سنسورهای سطح
به روز رسانی شده در ۱۴۰۳/۷/۲۲ زمان مطالعه 10 دقیقه
نمایش تمام سازندگان سنسورهای سطح
سنسورهای سطح برای تشخیص سطوح مایع یا پودر یا رابط بین مایعات استفاده می شوند. آنها بخش مهمی از یک سیستم سیال هستند زیرا موقعیت و جابجایی یک جسم یا رسانه در بسیاری از کاربردها بسیار مهم است. ماده ای که باید اندازه گیری شود می تواند در داخل یک ظرف یا به شکل طبیعی آن مانند دریاچه یا رودخانه باشد. یک حسگر قادر است یک تغییر را تشخیص دهد و آن تغییر را با کاربر در میان بگذارد. سنسورهای سطح عموما برای یک کاربرد خاص طراحی شده اند تا کاربرد عمومی.
دو نوع پایه اندازه گیری سطح وجود دارد، سنسور سطح نقطه ای و سطح پیوسته. در زیر ویدیویی وجود دارد که هر اندازه گیری را توضیح می دهد.
سنسورهای سطح نقطه یا سنسورهای چند نقطه ای سطح خاصی را مشخص می کنند و در صورتی که رسانه بالاتر یا پایین تر از آن سطح باشد با کاربر ارتباط برقرار می کنند. آنها به طور کلی به عنوان زنگ هشدار یا سوئیچ استفاده می شوند. این سنسورهای سطح همچنین می توانند در یک دستگاه واحد برای اضافه کردن زنگ هشدار کم یا به عنوان یک نسخه پله ای از یک سطح پیوسته ادغام شوند.
سنسورهای سطح پیوسته سطوح مواد مایع یا خشک را در یک محدوده مشخص اندازه گیری می کنند و خروجی هایی را ارائه می دهند که به طور مداوم سطح را نشان می دهد. آنها دستگاه‌های پیچیده‌تری نسبت به حسگرهای سطح نقطه‌ای هستند، زیرا به جای اندازه‌گیری در یک نقطه، در محدوده‌ای از سطوح اندازه‌گیری می‌کنند تا به کاربر اطلاع دهند که مقدار دقیق یک ماده را بداند. این یک خروجی آنالوگ تولید می کند که به طور مستقیم با سطح مایع در ظرف ارتباط دارد.
دستگاه های حسگر سطح
سه طبقه بندی اصلی دستگاه برای سنسورهای سطح وجود دارد:
دستگاه‌های فقط حسگر خروجی‌هایی را برای پردازنده‌ها، کنترل‌کننده‌ها یا سیستم‌های جمع‌آوری داده ارائه می‌کنند. با این حال، آنها صفحه نمایش یا رابط کاربری ندارند. معمولاً در برنامه هایی که نیاز به سوئیچ دارند از دستگاه های فقط حسگر استفاده می شود.
سیستم های حسگر سطح ابزارها یا گیج های ساده ای هستند. این حسگرهای سطح قابلیت‌های بیشتری نسبت به دستگاه‌های فقط حسگر (مبدل) ارائه می‌کنند و ممکن است شامل نمایشگر و/یا رابط کاربری باشند. به طور کلی، سیستم‌های حسگر سطح برای کاربردهایی طراحی شده‌اند که به یک گیج ساده، یک واحد قابل برنامه‌ریزی محلی (مستقل) یا یک کنترل‌کننده/توتالایزر نیاز دارند.
فرستنده های حسگر برای انتقال داده ها از حسگر از طریق یک حلقه جریان دو سیم طراحی شده اند. حلقه دارای منبع تغذیه خارجی است و فرستنده به عنوان یک مقاومت متغیر با توجه به سیگنال ورودی خود عمل می کند.
انتخاب محصول
چندین ویژگی مهم وجود دارد که هنگام انتخاب سنسور سطح باید در نظر گرفته شود. این موارد عبارتند از: رسانه ای که اندازه گیری می کنید، اندازه گیری تماسی یا غیر تماسی، نوع فناوری اندازه گیری سطح، محدوده دما و فشار سیستم و نیازهای خروجی.
تماس یا غیر تماس
سنسورهای سطح با استفاده از روش های تماسی یا غیر تماسی اندازه گیری می کنند. روش‌های تماس شامل تماس فیزیکی بین دستگاه و رسانه است، در حالی که روش‌های غیر تماسی بدون لمس رسانه اندازه‌گیری می‌کنند. روش‌های بدون تماس بهترین انتخاب برای سرویس‌دهی محیط‌های خورنده هستند.
