اندازه‌گیری سطح یکی از قدیمی‌ترین و متداول‌ترین انواع اندازه‌گیری مورد استفاده در زندگی روزمره به شمار می‌آید.
رایج‌ترین مثال اندازه‌گیری سطح مربوط به مصریان باستان است که ۵۰۰۰ سال قبل سطح آب رود نیل را اندازه‌گیری می‌کردند تا به پیش‌بینی خشکسالی، قحطی، سیل و وضعیت کشاورزی در هر سال کمک کند.
از آن زمان تا به امروز، گستره متنوعی از ابزارها و تکنولوژی‌ها برای اندازه‌گیری سطح مورد استفاده قرار می‌گیرند. در مقالات قبلی وبلاگ پریسماتک به بررسی روش سوئیچ‌های سطح و انواع آن‌ها در سنجش سطح پرداختیم.
در این مقاله قصد داریم یکی دیگر از روش‌های اندازه‌گیری سطح را بررسی کنیم که به آن ترانسمیتر سطح فشار تفاضلی یا اختلاف فشار می‌گویند. این ترانسمیتر سطح همچنین با نام لول ترانسمیتر D/P type نیز شناخته می‌شود که DP در واقع به Differential pressure اشاره دارد.
تمام روش‌های اندازه‌گیری سطح در زیرمجموعه روش‌های مستقیم یا غیرمستقیم قرار می‌گیرند. همان طور که از نام آن‌ها نیز مشخص است، روش مستقیم متغیر سطح را به صورت مستقیم و مستقل از هر پارامتر فرایند دیگر اندازه‌گیری می کند. برای مثال، استفاده از یک میله یا چوب برای اندازه گیری سطح آب درون مخزن یا روغن درون موتور خودرو یکی از روش‌های مستقیم اندازه‌گیری سطح است.
همچنین با استفاده از روش sight glass به صورت مستقیم می‌توان سطح سیال را در مخزن مشاهده کرد.
اما در روش‌های غیرمستقیم اندازه‌گیری سطح، پارمتر دیگری به جز سطح اندازه‌گیری می‌شود و سپس از آن متغیر برای محاسبه سطح استفاده می‌شود. ترانسمیتر سطح فشار تفاضلی یا لول ترانسمیتر اختلاف فشار یکی از روش‌های اندازه‌گیری سطح غیرمستقیم است که از فشار به عنوان پارامتر اندازه‌گیری بهره می‌برد.
به شرط مشخص بودن وزن مخصوص سیال و فشار تفاضلی در نقاط معین تحت سنجش، می‌توان گفت محاسبه سطح یک سیال در مخزن نسبتا کار ساده‌ای است. رابطه بین فشار اندازه‌گیری شده و ارتفاع سیال در مخزن به صورت زیر است:
DP = H*SG
در این رابطه، DP برابر با فشار تفاضلی اندازه‌گیری شده، H ارتفاع سیال و SG وزن مخصوص سیال است. توجه به این نکته ضروری است که رابطه فوق ارتفاع ستون مایع در محل سنجش فشار را محاسبه می‌کند، نه لزوما ارتفاع کلی سیال را. نقطه مرجع محلی است که ترانسمیتر فشار نصب شده باشد و ارتفاع کلی به هندسه مخزن وابسته است. در تصویر زیر نمایی از نصب یک ترانسمیتر سطح فشار تفاضلی نشان داده شده است.
دقت لول ترانسمیتر اختلاف فشار در بازه ۰.۵ تا ۱٪ است و معمولا برای مایعات تا ارتفاع ۵ تا ۶ متر مورد استفاده قرار می‌گیرد. این تجهیز به تغییرات وزن مخصوص یا چگالی بسیار حساس است و به همین دلیل در سیالات دوفازی مانند ترکیب نفت و آب نباید مورد استفاده قرار گیرد. اما در مورد سیالات های ویسکوز می‌توان به کمک نصب دو دیافراگم سیل در سطوح بالا و پایین و نیز کپیلری تیوب از ترانسمیتر سطح DP type استفاده کرد. توجه داشته باشید که طول کپیلری تیوب حداقل باید ۱ متر باشد و در این حالت استفاده از منیفولد لازم نیست.
