تکنولوژی تعیین سطح در صنایع شیمیایی Level mesurement
1
مقدمه
در صنایع شیمیایی موارد بیشماری از نیاز به اندازه گیری سطح وجود دارد.اندازه گیری سطح مقدار مواد را در مقادیر اقتصادی مطلوب حفظ کرده و کیفیت محصول را بهبود می بخشد. از طرفی با جلوگیری از سرریزی و توقف سیستم یا اشفتگی فرایند، خروجی واحد را افزایش میدهد و باعث صرفه جویی در وقت ،هزینه و یا جلوگیری از اشفتگی در ورودی سیستم می شود. علاوه بر اندازه گیری سطوح مایعات و جامدات ،اندازه گیری سطوح پودرها خمیرها ودوغاب در شرایط صنعتی پیچیده نیاز است که این عمل با بخار، غبار گرد و خاک ،دما و فشارهای بالاهمراه است.
2
برای اندازه گیری سطوح مواد، استفاده از یک تکنوژلوی مناسب نیست بلکه در ابتدا باید شرایط موجود بررسی شود سپس از تکنولوژی های متفاوت استفاده گردد.در بازار انتخاب های بیشماری وجود دارد که به طور کلی بر دو نوع اندازه گیری سطح متمرکز شده اند:
1-اندازه گیری نقطه ای
2-اندازه گیری پیوسته
در اندازه گیری نقطه ای ، سطح مواد را در یک نقطه از پیش تعیین شده بررسی میکنند، که به این ترتیب از سرریزی و یا پایین آمدن مواد جلوگیری میشود اما در اندازه گیری پیوسته بر سطح مواد دائما نظارت میشود و هر گونه تغییری ثبت می گردد.
3
بطور کلی اندازه گیری سطوح در صنایع شیمیایی به چهار شیوه زیر انجام میشود:
مکانیکی
الکترومکانیکی
فشاری
صوتی
4
شناورهای مکانیکی و جابجا شونده ها:
شناورهای مکانیکی و جابجا شونده ها برپایه یک اصل ساده اندازه گیری می کنند. نیروی شناوری وارده بر یک جسم شناور برابربا وزن مایع جابجا شده است . بنابراین وقتی سطح مایع افزایش می یابد، وزن جابجا شونده کاهش می یابد . یک شناور با دانسیته پایین به یک میله افقی متصل است که به دیواره مخزن نصب شده است و به یک سوئیچ ارتباط دارد وقتی سطح مایع کم یا زیاد می شود سوئیچ باز یا بسته می گردد.
5
مزایا:
شناور های مکانیکی و جابجاشونده ها ارزان قیمت بوده و نصب آنها آسان می باشد وبا مایعات دانسیته پایین به راحتی کار می کنند.
معایب:
شناور ها یا جابجا شونده هابا دانسیته مایع مورد سنجش کالیبره می شوند لذا وقتی دانسیته تغییر کند شناور باید دوباره کالیبره شود . شناور های مکانیکی تا دمای 650 درجه سانتیگراد و جابجا شونده ها تا دمای 370 درجه سانتیگراد مورد استفاده قرار می گیرند . یک عامل محدود کننده دیگر برای تکنولوژی مکانیکی، ته نشینی مواد روی شناور یا جابجا شونده می باشد . ته نشینی مواد باعث تغییر وزن جابجا شونده شده و باید مجددا کالیبره شوند . عیب دیگر آن است که فقط برای سیالات غیر فریز مناسب اند،از طرفی کالیبره آنها در تغییرات وزن مخصوص سخت است.
6
7
8
اختلاف فشار:
تجهیزات اختلاف فشار به دلیل کاربرد آسان جز وسایل عمومی در اندازه گیری سطح در صنایع شیمیایی هستند . قسمت فشار بالای آنها،به انتهای مخزن وصل میشود، درحالیکه قسمت کم فشاربه فضای بخار در بالای مخزن متصل است.اختلاف فشار اندازه گیری شده ، فشار ستون مایع در مخزن است . اگر دانسیته مایع ثابت باشد این عدد مربوط به سطح مایع است در غیر اینصورت ، تغییرات در ترکیب مایع یا دمای آن باعث تغییر وزن مخصوص و خطا در خواندن می شود . هر گونه تغییر در دانسیته همانند تغییرات دما نیاز به کالیبره مجدد دارد .
