سطح سنج چیست و 2 مدل از گروه بندی انواع آن

سطح سنج چیست؟

سطح سنج دستگاهی است که برای نشان دادن سطح سیالات در مزارع استفاده می شود. بسته به نوع کاربرد مورد استفاده، نوع سطح سنج باید انتخاب شود. سطح سنج یک روش مستقیم برای اندازه گیری سطح است.

انواع سطح سنج

تئوری سطح سنج

سطح سنج چیست؟ سطح سنج شامل یک بدنه فلزی است که برای داشتن یک محفظه داخلی و یک یا چند پنجره جلو ماشین کاری شده است. در هر پنجره از یک شیشه مخصوص با مقاومت بالا با اتصالات آب بندی و صفحه پوشش فلزی توسط پیچ و مهره استفاده شده است.

دستگاه های سطح تحت سه اصل مختلف عمل می کنند:

موقعیت (ارتفاع) سطح مایع

سر فشار

 وزن مواد

انواع سطح سنج به طور کلی:

معمولاً از 3 نوع سطح سنج استفاده می شود:

سطح سنج رفلکس

سطح سنج شفاف

سطح سنج نوع مغناطیسی

سطح سنج رفلکس:

اصل کار سطح سنج های شیشه ای رفلکس بر اساس قوانین شکست و بازتاب نور است.

سطح سنج‌های شیشه رفلکس از شیشه‌هایی استفاده می‌کنند که صفحه آن به سمت محفظه قرار گرفته و دارای شیارهای منشوری با زاویه مقطع 90 درجه است. هنگام کار، محفظه در قسمت پایین با مایع و در قسمت بالایی گاز یا بخار پر می شود.

سطح مایع با روشنایی متفاوت شیشه در مایع و در منطقه گاز/بخار به خوبی شناخته شده است. گیج های سطح رفلکس نیازی به نور خاصی ندارند. نور روز برای دیدن سطح کافی است.

منطقه مایع:

این ناحیه زمانی که گیج در حال کار است تیره به نظر می رسد، تابش پرتوهای نور بر روی وجه خارجی شیشه کاملاً عمود بر وجه گفته شده است و بنابراین توسط شیشه منحرف نمی شود. این پرتوها با شیب تقریبی به سطح مشترک شیشه/مایع می‌رسند. 45 درجه شیشه/مایع با زاویه بحرانی همیشه بالاتر از 45 درجه است.

بنابراین پرتوهای وارد شده در زاویه بحرانی در داخل مایع شکست می‌شوند و از آنجایی که دیواره‌های داخلی محفظه سنج منعکس نمی‌شوند، پرتوها از بیرون قابل مشاهده نیستند. در واقع این منطقه برای ناظر تاریک و تقریباً سیاه به نظر می رسد.

منطقه گاز/بخار:

این منطقه برای ناظر نقره ای روشن به نظر می رسد. در مورد ناحیه مایع، پرتوهای نور با زاویه 45 درجه به سطح مشترک شیشه/گاز و بخار می‌رسند.

از آنجایی که این زاویه از زاویه بحرانی شیشه/گاز-بخار بزرگتر است، پرتوها شکست نمی‌شوند، بلکه کاملاً منعکس می‌شوند تا 90 درجه بچرخند، بنابراین دوباره با زاویه 45 درجه به نزدیک‌ترین رابط شیشه/گاز-بخار می‌رسند. به همین دلیل منعکس شده و 90 درجه به سمت ناظری می چرخند، که این منطقه به رنگ نقره ای روشن به نظر می رسد.

برنامه های کاربردی :

سطح سنج شیشه رفلکس را می توان در بیشتر سیالات و کاربردها استفاده کرد.

سطح سنج های رفلکس را نمی توان در موارد خاصی استفاده کرد، به عنوان مثال:

زمانی که سطح جدایی بین دو مایع باید خوانده شود (رابط)

هنگامی که سیال فرآیند بخار آب پرفشار است، زیرا در این حالت شیشه باید با استفاده از سپرهای میکا از عملکرد حلال آب دیگ محافظت شود.

سطح سنج رفلکس

سطح سنج شفاف:

سطح سنج های شفاف همیشه دارای دو شیشه شفاف صفحه ای هستند که مایع بین آنها قرار می گیرد. سطح سیال به عنوان نتیجه شفافیت متفاوت دو رسانه نشان داده می شود.

