سنسور سطح، سطح مواد درون یک مخزن یا ظرف را اندازه گیری میکند. این سنسورها در صنایعی مانند تولید، کشاورزی و مدیریت آب کاربرد دارند. از انواع آن میتوان به سنسورهای سطح شناور، حسگرهای سطح خازنی و سنسورهای سطح اولتراسونیک اشاره کرد. از این سنسورها برای نظارت بر سطح مخزن، کنترل سطح مایع، جابجایی مواد و سیستم‌های آبیاری استفاده میشود.
سنسورهای سطح، سنسورهایی هستند که برای اندازه‌گیری و نظارت بر سطح یک ماده، معمولاً یک ماده مایع یا حجیم، در مخازن، ظروف یا سایر سیستم‌های ذخیره‌سازی استفاده می‌شوند. این حسگرها اطلاعات ارزشمندی را برای کنترل فرآیند، مدیریت موجودی و اهداف ایمنی ارائه می‌دهند. انواع مختلفی از سنسورهای سطح وجود دارد مانند سنسورهای سطح شناور، سنسورهای سطح خازنی و سنسورهای سطح اولتراسونیک.
هر نوع سنسور سطح بر اساس اصول متفاوتی عمل میکند، اما اساساً سطح ماده را از طریق روش‌های مختلف، مانند روش‌های مکانیکی، الکتریکی، صوتی یا الکترومغناطیسی تشخیص می‌دهد.
برخی از حسگرها به طور مستقیم جابجایی شناور یا کاوشگر را اندازه گیری می‌کنند، در حالی که برخی دیگر به تغییرات در ظرفیت، پژواک‌های اولتراسونیک یا تغییرات فشار متکی هستند.
سنسورهای سطح در صنایع مختلف از جمله تولید، تصفیه آب، نفت و گاز، داروسازی، غذا و نوشیدنی و فرآوری شیمیایی کاربرد دارند.
آنها در مخازن ذخیره سازی، سیلوها، مخازن، خطوط لوله و… برای نظارت و کنترل سطح مایعات، مواد دانه‌ای یا حتی پودرها استفاده می‌شوند.
سنسورهای سطح معمولاً دیتاها را به صورت سیگنال‌های خروجی آنالوگ یا دیجیتال ارائه می‌دهند که می‌توانند برای راه‌اندازی آلارم‌ها، کنترل پمپ‌ها یا شیرها، نمایش سطح روی پانل‌های کنترل یا ادغام با سیستم‌های اتوماسیون و نظارت استفاده شوند.
سنسورهای سطح المان‌های ضروری برای حفظ عملیات کارآمد و ایمن در صنایع مختلف با قابلیت اطمینان از اندازه گیری دقیق و قابل اعتماد سطح مایعات یا مواد حجیم هستند.
انواع مختلف سنسورهای سطح و نحوه کار آنها
انواع مختلفی از سنسورهای سطح موجود هستند که هر کدام روش خاص خود را برای اندازه گیری و تشخیص سطح یک ماده دارند. در اینجا به طور مختصر به بررسی برخی از انواع رایج این سنسورها خوهیم پرداخت:
لول سوئیچ شناور
سنسورهای سطح شناور به طور گسترده‌ای برای تشخیص سطح مایعات موجود در مخازن یا ظروف استفاده می‌شوند. آنها از یک شناور معلق، معمولاً از موادی با چگالی کم مانند پلاستیک، و یک دسته یا میله اهرمی تشکیل شده اند. شناور به دسته و یا میله اهرمی متصل است که با بالا رفتن یا کاهش سطح مایع حرکت میکند.
عملکرد سنسورهای سطح شناور بر پایه عملکرد شناور آنان است. هنگامی که سطح مایع بالا می‌رود، شناور نیز بالا می‌رود و باعث حرکت بازوی اهرمی یا میله میشود. همانطور که بازو یا میله اهرمی حرکت میکند، یک سوئیچ را به کار می اندازد، یا یک اتصال یا شکست الکتریکی ایجاد میکند. این تغییر در حالت سوئیچ، سطح مایع را نشان می‌دهد.
سنسورهای سطح شناور بسته به نیازهای هر پروژه می‌توانند پیکربندی‌های مختلفی داشته باشند. به عنوان مثال، برخی از سنسورهای شناور دارای چندین شناور و سوئیچ هستند تا تشخیص دقیق‌تر سطح را در نقاط مختلف ارائه دهند. علاوه بر این، ممکن است بعضی از این سنسورها از اصول مغناطیسی یا نوری برای تشخیص موقعیت شناور به جای سوئیچ‌های مکانیکی استفاده می‌کنند.
مزایا و کاربردهای سنسور سوئیچ شناور:
سنسورهای سطح شناور به دلیل سادگی، دوام و مقرون به صرفه بودن در نظارت و کنترل سطوح مایع، انتخابی محبوب هستند.
سنسورهای سطح شناور را میتوان برای کاربردهای مختلفی مانند نظارت بر سطح آب در پمپ‌های مخزن، کنترل سطح مایع در مخازن صنعتی یا جلوگیری از سرریزشدن مخازن ذخیره استفاده کرد. این سنسورها دستگاه‌های ساده و قابل اعتمادی هستند که به راحتی قابل نصب و نگهداری هستند.
سنسورهای سطح خازنی
سنسورهای سطح خازنی سنسورهایی اند که برای اندازه گیری سطح مایعات یا مواد در ظروف یا مخازن استفاده می‌شوند. آنها بر اساس اصل تغییرات در ظرفیت، که توانایی یک سیستم برای ذخیره بار الکتریکی است، با تغییر سطح ماده اندازه گیری شده، کار می‌کنند.