مزایا:
تجهیزات اختلاف فشار مزایایی دارند که شامل نصب آسان در مایع تمیز و عاری از مواد جامد معلق است .
معایب:
نیاز به آب بندی سیال در مخازن تحت فشار و مشکلات مربوط به کالیبراسیون ودانسیته سیال ودما است.
9
الکترومکانیکی:
تجهیزات الکترومکانیکی شامل یک پدال موتوری اند که در تانک شناور است . وقتی سنسور پدال با مواد جامد یا مایع پوشیده می شود چرخش آن متوقف می گردد . موتور متوقف شده یک سوئیچ را فعال می کند و علایم مربوط به کنترل سطح را ارسال میکند. مواد با دانسیته بالاتر به پدال کوچکتری نیازمند هستند . این اصل برای چنگال ارتعاشی نیز به کار می رود ، وقتی سرعت ارتعاش کم می شود نشان دهنده سطح مواد است .
10
به دلیل حرکت ثابت ، تجهیزات الکترومکانیکی قدیمی فرسوده می شوند . اما تجهیزات مدرن تر، طراحی بهتری برای رفع این مشکل دارند . مساحت پدال برایش مواد با خواص مختلف قابل تنظیم است . سنسور های الکترومکانیکی به اشکال مختلف فشرده ، میله انبساطی و کابل اتساعی موجود هستند .
اندازه گیری نقطه ای به جهت جلوگیری از سرریزی یا فقدان مواد،مورد توجه بسیار قرار گرفته است. طراحی با هزینه مناسب و تعمیرات و نگهداری پایین برای مواد جامد مانند گلوله پلاستیکی ، کربن سیاه ، کود های شیمیایی و لاستیک وجود دارد . سوئیچ پدال در دانسیته پایین (در حدود 35 گرم بر لیتر) به کار می رودو تکنولوژی کاملا مستقل از خواص دی الکتریک دارد.
11
خازنی :
تکنولوژی خازنی بطور وسیعی در بسیاری از صنایع بکار برده می شود از مخازن بسیار ساده اسید تا راکتورهای شامل مواد شیمیایی تحت دما و فشار بالا از آن استفاده می شود.
عملکرد این سطح سنج ها همانگونه که از اسم آنها بر می آید بر اساس خاصیت خازنی که معمولا بین سطح مخزن و الکترود سنسور برقرارمیشود میباشد . هر چقدر مقدار مواد بین الکترود و سطح مخزن بیشتر باشد خاصیت دی الکتریک خازن بیشتر شده در نتیجه ظرفیت خازن افزایش پیدا می کند و این تغییرات ظرفیت به تغییرات ولتاژ تبدیل می شود که بر اساس آن میتوان خروجی متناسب با ارتفاع مخزن به دست آورد.
12
سوئیچ های خازنی کنترل سطح
13
مزایا:
. تکنولوژی خازنی دقت بالا دارد و نتایج آن تکرار پذیر است, تکنولوژی خازنی تنها نیازمند یک شکاف در ظرف خواهد بود و نصب آن آسان است .میله حاوی سنسوربرای طیف وسیعی از مواد وجود دارد که کیفیت مقاومتی قابل ملاحظه ای را در برابر مواد خورنده موجود در فرآیند های شیمیایی ارائه می دهد.
معایب:
از آنجا که مدل خازنی یک تکنولوژی تماسی است ، باید سازگاری شیمیایی مانند مشکلات تجمع مواد شیمیایی بر روی تجهیزات در نظر گرفته شود. هر گونه تغییری به علت تغییر در دما و ترکیب شیمیایی باعث تغییر خواص دی الکتریک می شود و باعث بروز خطا و نیاز مند کالیبراسیون مجدد خواهد بود.
