مقاله ها

اصول و مبانی ابزاردقیق: بخش هشتم - مبدل های سیالات (3)

مهندس احمدرضا تراکمه

15 دقیقه مطالعه

سطح سنج  (Level Transducers)

آگاهی از ميزان مواد موجود در يك مخزن، از كاربردی ترين استفاده ها از سطح سنج ها در صنعت مي ­باشد. سرريز شدن يك مخزن مي­ تواند موجب بروز حادثه ای بسیار خطرناك و حتی پر هزينه شود و يا بالعكس، در زمان پمپاژ از يك مخزن، خالي بودن آن، ممكن است خسارات جبران ناپذيري به پمپ وارد کند. خالی بودن حتی ممكن است، درست زمانی که که یک لوله عمل جذب حرارت را انجام مي­ دهد، موجب آسیب شود.

هم چنين در صنایع غذايي و دارويي كه مي ­بايد مقداری مشخص از مواد گوناگون با یکدیگر تركيب شوند، تشخيص دقيق ميزان مواد موجود در مخازن، بسيار مهم است. موادی كه سطح آن ها در يك مخزن، اندازه گيري مي­ شود ممکن است، همگن (Homogeneous) نباشند. موادي كه سطح آن ها در مخزن، مورد نظر است؛ ممكن است براي مصارف غذايي و يا حتی مواد شيميايي خورنده و خطرناك باشند. به عنوان مثال مي تواند پودر، ذرات ريز و يا غلات باشد. مواد مي­ توانند در زمان تخلیه در مخزن به شکل مخروطي درآيند و يا ايجاد موج نمايند. در اين صورت باید در انتخاب روش اندازه گيري سطح، دقت زیادی به عمل آید.

مبدل­ هاي سطح به دو دسته عمده پيوسته و ناپيوسته تقسيم مي ­شوند:

  • در مبدل­ هاي پيوسته، اندازه گيري سطح به صورت دقيق و در تمام ارتفاع مخزن مورد نظر انجام می شود.
  • اما بعضي اوقات، مبدل ناپیوسته، تنها با مشخص نمودن حدي از ارتفاع كه مي­ تواند خطر ساز شود؛ مورد استفاده قرار می گیرد.

 

مبدل ناپیوسته

 1. سوئیچ شناور

به صورت معمول در اين مواقع، از نوعي سوئيچ استفاده مي­ گردد که در اصل، نوعی ارتفاع سنج ناپيوسته است؛ بسيار ساده تر از نوع پيوسته آن است.

در شكل زير، یک نمونه سوئيچ شناور كه می ­تواند به صورت نرمال، باز (NO) و یا بسته (NC) باشد، نمایش داده شده است. اتصالاتی شبيه به اتصالات درون رله­ ها دارد. ضمن اين كه توسط فنر حمايت مي­ شوند، از جنس مغناطيسي بوده و وقتي يك آهن ربا در بالاي آن ها حركت مي­ كند، ميدان مغناطيسي با كشيدن اتصالات باعث بسته شدن و يا باز شدن آن ها مي­ گردد. اين اتصالات، درون يك لوله غيرآهني آب­ بندي شده ­اند. يك آهن ربای دائمی، درون شناور قرار داده شده كه متناسب با حركت سطح، بالا و پايين مي­ رود. دو حلقه نگهدارنده، جهت محدود كردن حركت شناور به سمت بالا و پايين به كار گرفته شده اند. اتصالات اين سوئیچ سطح، مي­ توانند به ولتاژ مستقيم جهت تحريك كنترل كننده­ هاي قابل برنامه ريزي و يا ولتاژ متناوب 220 ولت جهت به صدا در آوردن زنگ اخبار يا فعال نمودن عملگرها متصل شوند.

