سنسور فشار هیدرواستاتیک

اندازه‌گیری سطح به روش هیدرواستاتیک، یک روش واقعاً ساده و قابل اعتماد برای اندازه‌گیری سطح مایعاته. یک ترانسمیتر سطح هیدرواستاتیک یا یک ترانسمیتر فشار استاندارد تا یک عمق خاص ( که سطح صفر در نظر میگیریمش) پایین میاد یا اونجا نصب میشه. سپس ترانسمیتر، فشار ناشی از وزن مایع رو مستقیماً اندازه گیری می‌کنه. به دلیل پارادوکس هیدرواستاتیک، سنسور فشار حجم کامل در مخزن بالا رو اندازه‌گیری نمی‌کنه، بلکه فقط ستون مایع بالا رو به‌صورت عمودی اندازه‌گیری می‌کنه. بنابراین اندازه‌گیری سطح هیدرواستاتیک کاملاً تحت تأثیر شکل مخزن یا محفظه قرار نمی‌گیره و فقط سطح رو با وزن ستون مایع بالای آن اندازه‌گیری می‌کنه. اگر مایع و وزن مخصوص آن مشخص باشد، اندازه‌گیری فشار را می‌توان به‌عنوان فاصله از سطح صفر، جایی که ترانسمیتر در آن قرار دارد، تا سطح مایع محاسبه کرد.

برخلاف اکثر فناوری‌های اندازه‌گیری سطح غیر تماسی، یک سطح سنج هیدرواستاتیک تنها امکان اندازه‌گیری ارتفاع فعلی سطح مایع رو فراهم نمی‌کنه، بلکه این اجازه رو میده تا تغییرات سطح را از هر نقطه مرجع انتخابی در مایع، در هر نقطه مابین انتهای منبع و سطح آن، نظارت کنید: چونکه ترانسمیتر های سطح هیدرواستاتیک همیشه در مایع غوطه ور میشن و زیر سطح مایع قرار می‌گیرن. از این رو، سطح سنج هیدرواستاتیک تحت تأثیر هرگونه اختلال در سطح مایع مانند سرریز شدن، سیل یا ریختن قرار نمی‌گیره. از اونجایی که نقطه نصب اونها به نقطه صفر سطح تبدیل میشه، امکان تجزیه و تحلیل و نظارت بر سطح منابع با عمق ناشناخته رو هم فراهم می‌کنه. نمونه‌هایی برای چنین منابعی، مخازن آب زیرزمینی، سفره‌های آب زیرزمینی، رودخانه‌ها و دریاچه‌ها هستند، زیرا در همه این منابع، سطح می‌تونه به شدت متفاوت باشه، به ویژه در صورت باران شدید یا سیل.

ابتدا باید تصمیم بگیرید که چه نوع محصولی رو می‌خواهید استفاده کنید. اگر یک مخزن دارید و مشکلی هم ندارید که یک حفره رزوه‌دار در پایین مخزن یا انشعابات آن داشته باشید (ایجاد کنید)، می‌تونید از یک ترانسمیتر فشار استاندارد مانند PT216 ،PT216AS ، HL3151T ،HL3151D استفاده کنید. اما اگر یک مخزن زیرزمینی، یک حوضچه درون زمین یا مخزنی دارید که نمی‌خواهید توسط حفره رزوه‌ای ضعیف بشه، باید از یک ترانسمیتر فشار غوطه ور مانند PT220 ،PT220FE ،PT220E ،FMX21 ،FMX11 استفاده کنید. از بالای مخزن یا حوضچه به سمت پایین به داخل سیال غوطه ور خواهند شد.

هنگامی که تصمیم گرفتید از یک ترانسمیتر فشار استاندارد یا یک سطح سنج هیدرواستاتیک استفاده کنید، برای بیشتر کاربردها باید سه تا چهار پارامتر بنیادی رو در مرحله اول در نظر بگیرید.

