اندازه‌گیری سطح در دهه‌های گذشته تغییرات قابل‌توجهی را شاهد بوده است – از اندازه‌گیری سطح به روش های کاملاً مکانیکی تا سنسورهای الکترونیکی پیچیده با استفاده از اصول مختلف اندازه‌گیری. تعداد زیادی از فناوری های مختلف برای اندازه گیری سطح (مانند هیدرواستاتیک، زنجیره نی (Reed Chain)، مقاومت مغناطیسی ، رادار، اولتراسوند، نوری و بسیاری دیگر) امروزه به کاربر این امکان را می دهد که مناسب ترین فناوری حسگر را برای کاربرد شخصی خود انتخاب کند. در اندازه‌گیری سطح پیوسته، فشار هیدرواستاتیک (همچنین به عنوان اندازه‌گیری سطح هیدرواستاتیک نیز شناخته می‌شود) فن‌آوری و اصل اندازه‌گیری حسگر است که سهم بازار تقریباً 40٪ بر حسب حجم فروش را دارد. هنوز به طور قابل توجهی جلوتر از فناوری های اولتراسوند و رادار، سنسورهای هیدرواستاتیک برای اندازه گیری سطح نصب می شوند.
بنابراین، اهمیت بسیار زیاد این فناوری در رشد مداوم آن از 650 میلیون دلار آمریکا در سال پیش از بحران 2008 به حدود 770 میلیون دلار در سال 2013 منعکس شده است.
منظور از هیدرواستاتیک چیست؟
سنسور فشار هیدرواستاتیک ← برای اندازه گیری سطح یا ارتفاع پر شدن یک مایع استفاده می شود. اندازه گیری فشار هیدرواستاتیک به دلیل اثر هیدرواستاتیکی سیالات غیر روان برای اندازه گیری سطح مناسب است.
این اصل فیزیکی تأثیر نیروی وزنی یک مایع ساکن یا غیر روان را بر روی یک نقطه اندازه گیری توصیف می کند. این نیروی وزنی معمولاً به عنوان “فشار هیدرواستاتیک” توصیف می شود.
مهمترین شرط برای اندازه گیری سطح هیدرواستاتیک چیزی است که “پارادوکس هیدرواستاتیک” نامیده می شود. این بدان معنی است که، صرف نظر از شکل و حجم یک ظرف، فشار هیدرواستاتیک در نقطه اندازه گیری یک مخزن یا ظرف تنها با ارتفاع پر شدن متناسب است (شکل ۱).
بنابراین، علیرغم تناقض ظاهری افزایش یا کاهش بیش از حد متناسب در حجم یا وزن یک مایع با تغییر ارتفاع، فشار هیدرواستاتیک در نقطه اندازه‌گیری صرفاً متناسب با ارتفاع پر شدن مطلق است و نه با کمیت پر شدن.
یک مایع ساکن، از طریق چگالی خاص خود و نیروی عامل گرانش، یک نیروی وزنی متناظر یا فشار هیدرواستاتیکی ایجاد می کند که متناسب با ارتفاع پر شدن افزایش می یابد. در نتیجه، فشار هیدرواستاتیک نشان دهنده اندازه گیری مستقیم سطح پر شدن یا درجه پر شدن مخزن است.
از آنجایی که فشار هیدرواستاتیک به حجم یا شکل ظرف بستگی ندارد، می توان از آن به طور مستقیم برای اندازه گیری سطح پر استفاده کرد، اما باید برای “اندازه گیری” مقدار پر شدن بیشتر پردازش شود. از سطح اندازه گیری شده، با استفاده از “جدول خطی سازی مخزن”، می توان مقدار واقعی پر شدن موجود در مخزن را محاسبه کرد.
یک جدول خطی سازی مخزن، برای مقادیر مختلف فشار، مقدار پر مربوطه موجود در مخزن را مستند سازی می کند. از مقادیر ثبت شده، منحنی ایی می تواند استخراج شود که حجم پری مربوطه را برای هر فشار هیدرواستاتیک اندازه گیری شده به کاربر ارائه می دهد. این محاسبه معمولاً در PLC انجام می شود، به طوری که اپراتور مقدار واقعی پر شدن موجود در ظرف را مستقیماً روی صفحه نمایش ببیند.