 

مبدل سطح شناور ناپیوسته

شکل (1). مبدل (ارتفاع سنج - سوئیچ) سطح شناور ناپیوسته

 

2. آشكار ساز نوری

نوع دیگری از سوئیچ­ های سطح، آشكارسازهاي نور می­ باشند. در صورتي كه خواص مواد درون مخزن مانع از انتشار نور گردد؛ می­ تواند مورد استفاده قرار بگيرد. چندين نوع، ساختار ارتفاع سنج با استفاده از آشكار كننده هاي نوري در شكل زير نشان داده شده است:

 

آشکارکننده نوری


شکل (2). انواع مبدل (ارتفاع سنج - سوئیچ) سطح آشكار ساز نور ناپیوسته

 

  • فرستنده نوري اغلب از نوع ديود مادون قرمز با لنز و امكانات مناسب، جهت برقراري ارتباط با گيرنده مي­ باشد.

گيرنده متشكل از يك ترانزيستور حساس به نور و فيلتر نوري است كه تنها طول موج نور ارسالي را دريافت مي ­كند. اين فيلتر، موجب كاهش خطاي ناشي از نور محيط مي­ گردد. وقتي كه سطح، پايين تر از سنسور باشد، نور به گيرنده مي­ رسد و ترانزيستور نوري اشباع مي ­گردد، آن گاه در خروجي، 0 منطقي خواهيم داشت. وقتي كه سطح در مخزن، مانع رسیدن نور فرستنده به گیرنده گردد؛ ترانزيستور نوري به حالت قطع رفته و در نتيجه در خروجي، 1 منطقي خواهيم داشت. علاوه بر ولتاژ مستقيم تغذيه، مي ­توان با استفاده از مقاومت پول-آپ بين ترانزيستور نوري (در حالت كلكتور باز) و هر ولتاژ دلخواه ديگر، 1 منطقي داشته باشيم.

  • گيرنده ­هايي نيز وجود دارد كه به جاي ترانزيستور نوري از ترانزيستور حساس به نور استفاده مي­ كنند. خروجي اين گيرنده­ های 220 ولت، می­ تواند متناوب باشد. نصب گيرنده و فرستنده متمركز كه از يك صفحه انعكاس دهنده استفاده مي­ كند، ساده ­تر است. يعني اگر صفحه انعكاس دهنده به اندازه كافي بزرگ باشد، تنظيم گيرنده و فرستنده ساده تر خواهد بود. اين نوع فرستنده و گیرنده، از نظر سيم كشي نيز بسیار ساده هستند.
  • استفاده از فرستنده و گيرنده به صورت مجتمع، قابليت انعطاف بيش تري را فراهم مي­ كند. اگر آن ها روي يك نگهدارنده وصل شوند، به راحتي مي ­توان در قسمت­ هاي مختلف مخزن، نصب و در صورت لزوم، بدون نياز به تنظيمات دوباره جا به جا شوند.

به صورت كلي، آشكاركننده ­هاي نوري سطح، عمر طولانی تری نسبت به سوئيچ ها دارند. علت این است که در آن ها هيچ بخش مكانيكي وجود ندارد. اما يك ایراد اساسي اين نوع ارتفاع سنج ها اين است كه مايع، حتما باید مانع از عبور نور گردد، و اين مسئله كاربرد آن ها را محدود مي­ كند.

3. انتقال حرارت

اندازه گيري انتقال حرارت نيز مي­ تواند جهت آشكار نمودن وجود مواد، درون يك مخزن به كار رود. سنسور دماي مقاومتي كه تحريك شده و انتقال حرارت آن، فقط از طريق هوا منتقل شده؛ گرماي بيش تري را حس مي­ كند تا زمانی كه مايع پیرامون سيم، حرارت را گرفته باشد. انتقال حرارت سريع تر و آسان تر بوده و در نتيجه اثر خودگرمايي كم تر خواهد بود.

