رله کنترل سطح و روش های اندازه گیری سطح مایعات

در مثال دوم عملکرد رله کنترل سطح تک سطحه بدون تاخیر در حالت پرکردن را نشان داده شده است. در این حالت نیز وقتی سطح مایع از سطح آستانه پایین تر باشد رله عمل می کند و مایع وارد مخزن می شود و تا زمانی که به سطح آستانه برسد ادامه می یابد. مدت زمان کوتاهی هم بعد از رسیدن به سطح آستانه رله روشن می ماند تا در صورتی که خطا رخ داده باشد اثری بر نتیجه کار نداشته باشد. این روند هر بار که سطح مایع از سطح آستانه پایین تر بیاید رخ می دهد.

دسته بندی روش های اندازه گیری ارتفاع سطح مایع

دانستن میزان مواد موجود در یک مخزن یکی از پرکاربردترین مصارف صنعتی است. سرریز یک مخزن می تواند باعث حادثه خیلی خطرناک و یا پر هزینه ای شود و یا بالعکس، در موقع پمپ از یک مخزن خالی، ممکن است خسارات جبران ناپذیری به پمپ وارد آید و یا حتی ممکن است باعث خرابی در موقع خالی بودن یک لوله که عمل جذب حرارت را انجام می دهد، شود.  در کاربردهای مواد غذایی و دارویی که بایذ مقدار مشخصی از مواد مختلف با هم ترکیب شوند تشخیص دقیق میزان مواد موجود در مخازن بسیار مهم است.

بعضی مواقع سیالی که سطح آن در یک مخزن اندازه گیری می شود هموژن نیست، به عنوان مثال می تواند پودر، ذرات ریز و یا غلات باشد. موادی که سطح آنها در مخزن مورد نظر است، ممکن است برای مصارف غذایی و یا مواد شیمیایی خورنده و خطرناک باشند. مواد می توانند در موقع ریختن در مخزن به صورت مخروطی در آیند و یا در موقع ریزش ایجاد موج نمایند. در این صورت باید در انتخاب روش اندازه گیری سطح دقت خاصی صورت پذیرد.

مبدل های سطح به دو دسته عمده پیوسته و ناپیوسته تقسیم می شوند.

۱-اندازه گیری سطح مایع با مبدل های پیوسته

در مبدل های پیوسته اندازه گیری سطح به طور دقیق و در تمام ارتفاع مخزن مورد نظر است. 

روش پیوسته شامل موارد زیر است :

١- تعقیب موقعیت یک شناور که سبک تر از سیال مخزن باشد.

۲- اندازه گیری وزن ظاهری یک استوانه شناور (معروف به اندازه گیرهای جابه جایی)

۳- اندازه گیری اختلاف فشار استاتیکی بین دو نقطه از مخزن

در بعضی کاربردها تنها کافی است بدانید که مایع بالاتر و یا پایین تر از یک سطح مورد نظر است. اما در بعضی موارد نیاز است که به طور دقیق ارتفاع مواد داخل مخزن را بدانید که این مسئله نیاز مبدل پیوسته را مشخص می کند.

راههای مختلف و بسیار متنوعی برای اندازه گیری دقیق میزان مواد موجود در یک مخزن وجود دارد که در این قسمت به پنج مورد آن اشاره خواهیم نمود.

۱- فشار در قسمت تحتانی یک مخزن به طور مستقیم بستگی به ارتفاع مواد سیال داخل مخزن دارد.

٢- وزن مخزن مستقل از جنس مواد (سیال یا جامد) درون آن بستگی به ارتفاع مواد دارد.

٣- می توانید از سیستم شناور برای دنبال کردن سطح سیال استفاده نمایید و از آن طریق پتانسیومتر و یا شیری را به حرکت در آورید.

۴- برای مواد عایق الکتریکی یا جامد می توانید با استفاده از مخزن و یک الکترود، یک خازن بزرگ بسازید.

۵- آشکار کننده های اولتراسونیکی، شبیه آنچه که در اندازه گیری طول و سیستم تنظیم خودکار دوربین های عکاسی به کار می رود، می توانند برای آشکارسازی فاصله سطح مایع به کار روند.

نکته: با اندازه گیری فشار انتهای یک مخزن می توان سطح مایع داخل مخزن را اندازه گیری نمود.