• اتصال مکانیکی (فقط اگه ترانسمیتر فشار استاندارد برای نصب جانبیه)
• محدوده اندازه‌گیری فشار
• دقت
• اتصال الکتریکی

اتصال مکانیکی ترانسمیتر باید با حفره رزوه‌ای داخل مخزن شما متناسب باشه، در حالی که محدوده اندازه‌گیری فشار باید با توجه به سطحی که می‌خواهید اندازه‌گیری کنید انتخاب بشه. اگه فقط یک مخزن باشه، سطح رو با ارتفاع مخزن میتونید محاسبه کنید، اما اگر یک چاه یا مخزن زیرزمینیه، باید تصمیم بگیرید که می‌خواهید سطح سنج هیدرواستاتیک رو تا چه عمقی فرو ببرید و محدوده اندازه‌گیری مربوطه رو هم انتخاب کنید. این رو هم به خاطر داشته باشید که ۱۰ متر ستون آب تقریباً معادل ۱۰۰۰ میلی بار (۱ بار) یا ۱۴.۵ psi هستش.

دقت هم باید با توجه به نیاز کاربرد شما انتخاب بشه، عموماً دقت 0.5٪، حداکثر خطای قابل قبولی رو به شما میده. برای مثال: تا ۵ میلی متر خطا در هر متر از آب. در نهایت، باید نحوه تغذیه برق ترانسمیتر را انتخاب کنید. اگر یک ترانسمیتر فشار استاندارد دارید، می‌تونید یک کانکتور سوکتی مانند M12 یا کانکتور DIN تایپ C یا A یا کابل متصل انتخاب کنید. توجه داشته باشید که سطح سنج هیدرواستاتیک تنها دارای یک کابل ونتده که هنگام خرید باید طول مناسبی برای آن انتخاب کنید تا امکان سیم‌کشی از/به سیستم کنترل و نمایش رو فراهم کنید.

بعد از انتخاب و خرید ترانسمیتر فشار، آماده نصب و راه‌اندازی سیستم اندازه‌گیری سطح هیدرواستاتیک خود هستید.

در صورتی که یک سنسور فشار غوطه ور انتخاب کرده باشید، باید سنسور رو از طریق کابل به داخل سیال غوطه ور کرده تا زمانی که به انتهای مخزن، مجفظه یا منبع زیرزمینی خود برسید یا تا زمانی که به سطح صفر مورد نظر خود برسید. سپس کابل رو از مخزن یا چاه به سیستم کنترل خود بکشید و پروب سطح رو به PLC، DCS یا هر کنترلر دیگری که دارید متصل کنید.

اگر سیال متلاطمه، باید از وزنه اضافی برای ثابت نگه داشتن پروب غوطه ور در مایع استفاده کنید تا فشار ثابتی بدست بیارید. برای جلوگیری از آسیب مکانیکی کابل، می‌تونید از گیره‌های نصب کابل برای ثابت کردن کابل در بالای مخزن یا در طول مسیر هنگامی که کابل رو به سیستم کنترل می‌کشید، استفاده کنید.

اگر یک ترانسمیتر فشار استاندارد انتخاب کرده باشید، به سادگی ترانسمیتر رو درون حفره رزوه‌دار در پایین یا کنار مخزن خود پیچ کنید. سپس کانکتور/کابل ترانسمیتر رو با از طریق سیم کشی صحیح به PLC یا هر سیستم کنترلر دیگری وصل کنید.

اگر چند نکته رو در نظر داشته باشید، محاسبه سطح بسیار ساده‌ست. فشار هیدرواستاتیک تنها تحت تأثیر فاصله‌ي نقطه اندازه‌گیری از سطح، وزن مخصوص و فشار محیط اطراف مخزن، حوضچه یا چاه قرار می‌گیره که به‌عنوان یک فشار اضافی در بالای مایع قرار می‌گیره.