 

مبدل پیوسته

همان گونه که اشاره شد، در بعضي از كاربردها، تنها كافي است كه مشخص شود كه مايع بالاتر و يا پايين تر از يك سطح مورد نظر است. اما در بعضي موارد هم نياز است كه به صورت بسیار دقيق، ارتفاع مواد داخل مخزن مشخص شود. اين مسئله نياز به مبدل پيوسته را آشکار می کند. راه­ هاي گوناگون و بسیار متنوعي براي اندازه گيري دقيق ميزان مواد موجود در يك مخزن وجود دارد كه در اين قسمت به پنج مورد آن اشاره خواهد شد:

  • فشار در قسمت تحتاني يك مخزن به صورت مستقيم، به ارتفاع مواد سيال داخل مخزن بستگي دارد.
  • وزن مخزن، مستقل از جنس مواد (سيال يا جامد) درون آن به ارتفاع آن مواد بستگي دارد.
  • مي ­توان از سيستم شناور براي دنبال كردن سطح سيال استفاده نمود و با آن روش، پتانسيومتر و يا شيري را به حركت در آورد.
  • براي مواد عايق الكتريكي يا جامد، مي ­توان با استفاده از مخزن و يك الكترود، يك خازن بزرگ ساخت.
  • آشكاركننده­ هاي اولتراسونيكي، شبيه به آن چه كه در اندازه گيري طول و یا سيستم تنظيم خودكار دوربين ­هاي عكاسي استفاده می شود؛ مي­ توانند براي آشكارسازي فاصله سطح مايع به كار گرفته شوند.

 

1. اندازه گیری سطح با استفاده از فشار

در بخش­ قبل مشخص شد كه فشار، در انتهاي يك ستون از مايع، متناسب است با ارتفاع آن ستون:

فرمول فشار سر

که در آن...      

r : چگالي مايع

g : ثابت تبديل جرم به وزن  cm/s2 981

h : ارتفاع ستون مايع

به اين فشار، فشار سر (head Pressure) مي­ گويند.

بنابراين با اندازه گيري فشار انتهاي يك مخزن، مي­ توان سطح مايع داخل مخزن را اندازه گيري کرد. اما بايد توجه داشت كه در اين روش چندين فرض موجود است كه بايستي مورد توجه قرار بگيرند.

  • اول اين كه، براي گرفتن نتيجه ثابت و پايدار، مايع بايستي داراي شكل واحد (Uniform) باشد. به عبارت ديگر، چگالي بايد ثابت باشد.
  • دوم اين كه، فشار قرائت شده مربوط به ارتفاع بالاي مبدل فشار مي ­باشد. بنابراين اگر به هر دليلي امکان نصب سنسور در انتهاي مخزن وجود ندارد، در مدارات الكترونيكي و يا محاسبات كامپيوتري باید مقدار آفست نيز منظور شود. اين مسئله در شكل زير نشان داده شده است:

فشارسنج آفست

شکل (3). ساختار سطح سنج پیوسته – فشارسنج ارتفاع

 

  • 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 يعني:

 

فرمول تفاضلی

براي انجام اين محاسبه به روش اتوماتيك، مي­ توان از يك فشارسنج تفاضلي با فشار مرجع متصل به بالاي مخزن استفاده نمود. شكل زير اين روش را نشان مي دهد:

 

فشارسنج تفاضلي

شکل (4). ساختار سطح سنج پیوسته – فشارسنج تفاضلي

 


نویسنده مهمان سایت ما باشید و کسب درآمد کنید


 

2. اندازه گیری سطح با استفاده از وزن

يك روش اندازه گيري واقعي، از ميزان مواد موجود در داخل مخزن، اندازه گيري وزن مواد درون آن مي­ باشد. اين روش براي انواع مواد مايع، جامد و يا تركيبي از آن ها تفاوتی نداشته و مناسب است. در اين راه کار، باید مخزن به صورت كامل و تنها به يك و يا تعدادي لودسل متصل گردد.

  • در حالتي كه از چند لودسل استفاده مي ­گردد بايستي مطمئن شد كه وزن مواد به صورت يكسان بين لودسل­ ها تقسيم شده است يا فقط از يك مدار الكترونيكي، جهت جمع مقادير اندازه گيري شده توسط لود سل­ ها استفاده شود.
  • هم چنين نياز به مجموعه ای از پردازش سيگنال، جهت تنظيم خروجي به صفر، در زمان خالی بودن مخزن، می باشد.
  • در برخی از پياده سازي­ ها در كنار كرنش سنج فعال و واقعي، بايستي از يك كرنش سنج مجازي (Dummy) استفاده کرد كه جهت انجام كاليبراسيون، مي­ توان با پر و خالي كردن مخزن، منحني مورد نياز را به دست آورد.

