آن واحد با قیمت کم و دقت قابل قبول فراهم می آورد.

در این ترکیب شناور گیج سطح برای ترانسمیتر مغناطیسی نیز استفاده میشود. با بستن سویچ های مغناطیسی روی بدنه گیج سطح ، پکیج اندازه گیری سطح برای کنترل فرآیند کامل میشود .

نمایش محلی، خروجی مداوم سیکنال 4-20 میلی آمپر و خروجی های دیجیتالی برای تیریپ، بهترین پکیج برای کنترل فرآیند با اندازه گیری سطح فراهم می آورد.

ترانسمیتر مغناطیسی میتواند در اندازه گیری سطح مایع در مخازن و تانکها به طور جداگانه در بازه اندازه گیری 10 سانتی متر تا 30 متر با دقت بالا، استفاده شود. این ترانسمیتر یک راه حل اقتصادی در مقایسه با ترانسمیتر دیسپلیسر یا راداری است.

ترانسمیتر مغناطیسی میتواند برای اندازه گیری سطح واسط دو مایع نیز استفاده شود. در این کاربرد دو شناور با وزنهای متفاوت، متناسب با چگالی مایع های زیری و بالایی، وجود دارد.

یکی از شناورها نشانگر سطح واسط دو مایع است و شناور سبکتر نشان دهنده سطح کل مایع داخل مخزن است.

معمولا بیشترین دمای عملیاتی برای ترانسمیتر مغناطیسی 260درجه سانتی گراد است.

البته بعضی از سازندگان با استفاده از تمهیدات و طراحی خاص به دمای بالاتری نیز دست پیدا کرده اند بنابراین در این خصوص با سازندگان مشورت کنید.

محدودیت دیگر ترانسمیتر مغناطیسی اندازه گیری سطح در سرویسهای چسبنده و کثیف است، که میتواند شناور یا میله پروب را بپوشاند و باعث بروز مشکلاتی در آزادانه پایین و بالا رفتن شناور شود.

در بعضی مواقع در سیستم های اندازه گیری تانکها، ترانسمیتر مغناطیسی سطح به عنوان اندازه گیر پشتیبان یا رزرو در کنار ترانسمیتر رادار استفاده میشود.