به منظور تعیین مقدار پر شدن از فشار هیدرواستاتیک با دقت بالا، سنسور فشار باید در حالت ایده آل در ارتفاع اندازه گیری صفر مورد استفاده قرار گیرد. بر اساس این نقطه اندازه گیری، سنسور فشار هیدرواستاتیک را به عنوان مقیاس مستقیم فاصله از نقطه اندازه گیری انتخاب شده تا سطح محیط اندازه گیری می کند.
فشار هیدرواستاتیک اندازه گیری شده یک مایع، علاوه بر نیروی وزنی محیط، شامل فشار محیطی است که مستقیماً روی سطح مایع تأثیر می گذارد. فشار هوای محیط یا فشار گاز را می توان به عنوان نیرویی در نظر گرفت که علاوه بر نیروی وزن مایع به عنوان فشار هیدرواستاتیک بر سنسور فشار نیز اثر می گذارد.
اندازه گیری سطح در مخازن باز و دارای تهویه
در اندازه گیری سطح هیدرواستاتیک در حوض ها یا مخازن باز یا دارای تهویه، یک جبران فشار مداوم هوای محیط با گاز بالای مایع صورت می گیرد.
بنابراین فشار محیطی که به عنوان یک “نیرو” اضافی بر روی سیال عمل می کند همیشه شبیه فشار محیطی است که بر کل سیستم از جمله سنسور سطح اثر می کند.
بنابراین اگر از یک سنسور فشار با یک سلول اندازه گیری فشار نسبی استفاده کنیم، یک سنسور فشاری که با فشار محیط جبران یا تهویه (درست مانند مخزن) شده است، “به طور خودکار” اثر این فشار محیط را بر اندازه‌گیری سطح جبران می‌کند. این بدان معناست که یک سنسور فشار نسبی در مخازن دارای تهویه کاملاً اتمسفر را خنثی می‌کند. بنابراین، فشار هیدرواستاتیک تنها با ارتفاع پر شدن مایع مطابقت دارد (شکل ۲).
بنابراین، ارتفاع پر شدن مخزن یا ظرف باز با استفاده از رابطه اشاره شده در تصویر محاسبه می شود.
به عنوان یک قانون ساده برای آب به عنوان یک سیال، می توان فرض کرد که فشار 1 بار (نسبی) با ارتفاع پر شدن 10 متر مطابقت دارد.
قانون سرانگشتی (سیال ~ 1000 کیلوگرم بر متر مکعب): h = 1 بار (نسبی) / (1000 کیلوگرم در متر مکعب * ~10 متر بر ثانیه) = 10 متر
قاعده کلی نشان می دهد که فشار هیدرواستاتیک در یک ظرف با ارتفاع پر شدن سیال متناسب است، تا زمانی که چگالی ثابتی داشته باشد، کاملا مستقل از شکل یا مقدار پر شدن است.
اندازه گیری سطح در تانک های رو بسته و گاز بندی شده (Gas Tight)
اندازه گیری سطح در مخازن مهر و موم شده و گاز بندی شده ، که اغلب در صنایع شیمیایی یافت می شود، نیاز به اندازه گیری فشار گاز محصور در بالای مایع دارد. فشار محصور گاز به عنوان یک نیروی اضافی بر مایع عمل می کند و هرگونه اندازه گیری فشار هیدرواستاتیک در پایه ظرف را نامعتبر می کند.
بنابراین، این تأثیر واپیچان باید از طریق اندازه گیری فشار اضافی فاز گاز جبران شود. اغلب از سنسور فشار دوم برای اندازه گیری فشار گاز استفاده می شود. این کاربرد به طور موثر نشان دهنده یک اندازه گیری فشار تفاضلی است، که در آن دو اندازه گیری فشار مجزا در مقابل یکدیگر قرار می گیرند (شکل ۳).