 

3. اندازه گیری سطح با استفاده از سیستم شناور

شايد از متداول ترین روش های استفاده از ارتفاع سنج ها، کاربرد آن ها در سيستم كنترلي متشكل از شير و شناور داخل مخزن سيفون سرویس های بهداشتی باشد. اساس كاركرد چنين سيستمي در شكل زير نمایش داده شده است.

يك شناور همراه با سطح آب داخل مخزن سيفون به سمت بالا و پايين حركت مي ­كند. حركت شناور توسط يك لولا، شير را كنترل مي­ کند.

زمانی که سطح آب پايين است، شناور نيز پايين بوده و در نتيجه شير به سمت بالا يعني وضعيت باز، حركت مي ­كند. به محض اين كه سطح آب بالا مي­ آيد به همان نسبت، شير بیش تر بسته می شود. بازوي شناور به گونه­ اي طراحي شده است كه نيروي شناور را با نسبت (l1/l2) تقويت مي­ كند تا امکان باز و بستن آسان شیر، وجود داشته باشد.

 

فشارسنج شیر و شناور

شکل (5). ساختار سطح سنج پیوسته – فشارسنج شیر و شناور (سیفون)

 

براي يك سيستم كنترلي پيچيده­ تر مي توان به جاي شير از يك پتانسيومتر خطي لغزشي استفاده کرد و يا با استفاده از يك مكانيزم گيرباكسي، مي­ توان حركت بالا و پايين را تبديل به حركت چرخشي نمود تا بتوان يك پتانسيومتر دوراني را به چرخش درآورد. در چنين سيستمي، سيگنال خروجي متناسب با سطح، داراي ولتاژ مستقيم بالايي مي ­باشد كه براي نمايش و يا كنترل سطح، بسيار مناسب و ساده است. علاوه بر این، چنين سيستمي، ساده، ارزان و قابل اطمينان نيز مي­ باشد.

اما از ایرادهای اين سيستم، محدود بودن دامنه حركتي شناور و نصب آن در درون مخزن مي­ باشد كه در بعضي مواقع و در كاربردهایي خاص، نصب آن داخل مخزن، غيرممكن است. هم چنين پتانسيومتر را مي ­بايستي به طور کامل، آب­ بندي کرد تا از نفوذ مايع به آن جلوگيري شود.

 


دانلود رایگان فایل محاسباتی قیمت تابلو کنترل


 

4. اندازه گیری سطح با استفاده از سیستم خازنی

ظرفيت خازني يك خازن با صفحات موازي، برابر است با:

ظرفیت خازنی

كه در آن ...

C = ظرفيت خازن

A = سطح مقطع صفحات

ε= ثابت دي الكتريك

d = فاصله صفحات از يكديگر

ضريب دي الكتريك هوا تقريباً يك است، در حالي كه ضريب دي الكتريك آب بيش تر از 80 و يا بعضي مواد جامد داراي ضريب دي الكتريك 10000 و يا بالاتر مي ­باشند. اين تغيير شديد ضريب دي الكتريك در مواد مختلف، مي ­تواند جهت اندازه گيري ارتفاع به كار گرفته شود.

به پروب به كار رفته در مخزن در شكل (4) دقت كنيد. هرچه مايع داخل مخزن بالاتر برود، متوسط ضريب دي الكتريك نيز متناسب با ارتفاع، تغيير مي­ كند. براي بالا بردن خاصيت خازني، مي توان از پروب با چندين لايه هم مركز، به صورتی که صفحات آن، يك در ميان به يكديگر متصل شده باشند، (بدين ­ترتيب سطح بيش تري حاصل مي ­گردد) استفاده نمود.

مانند ديگر مبدل­ هاي خازني، سيگنال خروجي اين مبدل خازنی نيز بايستي با استفاده از مدارات پردازشگر الكترونيكي به شكلي مناسب­ تر و قابل استفاده ­تر تبديل گردد.

