اندازه گیری سطح جامدات در مخازن

بسیاری از کارخانجات صنعتی مانند کارخانجات فعال در صنایع شیمیایی بهداشتی، غذایی ساختمانی و غیره ملزم به ذخیره ی مواد جامد در مخازن می باشند. از این رو مهندسان ابزار دقیق آن صنایع مجبور به اندازه گیری و کنترل سطح مواد جامد و به تبع آن اندازه گیری حجم مواد درون مخازن هستند.

به طور کلی تکنیک های مختلفی جهت اندازه گیری سطح مایعات و جامدات وجود دارد و در هر کاربرد میتوان حداقل یکی از این تکنیکها را به کار برد.

 این مقاله به بررسی عوامل مهم و تأثیر گذار در انتخاب دستگاه اندازه گیری مناسب جهت سنجش ارتفاع و حجم جامدات در مخازن با استفاده از فناوری های راداری فراصوت و سطح سنج سه بعدی می پردازد.

مقدمه

کارخانجاتی که با مواد جامد بسته بندی نشده و یا مایعات سر و کار دارند باید محتویات درون مخازن را اندازه گیری کنند.

تفاوتهایی که بین جامدات و مایعات وجود دارد موجب پیچیده تر شدن اندازه گیری حجمی و جرمی مواد جامد می شود. بزرگترین تفاوت بین جامدات و مایعات در نوع انباشته شدن آنها در مخازن می باشد.

بعضی از مواد جامد به صورت دانه دانه هستند و می توانند به ذرات کوچک تر تقسیم شده و به صورت ناموزون در مخزن انباشته شوند؛ در صورتی که سطح مایعات به صورت موزون و یکنواخت در مخزن پر شده و بالا می آید مایعات، حتی آن دسته که گران روی بالا دارند در نهایت به یک سطح یکنواخت و شکل یکسان در مخزن می رسند. در صورتی که در اکثر موارد جامدات، توده (کویه) در مخزن تشکیل می دهند.

سطح ماده ی جامد پس از انباشته شدن می تواند به صورت کاملا یکنواخت باشد و با با شیب خاصی انباشته شود که بستگی به ماده و عاملهای دیگر دارد. به طور مثال گلوله های پلاستیکی کروی کپه های بلند تشکیل نمی دهند زیرا آنها به سمت پایین کیه می غلتند. اما موارد دیگر، حتی آنهایی که چسبنده نیست می تواند کیه های بلندتری به خاطر شکل ذرات و یا چسبندگی طبیعی ایجاد کنند.

در اکثر موارد زاویه ی شیب مواد جامد ( بین ۳۰ تا ۴۵ درجه خواهد بود. حتی خاک خود را دارد و با توجه به مشخصات ماده ی خیس اگر بتواند آزادانه حرکت کند با زاویه ی شیب بیشتر از ۴۵ درجه انباشته نخواهد شد.

یک مخزن کروی با ته مخروطی همان طور که در شکل ۱ نشان داده شده است را در نظر بگیرید.

معرفی فناوری های اندازه گیری جامدات

تکنیک های اندازه گیری سطح جامدات معمولاً از بالا به ته مخزن هستند که دستگاه سطح بر بالای مخزن و رو به پایین به طرف ماده نصب میشود. هر فناوری ویژگی خاص خود را دارد و با توجه به مشخصات ماده جامد درون مخزن بهترین گزینه باید انتخاب شود

روشهای مختلفی جهت اندازه گیری سطح و حجم حامدات موجود میباشد که در ادامه به بررسی بعضی از آنها می پردازیم

• اندازه گیری راداری
• اندازه صوتی(التراسونیک)
• اندازه گیری به روش سطح سه بعدی
• اندازه گیری به روش خازنی
• اندازه گیری به روش ارتعاشی

-اندازه گیری به روش سطح سه بعدی

– اندازه گیری به روش خازنی

-اندازه گیری به روش ارتعاشی

در ادامه به بررسی فناوری های راداری فراصوت و سطح سنج سه بعدی می پردازیم.

1.2-اندازه گیری راداری

در روش اندازه گیری سطح جامدات در مخازن به روش راداری، امواج رادار توسط فرستنده ارسال شده و پس از برخورد با سطح جسم، با تغییر در ضریب دی الکتریک مواجه شده و بازتاب می شوند.