بهتر است حداقل ارتفاع سیال ۱۲۱۹ میلی‌متر باشد. زیرا در ارتفاع‌های پایین‌‌تر از این حد، مقادیر فشار P1 و P2 بسیار به یکدیگر نزدیک هستند و موجب کاهش دقت تجهیز می‌شود. همچنین، در صورتی که لول ترانسمیتر فشار تفاضلی برای مخازن روباز استفاده شود، پیاده‌سازی پایه یا leg مربوط به فشار پایین (L.P) ضرورتی ندارد. در این حالت می‌توان منیفولد را به جای ۵راهه، به نوع ۳راهه تغییر داد.
به پایه فشار بالا یا H.P ترانسمیتر سطح اختلاف فشار wet leg یا پایه خیس نیز می‌گویند. این پایه باید در موقعیت هم‌سطح با محل تپ فشار بالای گرفته شده از مخزن نصب شود. در غیر این صورت، اگر امکان نصب هم‌سطح وجود نداشته باشد، ستون مایعی درون پایه خیس ایجاد می‌شود که حتما باید در کالیبراسیون دستگاه به آن توجه کرد. همچنین در مخازن روبسته، اگر در قسمت خالی بالای مخزن، بخار حبس شده باشد، به صورت مایع وارد پایه خشک یا L.P می‌شود و تیک ستون مایع دیگر تشکیل می‌دهد. برای حل این مشکل، در پایه خشک سیالی با دانسیته بالاتر مانند گلیسرین ریخته می‌شود و متناسب با آن کالیبراسیون را انجام می‌دهیم.
زمانی که از یک ترانسمیتر فشار برای اندازه‌گیری سطح سیال در مخزن استفاده می‌شود، روش‌های متنوعی برای نصب آن وجود دارد. سه مورد از مهم‌ترین این روش‌ها عبارتند از: نصب مستقیم، impulse piping و سیستم دیافراگم سیل و کاپیلاری تیوب راه دور (remote seal capillary system). این که از کدام روش نصب باید استفاده کرد، به فاکتورهای فراوانی بستگی دارد. از جمله این فاکتورها عبارتند از: محل نصب ترانسمیتر سطح اختلاف فشار روی مخزن، روباز بودن و یا تحت فشار بودن مخزن و در صورت تحت فشار بودن، آیا از روش gas sealing استفاده می‌شود یا liquid sealing.
در اغلب ترانسمیترهای سطح فشار تفاضلی محل پورت فشار بالا و فشار پایین تعیین شده است. این پورت‌های مشخص‌شده، بسیار مهم هستند و حتما باید پایه فشار بالا به پورت فشار بالای ترانسمیتر و پایه فشار پایین به پورت فشار پایین ترانسمیتر متصل شود. فشار بالا در یک مخزن، پایین‌ترین موقعیت اندازه‌گیری یعنی در کف مخزن است که در آن ستون مایع بالاترین حد را خواهد داشت. به صورت کلی، سمت فشار بالای ترانسمیتر به پایین‌ترین نقطه فیزیک در تانک یا مخزن و سمت فشار پایین ترانسمیتر به بالاترین نقطه فیزیکی در مخزن متصل می‌شود.
در برخی فرایند‌ها می‌توان ترانسمیتر را بدون impulse line یا دیافراگم سیل ریموت نصب کرد. به این نوع نصب، نصب مستقیم می‌گویند. مثلا یک سنسور فشار گیج استاندارد را می‌توان به کانکشن فرایند که به مخزن جوش شده است، به صورت پیچی متصل کرد. همچنین ترانسمیترهای با اتصال فلنجی نیز موجود هستند که به صورت مستقیم به لوله‌ها و مخازن نصب می‌شوند. مدل‌های فلنجی همچنین شامل یک مکانیزم اتصال مخصوص برای بهبود دقت و محافظت در برابر خوردگی هستند. ترانسمیترهای سطح اختلاف فشار با نصب مستقیم معمولا در مخازن روباز مورد استفاده قرار می‌گیرند و پایه فشار پایین تجهیز را به سمت فشار اتمسفر به عنوان فشار مرجع باز می‌گذارند. ترانسمیترهای سطح فشار تفاضلی تجهیزات سنگینی هستند. به همین دلیل در صورت نیاز باید براکت‌های نصب برای ساپورت آن‌ها مورد استفاده قرار گیرند تا جهت‌گیری، گرانش، لرزش، چرخه حرارتی و سایر متغیرها اثرات مخرب بر یکپارچگی نصب نداشته باشند.