با استفاده از يك پل متناوب، اندازه ظرفيت خازن، تعيين كننده دامنه سيگنال متناوب خروجي پل خواهد بود.

با استفاده از مدار اسيلاتور نیز مي­ توان تغيير ظرفيت خازن را به فركانس متناسب با ارتفاع مايع داخل مخزن تبديل نمود.

 

فشارسنج خازنی

شکل (6). ساختار سطح سنج پیوسته – فشارسنج خازنی

 

ویدئو (1). عملکرد سطح سنج خازنی

 

اگر مخزن از نظر الكتريكي هادي باشد مي­ توان از آن به عنوان يك پروب استفاده کرد و پروب ديگر را داخل مخزن قرار داد. كه در اين صورت، مخزن می باید برای حفظ ايمني، به زمين متصل گردد. اين کار ممكن است از نقطه نظر مدارات پردازشگر الكترونيكي تاثیری نداشته نباشد. هم چنين هر نويز الكتريكي، حلقه زمين يا اتصالات تصادفي، صدماتي را به تانك و يا مدارات پردازشگر و سيستم هاي كنترلي وارد می كند.

اگر مايعي كه ارتفاع آن مورد نظر است از نظر الكتريكي، هادي باشد؛ از اثر مقاومت به جاي خازن مي ­توان استفاده کرد. در این روش، پروب­ هاي با قابليت هدايت بالا با دو سيم مقاومتي با مقاومت بالا تعويض می شوند. لازم است كه سيم، داراي پايداري بالا و مقاومت، دقيقا در واحد طول باشد. هر چقدر كه سطح بالا مي­ آيد، طول اتصال كوتاه شده سيم­ هاي درون مخزن، افزایش پیدا می کند كه خود موجب كاهش مقاومت سيم مي­ گردد. بنابراین، مقاومت به صورت معكوس، متناسب با سطح خواهد بود. اين روش در تعيين ارتفاع جيوه در يك مانومتر يا دستگاه فشارسنج خون، بسیار متداول است.

 

 

ویدئو (1). عملکرد سطح سنج خازنی

 


ارائه خدمات فنی و مهندسی برق کنترل و ابزار دقیق جهت شرکت در مناقصات


 

5. اندازه گیری سطح با استفاده از سیستم اولتراسونیک

با اختراع تنظيم خودكار لنز دوربين عكاسی توسط فاصله ياب­ هاي اولتراسونيكي، كاربرد وسيع اين ابزار به صورت یک ماژول، قابل تهيه و استفاده از آن، آسان مي­ باشد. براي اندازه­ گيري سطح با استفاده از يك ماژول فاصله ياب اولتراسونیکي، بايستي اين دستگاه در بالاي مخزن به صورتی كه به سمت پايين هدف گيري شده است؛ نصب شود.

برای اندازه گيري ابتدا باید از يك پالس آماده سازي، جهت ارسال توسط فرستنده اولتراسونیک استفاده کرد. پس از ارسال پالس و برگشت اكو و دريافت آن توسط گيرنده، پالس ديگري توسط فرستنده فرستاده خواهد شد. با استفاده از يك شمارنده، بايستي زمان بين ارسال پالس و دريافت اكو آن را اندازه گيري کرد. چون سيگنال اولتراسونیک با سرعت صوت حركت مي ­كند، زمان بين ارسال و دريافت به نوعي معادل فاصله سطح مي­ باشد. فاصله قابل اندازه گيري به اين روش بايستي در حد 0.5 تا 10 متر باشد.