اگر یک چاه باز یا یک مخزن ونتد دارید، مهم نیست که از یک سنسور هیدرواستاتیک یا ترانسمیتر فشار استاندارد استفاده می‌کنید، ترانسمیتر شما باید یک از نوع نسبی یا گیج (Gauge) باشه تا به‌طور خودکار، اثرات فشار محیط اطراف مخزن رو از بین ببره. سپس سطح به سادگی توسط فرمول زیر محاسبه میشه:

h = p / (ρ * g)

p = فشار هیدرواستاتیک (نسبی) [bar]

ρ = وزن مخصوص مایع [kg/m³]

g = نیروی گرانشی یا شتاب گرانشی [m/s²]

h = ارتفاع ستون مایع [m] = سطح

اگر از یک سطح سنج هیدرواستاتیک برای اندازه‌گیری سطح در یک مخزن بسته استفاده می‌کنید، ممکنه در بالای سیال مایع در مخزن به دلیل تبخیر گاز از داخل مایع، فشار بیش از حد ایجاد بشه. به عنوان مثال در مخازن سوخت یا فرآیندهای شیمیایی. این فشار بیش از حد، اندازه‌گیری سطح هیدرواستاتیک رو مختل می‌کنه، چونکه فشار بیش از حد به عنوان یک فشار اضافی یا نیروی وزنی روی مایع عمل می‌کنه. بنابراین، در این کاربردها باید از دو سنسور برای اندازه‌گیری سطح مایع استفاده کرد: سطح سنج هیدرواستاتیک برای اندازه‌گیری فشار ستون مایع و ترانسمیتر فشار استاندارد برای اندازه‌گیری فشار گاز محبوس شده در بالای مایع درون مخزن. سپس میشه از هر دو سنسور برای جبران اثرات فشار بیش از حد استفاده کرد و برای محاسبه سطح از فرمول زیر استفاده کرد:

h = p2-p1 / (ρ * g)

p2 = فشار هیدرواستاتیک [bar]

p1 = فشار گاز محبوس شده در مخزن [bar]

ρ = وزن مخصوص مایع [kg/m³]

g = نیروی گرانشی یا شتاب گرانشی [m/s²]

h = ارتفاع ستون مایع [m] = سطح

هنگامی که یک سیستم اندازه‌گیری سطح هیدرواستاتیک رو راه‌اندازی می‌کنید، باید توجه داشته باشید که اندازه‌گیری سطح تحت تأثیر وزن مخصوص مایع و دمای محیطه که بر وزن مخصوص مایع نیز تأثیر میزاره.

اگر ترکیبات خاصی درون سیال تغییر کنه، وزن مخصوصش ممکنه پایدار نباشه. به عنوان مثال، مقداری بیشتر آلودگی یا نمک میتونه وزن مخصوص فاضلاب و آب نمک رو تغییر بده. بنابراین فشار هیدرواستاتیک شما مقدار بیشتری رو نشان میده و شما مقدار سطح رو بیشتر محاسبه خواهید کرد، در حالی که سطح واقعی ممکن است در واقع کمتر از محاسبه شما باشد. اگر تغییراتی در ترکیب سیال مشاهده نکردید، به عنوان مثال شما همیشه در حال اندازه‌گیری یک سیال خاص مانند گازوئیل هستید، می‌تونید این علت تغییر وزن مخصوص توسط یک سیال متفاوت را نادیده بگیرید.

از طرفی، وزن مخصوص نیز می‌تونه به دلیل نوسانات دما تغییر کنه. اگر دما افزایش یابد، وزن مخصوص سیال کاهش و سطح افزایش پیدا میکنه. اما اندازه‌گیری فشار هیدرواستاتیک ممکنه این تغییر در سطح را به دقت منعکس نکند. بسته به شکل مخزن یا چاه، فشار می‌تونه بسیار متفاوت‌تر نسبت به افزایش سطح ناشی از تغییر دما رفتار کنه. این می‌تونه نشان‌دهنده کاهش سطح باشه (اگر مخزن به سمت بالا باز شود)، سطح صحیح را نشان دهد (به طور اتفاقی شکل مخزن، کاهش تراکم را متعادل کنه) یا حتی افزایش بیش از حد سطح را نشان بده (اگر شکل مخزن به سمت بالا باریک بشه). این اثرات برعکس زمانی رخ میدن که چگالی به دلیل کاهش دمای محیط افزایش پیدا کنه.

بنابراین، برای افزایش دقت اندازه‌گیری سطح هیدرواستاتیک خود باید اثرات دما و تغییر وزن مخصوص سیال رو جبران کنید.

در مقالات بالا، با جزییات بیشتری به تاثیرات دما و وزن مخصوص مایع بر ارتفاع سنج های هیدرواستاتیک اشاره کرده‌ایم.

می دونیم که وزن مخصوص به دلیل تغییر دمای سیال تغییر می‌کنه. با این حال، اگر بدونیم چگالی به دلیل افزایش یا کاهش دما چگونه تغییر می‌کنه، به‌راحتی میشه اثرات دما رو بر سیال جبران کرد. با استفاده از یک جدول استاندارد برای سیال که وزن مخصوص سیال رو در هر درجه دما نشان بده.

یک سنسور دمای اضافه، مثل یک سنسور دمای PT100، یا حتی یک سنسور دمای یکپارچه در ترانسمیتر فشار (ترانسمیتر فشار استاندارد/غوطه ور که همراه با فشار، دما رو هم اندازه‌گیری کنه)، می‌تونه اندازه‌گیری دمای مورد نیاز رو برای شما فراهم کنه. اگر از رفتار دمایی سیال و چگونگی تغییر وزن مخصوص آن اطلاع داشته باشید، می‌تونید به راحتی این اثرات رو در سیستم کنترل خود جبران کرده و با استفاده از وزن مخصوص مناسب مطابق جدول استاندارد سیال، محاسبات سطح رو اصلاح کنید.

همونطور که قبلا هم گفتیم، تغییرات در وزن مخصوص می‌تونه ناشی از اثرات دما باشه. اما اگر ترکیبات سیال شما تغییر کنن، اندازه‌گیری دما به تنهایی برای جبران تغییرات وزن مخصوص سیال کافی نیست.

با این حال، جبران چگونگی تغییر وزن مخصوص سیال به دلیل تغییرات در ترکیبش، مثل آب نمک یا فاضلاب، بسیار آسونه! در فاضلاب یا آب نمک یک سنسور فشار هیدرواستاتیک دوم، مثلاً یک سطح سنج هیدرواستاتیک یا یک ترانسمیتر فشار نصب شده جانبی، باید کمی بالاتر از سنسور هیدرواستاتیک اول، در یک فاصله مشخص بین یکدیگه قرار بگیرن. الآن دو عدد فشار متفاوت خواهید داشت و با دونستن فاصله دو سنسور، می‌تونید ابتدا وزن مخصوص رو محاسبه و سپس سطح خود را با وزن مخصوص محاسبه کنید. بنابراین، می‌تونید سطح رو با دقت بالاتری محاسبه کنید.

وزن مخصوص رو به صورت زیر محاسبه کنید:

ρ = (p1 – p2) / g * (h1 – h2)

ρ = چگالی سیال [kg/m³]

p1 = فشار هیدرواستاتیک سنسور پایین [bar]

p2 = فشار هیدرواستاتیک سنسور بالایی [bar]

g = نیروی گرانشی یا شتاب گرانشی [m/s²]

h1 – h2 = فاصله بین دو سنسور

حالا شما وزن مخصوص سیال رو خیلی دقیق محاسبه کردید. الآن می‌تونید سطح فعلی رو دقیقاً با این فرمول محاسبه کنید:

h = p / (ρ * g)

p = فشار هیدرواستاتیک سنسور پایین یا بالایی (گیج) [bar]

ρ = وزن مخصوص مایع [kg/m³]

g = نیروی گرانشی یا شتاب گرانشی [m/s²]

h = ارتفاع ستون مایع [m] = سطح

پاسخ به این سوال بسیار ساده‌ست. برخلاف بسیاری از فناوری‌های اندازه‌گیری سطح غیر تماسی در بازار، اندازه‌گیری سطح هیدرواستاتیک از اختلالات تأثیر نمی‌گیره.

سنسور فشار هیدرواستاتیک یا استاندارد در تماس مستقیم با مایع، در نقطه اندازه‌گیری، زیر سطح قرار می‌گیره. بنابراین تحت تأثیر هیچ‌گونه اختلال بالای سطح مثل کف، گرد و غبار، پاشیدن آب یا تار عنکبوت قرار نمی‌گیره.

حتی از اونجایی که این فناوری در تماس مستقیم با سیاله، رسوبات، آلودگی، ذرات معلق و غیره باعث ایجاد اختلال در سنسور نمیشن. اگر مخزن یا حوضچه خالی بشه و روی سنسور سطح رسوبات تشکیل بشه، میشه اونو به راحتی با استفاده از یک پارچه یا شستشو با آب به عنوان بخشی از تعمیر و نگهداری برنامه ریزی شده تمیز کرد.

بنابه این دلایل، اندازه‌گیری سطح به روش هیدرواستاتیک، یکی از قابل اعتمادترین فناوری هایی است که می‌تونید در بازار پیدا کنید.

غالباً، سطح با اندازه‌گیری فشار هیدرواستاتیک اندازه‌گیری میشه، در حالی که هدف واقعی، نظارت بر حجم مایع درون مخزن یا چاه هست. از اونجایی که فشار هیدرواستاتیک تحت تأثیر شکل مخزن یا محفظه قرار نمی‌گیره (پس تحت تاثیر حجم هم قرار نمی‌گیره)، حجم باید در سیستم کنترل بر اساس سطح فعلی اندازه‌گیری‌شده محاسبه بشه.

برای محاسبه حجم یک مخزن (محفظه)، شکلش باید با استفاده از جدول به اصطلاح خطی سازی مخزن در سیستم کنترل برنامه‌ریزی بشه، که اساساً یک جدول ساده شامل مجموعه‌ای از حجم های مربوط به سطوح مختلف پر شدن مخزنه. سیستم کنترل معمولاً از توابع خطی برای محاسبه حجم در هر نقطه‌ای از فشار هیدرواستاتیک اندازه‌گیری شده، استفاده می‌کنه.

سنسورهای فشار هیدرواستاتیک همیشه در تماس مستقیم با سیالات هستن، سیالاتی که اغلب آبی و رسانای الکتریکی دارند. به دلیل عدم اجرای ارتینگ یا اتصال زمین نامناسب یا یکسان سازی پتانسیل اشتباه، ممکنه خوردگی الکتروشیمیایی و در نهایت خرابی زودرس سنسور سطح رخ دهد.

اکثر سنسورهای سطح هیدرواستاتیک، به ویژه لول سنج هیدرواستاتیک، دارای یک اتصال کابل با یک نوار یکپارچه برای اتصال زمین، یکسان سازی پتانسیل و حفاظت از EMC هستند. یکسان سازی پتانسیل مهمترین بخش مفهوم ارتینگ برای سنسورهای سطحه. سنسور های فشار هیدرواستاتیک باید روی همان پتانسیل الکتریکی مخزن و محیط اطراف باشند و باید در برابر هرگونه جریان مزاحم ناشی از تجهیزات اطراف مانند پمپ ها و درایوها محافظت بشن.

برای اطلاعات بیشتر، توصیه می‌کنیم نگاهی به مقاله “اهمیت ارتینگ ارتفاع سنج هیدرواستاتیک” در قسمت بالا داشته باشید.

سنسورهای فشار هیدرواستاتیک در فاضلاب بسیار آلوده هم استفاده میشه. این کاربردها ممکنه نیاز به تعمیر و نگهداری دوره‌ای تجهیزات اندازه‌گیری فشار داشته باشن تا آنها رو از هرگونه تجمع، لجن و سایر آلودگی های معمولی ناشی از فاضلاب پاکسازی کنه.

از آنجایی که دیافراگم های سنسور فشار بسیار نازک با ضخامت تنها چند میکرومتر هستند، تمیز کردن مکانیکی ممکنه به دیافراگم آسیب برسونه و دقت و پایداری اندازه گیری فشار رو کاهش داده یا حتی سنسور رو از بین ببرد. برای جلوگیری از آسیب رساندن به دیافراگم، از استفاده از ابزار تیز مانند پیچ ​​گوشتی یا خودکار خودداری کنید. دیافراگم های سنسور فشار باید با استفاده از یک پارچه نرم، شستشو با آب یا تمیز کردن با هوای تحت فشار با دقت بسیار تمیز بشن.