سنسورهای سطح خازنی از دو پراب یا صفحه رسانا تشکیل شده اند که معمولاً از فلز یا سایر مواد رسانا ساخته می‌شوند. یک پراب، پراب حسگر است و در سطح مورد نظر برای اندازه گیری قرار می‌گیرد، پراب دیگر پراب “مرجع” است و در سطح ثابتی معمولاً در بالای مخزن قرار می‌گیرد.
هنگامی که هیچ ماده‌ای در تماس با پراب حسگر نباشد، ظرفیت بین پراب حسگر و مرجع حداکثر است. با افزایش سطح ماده اندازه گیری شده و تماس با پراب حسگر، ظرفیت خازنی تغییر میکند.
مدار حسگر به طور مداوم ظرفیت بین پروب های حسگر و مرجع را اندازه گیری میکند. با تغییر سطح مواد، ظرفیت خازن نیز تغییر میکند. این تغییر توسط مدار حسگر تشخیص داده میشود و سپس آن را به سیگنال الکتریکی متناسب با سطح ماده تبدیل میکند.
سیگنال الکتریکی تولید شده توسط مدار حسگر می‌تواند برای کاربردهای مختلف استفاده شود. میتوان آن را بر روی یک صفحه کنترل نمایش داد، به یک سیستم مانیتورینگ منتقل کرد، یا از آن برای کنترل پمپ‌ها یا شیرها به منظور حفظ سطح دلخواه از ماده، استفاده کرد.
مزایا و معایب سنسورهای سطح خازنی:
سنسورهای سطح خازنی دارای مزایای متعددی هستند، مانند:
اندازه گیری بدون نیاز به تماس: برخلاف حسگرهای شناور، حسگرهای خازنی نیازی به تماس فیزیکی با مواد ندارند و برای اندازه گیری مایعات خورنده یا چسبناک و همچنین جامدات مناسب هستند.
درستی بالا: حسگرهای سطح خازنی می‌توانند اندازه گیری‌های دقیقی را ارائه دهند، به خصوص زمانی که با الگوریتم‌های پردازش سیگنال پیشرفته ترکیب شوند.
کاربردهای گونان: حسگرهای خازن را میتوان در صنایع مختلف از جمله شیمیایی، مواد غذایی و آشامیدنی، دارویی و تصفیه فاضلاب برای نظارت و کنترل سطوح مایع یا جامد استفاده کرد.
با این حال، مهم است که عواملی مانند ثابت دی الکتریک ماده اندازه گیری شده، تغییرات دما و تداخل احتمالی مواد رسانا یا نارسانا در مجاورت سنسور در نظر گرفته شوند، زیرا این عوامل می‌توانند بر دقت و قابلیت اطمینان سطح خازن تأثیر بگذارند.
سنسورهای سطح اولتراسونیک
سنسورهای سطح اولتراسونیک از دو جزء اصلی تشکیل شده اند – فرستنده و گیرنده. فرستنده امواج صوتی اولتراسونیک با فرکانس بالا، معمولاً در محدوده 20 کیلوهرتز تا 200 کیلوهرتز منتشر میکند.
فرستنده یک پالس اولتراسونیک کوتاه را به سمت ماده اندازه گیری می‌فرستد. این امواج صوتی از طریق هوا یا هر وسیله دیگری که در مخزن وجود دارد منتشر میشود.
هنگامی که امواج صوتی اولتراسونیک به سطح ماده برخورد می‌کنند، به سمت سنسور منعکس می‌شوند وعنصر گیرنده سنسور این امواج منعکس شده را تشخیص می‌دهد.
این سنسور مدت زمانی را که طول می‌کشد تا پالس اولتراسونیک از سنسور به سطح ماده رسیده و برگردد را اندازه گیری میکند. از آنجایی که سرعت صوت مشخص است، فاصله تا سطح ماده را میتوان با استفاده از فرمول محاسبه کرد:
فاصله = (سرعت صوت) x (زمان پرواز) / 2
سپس فاصله محاسبه شده به سطح مواد موجود در ظرف یا مخزن تبدیل میشود. این اطلاعات می‌توانند بر روی یک صفحه کنترل نمایش داده شوند، به یک سیستم مانیتورینگ منتقل شوند، یا برای کنترل پمپ‌ها یا شیرها برای حفظ یک سطح استفاده شود.
مزایا و معایب سنسورهای سطح اولتراسونیک:
اندازه گیری بدون نیاز به تماس: این سنسورها نیازی به تماس فیزیکی با مواد ندارند و این ویژگی آنها را برای اندازه گیری مواد خورنده یا خطرناک مناسب میکند.
کاربردهای فراوان: سنسورهای سطح اولتراسونیک را میتوان برای مایعات، جامدات و حتی مواد دانه‌ای در صنایع مختلف از جمله تصفیه فاضلاب، فرآوری شیمیایی، غذا و نوشیدنی و نفت و گاز استفاده کرد.
درستی بالا: سنسورهای سطح اولتراسونیک، با الگوریتم ها و فناوری های پیشرفته پردازش سیگنال، می‌توانند حتی در محیط‌های چالش برانگیز نیز اندازه گیری‌های درستی را ارائه دهند.
مهم است که عواملی مانند تغییرات دما، تداخل احتمالی ناشی از انسداد یا فوم، و وجود سطوح بازتابنده متعدد در مخزن را نیز در نظر بگیرید، زیرا این عوامل می‌توانند بر دقت و قابلیت اطمینان اندازه‌گیری سطح اولتراسونیک تأثیر بگذارند.
سنسورهای سطح، المان‌های ضروری با ایجاد اطمینان از دقت و قابل اطمینان بودن اندازه گیری سطح مایعات و مواد فله‌ای برای حفظ عملیات کارآمد و ایمن در صنایع مختلف مفید هستند.