رابطه فاصله سنسور با سطح مایع به صورت زیر می ­باشد:

اگر مخزن از نظر الكتريكي هادي باشد مي¬توان از آن به عنوان يك پروب استفاده کرد و پروب ديگر را داخل مخزن قرار داد. كه در اين صورت، مخزن مي¬بايستي برای حفظ ايمني، به زمين متصل گردد. اين کار ممكن است از نقطه نظر مدارات پردازشگر الكترونيكي تاثیری نداشته نباشد. هم چنين هر نويز الكتريكي، حلقه زمين يا اتصالات تصادفي، صدماتي را به تانك و يا مدارات پردازشگر و سيستم هاي كنترلي وارد می كند. اگر مايعي كه ارتفاع آن مورد نظر است از نظر الكتريكي، هادي باشد؛ از اثر مقاومت به جاي خازن مي-توان استفاده کرد. در این روش، پروب¬هاي با قابليت هدايت بالا با دو سيم مقاومتي با مقاومت بالا تعويض می شوند. لازم است كه سيم، داراي پايداري بالا و مقاومت، دقيقا در واحد طول باشد. هر چقدر كه سطح بالا مي¬آيد، طول اتصال كوتاه شده سيم¬هاي درون مخزن، افزایش پیدا می کند كه خود موجب كاهش مقاومت سيم مي¬گردد. بنابراین، مقاومت به صورت معكوس، متناسب با سطح خواهد بود. اين روش در تعيين ارتفاع جيوه در يك مانومتر يا دستگاه فشارسنج خون، بسیار متداول است.  5.	اندازه گیری سطح با استفاده از سیستم اولتراسونیک با اختراع تنظيم خودكار لنز دوربين عكاسی توسط فاصله ياب¬هاي آلتراسونيكي، كاربرد وسيع اين ابزار به صورت یک ماژول، قابل تهيه و استفاده از آن، آسان مي¬باشد. براي اندازه¬گيري سطح با استفاده از يك ماژول فاصله ياب اولتراسونیکي، بايستي اين دستگاه در بالاي مخزن به صورتی كه به سمت پايين هدف گيري شده است؛ نصب شود. برای اندازه گيري ابتدا باید از يك پالس آماده سازي، جهت ارسال توسط فرستنده اولتراسونیک استفاده کرد. پس از ارسال پالس و برگشت اكو و دريافت آن توسط گيرنده، پالس ديگري توسط فرستنده فرستاده خواهد شد. با استفاده از يك شمارنده، بايستي زمان بين ارسال پالس و دريافت اكو آن را اندازه گيري کرد. چون سيگنال اولتراسونیک با سرعت صوت حركت مي¬كند، زمان بين ارسال و دريافت به نوعي معادل فاصله سطح مي¬باشد. فاصله قابل اندازه گيري به اين روش بايستي در حد 5/0 تا 10 متر باشد.  رابطه فاصله سنسور با سطح مایع به صورت زیر می¬باشد:

که در آن...      

d = فاصله سطح

v = سرعت صوت = 331.5 متر بر ثانيه

t = زمان رفت و برگشت سيگنال

نصب سيستم اولتراسونیک در بالاي مخزن كار بسيار ساده اي است و نيازي به آب­ بندي آن در مقابل اثرات ناشي از مواد داخل مخزن نمی باشد. اما، زماني كه مخزن پر مي­ شود، فاصله بين سطح و سنسور كم تر مي­ گردد. اين موضوع، موجب کم تر شدن زمان و در نتيجه شمارش كم تر شمارنده شده كه اين خود موجب خطاي بيش تر در فاصله­ هاي كم تر می شود.

نکته مهم در فرمول مطرح شده، این است که با این روش، فاصله سنسور از سطح مواد داخل مخزن محاسبه می شود. برای محاسبه ارتفاع مواد داخل مخزن می­ بایست فاصله سنسور تا انتهای مخزن در دسترس باشد که به کمک یک پردازشگر، می توان ارتفاع سطح مواد را نیز محاسبه نمود.

 

فشارسنج اولتراسونیک

شکل (7). ساختار سطح سنج پیوسته – فشارسنج اولتراسونیک

 

ویدئو (2). عملکرد سطح سنج اولتراسونیک

 


➡️بخش بعدی: مبدل دمای ترموکوپل

⬅️بخش قبلی: طبقه بندی مبدل های جریان سیالات


 

برچسب ها:

مبدل ارتفاع سنجمبدل سطح سیالاتمبدل سطح پیوسته و ناپیوسته

دیدگاه شما