اما باید توجه نمود که در این روش چندین فرض موجود است که باید مورد توجه قرار گیرند.

۱- برای گرفتن نتیجه ثابت و پایدار، مایع باید دارای شکل واحد (Uniform) باشد. به عبارت دیگر چگالی باید ثابت باشد.

۲- فشار قرائت شده مربوط به ارتفاع بالای مبدل فشار است. بنابراین اگر به هر دلیلی قادر به نصب سنسور در انتهای مخزن نیستید باید در مدارات الکترونیکی و یا محاسبات کامپیوتری مقدار آفست را نیز منظور نمایید.

در صورت استفاده از فشارسنج برای اندازه گیری سطح، میزان فشار، فشار موجود در بالای مخزن است.

اگر مخزن باز است و فشار آن فشار اتمسفر است فرمول بالا صحیح است و می توان از یک مبدل فشار که فشار نسبت به محیط را اندازه گیری می کند استفاده نمود. اما اگر مخزن بسته است، فشار انتهای مخزن نه تنها بستگی به فشار سر دارد بلکه به فشار بالای مخزن نیز بستگی دارد یعنی:

برای انجام این محاسبه به طور اتوماتیک، می توانید از یک فشارسنج تفاضلی با فشار مرجع متصل به بالای مخزن استفاده نمایید.

یک اندازه گیری واقعی از میزان مواد موجود داخل مخزن، اندازه گیری وزن مواد درون مخزن است. این روش برای انواع مواد، مایع، جامد و یا ترکیبی از آنها هیچ فرقی نمی کند و کارآیی خوبی دارد. در این روش مخزن باید به طور کامل و تنها به یک و یا تعدادی لودسل متصل گردد.

در حالتی که چند لودسل استفاده می گردد باید مطمئن شد که وزن به طور یکسان بین لودسل ها تقسیم شده است یا از یک مدار الکترونیکی جهت جمع مقادیر اندازه گیری شده توسط لودسل ها استفاده نمود.

همچنین نیاز به یکسری پردازش سیگنال جهت تنظیم خروجی به صفر برای زمانی که مخزن خالی است است.

در بعضی از پیاده سازی ها در کنار کرنش سنج فعال و واقعی باید از یک کرنش سنج مجازی (Dummy)  استفاده نمود که جهت کالیبراسیون می توانید با پر کردن و خالی کردن مخزن منحنی مورد نیاز را بدست آورد. 

شاید یکی از شایع ترین استفاده از ارتفاع سنج ها، استفاده از سیستم کنترلی متشکل از شیر و شناور داخل مخزن سیفون توالت ها است.

یک شناور همواره با سطح آب داخل مخزن سیفون به سمت بالا و پایین حرکت می کند. این حرکت شناور توسط یک لولا، شیر را کنترل می نماید.

وقتی که سطح آب پایین است، شناور نیز پایین بوده و در نتیجه شیر به سمت بالا یعنی وضعیت باز حرکت می کند. به محض اینکه سطح آب بالا می آید، به همان نسبت شیر بسته تر می گردد.

برای یک سیستم کنترلی پیچیده تر می توانید به جای شیر از یک پتانسیومتر خطی لغزشی استفاده نمایید و یا با استفاده از یک مکانیزم گیربکسی می توانید حرکت بالا و پایین را تبدیل به حرکت چرخشی نمایید تا بتوانید یک پتانسیومتر دورانی را به چرخش در آورید.

در چنین سیستمی سیگنال خروجی متناسب با سطح، دارای ولتاژ مستقیم بالایی خواهد بود که برای نمایش و یا کنترل سطح بسیار مناسب و راحت است.

به علاوه چنین سیستمی ساده، ارزان و قابل اطمینان نیز است. اما از معایب این سیستم محدود بودن رنج حرکتی شناور و نصب در درون مخزن است که در بعضی مواقع و کاربردهای خاصی نصب آن داخل مخزن غیر ممکن است.

همچنین پتانسیومتر باید به خوبی آب بندی و از نفوذ مایع به آن جلوگیری نمود.

ضریب دی الکتریک هوا تقریباً یک است، در حالی که ضریب دی الکتریک آب بیشتر از ۸۰ و یا بعضی مواد جامد دارای ضریب دی الکتریک ۱۰۰۰۰ و یا بالاتر می باشند. این تغییر شدید ضریب دی الکتریک در مواد مختلف می تواند جهت اندازه گیری ارتفاع به کار رود.

