ترانسمیتر سطح

ترانسمیتر سطح (Level Transmitters)

یکی از مهمترین تجهیزات اندازه گیری در صنایع فرآیندی، سنسور های اندازه گیری ارتفاع یا ترانسمیتر سطح (Level Transmitter) میباشد. استفاده از ترانسمیتر سطح برای مطلع شدن و آگاهی از میزان ارتفاع سیال داخل مخزن، باعث جلوگیری از آسیب دیدگی تجهیزاتی مانند پمپ ها و همچنین حفظ ایمنی در فرآیند خواهد شد.

همچنین استفاده از ترانسمیتر سطح باعث بهینه کردن فرآیند و صرفه جویی در هزینه و زمان نیز خواهد شد. در مطلب به معرفی انواع ترانسمیتر های سطح در صنعت و کاربردهای آن و همچنین مهمترین پارامترها در خرید ترانسمیتر سطح اشاره خواهیم کرد:

انواع ترانسمیتر سطح

در صنعت انواع گوناگونی از ترانسمیتر های سطح وجود دارد. گستردگی تجهیزات اندازه گیری سطح به این دلیل است که هیچ‌یک از این تجهیزات به تنهایی برای تمام فرآیندها مناسب نیست. هریک از این تجهیزات با توجه به شرایط فرآیند و همچنین نوع سیال طراحی و انتخاب میشوند.

برخی از ترانسمیتر های سطح در تماس با سیال میباشند (Contact) و داخل مخزن میروند. برخی نیز به دلیل شرایط سیال که مثلآ ویسکوزیته بسیار بالایی دارد یا خورنده میباشد، بصورت غیر تماسی یا (Non-Contact) سطح سیال را اندازه گیری میکنند. 

همچنین برخی از ترانسمیتر های سطح برای اندازه گیری پیوسته سطح به کار می‌روند (Continuous Level Measurement). این تجهیزات یک سیگنال جریانی 4 تا 20 میلی آمپر را به اتاق کنترل ارسال می‌کنند. برخی دیگر از تجهیزات اندازه گیری سطح، تجهیزاتی هستند که بصورت نقطه ای برای اندازه گیری سطح مورد استفاده میباشند (Point Level Measurement). این تجهیزات به سوئیچ سطح یا لول سوئیچ در صنعت معروف میباشند.

در ادامه به معرفی هریک از لول ترانسمیتر ها میپردازیم و مزایا و محدودیت های هریک را معرفی میکنیم:

ترانسمیتر سطح هیدرواستاتیک (Hydro static)

ترانسمیتر سطح هیدرواستاتیک، یکی از انواع ترانسمیترهای فشار میباشد که برای اندازه گیری و محاسبه ارتفاع مایعات داخل مخازن مورد استفاده میباشد. این ترانسمیتر مشابه ترانسمیتر های اختلاف فشاری میباشد با این تفاوت که از ترانسمیتر سطح هیدرواستاتیک برای مخازن روباز استفاده میشود.

در این روش اندازه گیری با محاسبه فشار در کف مخزن و با استفاده از رابطه فشار هیدرواستاتیک (P=ρgH) می‌توان ارتفاع را به دست آورد. باید توجه کرد که مطابق رابطه فیزیکی که اشاره کردیم چگالی سیال در سراسر مخزن باید ثابت بوده و هیچ تغییری در آن وجود نداشته باشد. در غیر اینصورت خطای اندازه گیری باعث نمایش مقادیر نادرست سطح خواهد شد.

همانطور که در شکل زیر مشاهده میکنید در این روش سنسور فشار به کمک کابل از بالا تا انتهای مخزن به داخل فرستاده می‌شود. در این حالت، سنسور در نزدیکی کف مخزن قرار می‌گیرد و بدنه سنسور به بدنه مخزن بسته می‌شود تا از حرکت و ارتعاش احتمالی جلوگیری شود.  در این تجهیز، ترانسمیتر در بیرون و با فاصله از مخزن نصب میشود و مقدار فشار یا ارتفاع به صورت یک سیگنال جریانی 4 تا 20 میلی آمپر به اتاق کنترل ارسال خواهد شد.

ترانسمیتر سطح اختلاف فشاری (Differential Pressure):

این روش اندازه گیری نیز با استفاده از محاسبه فشار مقدار ارتفاع سیال را محاسبه خواهد کرد. دو سنسور فشار، یکی در پایین ترین ارتفاع سیال و دیگری در بالاترین ارتفاع مخزن نصب می‌شوند. طبق روابط فیزیکی و فشار هیدرواستاتیک (رابطه ΔP=ρ×g×Δh)، اختلاف فشار بین نقاط پر فشار (HP) و کم فشار (LP) در این روش اندازه گیری ارتفاع مایع داخل مخزن را نتیجه خواهد داد.

لازم به ذکر است یکی از عوامل تأثیرگذار در دقت ترانسمیتر سطح اختلاف فشاری، چگالی سیال میباشد. معمولاً در سرویس ها دقت زیادی روی تغییرات چگالی انجام نمی‌شود و مقدار چگالی متوسط در نظر گرفته میشود. به همین جهت اندازه گیری سطح با کمک این تجهیز، همواره با درصدی از خطا همراه خواهد بود.

شماتیک اندازه گیری سطح به روش اختلاف فشاری، در شکل زیر را مشاهده میکنید. 

ترانسمیتر سطح خازنی (Capacitive):

ترانسمیتر سطح خازنی با اندازه گیری تغییرات ظرفیت خازن الکتریکی عمل می‌کند. هنگامیکه سیالی در مخزن وجود ندارد،بین الکترود (probe) و دیواره مخزن، یک خازن الکتریکی (با کمترین ظرفیت) تشکیل می‌شود. برای سیالات رسانا جنس دیواره مخزن باید رسانا و جنس الکترود نارسانا باشد. در این حالت، هوا نقش دی‌ الکتریک را ایفا می‌کند.

در ادامه و در هنگامی که مخزن از سیال پر می‌شود و ماده‌ای غیر از هوا بین دو الکترود خازن قرار می‌گیرد. چون دی‌ الکتریک سیال بیشتر از هوا میباشد، در نتیجه ظرفیت خازن بالا مییرود و ارتفاع سیال از این طریق قابل محاسبه خواهد بود.

لازم به ذکر است که یکی از قابلیت های ترانسمیتر سطح خازنی در اندازه گیری سطح جدایش (interface) بین دو مایع میباشد. با استفاده از این ترانسمیتر میتوان سطح سیالاتی که با یکدیگر مخلوط نمیشوند را بصورت جداگانه اندازه گیری کرد. چراکه سطح هر سیال دارای ظرفیت خازنی متفاوتی خواهد بود. (به دلیل تفاوت در دی الکتریک)

حداکثر ارتفاعی که با این تجهیز می‌توان اندازه‌گیری کرد را می‌توان در حدود 10 متر تخمین زد. زیرا برخی محدودیت‌های فیزیکی، افزایش طول پراب را با مشکل مواجه می‌سازند.

ترانسمیتر سطح التراسونیک (Ultrasonic):

ترانسمیتر سطح آلتراسونیک با اندازه گیری اختلاف زمان بین تابش امواج التراسونیک و بازتاب آنها مقدار سطح سیال داخل مخزن را محاسبه میکند. مکانیزم عملکرد لول ترانسمیتر سطح التراسونیک به این صورت میباشد که امواجی که به سطح سیال تابیده میشوند به دلیل اختلاف چگالی بین سیال داخل مخزن و هوای بالای آن بازتاب پیدا میکنند.

اپراتور ابتدا اطلاعات مربوط به ابعاد و ارتفاع کلی مخزن را به ترانسمیتر سطح میدهد. ترانسمیتر سطح نیز محاسبه میکند که اختلاف زمان بین تابش و بازتاب امواج التراسونیک برای یک مخزن خالی از سیال چقدر است. حال زمانی که سیال فرآیندی داخل مخزن باشد، ترانسمیتر سطح با محاسبه اختلاف زمان بین تابش و بازتاب امواج (که طبیعتآ زمان کمتری از حالتی است که مخزن خالی از سیال است) ارتفاع سیال داخل مخزن را محاسبه میکند.

این روش، یکی از ساده‌ترین و کم‌ هزینه‌ترین روش‌های اندازه گیری سطح است. همانطور که بالاتر نیز اشاره کردیم این نوع اندازه گیری یک روش غیر تماسی میباشد و برای اندازه‌گیری پیوسته سطح به کار می‌رود. شکل زیر شماتیک عملکرد یک ترانسمیتر سطح آلتراسونیک را نمایش میدهد.

ترانسمیتر سطح رادار (Radar):

سطح‌سنج رادار نیز مانند سطح‌سنج التراسونیک و براساس مدت زمان رفت و برگشت موج عمل می‌کند. تفاوت اصلی این دو گروه تجهیز در این است که در سطح‌سنج رادار، به جای موج التراسونیک، موج رادیویی منتشر می‌شود. امواج رادیویی جزء امواج الکترومغناطیسی به حساب می‌آیند و فرکانس بالایی در حد گیگاهرتز دارند. سطح‌سنج رادار در بلندترین ارتفاع مخزن نصب می‌شود و آنتن آن، امواج رادیویی ارسال می‌کند.

ترانسمیتر سطح راداری یک روش غیر تماسی میباشد. چگالی و هدایت الکتریکی سیال داخل مخزن همیچ تأثیری روی دقت و کیفیت اندازه‌گیری این تجهیز نخواهد داشت. مهمترین ویژگی ترانسمیتر های سطح رادار نسبت به سایر روش ها، عدم تاثیر وجود بخار، گرد و غبار، فوم یا کف و نویز، روی عملکرد و دقت سطح‌ سنج راداری میباشد.  از دیگر مزایای این روش نیز می‌توان به تحمل دما تا حدود 450+ درجه سانتیگراد نیز اشاره کرد.

لازم به ذکر است به دلیل همین ویژگی های منحصر بفرد و خاص ترانسمیتر سطح راداری قیمت ترانسمیتر سطح رادار نسبت به سایر ترانسمیتر های سطح بسیار بالاتر میباشد. اما دقت اندازه گیری آن نیز به همان نسبت بالا میباشد که در صنایع و فرآیندهای حساس این موضوع بسیار حائز اهمیت میباشد.

مهمترین پارامترها در خرید ترانسمیتر سطح

همانطور که بالاتر نیز اشاره کردیم انواع گوناگونی از ترانسمیتر های سطح در صنایع مورد استفاده میباشد. انتخاب و خرید ترانسمیتر سطح به پارامترها و فاکتورهای مختلفی بستگی خواهد داشت. در ادامه به برخی از آنها اشاره میکنیم:

1- نوع عملکرد ترانسمیتر سطح که پیوسته یا نقطه ای باشد بستگی دارد. اگر اندازه گیری سطح بصورت نقطه ای مد نظر باشد باید از سوئیچ سطح یا لول سوئیچ و اگر بصورت پیوسته مد نظر باشد باید از ترانسمیتر های سطح آنالوگ که سیگنال 4 تا 20 میلی آمپر ارسال میکنند استفاده کنیم.

2- قابلیت تماس سنسور با سیال فرآیندی از دیگر موارد مهمی میباشد که باید برای خرید ترانسمیتر سطح در نظر داشت. بسیاری از سیالات دارای خاصیت خورندگی و ویسکوزیته بالایی میباشند که در اینصورت امکان استفاده از ترانسمیتر های تماسی مانند هیدرواستاتیکی و اختلاف فشاری برای آنها امکان پذید نمیباشد. در این حالت باید از ترانسمیتر های راداری یا التراسونیک استفاده کرد.

3- دقت اندازه گیری و طول مخزنی که سیال داخل آن را باید اندازه گیری کنیم از دیگر مواردی میباشد که باید در طراحی و خرید ترانسمیتر به آن توجه کرد. طبیعتآ ترانسمیتر های سطح راداری دارای دقت بسیار بالایی میباشند و همینطور مخازن تا ارتفاع 70 را میتوانند اندازه گیری کنند. اما دارای قیمت بالاتری میباشند که این موضوع یکی از محدودیت های این نوع ترانسمیتر محسوب میشود.