رسانه ها
رسانه موادی است که حسگر باید اندازه گیری کند. سنسورهای سطح می توانند مسئول اندازه گیری طیف گسترده ای از رسانه ها در سیستم های سطح سیال در بسیاری از صنایع باشند. دو نوع رسانه عمومی شامل مواد مایع و خشک است.
رسانه مایع می تواند شامل موارد زیر باشد:
آب (گرم یا سرد، تمیز یا کثیف، تازه یا نمک)
بنزین (سوخت گازوئیل)
سیال هیدرولیک
مایعات بسیار چسبناک یا صمغی
مواد خشک می تواند شامل موارد زیر باشد:
جامدات حجیم
پودرها
نوع فناوری اندازه گیری
سنسورهای سطح با بسیاری از فن آوری های مختلف متر در دسترس هستند. انتخاب ها شامل
تکنولوژی | توضیحات | کاربرد |
حباب ساز هوا
| آنها دارای منبع هوای فشرده، محدود کننده جریان هوا، لوله حسگر و فرستنده فشار هستند. این دستگاه با مقدار کمی هوای اندازه گیری شده در یک لوله شیب در مخزن کار می کند. یک مبدل فشار فشار هوا در لوله را کنترل می کند تا مطمئن شود فشار در لوله با فشار پایین مخزن برابر است. سطح مایع با تقسیم فشار داخل لوله بر چگالی مایع تعیین می شود. این سیستم قادر است تا زمانی که چگالی مواد ثابت بماند، سطح مایع را به طور مستقیم با فشار اندازه گیری کند. مزایا: فقط لوله شیب رسانه را لمس می کند و باید سازگار باشد، نقطه تماس قطعات الکتریکی ندارد. کنترل ها در خارج از مخزن قرار دارند و سیستم را ایمن تر می کنند. | سیستم حباب‌ساز هوا شامل هیچ قطعه متحرکی نمی‌شود و آنها را برای اندازه‌گیری سطح مایعات، جامدات معلق و لجن ایده‌آل می‌کند. محیط های خشن، مانند برج های خنک کننده، مخازن، مخازن سوخت تهویه شده، مخزن های تخلیه یا واشرهای هوا. |
حسگرهای خازنی یا فرکانس رادیویی (RF).
| سنسور از یک خازن کواکسیال تشکیل شده است. تمام سطوح هادی با یک لایه جداکننده نازک پوشانده شده است تا از اتصال کوتاه الکتریکی در هنگام غوطه ور شدن در مخزن آب جلوگیری کند. با افزایش سطح مخزن، آب فضای بیشتری بین هادی های کواکسیال سنسور پر می کند. این امر میانگین ثابت دی الکتریک بین هادی ها را تغییر می دهد و بنابراین ظرفیت حسگر را تغییر می دهد. یک وابستگی سطح به ظرفیت وجود دارد که یک رابطه خطی را فراهم می کند. شیب به مایع بستگی دارد. ظرفیت به دما بستگی دارد، بنابراین یک سنسور دما باید همیشه وجود داشته باشد. | حسگرهای خازنی در بسیاری از صنایع از جمله (اما نه محدود به) شیمیایی، مواد غذایی، تصفیه آب، برق و آبجوسازی استفاده می شوند. |
فشار دیفرانسیل
| یک سنسور سطح فشار دیفرانسیل (DP) اختلاف فشار بین بالا و پایین مخزن سیال را اندازه گیری می کند. فشار بالاتر که توسط سیال ایجاد می شود، با فشار مرجع کمتر (معمولاً اتمسفر) مقایسه می شود. از آنجایی که مخزن به اتمسفر باز است، فقط اتصال فشار بالا باید به فرستنده متصل شود. فشار کم به اتمسفر آزاد می شود، بنابراین دیفرانسیل فشار، سر (وزن) هیدرواستاتیک مایع در مخزن است. حداکثر ارتفاع مایع در مورد فرستنده، حداکثر سطح اندازه گیری شده را تعیین می کند. اگر مخزن به اتمسفر باز نباشد یا با مایعی غیر از آب پر شده باشد، به پیکربندی متفاوتی نیاز است. | سنسورهای DP رایج ترین حسگرها هستند. |
رسانایی یا مقاومت الکتریکی