خط ضربه‌ای یا Impulse piping یک لوله فرعی با قطر کمتر است که برای اتصال یک نقطه از لوله‌کشی یا تانک به یک ابزار دقیق است تا در آن نقطه پارامتر مورد نظر اندازه‌گیری شود. هدف خط ضربه‌ای انتقال دقیق شرایط به ترانسمیتر است. برای ترانسمیتر سطح فشار تفاضلی از دو خط ضربه‌ای باید استفاده کرد، پایه مرجع خشک و پایه مرجع خیس. باید دقت کرد که نوع درست بر اساس کاربرد انتخاب شود.
پایه خشک همان طور که از نام آن مشخص است، پایه مرجعی در ترانسمیتر اختلاف فشار است که باید خشک و خالی از سیال فرایند باقی بماند. پایه خشک زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که تحت شرایط دما و فشار نرمال، بخارات حاصل از سیال فرایند به قطرات مایع تبدیل نشوند. زیرا این مایع حاصل از میعان گاز، پایه متصل به سمت فشار پایین ترانسمیتر سطح فشار تفاضلی یا همان پایه خشک را پر می‌کند.
اگر بخارات حاصل از سیال تحت فشار و دمای فرایند به مایع تبدیل شوند، در این صورت باید از پایه خیس به جای پایه خشک استفاده کرد. در واقع پایه خشک را با سیال فرایند یا یک سیال غیر واکنشی دیگر مانند گلیسرین پر می‌کنیم تا به پایه خیس تبدیل شود. البته تاثیر حاصل از آن هنگام کالیبراسیون تجهیز باید محاسبه شود. ساختار و طراحی پایه خیس می‌تواند پیچیده باشد. به همین دلیل بهتر است با یک متخصص در این زمینه مشورت شود تا از ساختار صحیح اطمینان حاصل شود.
نصب در خط ضربه‌ای از تجهیز تا لوله یا مخزن نسبتا آسان و کم هزینه است. اما محدودیت‌هایی نیز به همراه دارد. همان طور که در بالا نیز ذکر شد، امکان دارد چگالش رخ بدهد و دقت اندازه‌گیری را تحت تاثیر قرار بدهد. علاوه بر این، ممکن است به دلیل آب‌بندی ضعیف نشتی اتفاق بیفتد و یا مفاصل در لوله‌کشی توسط ذرات جامد فرایند و یا یخ زدگی در صورت دمای پایین دچار گرفتگی شود. المان‌های حساس و گران قیمتی مانند دیافراگم، در صورت تماس مستقیم با سیال خورنده و فرساینده صدمه می‌بینند. همچنین اگر قسمت‌های الکترونیکی به سیال با دمای بالا بسیار نزدیک باشند، دچار آسیب می‌شوند.
برای رفع این مشکل، از دیافراگم سیل ریموت استفاده می‌شود که با کپیلری تیوب حاوی روغن به تجهیز متصل شده است. در واقع، ریموت سیل توسط کپیلری تیوب به ترانسمیتر متصل می‌شود. کپیلری تیوب لوله‌های محکم اما انعطاف‌پذیری هستند که در قطرهای مختلف موجودند و برای مقاومت در برابر ترک یا نشت طراحی شده‌اند. کپیلری تیوب‌ها معمولا توسط روغن سیلیکون پر می‌شوند که در برابر انبساط و انقباض دمایی مقاوم هستند، اگرچه روغن‌های دیگر نیز برای شرایط سخت فرآیند موجود هستند. دیافراگم سیل، کپیلری و ترانسمیتر می‌توانند توسط کانکشن پیچی به همدیگر متصل شوند، اما اغلب با دقت به یکدیگر جوش داده می‌شوند تا مسیرهای نشتی را حذف کنند و اندازه‌گیری قابل اعتماد و تکرارپذیری انجام دهند.