میزان بازتاب مرتبط با ضریب دی الکتریک بزرگ تر از 1.8 داشته باشد این امواج را از خود عبور نداده و باعث بازتاب آن ها می شود. هوا، بخارات و کف های موجود روی سطح سیال ضریب دی الکتریک کمتر از 108 دارند و به همین دلیل امواج از آن ها عبور می کنند.

بنابر این با استفاده از فناوری رادار می توان حتی ارتفاع مایعاتی را که دارای لایه نازکی از کف هستند به دست آورد . به طور کلی هر چه ضریب دی الکتریک ماده بزرگتر باشد امواج بیشتری از سطح آن بازتاب می شوند و اندازه گیری با دقت بیشتری انجام می پذیرد .

در ارتفاع سنج های راداری، امواج به دو صورت انتقال می یابند:

• امواج ضربه ای
• امواج پیوسته

امواج ضربه ای :

در این حالت امواج رادار به صورت پالس با دوره‌ی تناوب میلی ثانیه(10*ثانیه ) و یا نانو ثانیه (10* ثانیه) ارسال میگردند. هر پالس شامل تعدادی موج الکترومغناطیسی می باشد که در فواصل زمانی معین پشت سر هم ارسال میگردند. تعداد پالس ها متناسب با فرکانس موج می باشد.

در این فناوری زمان رفت و برگشت امواج راداری که متناسب با سطح ماده می باشد توسط فرستنده محاسبه شده و به وسیله ی این زمان ، فاصله ی فرستنده تا سطح ماده به دست می آید. هرچه سطح بالاتر باشد این زمان کوتاه تر خواهد بود. فرض کنید زمان سپری شده Dt و سرعت موج راداری برابر سرعت نور C باشد، فاصله فرستنده تا سطح R از رابطه زیر به دست می آید

بدیهی است با تفریق فاصله ی فرستنده تا سطح از فاصله ی فرستنده تا کف مخزن میتوان ارتفاع سطح را به دست آورد.

امواج پیوسته :

در این نوع فناوری امواج رادار به صورت پیوسته ارسال می گردند. وقتی موج رادار به سطح ماده برخورد میکند با فرکانس دیگری به سمت فرستنده منعکس میشود و از تفاوت  فرکانس رفت و برگشت می توان فاصله ی پیموده شده را به دست آورد.

انواع اندازه گیری راداری

• امواج هدایت شده ی راداری
• امواج غیر تماسی راداری

در دستگاه اندازه گیری رادار نوع موج هدایت شده امواج هدایت شده ی راداری همان طور که در شکلهای ۳ و ۴ نشان داده شده است از یک پروب استفاده میشود. که به سمت پایین و درون ماده وارد میشود سیگنال رادار از طریق پروب به سمت پایین می رود و به سطح ماده برخورد کرده و از طریق پروب به سمت بالا باز میگردد تا بتوان ارتفاعی دقیق از ماده ای که در اطراف پروب است را دریافت نمود.

این روش به دلیل این که سیگنال از طریق پروب به سمت پایین انتشار می یابد میتواند در کاربردهای با دی الکتریک پایین نسبت به نوع راداری غیر تماسی مفیدتر باشد. بعضی از پروبها از جنس با کابل انعطاف پذیر و بعضی از جنس میله های سخت هستند.

پروب های با کابل انعطاف پذیر برای جامدات بهتر هستند. زیرا هنگامی که مقدار زیادی از ماده شروع به حرکت می کند. به ویژه در مواقعی که مخزن پر با تخلیه می شود. نیروها میتوانند یک پروب سخت را خم کنند و یا حتی بشکنند.

از آن جا که در این نوع اندازه گیری، پروب در ماده ی داخل مخزن قرار می گیرد نیروهایی به آن وارد می شود و ممکن است. پروب در اثر این نیروها از محفظه ی دستگاه اندازه گیری جدا شود و یا باعث جدا شدن کل دستگاه از محل نصب گردد. برای جلوگیری از این اتفاق میتوان نیروی کششی را محاسبه نمود سقف سیلو باید مقاومت کافی در برابر حداکثر بار کششی پروب را داشته باشد.