| سنسورهای رسانا برای سنجش مایعات رسانا در سطح نقطه مانند آب و مایعات بسیار خورنده استفاده می شود. آنها از منبع تغذیه با ولتاژ پایین و جریان محدود استفاده می کنند که در الکترودهای جداگانه اعمال می شود. سنسورهای ولتاژ بالاتر طوری طراحی شده اند که در رسانه های رسانایی کمتر (مقاومت بالاتر) کار کنند. این سنسورها به دلیل استفاده از ولتاژ و جریان کم بسیار ایمن هستند. آنها همچنین برای استفاده و نصب ساده هستند، اما باید از نظر تجمع متوسط روی پروب بررسی شوند تا به درستی کار کنند. | |
شناور مکانیکی یا مغناطیسی
| سنسورهای شناور مکانیکی، مغناطیسی یا سایر حسگرها شامل باز یا بسته شدن یک سوئیچ مکانیکی هستند. این از طریق تماس مستقیم با سوئیچ یا عملکرد مغناطیسی یک نی رخ می دهد. شناورهای مغناطیسی از آهنربای دائمی استفاده می کنند که در داخل یک شناور تا سطح تحریک بالا یا پایین می رود. شناورهای مکانیکی از یک کلید مینیاتوری استفاده می کنند که شناور بر روی آن حرکت می کند. سنسورهای سطح شناور را نمی توان با مواد بسیار شریر استفاده کرد. مزایا: کم هزینه، ساده، قابل اعتماد. | سنسورهای سطح شناور را می توان برای تعیین سطح رابط در سیستم های جداسازی روغن از آب، در سیستم های سنسور چند پارامتری استفاده کرد. |
سنسور نوری
| حسگرهای نوری از نور مرئی، مادون قرمز یا لیزر برای تشخیص سطح سیال استفاده می کنند. آنها به توانایی های انتقال نور، انعکاس یا شکست مواد متکی هستند. سنسورهای نوری را می توان در سنجش تماسی و غیر تماسی استفاده کرد. در سیستم‌های غیر تماسی، نوری که روی سطح سیال به سمت پایین هدایت می‌شود و نور منعکس شده توسط یک فوتوسل شناسایی می‌شود. در صورت استفاده از فتوسل های متعدد، سیالات مختلف را می توان در سطوح مختلف تشخیص داد. این سنسورها طراحی ساده و ساده ای دارند و حسگرهای قابل اعتمادی هستند که نباید بین دسته ها مجددا کالیبره شوند. آنها را می توان در سیستم هایی ادغام کرد که باید با انواع مواد فرآیند و شرایط فرآیند سازگار باشند. زمان پاسخگویی آنها تقریباً فوری و بسیار دقیق است. | سنسورهای نوری را می توان برای تشخیص سطوح کف بالا یا مواد خاص استفاده کرد. آنها همچنین می توانند برای تعیین اینکه آیا یک ماده به ویسکوزیته، چگالی، کدورت یا شرایط رسانایی گرمایی خاصی رسیده است استفاده می شود. |
غشای فشار
| مترهای غشایی فشار دارای کلید حساس به فشار هستند. آنها فشار را از طریق یک غشای آلی یا نازک فلزی به حسگر داخلی منتقل می کنند. غشاهای فشاری سطح را بر اساس این اصل اندازه گیری می کنند که فشار متناسب با سطح مایع ضرب در وزن مخصوص است. در این دستگاه ها سطح برابر با اندازه گیری هد (فشار) هیدرواستاتیک تقسیم بر چگالی مایع است. | |
رادار یا مایکروویو
| حسگرهای مایکروویو (با نام مستعار رادار) از انرژی الکترومغناطیسی به جای مولکول‌های هوا برای انتقال انرژی استفاده می‌کنند تا به لایه‌های دما و بخار نفوذ کنند و در خلاء استفاده شوند. انرژی الکترومغناطیسی توسط اجسامی با خواص رسانایی بالا مانند فلز و آب رسانا منعکس می شود. دو تکنیک اساسی پردازش وجود دارد. بازتاب دامنه زمانی (TDR) اندازه گیری زمان پرواز تقسیم بر سرعت نور است. تکنیک های FMCW را می توان در سیستم های داپلر یافت. سنسورهای مایکروویو در فرکانس های مختلف اجرا می شوند. به طور کلی، هر چه فرکانس بالاتر باشد، سنسور دقیق تر و گران تر است. فناوری بدون تماس | سنسورهای مایکروویو در محیط های مرطوب، بخار و گرد و غبار استفاده می شوند. آنها همچنین در سیستم هایی که دما در آنها متفاوت است استفاده می شود. |