هرچه مایع داخل مخزن بالاتر رود متوسط ضریب دی الکتریک نیز متناسب با ارتفاع تغییر می کند.

برای بالا بردن خاصیت خازنی می توانید از پروپ با چندین لایه هم مرکز به طوری که صفحات یک در میان به یکدیگر متصل شده اند. (بدین ترتیب سطح بیشتری حاصل می گردد) استفاده نمایید.

مثل دیگر مبدل های خازنی، سیگنال خروجی این مبدل نیز باید با استفاده از مدارات پردازشگر الکترونیکی به شکلی مناسب تر و قابل استفاده تر تبدیل گردد.

با استفاده از یک پل متناوب اندازه ظرفیت خازن تعیین کننده دامنه سیگنال متناوب خروجی پل خواهد بود. با استفاده از مدار اسیلاتور می توان تغییر ظرفیت خازن را به فرکانس متناسب با ارتفاع مایع داخل مخزن تبدیل نمود.

 اگر مخزن از نظر الکتریکی هادی باشد، می توانید از آن به عنوان یک پروپ استفاده نموده و پروپ دیگر را داخل مخزن قرار دهید که در این صورت مخزن باید به دلایل ایمنی به زمین متصل گردد که این مسئله ممکن است از نقطه نظر مدارات پردازشگر الکترونیکی مورد علاقه نباشد.

همچنین هر نویز الکتریکی، حلقه زمین یا اتصالات تصادفی، صدماتی را به تانک و یا مدارات پردازش گر و سیستم های کنترلی وارد کند.

اگر مایعی که ارتفاع آن مورد نظر است از نظر الکتریکی هادی باشد، می توانید از اثر مقاومت به جای خازن استفاده نمایید. هرچه سطح بالا می آید، طول اتصال کوتاه شده سیم های درون مخزن بیشتر می گردد که خود باعث کاهش مقاومت سیم می گردد، پس بنابراین مقاومت به طور معکوس متناسب با سطح خواهد بود. این روش در تعیین ارتفاع جیوه در یک مانومتر یا دستگاه فشارسنج خون معمول است.

با اختراع تنظیم خودکار لنز دوربین عکاسی توسط فاصله یاب های اولتراسونیکی و کاربرد وسیع آنها این ابزار به طور ماژولار قابل تهیه و استفاده راحت است. برای اندازه گیری سطح با استفاده از یک ماژول فاصله یاب – اولتراسونیکی، باید این دستگاه در بالای مخزن به طوری که به سمت پایین هدف گیری شده است نصب شود.

B : فاصله سنسور تا سطح مایع

C : میزان سطح یا ارتفاع مایع

D : طول قابل اندازه گیری

Blocking Distance : فاصله های کمتر از این مقدار را سنسور قادر به اندازه گیری نیست.

 (۲ / زمان تأخیر) * سرعت صوت در هوا =  میزان سطح

جهت اندازه گیری باید ابتدا از یک پالس آماده سازی جهت ارسال توسط فرستنده اولتراسونیک استفاده نمود. پس از ارسال و برگشت اکو و دریافت آن توسط گیرنده، پالس دیگری توسط فرستنده فرستاده خواهد شد. با استفاده از یک شمارنده باید زمان بین ارسال پالس و دریافت اکو آن را اندازه گیری نمود. چون سیگنال و اولتراسونیک با سرعت صوت حرکت می کند، زمان بین ارسال و دریافت سیگنال به نوعی معادله فاصله سطح است.

نصب سیستم اولتراسونیک در بالای مخزن کار بسیار ساده است و نیازی به آب بندی آن در مقابل اثرات ناشی از مواد داخل مخزن نیست، اما وقتی که مخزن پر می شود فاصله بین سطح و سنسور کمتر می گردد.

این موضوع باعث زمان کوچک تر و در نتیجه شمارش کمتر شمارنده می گردد که این خود می تواند باعث خطای بیشتری در فاصله های کمتر گردد.

۲-اندازه گیری سطح مایع با مبدل های ناپیوسته

مشخص نمودن تنها حدی از ارتفاع

در بعضی مواقع فقط مشخص نمودن یک حدی از ارتفاع که می تواند خطرساز شود مورد نظر است که معمولاً در این مواقع از نوعی سوئیچ استفاده می گردد. این نوع ارتفاع سنجی که در اصل ناپیوسته نیست بسیار ساده تر از نوع پیوسته است.