14
شکل ظرف در تکنولوژی خازنی مربوط به مواد غیر رسانا(دی الکتریک پایین) تاثیرگذار است . استفاده از یک حوضچه آرام کننده و یا یک تیوب زمینی به عنوان بخشی از تجهیزات نصب شده این مشکل را حل خواهد کرد .
کالیبراسیون تجهیزات خازنی را می توان براحتی با پر و خالی کردن ظرف انجام داد . .اینکار نیازمند صرف زمان است و گاهی اوقات خطاهایی به واسطه تجمع مواد باقیمانده در میله حاوی حسگر رخ میدهد .
خازن بطور معمول برای اندازه گیری اسید ها ،چسب ها،پالت های PVC محصولات شیمیایی کشاورزی ،استایرن و سایر ترکیبات اروماتیک بکار برده می شود.
15
ماورای صوت:
به دلیل پیشرفت های تکنیکی در الکترونیک ،تکنولوژی ماورا صوت برای اندازه گیری پیوسته سطح ترجیح داده می شود .
تکنولوژی ماورای صوت شامل یک بلور پیزو الکتریک است که درون یک مبدل قرار داده شده است .بدین ترتیب که علایم الکتریکی به انرژی صوتی تبدیل می شوند .انرژی صوتی به سمت مواد شلیک می شودو انعکاس ان به مبدل بازمیگردد . سپس مبدل به عنوان دریافت کننده عمل می کند و انرژی صوتی را دوباره به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند . یک پردازشگرسیگنال الکتریکی بازگشتی را آنالیز نموده و مسافت میان مبدل و هدف را اندازه گیری می کند . زمان سپری شده بین شلیک صوت و انعکاس ان متناسب با مسافت میان مبدل و مواد داخل مخزن است
16
17
مزایا:
تکنولوژی ماورا صوت از بالا تا پایین سطح را اندازه گیری می کند و تماسی میان تجهیزات و ماده وجود ندارد تکنولوژی غیر تماسی باعث مشکلات کمتری در رابطه با تجمع مواد و خوردگی میشود و اندازه گیری بهتری را ارائه می دهد . دستگاه های ماورا صوت به راحتی نصب می شود ، قسمت متحرک ندارد و نیاز به تعمیر ونگهداری ان کمتر است. همچنین تکنولوژی ماورا صوت نسبت به خازنی به وسیله تغییر ثابت دی الکتریک و شکل مخزن تحت تاثیر قرار نمی گیرد.
تکنولوژی ماورا صوت را می توان برای مواد شیمیایی خورنده بکار برد، نمونه ای ازآن به کاربردن مبدل های پیشرفته ماورا صوت در صنایع پلاستیک بادوام است.
18
معایب:
بخارات سنگین،غبارات وبخارات فلزی و سایر موانع می توانند حتی پیشرفته ترین تجهیزات ماورا صوت را تحت تاثیر قرار دهد برای مثال بخارات سنگین که بالای سطح مایع منتشر می شوند می توانند لایه هایی را به وجود آورند و باعث بروز خطا و یا فقدان سیگنال انتقالی به مبدل گردند.
تجهیزات ماورا صوت را نمی توان در دماهای بالاتر از 150 درجه سانتیگراد و فشار بالاتر از 8 بار بکار برد .
تکنولوژی ماورا صوت معمولا در پساب ها و مخازن لجن و دوغاب برای نظارت بر حجم ، در مخازن فرآیندی به عنوان یک هشداردهنده برای سطح بالا یا پایین عمل می کندهمچنین در مخازن شیمیایی برای اختلاط و ترکیب مواد شیمیایی به کار برده می شود .