بار کششی بستگی به اندازه ی سیل چگالی ماده و ضریب اصطکاک دارد. در ضمن در بعضی موارد حرکات متعدد ماده که پروب را احاطه کرده است میتواند باعث ساییدگی آن شود. ولی با این وجود فناوری رادار موج هدایت شده جزو دقیق ترین فناوری های اندازه گیری راداری میباشد.

جهت نصب دستگاه اندازه گیری سطح با فناوری راداری موج هدایت شده همان طور که در شکل ۵ مشاهده میشود باید به این نکته توجه کرد که محل نصب باید تا آن جایی که امکان دارد از محل تخلیه و محل پر شدن مخزن فاصله داشته باشد تا آسیبی به پروب و دستگاه اندازه گیری نرسد. توصیه می شود پروب در فاصله ی ۱٫۲ یا ۱٫۳ شعاع سیلو نصب گردد

نوع رادار غیر تماسی وابسته به ارسال پالس از طریق هوا به سطح ماده و زمان انعکاس آن می باشد. دقت اندازه گیری بستگی به قدرت و تکرار پذیری سیگنال در مخازن با عرض کم میباشند. برگشتی دارد.

به وسیله ی یک دستگاه راداری غیر سطح باعث بروز مشکل در اندازه گیری سطح تماسی، یک پالس انرژی الکترو مغناطیس انتشار می یابد. وقتی که پالس با یک مرز ” مواجه میشود (منظور مکانی است که در ضریب دی الکتریک تغییر داریم) مقداری از انرژی به عقب منعکس میشود. 

 در این جا منظور از مرز یک حد واسط بین هوا و سطح ماده ی درون مخزن است که می تواند مایع یا جامد باشد

آنتن های راداری غیر  تماسی همان طور که در شکل ۶ دیده می شود به دو دسته ی آنتن های شیبوری و انتن های سهموی تقسیم می شود

آنتن های شیپوری سیگنال های ارسالی را بیشتر از آنتنهای سهموی درون مخزن پخش میکنند و به همین دلیل امکان برخورد سیگنالها با موانع داخل مخزن بیشتر است. انتنهای سهموی دارای سطح مقطع بزرگ تر و هزینه ی بالاتر نسبت به آنتن های شیپوری میباشند

همچنین آنتن های سهموی سیگنال متمرکزتری نسبت به آنتن های شیپوری تولید کرده و از این جهت احتمال برخورد سیگنال راداری با موانع داخل تانک و درصد خطا کمتر میشود و مناسب جهت استفاده بستگی به قدرت و تکرار پذیری سیگنال در مخازن با عرض کم میباشند.

به طور کلی در اندازه گیری راداری زاویه ی روباز و بسته کاربردهای فشار و دمای بالا به وسیله ی یک دستگاه راداری غیر سطح باعث بروز مشکل در اندازه گیری سطح تماسی، یک پالس انرژی الکترو مغناطیس جامدات می شود.

اگر سطح صاف باشد. انعکاس مستقیماً به سمت دستگاه اندازه گیری باز می گردد. اما اگر پالس به یک شیب برخورد کند ممکن است قسمتی از آن به کناره های مخزن منعکس شده و سطح سنج آن را دریافت نکند و سیگنالهای برگشتی کافی برای اندازه گیری در دسترس نباشد

معمولاً در اکثر موارد سیگنالهای برگشتی جهت یک اندازه گیری دقیق، کافی می باشند ولی اگر ماده دارای ضریب دی الکتریک پایین و زاویه ی شیب بالا باشد روند اندازه گیری دچار اختلال میشود.

الگوریتم هایی که در دستگاه های اندازه گیری سطح جامدات موجود میباشند. میتوانند کمک شایانی به اندازه گیری سطح جامدات بکنند.

در اندازه گیری سطح به روش راداری باید. به این نکته توجه کرد که در موقعیت هایی که فاصله ی بین آنتن و سطح کم می باشد. زمان رفت و برگشت موج راداری خیلی کم میباشد و ممکن است در روند اندازه گیری اختلال ایجاد شود.

از مزایای ترانسمیترهای راداری می توان به دقت بالا مناسب بودن جهت استفاده در کاربردهای گرد و خاکی و غبار آلود، مخازن به طور کلی در اندازه گیری راداری زاویه ی روباز و بسته کاربردهای فشار و دمای بالا محیط های خورنده و طول عمر بالا اشاره کرد.