استفاده از سیستم دیافراگم سیل ریموت یک راهکار مهندسی‌شده برای رفع مشکلاتی است که در بالا بیان شد. جنس دیافراگم را می‌توان برای اطمینان از تطابق شیمیایی با سیال فرایند سفارشی‌سازی کرد. به جای استفاده از فولاد ضد زنگ، می‌توان از مواد دیگری مانند هستلوی(Hastelloy C)، تیتانیوم و سایر مواد برای محافظت در برابر خوردگی استفاده کرد.
در حالت کلی، می‌توان مخازن را برای اندازه‌گیری سطح فشار تفاضلی به دو نوع مخزن روباز یا بدون فشار (unpressurized) و بسته یا تحت فشار (pressurized) تقسیم‌بندی کرد. در مخازن باز و بدون فشار، یک سمت رو به فشار اتمسفر باز است و مسیر بازی بین مخزن و فضای بیرون آن وجود دارد. در این حالت، فشار هوا بر روی مایع با فشار اتمسفر برابر است. بنابراین، فشار مرجع برابر با فشار اتمسفر است. پس فشار اندازه‌گیری شده در نقطه نصب ترانسمیتر در مخازن روباز فقط ناشی از وزن مایع است. اما فشار اندازه‌گیری شده در نقطه نصب ترانسمیتر در مخازن تحت فشار برابر با فشار وزن مایع به علاوه فشار گاز است.
برای اتصالات ترانسمیتر سطح فشار تفاضلی در مخازن روباز، سمت فشار پایین ترانسمیتر سطح فشار تفاضلی را رو به اتمسفر باز می‌گذارند و سمت فشار بالای آن را به محلی از مخزن متصل می‌کنند که کمترین سطح مورد نظر سیال در آن قرار می‌گیرد. ترانسمیتر سطح را می‌توان به روش‌های مختلفی نصب کرد. نصب مستقیم، نصب در خط ضربه‌ای و نصب ریموت همگی روش‌های نصب قابل قبولی برای مخزن روباز هستند. اگر شرایط اجازه بدهد، نصب ترانسمیتر سطح می‌تواند به سادگی نصب مستقیم یک ترانسمیتر فشار تفاضلی بر روی مخزن باشد.
مخازن بسته تحت فشار به سوی اتمسفر باز نیستند، بنابراین اندازه‌گیری مرجع اهمیت دارد. معمولا بالای سطح سیال در مخازن بسته، یک فاز گاز نیز وجود دارد. فشار این گاز می‌تواند بالاتر یا کمتر از فشار اتمسفر باشد. بنابراین، برای اندازه‌گیری دقیق سطح، فشار این گاز باید در محاسبات وارد شود. تغییر در فشار گاز موجب تغییر در خروجی ترانسمیتر سطح می‌شود و اگر جبران‌سازی نشود، موجب ایجاد خطا می‌شود. علاوه بر این، فشار گاز ممکن است به حدی بالا باشد که فشار ناشی از ستون مایع ناچیز باشد. به همین دلیل، اندازه‌گیری سطح در مخازن تحت فشار به یک اتصال مرجع دقیق نیاز دارد.
اتصال رفرنس در قسمت بالای مخزن قرار می‌گیرد و به سمت فشار پایین ترانسمیتر متصل می‌شود. هدف این اتصال، جبران‌سازی فشار گاز بالای سیال درون مخزن است تا اندازه‌گیری سطح دقیق و بدون خطا باشد. اگر اتصال مرجع برقرار نباشد، ترانسمیتر فشار ستون مایع به علاوه فشار گاز را اندازه‌گیری خواهد کرد. معادله زیر نشان می‌دهد که چگونه استفاده از اتصال مرجع اثر فشار گاز را خنثی می‌کند و فقط فشار هیدرواستاتیک در خروجی ترانسمیتر نشان داده خواهد شد.