برای محافظت از سطوح شیشه ای در برابر خورندگی سیال فرآیند، سطح سنج های شفاف را می توان با محافظ میکا نصب کرد. سطح سنج شفاف به ویژه برای کاربردهایی توصیه می شود که شیشه باید در برابر سیالات خورنده و دمای بالا محافظت شود.

سطح سنج شفاف

برنامه های کاربردی:

در سیال خورنده

مشاهده رابط

مشاهده رنگ مایع

برای بخار با فشار کاری > 20 بار

در صورت بروز شوک حرارتی مکرر

استفاده از ورق میکا در سطح سنج شفاف: ورق میکا به طور گسترده در سطح مایع بصری برای محافظت از سطح شیشه در برابر اثرات خورنده محلول های قلیایی یا اسیدی داغ استفاده می شود. سپرهای میکا نیز معمولاً در کاربردهای آب بخار برای جلوگیری از حکاکی و ضعیف شدن شیشه استفاده می شوند.

گیج سطح مغناطیسی:

گیج سطح مغناطیسی برای امنیت پیشگیرانه در برابر نشت، ایمنی محیطی، کاربرد مطمئن و بدون مشکل با رابط مایع تهاجمی شیمیایی، آلاینده، مضر یا سمی، قابل اشتعال یا انفجاری، از نظر نوری مشابه استفاده می شود.

سطح سنج مغناطیسی بر اساس برخی اصول اولیه فیزیکی کار می کند:

اصل که به موجب آن مایع در رگ های ارتباطی همیشه در یک سطح است

اصل ارشمیدس که بر اساس آن جسم غوطه ور در مایع، شناوری برابر وزن مایع جابجا شده دریافت می کند.

اصل جاذبه بین قطب شمال و جنوب دو آهنربای دائمی و دافعه بین قطب های مشابه.

یک شناور در یک محفظه لوله وجود دارد که حرکتی متناسب با سطح و بالا و پایین دارد. یک گل پرچم با اتاق بسته شده است. پرچم‌های منفرد یا دنباله‌دار حاوی یک آهن‌ربای تراز هستند که با حرکت شناور در ستون لوله‌کشی با آهن‌رباهای شناور جفت می‌شود.

حرکت شناور پرچم‌ها را می‌چرخاند و رنگ آن‌ها را تغییر می‌دهد، موقعیت دنبال‌کننده یا نقطه‌ای که پرچم‌ها در آن رنگ تغییر می‌کنند، سطح واقعی را نشان می‌دهد.

با توجه به جهت هر آهنربا، هر سیلندر نیمی از سطح خود را به یک رنگ یا رنگ دیگر نشان می دهد. مقیاس نشان‌دهنده یک رنگ در ناحیه محفظه گرفته شده توسط گاز، یا فاز بخار متضاد با رنگ دیگر (به عنوان مثال قرمز) در ناحیه محفظه گرفته شده توسط فاز مایع خواهد بود.

برنامه های کاربردی :

مایع تهاجمی شیمیایی

آلاینده محیط زیست

مایع قابل اشتعال یا انفجاری

سطح سنج مغناطیسی

گستردگی تجهیزات اندازه گیری سطح به این دلیل است که هیچ‌یک از این تجهیزات به تنهایی برای تمام فرآیندها مناسب نیست. از این رو باید در هر فرآیند و هر کاربردی، بهترین و بهینه‌ترین گزینه را انتخاب کرد. در این بخش، انواع تجهیزات اندازه گیری سطح معرفی و هریک به اختصار بررسی خواهد شد.

برخی از این تجهیزات برای اندازه گیری پیوسته سطح به کار می‌روند. این تجهیزات، از یک سنسور و ترانسمیتر سطح تشکیل شده‌اند و در نهایت، سیگنال 4-20 mA را به اتاق کنترل ارسال می‌کنند. دسته دیگر، تجهیزاتی هستند که برای سنجش سطح در یک نقطه مورد استفاده قرار می‌گیرند. به این تجهیزات، سطح سنج سوئیچ (level switch)  گفته می‌شود. کاربرد سطح سنج سوئیچ، در باز و بسته کردن کنتاکت‌های متصل به آنهاست.