عوامل مهم در انتخاب دستگاه راداری

 اگر قدرت نویز به اندازه ی انعکاس سیگنال از سطح باشد. اندازه گیری دچار اختلال میشود. به همین دلیل قدرت تمرکز بالای سیگنال راداری روی سطح ماده، یک فاکتور اساسی برای اندازه گیری قابل اطمینان و صحیح است. زاویه ی پرتوی سیگنال راداری منتشر شده و هم چنین قدرت تمرکز آن روی سطح بستگی به دو عامل دارد

• فرکانس انتشار سیگنال
• روزنه ی آنتن

این بدان معنی است که اگر دو آنتن یکسان داشته باشیم و فرکانس سیگنال یکی از آنها بیشتر از دیگری باشد تمرکز سیگنال بالاتری روی سطح ماده داریم

فرض کنید با فرکانس انتشار GH و روزنه ی آنتن ۷۵mm به زاویه ی پرتو ۴ درجه برسیم حال اگر روزنه آنتن ثابت باشد. و فرکانس انتشار ۲۶GHZ شود زاویه ی پرتو ۱۰ درجه خواهد بود.

بنابراین در مواقعی که عرض مخزن کم می باشد باید از سطح سنج راداری با زاویه ی پرتو کم تر استفاده کرد تا موج به دیواره ی محزن برخورد نکند.

نوع ماده ی جامد:

 مواد مختلف رفتارهای متفاوتی جهت انعکاس سیگنال راداری دارند. به طور مثال ذغال سنگ منعکس کننده ای بسیار خوب خاک منعکس کننده ای خوب و پلاستیک منعکس کننده ی ضعیفی است.

برد موج راداری :

با توجه به ارتفاع مخزن باید دستگاهی انتخاب شود که سیگنال های ارسالی توان کافی جهت برخورد به سطح و انعکاس از آن را داشته باشند.

۲.۲. اندازه گیری صوتی

در این روش یک پالس اکوستیک با موج صدا که به وسیله ی سطح سنج تولید شده است از فضای هوا عبور می کند تا به سطح ماده جامد درون مخزن برخورد کند.  

وقتی موج صوتی به سطح ماده برخورد را می کند با تغییر در چگالی مواجه شده به و منعکس می شود. در این حالت قدرت که امواج آکوستیک فرکانس پایین را تولید انعکاس به چگالی ماده بستگی دارد. کرده و به سطح ماده ارسال می کند.

لازم به ذکر است با استفاده از اندازه گیری سطح به روش راداری و صوتی میتوان حجم مخازن را تا ۳ درصد خطا به دست آورد. اگر سطح مخازن بزرگتر باشند نیاز به استفاده از چندین دستگاه جهت اندازه گیری دقیق می باشد.

۳.۲ اندازه گیری به روش سطح سه بعدی

در فناوری های اندازه گیری قبلی که ذکر شد فاصله بین حسگر تا یک نقطه ی مشخص از سطح ماده اندازه گیری میشد اما با روش اندازه گیری سطح به روش چند بعدی میتوان تصویر کاملی از سطح مخزن دست آورد و حجم ماده ی انباشته شده مشخص نمود. دستگاه سطح سنج راداری روش سه بعدی دارای سه آنتن میباشد که امواج آکوستیک فرکانس پایین را توید کرده و به سطح ماده ارسال میکند. سیگنال بازگشتی که از چند نقطه روی سطح منعکس می شود توسط سه آنتن دریافت می شود.

با آنالیز سیگنال های برگشتی می توان مختصات XYZ را به دست آورد و از روی آن به نقشه ی سطح ماده رسید و میزان حجم را مشخص نمود.

لازم به ذکر است جهت محاسبه ی دقیق باید ابعاد مخزن یا سیلو از قبل در دستگاه وارد شود. گاهی برای سیلوهای بزرگ ممکن است از تعداد بیشتری سطح سنج سه بعدی استفاده شود تا بتوان تصویر دقیق تری از کل سطح را مشخص نمود.

در ضمن استفاده از این روش در سیلو‌های با عرض کم مناسب نمی باشد و بهتر است برای یافتن حجم مخزن، ابتدا سطح آن را با استفاده از روشی مناسب به دست آورد و از روی سطح به حجم مخزن دست یافت.

ارتفاع سنج های راداری شرکت ایران مدار