19
20
رادار:
تجهیزات رادار،امواج الکترومغناطیسی را با سرعت نور به سمت مواد منتقل می کنند . وقتی امواج الکترومغناطیس به مواد برخورد کردند به سمت منبع بازمی گردند. زمان انتقال کلی به سمت هدف و بازگشت آن محاسبه می شود و به مسافت ربط داده می شود.دو روش برای رادار انتقالی وجود دارد:
1. امواج پالس
2. امواج پیوسته فرکانس متغیرFMCW
21
در رادار پالس،که بسیار شبیه به تکنولوژی ماورا صوت است ، پالس های فرکانس ثابت،به سمت مواد منتقل شده و انعکاس به منبع برگشت داده می شود وزمان سپری شده محاسبه می گردد. تجهیزات رادار FMCW بطور پیوسته محدوده ای از فرکانس را منتقل می کنند، دریافت کننده بطور مداوم بر فرکانس های دریافتی نظارت می کند و تفاوت میان فرکانس های انتقالی و دریافتی متناسب با فاصله تا هدف است .
22
23
رادار فرکانس بالا (24 تا 26 گیگا هرتز ) برای مواد با دی الکتریک پایین مناسب است که به دلیل وجود سیگنال های متمرکز و باریک است که انعکاس برگشتی از مواد را بهبود می بخشد .
در حالیکه در تجهیزات ماورا صوت از امواج مکانیکی فرکانس بالا استفاده می شود و به یک محیط حد واسط برای انتقال نیاز است (معمولا هوا) ولی در تجهیزات رادار از امواج الکترومغناطیسی استفاده می کنند که به محیط حد واسط نیازی ندارند . این بدان معنا است که رادار به وسیله عوامل محیطی مانند دما ، رطوبت ،فشار، خلا ،بخار،غبارات وتلاطم تحت تاثیر قرار نمی گیرد.
24
از آنجا که تکنولوژی رادار غیر تماسی است برای کاربردهای مشکل زا مانند وجود رسوب در محیط مناسب است .به علاوه تجهیزات رادار در بالای سطح مورد نظر به راحتی نصب می شوند که باعث قطع فرآیند نیز نخواهند شد .
25
امروزه تجهیزات راداری اندازه گیری سطح، برای محدوده های طولی تا 100 متر وجود دارند . اخیرا رادار در اندازه گیری سطح مواد جامد مانند پودر پلاستیک ،پودر شوینده ، و پودر آهک موفقیت چشمگیری بدست آورده است .
به خاطرنیازهای تنظیمی، تجهیزات رادار را نمی توان در هوای باز استفاده نمود.َ
26
امواج رادار هدایت شونده :
امواج رادار هدایت شونده (GWR) را با هدایت یک پالس الکترومغناطیس از طریق یک میله (میله جامد استیل،کابل استیل یا کابل هم محور ) به سمت موادبه منظور اندازه گیری سطح مورد استفاده قرار می دهند. وقتی پالس به سطح مواد رسید ، تغییرات میزان دی الکتریک میان هوا ومواد باعث می شود که بخشی از پالس به سمت مبدل منعکس شود.قدرت سیگنال منعکس شده متناسب با ثابت دی الکتریک مواد است . میزان دی الکتریک بالاتر،سیگنال قوی تری را ارائه می دهد . وقتی سیگنال برگشتی به مبدل برسد تجهیزات ،زمان آن را برای محاسبه مسافت تا سطح مورد استفاده قرار می دهند.
27
امواج رادار هدایت شونده به بخار ،دانسیته ، فوم دی الکتریک دما و فشارحساس نیستند و برای اندازه گیریهای کوتاه و متوسط مناسب اند همچنین قادراند تا فشار 413 بار و دمای 400 درجه سانتیگراد را تحمل نماید .
مزیت دیگر آن است که کالیبراسیون آنها در حضور مواد، قابل انجام است . رادار هدایت شونده برای مخزن های هم زن دار یا مخازن حاوی مواد ساینده مناسب نیست. این تکنولوژی بطور وسیعی در اندازه گیری مایعات ،پالت های پلاستیکی،دوغاب بکار برده می شود .
با تشکر فراوان