فرکانس رادیویی | دستگاه های فرکانس رادیویی (RF) یک سیگنال رادیویی با فرکانس بالا/کم توان را از یک کاوشگر ساطع می کنند. هنگامی که ماده با پروب تماس می گیرد، پل نامتعادل می شود و مدار مقایسه متوجه تغییر می شود. این باعث می شود خروجی رله تغییر حالت دهد. | |
متر صوتی یا اولتراسونیک
| حسگرها امواج صوتی با فرکانس بالا منتشر می کنند که به مبدل ساطع کننده بازتاب می شوند و توسط آن شناسایی می شوند. پاسخ سنسور تحت تأثیر تلاطم، کف، بخار، بخارات و تغییرات غلظت قرار می گیرد. نصب صحیح مبدل برای اطمینان از پاسخ واضح به صدای بازتاب شده مهم است و مخزن باید عاری از اشیایی باشد که پاسخ اکو را مخدوش می کند. آنها را می توان برای سنجش مداوم و سطح نقطه و همچنین ارتباط با دستگاه های دیگر استفاده کرد. سنسورهای سطح اولتراسونیک ارزان هستند و عملکرد بالایی دارند. | سنسورهای سطح اولتراسونیک برای کاربردهای غیر تماسی با مواد جامد بسیار چسبناک و حجیم استفاده می شوند. آنها در سیستم هایی استفاده می شوند که نیاز به نظارت از راه دور، بی سیم و ارتباطات شبکه کارخانه دارند. |
چنگال تنظیم
| این حسگرها از فناوری‌های مختلف (معمولاً پیزوالکتریک) برای ارتعاش یک کاوشگر با فرکانس 85 هرتز و سپس نظارت دائمی بر تغییرات ارتعاشات استفاده می‌کنند. چنگال‌های تنظیم رطوبتی را که هنگام غوطه‌ور شدن یک کاوشگر ارتعاشی در یک محیط فرآیند رخ می‌دهد، تشخیص می‌دهند. کاوشگر توسط یک کریستال پیزوالکتریک ارتعاش می یابد، در حالی که کریستال پیزوالکتریک دیگری ارتعاش را تشخیص می دهد. سه طرح وجود دارد؛ نی، پروب و چنگال تنظیم. طرح ها با تنظیمات و فرکانس های کاری خود متمایز می شوند. آنها می توانند برای تشخیص انواع خاصی از مایعات استفاده شوند. چنگال های تنظیم ساده، قابل اعتماد هستند و می توانند در جای خود تمیز شوند. آنها می توانند تجمع مواد را تحمل کنند و می توانند برای اهداف خود تمیز شوندگی پوشش داده شوند. | سنسورهای ارتعاشی برای تشخیص مواد جامد (با قدرت، دانه ها) استفاده می شوند. |
برای اطلاعات خاص در مورد هر فناوری اندازه گیری، نمودار را در راهنمای انتخاب حسگر سطح مایع ببینید .
مشخصات
سنسورهای سطح دارای مشخصاتی برای اندازه گیری مایع در یک ظرف هستند.
محدوده - حداکثر فاصله اندازه گیری سنسور. اکثر سنسورها در دو یا سه محدوده مختلف ارائه می شوند.
ارتفاع مخزن - فاصله از صفحه نصب شده مبدل، تا پایین مخزن.
ارتفاع رایزر - فاصله از سطح مبدل تا بالای مخزن.
ارتفاع پر کردن - فاصله از پایین مخزن تا حداکثر ارتفاع مایع مورد نظر.
نوار مرده - حداقل فاصله از سطح مبدل که سنسور می تواند از آن اندازه گیری کند.
مشخصات فرآیند
بیش از حد مجاز سنسور - مشخصات Overrange محدوده محصولات منطبق را به محدوده مشخص ضرب در ضریب بیش از حد انتخابی محدود می کند. این باعث می‌شود مسابقات برگشتی نزدیک به محدوده مورد نیاز باشد و محصولات با محدوده وسیع‌تر از حد مورد نیاز را فیلتر می‌کند. برای فعال کردن این گزینه باید «از»، «به» و «بیش از حد» مشخص شوند.