سوئیچ شناور که بعضی مواقع NO و بعضی مواقع NC هستند، اتصالات شبیه به اتصالات درون رله ها دارند. آنها ضمن اینکه توسط فنر حمایت می شوند از جنس مغناطیسی هستند و وقتی یک مغناطیس به سمت بالای آنها حرکت می کند، میدان مغناطیسی با کشیدن اتصالات باعث بسته شدن و یا باز شدن آنها می گردد.

این اتصالات درون یک لوله غیر آهنی آب بندی شده اند. یک مغناطیس دائم درون شناور قرار داده شده که متناسب با حرکت سطح نیز بالا و پایین می رود. دو حلقه Retainer جهت محدود کردن حرکت شناور به سمت بالا و پایین به کار رفته است.

اتصالات این کنترل کننده ارتفاع می تواند به ولتاژ مستقیم جهت تحریک کنترل کننده های قابل برنامه ریزی و یا ولتاژ غیر متناوب ۲۲۰ ولت جهت به صدا در آوردن زنگ اخبار یا فعال نمودن عمل کننده ها متصل شوند.

آشکارسازی نوری نیز می تواند در صورتی که خواص مواد درون مخزن مانع از انتشار نور گردد مورد استفاده قرار گیرد.

فرستنده نوری اغلب از نوع دیود مادون قرمز با لنز و امکانات مناسب جهت برقراری ارتباط با گیرنده است. گیرنده متشکل از یک ترانزیستور حساس به نور و فیلتر نوری که فقط طول موج نور ارسالی را دریافت می کند، است.

این فیلتر باعث کاهش خطای ناشی از نور محیط می گردد. زمانی که سطح پایین تر از سنسور است، نور به گیرنده می رسد و ترانزیستور نوری اشباع می گردد که در خروجی صفر منطقی خواهید داشت.

زمانی که سطح مخزن، مانع از فرستاده شدن نور گردد، ترانزیستور نوری به حالت قطع رفته و در نتیجه در خروجی یک منطقی خواهید داشت.

علاوه بر ولتاژ مستقیم تغذیه می توانید با استفاده از مقاومت پول آپ بین ترانزیستور نوری (در حالت کلکتور باز) و هر ولتاژ دلخواه دیگر برای خروجی یک منطقی داشته باشید.

گیرنده هایی نیز وجود دارند که به جای ترانزیستور نوری از تریستور حساس به نور استفاده می کنند، خروجی این گیرنده ها ۲۲۰ ولت متناوب است.

نصب گیرنده و فرستنده متمرکز که از یک صفحه انعکاس دهنده استفاده می کند ساده تر است، یعنی اگر صفحه انعکاس دهنده به اندازه کافی بزرگ باشد تنظیم گیرنده و فرستنده آسان تر خواهد بود. این نوع از نظر سیم کشی نیز راحت تر خواهد بود.

استفاده از فرستنده و گیرنده به صورت مجتمع قابلیت انعطاف بیشتری را فراهم می کند. اگر آنها را بر روی یک نگهدارنده وصل کنید، به راحتی می توانید در قسمت های مختلف مخزن نصب و در صورت نیاز بدون نیاز به تنظیمات مجدد آن را جابه جا نمایید.

به طور کلی آشکار کننده های نوری سطح دارای طول عمر بیشتری نسبت به سوئیچ ها هستند چون در آنها هیچ قسمت مکانیکی وجود ندارد. اما یک اشکال اساسی با این نوع ارتفاع سنجها این است که مایع حتماً باید مانع از عبور نور گردد که این مسئله کاربرد آنها را محدود می کند.

اندازه گیری انتقال حرارت نیز می تواند جهت آشکار نمودن وجود مواد درون یک مخزن به کار رود. یک سنسور دمای مقاومتی که تحریک شده است و انتقال حرارت فقط از طریق هوا منتقل می شود گرمای بیشتری را حس می کند نسبت به زمانی که مایعی اطراف سیم حرارت را گرفته باشد که انتقال حرارت سریعتر و راحت تر و در نتیجه اثر خود گرمایی کمتر خواهد بود.

آشنایی با سیستم ها و تجهیزات ابزار دقیق