انواع سطح سنج (لول سنج، لول متر)

• سطح سنج آلتراسونیک
• سطح سنج خازنی
• سطح سنج رادیومتری یا گاما
• سطح سنج رادار
• سطح سنج فشار تفاضلی
• سطح سنج هیدرواستاتیک
• سطح سنج القایی
• سطح سنج شناوری یا فلوتری
• سطح سنج دیاپازون یا ارتعاشی
• سطح سنج پره ای
• سطح سنج مغناطیسی

سطح سنج آلتراسونیک

سطح سنج التراسونیک یا سطح سنج مافوق صوت، یک سطح سنج غیر تماسی می باشد و با ارسال پالس های صوتی و محاسبه اختلاف زمان رفت و برگشت پالس صوتی، با مشخص بودن سرعت صوت، ارتفاع مخازن محاسبه می گردد. سطح سنج آلتراسونیک هیچ گونه حساستی نسبت به رنگ و بو یا نور ندارند و به آسانی هدف را پیدا می کنند و بهترین سنسور آشکار ساز و اندازه گیری فاصله اجسام در صنعت محسوب می شود و قابلیت اندازه گیری سطح را به صورت گسسته دارد.

سطح سنج آلتراسونیک دارای خروجی جریان 4 تا 20 میلی آمپر، خروجی RS485 جهت ارسال اطلاعات به کامپیوتر و همچنن دارای خروجی رله ای برای آلارم یا کنترل می باشد.

کاربرد لول متر آلتراسونیک

مخازن مواد شیمیایی با خوردگی بالا و محیط های انفجاری، مخازن آب، رنگ، چسب، مایعات قابل اشتعال همچون مخازن نفت، بنزین، گازوئیل، شیر، مخازن شن وماسه و مخازن با مواد خمیری مانند و مواد جامد روان مانند غلات، مواد پتروشیمی کاربرد دارند.

سطح سنج آلتراسونیک قابلیت نصب در مخازن سیمان که دارای غبار بسیار زیاد و مخازن آب جوش که دارای مقادیر بالایی بخار آب هستند را ندارند.

سطح سنج خازنی

لول سنج خازنی، جهت اندازه گیری سطوح روی مخازن نصب می شوند و مقادیر سطح را به صورت پیوسته و گسسته اندازه گیری می کنند. سیالی که در مخازن وجود دارد یا رسانا هستند و یا نارسانا و ضریب دی الکتریک برای سیالات رسانا بیشتر از 10 و برای سیالات نارسانا کمتر از 10 می باشد. در سیالات نارسانا از یک سنسور خازنی استفاده می شود و خازن را باپراب خازنی و جداره مخازن فلزی ایجاد می کنند، در سیالات رسانا از دو سنسور خازنی استفاده می شود.

سطح سنج های خازنی در اندازه گیری سطوح جداگانه مانند آب و امولیسیون کننده و روغن نیز کاربرد دارند. در این حالت سیالات قابلیت حل شدن در یکدیگر را ندارند و هر یک دارای ضریب دی الکتریک مختص به خود می باشند.

در سطح سنج خازنی مقدار خروجی جریانی 4 تا 20 میلی امپر، متناسب با سطح مواد اندازه گیر ی شده تغییر می کند. و برای اندازه گیری سطوح با ارتفاع 2 و یا 3 متر مناسب می باشند.

سطح سنج های خازنی جهت اندازه گیری سطح مایعات، پودرها، مواد جامد، گرانول، پرک و دوغاب و غیره کاربرد دارند. استفاده از سطح سنج خازنی در سیالات توده ای (امکان شکستن و آسیب دیدن پراب) و سیالات با ویسکوزیته بالا (به دلیل خوردگی پراب) مناسب نمی باشد.

سطح سنج رادیومتری یا گاما

سطح سنج رادیومتری جز سطح سنج های غیرتماسی محسوب می شود و هنگامی که نتوان از بقیه سطح سنج ها برای اندازه گیری سطح استفاده می شود.

در این سطح سنج ها در یک طرف لوله یا مخرن منبع تولید امواج گاما نصب می شود و در سمت دیگر لوله یا مخزن ترانسمیتر سطح نصب می شود. با عبور امواج گاما از میان سیال این امواج تضعیف و جذب سیال می شوند. مابقی امواج باقی مانده توسط ترانسمیتر جذب می شود. مقدار امواج جذب شده توسط ترانسمیتر به عنوان معیاری برای نشان دادن پر یا خالی بودن مخازن می باشد.

لول متر رادیومتری برای اندازه گیری سطح مایعات، جامدات، دوغاب، مواد سوسپانس، مخازن رادیو اکتیو کاربرد دارند.

لول سنج راداری

سطح سنج راداری در بالاترین سطح مخرن قرار می گیرند و دارای آنتن می باشند و امواج رادیویی با فرکانس بالا در حدود چند گیگا هرتز منتشر می کنند و مدت زمان رفت و برگشت این امواج محاسبه می گردد. این سطج سنج ها مستقل از پارامتر های دما، فشار، چگالی، رسانایی، بخار، گرد و غبار می باشد و یکی از روش های کاربردی در اندازه گیری سطح محسوب می شود.

انواع لول سنج راداری

• سطح سنج رادار
• سطح سنج راداری هدایت شده

سطح سنج رادار

سطح سنج رادار قابلیت تحمل دما تا 450 درجه سانتی گراد را دارند و در برابر نویز، گرد و غبار مقاوم می باشند و جزو سطح سنج های غیر تماسی محسوب می شوند. در این لول متر امواج راداری توسط یک دیش سهموی یا آنتن شیپوری، به طور پیوسته در قالب یک سیگنال فرکانس به سطح سیال فرآیندی ارسال می شوند. پس از برخورد سیگنال به سطح مایع، بخشی از سیگنال به آنتن منعکس شده، و سپس جمع آوری و به ترانسمیتر فرستاده می‌شود. در ترانسمیتر یک میکروپروسسور اختلاف زمان بین پالس ارسالی و برگشتی را محاسبه کرده و با مشخص بودن سرعت موج الکترومغناطیسی که مساوی نور است، سطح محاسبه می شود.

سطح سنج راداری هدایت شده

سطح سنج راداری هدایت شده از نوع تماسی می باشد و دارای پراب جهت هدایت امواج رادیویی می باشد در این سطح سنج امواج رادیویی فقط در راستای پراب هدایت کننده، پایین می‌آیند. سطح سنج راداری هدایت شده در فرآیندهایی که دی‌الکتریک ماده، نسبتاً پایین باشد کاربرد دارند این سطح سنج ها هنگامی که مخازن پر هستند نیز دچار اختلال نمی شوند. در سطح سنج راداری هدایت شده، پس از اینکه موج رادیویی به سطح ماده برخورد می‌کند، بخشی از آن به سطح سنج بازتابیده می‌شود. اما بخش دیگر امواج، به راه خود ادامه می‌دهد. در نتیجه، اگر دو ماده با دو دی‌الکتریک مختلف در مخزن وجود داشته باشد، با این روش می‌توان ارتفاع سطح جدایش آنها را اندازه‌گیری کرد.

کاربرد سطح سنج راداری

این سطح سنج ها در شرایط با دما و فشار بالا برای انواع مایعات و جامدات نظیر اسيدها و بازها، حلال هاي آلي، الكل، نفت و فراورده هاي نفتي، گازهاي مايع و گرانول هاي پليمري، مخازن پودری، سطوح داری فوم یا کف، آهك، سيمان، دانه ها، غلات، شكر، مواد معدني، پودرهاي فلزي، كربن وذغال سنگ مورد استفاده قرار می گیرند.

سطح سنج فشار تفاضلی

در اندازه گیری سطح به روش اختلاف فشار، اندازه گیری سطح با استفاده از اندازه‌گیری فشار انجام می‌شود؛ به این صورت که اختلاف فشار بین دو نقطه مد نظر محاسبه می شود و با توجه به رابطه ΔP=ρ×g×HΔP=ρ×g×H، ارتفاع محاسبه می شود. سطح سنج تفاضلی جامع ترین روش اندازه گیری سطح مایعات به خصوص در مخازن سر بسته و تحت فشار می باشد. اندازه گیری سطح با استفاده از اندازه‌گیری فشار انجام می‌شود.

سطح سنج هیدرواستاتیک

سطح سنج هیدرواستاتیک، فشار استاتیک مایعی که در حالت سکون درون مخزن قرار دارد را اندازه گیری می کند. سنسور سطح هیدرواستاتیک جهت استفاده در مخازن نیاز به نصب ندارد و دارای خروجی 4 تا 20 میلی آمپر می باشد که می‌تواند جهت کارهای کنترلی و یا اتصال به PLC استفاده شوند.

سطح سنج القایی

سطح سنج القایی در مایعاتی با هدایت الکتریکی که دارای حداقل هدایت الکتریکی 10 میکروثانیه بر سانتی متر هستند کاربرد دارند. بعضی از سطح سنج ها قابلیت تشخیص 5 ارتفاع سطح را دارند. سطح سنج های القایی سنسورهایی تماسی هستند و این لول مترها، عموماً برای مایعات مناسب هستند ولی در برخی کاربردها برای خمیر یا دوغاب، حوضچه ها، مخازن، آب انبارها، داروها، شناورهای بسته و مخازن باز مورد استفاده قرار می گیرند.

سطح سنج شناوری یا فلوتری

در سطح سنج های فلوتری از خاصیت شناوری اجسام در سیالات استفاده می شود و به منظور اندازه گیری سطوح به کار می روند. سطح سنج شناوری یا فلوتری سنسورهای تماسی هستند، این سطح سنج ها شامل یک شناور می باشد با بالا و پایین آمدن سطح سیال جابجا می شود و ارتفاع مخازن اندازه گیری می کند.

لول سنج های فلوتری در کاربردهایی چون كنترل سطح، كنترل سوپاپ، كنتورها، مخازن میعانات، كنترل سطح روغن، پایه های قطره ای و دیگ های بخار کاربرد دارند.

سطح سنج دیاپازون یا ارتعاشی

در سطح سنج های دیاپازونی سنسورهای ارتعاشی شامل یک تیغه می باشند که تیغه با فرکانس مشخص نوسان می کند، چنانچه تیغه با سیال داخل مخزن برخورد نماید فرکانس نوسان آن تغییر خواهد کرد، می توان با اندازه گیری این تغییر فرکانس، سطح سیال را در ارتفاع مورد نظر اندازه گیری کرد.

سطح سنج دیاپازونی در دو نوع می باشند که یک نوع جهت کنترل سطح مواد جامد پودری و نوع دیگر جهت کنترل سطح سیالات می باشد.

سطح سنج پره ای

سطح سنج پره ای، از پره فلزی تشکیل شده است و به وسیله یک موتور الکتریکی به گردش در می آید. با رسیدن سطح مواد به پره در حال چرخش، مانع از دوران پره می شود و نیروی ناشی از ایستادن پره باعث می شود موتور از محور خود حرکت کند و میکروسوییچ موجود در لول سوییچ دورانی را فعال کند. میکروسوییچ، سیگنال پر یا خالی بودن مخزن را با ارسال سیگنال الکتریکی ارسال می کند. سطح سنج پره ای جهت کنترل سطح مخازن با مواد پودری و گرانولی استفاده می شود. و در صنایع مواد غذایی، سیمان، پتروشیمی و صنایعی که کنترل سطح مخازن مواد جامد مورد نیاز است کاربرد دارند.

نکات مهم انتخاب سطح سنج

• فشار مخزن 
• تعداد و نوع خروجی
• رنج دمایی
• دقت سطح سنج
• محدوده ارتفاع قابل اندازه گیری 
• رنج دمایی

بالاخره، آخرين چيزي كه می بايست به آن دقت نمود در صورت استفاده از فشارسنج براي اندازه گيري سطح، ميزان فشار بالاي مخزن مي­ باشد. اگر مخزن باز است و فشار آن فشار اتمسفر است؛ فرمول بالا صحيح است و مي­ توان از يك مبدل فشار كه فشار نسبت به محيط را اندازه گيري مي ­كند؛ استفاده کرد. اما اگر مخزن بسته است، فشار انتهاي مخزن نه تنها بستگي به فشار سر دارد، بلكه به فشار بالاي مخزن نيز بستگي دارد

شنایی با سطح سنج مغناطیسی

سطح سنج مغناطیسی که بعضاً به آن لول سنج شناور هم می‌گویند، یکی از قدیمی‌ترین انواع لول سنج محسوب می‌شود. در این روش، یک شناور مغناطیسی را روی مایع غوطه‌ور می‌سازند و به‌این‌ترتیب، هم‌زمان با بالا و پایین رفتن سطح مایع، شناور معلق روی سطح نیز همراه با آن بالا و پایین می‌رود. زمانی که مایع درون محفظه به سطح مشخصی برسد، سوئیچ مغناطیسی زبانه‌ای که در آن تعبیه شده، فعال می‌شود.

معمولاً این سوئیچ در بالا و پایین محفظه قرار می‌گیرد تا امکان تشخیص حداقل و حداکثر میزان سطح مایع، امکان‌پذیر باشد. در بسیاری از مدل‌های لول سنج شناور، قطعه مغناطیسی یا آهن‌ربا، با یک لایه محافظتی، پوشش داده می‌شود تا از بروز اختلال در عملکرد آن به‌واسطه تماس مستقیم با مایع جلوگیری به عمل آید.