این محاسبه افست می‌تواند توسط دو سنسور مجزا یا از طریق یک سنسور اختلاف فشار ← یکپارچه انجام شود. در این کاربرد، سنسورهای مورد استفاده می توانند نسبی (سنسور با جبران فشار محیط) یا انواع فشار مطلق (سنسور با مرجع خلاء مهر و موم شده) باشند.
بنابراین، ارتفاع پر شدن مخزن یا مخزن مهر و موم شده با استفاده از معادله اشاره شده در تصویر محاسبه می شود.
انواع سنسورهای سطح هیدرواستاتیک
در اندازه‌گیری سطح هیدرواستاتیک، می‌توان سه نوع سنسور یا طرح سنسور سطح را متمایز کرد: ترانسمیترهای فشار معمولی، ترانسمیترهای فشار فرآیند و ترانسمیترهای فشار هیدرواستاتیک، که در انواع فشار نسبی، مطلق و دیفرانسیل موجود هستند.
برای کاربرد در مخازن عادی یا مخازن ایستاده آزاد، ترانسمیترهای فشار معمولی (شکل ۴ و ۵) یا ترانسمیتر فشار فرآیند (شکل ۶) به ویژه با یک پورت فشار معمولی (شکل ۴) یا یک فلاش دیافراگم (شکل ۴) مناسب هستند. شکل (۵).
ترانسمیترهای فشار معمولی به دلیل استفاده گسترده در صنایع مختلف، عمدتاً بدون نیاز به الزامات خاصی در فناوری اندازه گیری (مانند مقیاس پذیری محدوده اندازه گیری یا خطی سازی یکپارچه مخزن) بیشترین استفاده را دارند .
سنسورهای معمولی به دلیل نسبت قیمت به عملکرد عالی خود متمایز هستند. آنها قوی هستند، نصب و راه اندازی آنها ساده است، سریع، و با طیف وسیعی از دقت تا <0.1٪ در دسترس هستند.
با این حال، ترانسمیترهای فشار فرآیند عمدتاً در کاربردهایی با تقاضاهای ویژه در فناوری اندازه‌گیری (مانند سیگنال‌های باس ، تغییر مقیاس محدوده اندازه‌گیری، خطی‌سازی مخزن یکپارچه و غیره) استفاده می‌شوند و عمدتاً در کاربردها در صنایع شیمیایی و پتروشیمی یافت می‌شوند.
قابلیت تنظیم گسترده و هوشمندی بالای این ترانسمیترهای فشار فرآیند قابل برنامه‌ریزی همچنین در سطح قیمت آنها در رابطه با ترانسمیترهای صنعتی معمولی منعکس می‌شود که به راحتی پنج تا ده برابر گران‌تر از یک سنسور فشار معمولی است.
به طور خاص، در صنعت آب و فاضلاب، ترانسمیترهای فشار هیدرواستاتیک (“پروبهای سطح” یا “پروبهای غوطه ور”) اغلب برای اندازه‌گیری سطح در مخازن، چاه‌ها یا دیگر آب‌های باز استفاده می‌شوند (شکل ۷). ترانسمیترهای فشار هیدرواستاتیک (غوطه ور) به طور خاص طراحی شده اند تا در هنگام غوطه ور شدن مداوم در مایعات کار کنند.
آنها عمدتاً از نظر مقاومت سیال، سفتی فشار، کیفیت کابل و حفاظت از نفوذ (IP) با سنسورهای فشار معمولی متفاوت هستند.
طراحی ترانسمیترهای اختلاف فشار (شکل ۸) به عنوان بالاترین فناوری در صنعت شیمیایی و پتروشیمی در نظر گرفته می شود. ترانسمیترهای اختلاف فشار توانایی اندازه گیری و حذف اثر فاز گاز در یک مخزن مهر و موم شده ضد گاز را دارا می باشند و سطح فاز مایع داخل مخزن را به درستی نمایش می دهند.
بنابراین اپراتور دارای یک اندازه گیری سطح هیدرواستاتیک است که ارتفاع صحیح مایع را بدون نیاز به هیچ گونه جبران یا سنسور اضافی نمایش می دهد. پیچیدگی این روش اندازه‌گیری در هزینه‌های خود ابزار و همچنین نصب مربوطه منعکس می‌شود.