مثال: کاربر سنسوری را با محدوده 0-100 مشخص می کند. بدون مشخصات بیش از حد، سنسورهایی با بازه های 0-100، 0-1000 و -10000 تا +10000 به عنوان منطبق برگردانده می شوند. مشخصات بیش از حد 50٪، هر سنسوری را با محدوده مقیاس کامل بیشتر از 150 فیلتر می کند.
شرایط عملیاتی فرآیند - دو شرایط عملیاتی فرآیند باید در نظر گرفته شود:
حداکثر فشار کاری - حداکثر فشار کاری ماده ای که دستگاه برای آن درجه بندی شده است.
محدوده دمای مواد - حداکثر دمای ماده که دستگاه برای آن درجه بندی شده است.
سبک نصب - سبک های نصب به صورت نصب جانبی، نصب در بالا و پایه پایین تعریف می شود. نصب سنسور به شرایط سیستم قبل از خروج، ویژگی های ظرف و اینکه سنسور برای اندازه گیری تماسی یا غیر تماسی است بستگی دارد.
مشخصات برق
رابط ارتباطی - دو رابط ارتباطی اساسی وجود دارد:
سریال - ارتباط سریال به این معنی است که بیت های داده به صورت سریال (یکی پس از دیگری) از طریق یک خط ارسال می شوند. مزایای ارتباط سریال این است که داده ها می توانند بیشتر ارسال شوند و اتصال کابل ساده تر است و از سیم های کمتری استفاده می کند. رابط های سریال از یک پروتکل ارتباطی سریال مانند گذرگاه سریال جهانی (USB)، RS232 یا RS485 استفاده می کنند.
موازی - ارتباط موازی به این معنی است که تعدادی بیت داده به طور همزمان ارسال می شود. اطلاعات بیشتر را می توان سریع و قابل اطمینان تر ارسال کرد، اما زمان پردازش طولانی تر است. رابط های موازی از یک پروتکل ارتباطی موازی مانند گذرگاه رابط همه منظوره (GPIB) استفاده می کنند.
سبک ابزار - از نظر گزینه های ابزار برای رابط کاربری، سنسورهای سطح ممکن است دارای ویژگی های زیر باشند:
خروجی های بصری یا صوتی غیر الکتریکی که نشانگرهای بصری غیر الکتریکی هستند مانند یک شناور ساده یا یک کلیک شنیداری. تصاویر غیر الکتریکی ارزان هستند و ساده ترین برای استفاده و نصب هستند، اما در معرض خطای کاربر در خواندن سطح هستند.
کنتورهای آنالوگ یا نشانگرهایی که از متر آنالوگ با سوزن یا نشانگر LED برای شناسایی سطح سیال در سیستم استفاده می کنند.
قرائت‌های دیجیتالی که دارای بازخوانی‌های عددی یا کاربردی هستند. این نمایشگرها به راحتی قابل خواندن هستند و می توانند ارقام قابل توجهی را نمایش دهند.
پایانه های نمایش تصویری (VDT) که شامل لوله های اشعه کاتدی و صفحه نمایش تخت می باشد. VDT اصطلاحی است که برای نمایشگر کامپیوتری متشکل از یک سطح خروجی کامپیوتر و مکانیزم نمایش داده‌ها استفاده می‌شود.
برای هر دو نوع سنسور سطح، گزینه‌های خروجی شامل موارد زیر است:
سیگنال ولتاژ آنالوگ
سیگنال جریان آنالوگ
فرکانس/m فرکانس مدوله شده
هشدار یا نشانگر بصری
برنامه های کاربردی
نظارت بر سطح در طیف گسترده ای از برنامه ها مهم است. هر فرآیند صنعتی که شامل پر کردن یا ذخیره مایع در یک مخزن یا ظرف باشد از استفاده از سنسور سطح سود می برد. آنها همچنین بخش مهمی از سیستم های کنترل فرآیند هستند که نرخ جریان را به داخل و خارج از یک مخزن ذخیره یا راکتور مدیریت می کنند.
سنسورهای سطح را می توان برای سنجش و آلارم سطح بالا یا پایین، تشخیص نشت، خاموش کردن بیش از حد و تنظیم رابط بین سطوح رسانه های مختلف استفاده کرد. آنها در طیف گسترده ای از صنایع یافت می شوند - نه محدود به - تولید، غذا و نوشیدنی، شیمیایی و دارویی، دریایی، پزشکی و مدیریت سوخت/انرژی.
منبع