Differential Pressure = P(high) – P(low) = H*SG
به دلیل اینکه فشار مرجع در مخازن بسته، فشار اتمسفر نیست، اتصالات ترانسمیتر سطح فشار تفاضلی در مخازن بسته نسبتا پیچیده‌تر است. در پیکربندی نصب در خط ضربه‌ای پایه سمت فشار پایین یا با یک ستون مایع (پایه خیس) و یا یک گاز سازگار خشک (پایه خشک) پر می‌شود. همان طور که قبلا بیان شد، پایه خیس برای اشاره به این موضوع به کار می‌رود که آیا بخار موجود در مخزن به فرم مایع تبدیل می‌شود تا در طراحی سیستم مد نظر قرار داده شود یا خیر. اگرچه مفهوم نصب در خط ضربه‌ای نسبتا ساده است، اما در عمل نصب و نگهداری آن بسیار چالشی است و در معرض نشت و گرفتگی قرار دارد و نیاز به عایق و ردیابی حرارتی دارد.
همان طور که قبلا بیان کردیم، در صورتی که به جای پایه خشک از پایه خیس برای نصب ترانسمیتر سطح فشار تفاضلی استفاده شود، باید این امر در کالیبراسیون دخالت داده شود. فرض کنید ترانسمیتر سطح فشار تفاضلی بر روی تانکی همانند تصویر زیر نصب شده باشد.
همچنین فرض کنید وزن مخصوص سیال فرایند و سیالی که لوله فشار پایین با آن پر شده برابر با 0.96g/cm3، ارتفاع پایه خیس 1000mm، ارتفاع بین ترانسمیتر و تپ فشار بالا 200mm و ارتفاع مخزن 700mm است. حال برای حالتی که سطح سیال در ٪۰ باشد که معادل ۴ میلی‌آمپر است، محاسبات به صورت زیر انجام می‌شود:
∆P at 0% level
∆P = HP – LP
HP = SG1 x h = 0.96 x 200 = 192 mmH2O
LP = SG2 x (H) = 0.96 x 1000 = 960 mmH2O
بنابراین p∆ در ٪۰ برابر است با:
HP – LP = 192 – 960 = -768 mmH2O
همچنین برای حالتی که سطح ٪۱۰۰ باشد که معادل ۲۰ میلی‌آمپر است، محاسبات زیر را داریم:
∆P at 100% level
∆P = HP – LP
HP = SG1 x (L + h) = 0.96 x 900 = 864 mmH2O
LP = SG2 x (H) = 0.96 x 1,000 = 960 mmH2O
بنابراین p∆ در ٪۱۰۰ برابر است با:
HP – LP = 864 – 960 = -96 mmH2O
در نتیجه برای تنظیم بازه ترانسمیتر سطح فشار تفاضلی، بازه ٪۰ تا ٪۱۰۰ برابر با 768- تا 96mmH2O- خواهد بود.
دمای محیط می‌تواند بر دقت ترانسمیتر سطح فشار تفاضلی در تمام پیکربندی‌های نصب تاثیرگذار باشد. با این حال، برخی از سازندگان راه‌حل منحنی مشخصه سنسور را برای مشکل تاثیر دمای محیط ارائه داده‌اند.
در طول فرایند ساخت، سنسور در معرض بازه‌ای از دماها و فشارهای مختلف قرار داده می‌شود. در طول این فرایند، داده‌های چگونگی تاثیر دما و فشار بر رفتار سنسور به دست می‌آید. داده‌ها در حافظه ترانسمیتر ذخیره می‌شوند و به عنوان فاکتور تصحیح در طول استفاده مورد استفاده قرار می‌گیرند. همین امر امکان حفظ پایداری و دقت در طول عملکرد را برای ترانسمیتر سطح فشار تفاضلی فراهم می‌کند.
اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید به مطالب زیر نیز علاقه‌مند باشید:
ابزار دقیق پنوماتیک — به زبان ساده
فلومتر اختلاف فشار یا فشار تفاضلی
ترمیستور چیست و چگونه کار می‌کند؟
ترموول (Thermowell) ــ انواع مختلف، تعیین طول و نحوه نصب
ترانسمیتر فشار یا پرشر ترانسمیتر ــ اصول کاری و انواع
پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره های شرکت تماس بگیرید.
محصولات پریسماتک:
