اندازه‌گیری سطح: تضمین بهره‌وری و ایمنی در فرآیندهای صنعتی
اندازه‌گیری سطح یکی از جنبه‌های اساسی اتوماسیون صنعتی است که نقش حیاتی در طیف گسترده‌ای از فرآیندها در صنایع مختلف ایفا می‌کند. این فرآیند شامل تعیین موقعیت یا مقدار ماده درون یک مخزن یا سیستم می‌شود؛ خواه این ماده مایع، جامد (مواد جامد فله‌ای) یا مرز بین دو ماده مختلف باشد. دقت و قابلیت اطمینان در اندازه‌گیری سطح برای بهینه‌سازی کارایی فرآیند، تضمین ایمنی، جلوگیری از سرریز یا خشک کار کردن تجهیزات و حفظ کیفیت محصول ضروری است. منابع بررسی‌شده، مجموعه‌ای متنوع از فناوری‌ها و دستگاه‌های اندازه‌گیری سطح را معرفی می‌کنند که برای پاسخگویی به نیازهای خاص کاربردها و صنایع مختلف طراحی شده‌اند.
فناوری‌های متنوع برای کاربردهای گوناگون
انتخاب فناوری اندازه‌گیری سطح به شدت وابسته به عواملی مانند نوع ماده مورد اندازه‌گیری، شرایط فرآیندی (دما، فشار، وجود گرد و غبار یا کف)، الزامات دقت و ملاحظات هزینه‌ای است. منابع، فناوری‌های کلیدی زیر را معرفی کرده‌اند:
اندازه‌گیری سطح به روش راداری
این فناوری غیرتماسی با استفاده از امواج الکترومغناطیسی فاصله تا سطح ماده را اندازه‌گیری می‌کند. زمان رفت و برگشت پالس منتشر شده نسبت مستقیم با فاصله و در نتیجه با سطح دارد. فناوری راداری برای مایعات و مواد جامد فله‌ای مناسب است و به تغییرات دما، فشار، چگالی یا رسانایی حساس نیست.
رادار غیرتماسی
دستگاه‌هایی مانند سری Micropilot (مدل‌های FMR50، FMR60، FMR80) برای کاربردهای مختلف ایده‌آل هستند. Micropilot FMR57 به طور ویژه برای نیازهای بالا در اندازه‌گیری مواد جامد فله‌ای مانند سیلوهای بلند، انبارها یا توده‌های ذخیره طراحی شده و توانایی کار در دماهای تا ۴۰۰ درجه سانتیگراد را دارد. آنتن سهمی‌شکل آن امکان اندازه‌گیری در سیلوهای باریک با دیواره‌های جانبی را فراهم می‌کند و تحلیل سیگنال نوآورانه با استفاده از داده‌های تاریخی سیلو، قابلیت اطمینان را افزایش می‌دهد. برای کاربردهای بهداشتی، Micropilot FMR63B با فناوری رادار ۸۰ گیگاهرتزی تمرکز بهتری ارائه می‌دهد و با زاویه پرتو کوچکتر برای مخازن کوچک یا دارای تجهیزات داخلی مناسب است و دارای تأییدیه‌های ASME-BPE و USP Class VI است
مدل‌های دیگر مانند FMR52 برای مایعات خورنده و نیازهای بهداشتی، FMR60B برای کاربردهای استاندارد یا اتصالات فرآیندی کوچک، و FMR54 برای محیط‌های بخار قوی یا آمونیاک طراحی شده‌اند. برای کاربردهای انتقال تجاری که نیاز به دقت بالا دارند، مدل‌های FMR532 (۶ گیگاهرتز) و FMR540 (۲۶ گیگاهرتز) با تأییدیه‌های NMi و PTB موجودند. Micropilot FMR67B با فناوری ۸۰ گیگاهرتزی برای اندازه‌گیری سطح مواد جامد فله‌ای با بالاترین دما تا ۴۵۰ درجه سانتیگراد و دامنه اندازه‌گیری تا ۱۲۵ متر طراحی شده است. فناوری ارزیابی Multi-Echo Tracking در دستگاه‌های Micropilot بالاترین سطح ایمنی فرآیند را تضمین می‌کند.
رادار هدایت‌شده (TDR)
سری Levelflex (مدل FMP50) از پالس‌های راداری هدایت‌شده در امتداد یک پروب (میله‌ای، طنابی یا کواکسیال) استفاده می‌کند. این فناوری به ویژه برای مایعات با سطوح متلاطم یا دارای کف مناسب بوده و برای اندازه‌گیری مرزی (Interface) گزینه نخست محسوب می‌شود. Levelflex FMP53 برای بالاترین نیازهای بهداشتی در صنایع دارویی طراحی شده و با استانداردهای ASME-BPE سازگار است و به طور مستقل از چگالی عمل می‌کند. این طراحی برای مخازن کوچک تا حجم ۱۰ لیتر بهینه شده است. Multi-Echo Tracking در این دستگاه اطمینان از اندازه‌گیری قابل اعتماد را تضمین می‌کند و ویژگی HistoROM امکان تعویض آسان الکترونیک را فراهم می‌سازد. امکان کالیبراسیون در شرایط مونتاژشده وجود دارد. Levelflex FMP54 برای اندازه‌گیری سطح مایعات در شرایط شدید، مانند دماهای بالا (تا ۴۵۰ درجه سانتیگراد) و فشارهای بالا (تا ۴۰۰ بار) در دیگ‌های بخار و محیط‌های سمی مانند آمونیاک، ایده‌آل است و دارای آب‌بندی سرامیکی-گرافیتی جهت ایمنی بیشتر است. همچنین ویژگی جبران گاز (Gas Phase Compensation) را برای اندازه‌گیری دقیق در دیگ‌های بخار ارائه می‌دهد. برای اندازه‌گیری مرزی، دستگاه چندپارامتری Levelflex FMP55 موجود است. مدل FMP56 یک مدل اقتصادی و مقرون به صرفه برای اندازه‌گیری سطح مواد جامد فله‌ای است.
اندازه‌گیری سطح به روش فراصوت
این روش غیرتماسی با استفاده از امواج صوتی فاصله تا سطح ماده را اندازه‌گیری می‌کند. سنسور فراصوت یک پالس صوتی ارسال می‌کند و با اندازه‌گیری زمان بازگشت پژواک، سطح ماده تعیین می‌شود. این روش برای طیف وسیعی از مایعات و برخی مواد جامد فله‌ای مناسب است و راهکار مقرون به صرفه‌ای برای اندازه‌گیری پیوسته سطح و جریان ارائه می‌دهد. سری Prosonic (مدل‌های FMU30، FMU40/41/42/44 و FDU90/91/92/93/95) گزینه‌های متنوعی برای کاربردهای مختلف فراهم کرده‌اند.
مدل‌های FMU40/41/42/44 برای اندازه‌گیری سطح در مواد جامد فله‌ای طراحی شده‌اند. سنسورهای FDU90/91/92 می‌توانند سطح را به صورت مداوم و غیرتماسی تا فاصله ۲۵ متر اندازه‌گیری کنند. فرستنده‌های FMU90/95 امکان اتصال به چند سنسور و انجام محاسباتی مانند میانگین، اختلاف و مجموع را دارند. برای کاربردهای بهداشتی، سنسور FDU91F مناسب فرآیندهای CIP/SIP عرضه شده است.
اندازه‌گیری سطح به روش ظرفیت‌سنجی
پروب‌های ظرفیت‌سنجی بر مبنای تغییر ظرفیت الکتریکی بین پروب و دیواره مخزن با تغییر سطح ماده عمل می‌کنند. این روش برای اندازه‌گیری پیوسته سطح و مرزی مایعات، حتی مایعات با ویسکوزیته بالا یا دارای رسوب، مناسب است. سری Liquicap (مدل‌های FMI21، FMI51، FMI52) برای این کاربردها با تحمل دمایی تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد و فشار تا ۱۰۰ بار طراحی شده‌اند.
برای تشخیص نقطه‌ای در محیط‌های مبتنی بر آب، پروب فشرده Liquipoint FTW23 که مناسب فرآیندهای CIP/SIP است عرضه شده. همچنین، مدل‌های FTW31، FTW32 و FTW33 برای تشخیص چندنقطه‌ای با انواع نصب میله‌ای، طنابی و همسطح موجودند.
اندازه‌گیری سطح به روش رادیومتریک (گاما)
این روش غیرتماسی و خارجی برای شرایط فرآیندی شدید یا جایی که سایر فناوری‌ها مؤثر نیستند مناسب است. تجهیزات گاما بدون نیاز به تماس مستقیم، سطح ماده را از پشت دیواره مخزن اندازه‌گیری می‌کنند و برای طیف وسیعی از مواد، بدون توجه به خواص آن‌ها، کاربرد دارند. سری Gammapilot (مدل FMG50) فرستنده‌های دو سیمه فشرده برای اندازه‌گیری نقطه‌ای سطح، اندازه‌گیری پیوسته سطح، مرز، چگالی و غلظت ارائه می‌دهد و محدودیتی در دما و فشار ندارد.
این سیستم شامل محفظه‌های منبع FQG60/61/62/63/66 با وزن‌ها و مکانیزم‌های مختلف روشن/خاموش است. مدولاتور گاما FHG65 با موفقیت اشعه‌های پس‌زمینه و تداخلات را سرکوب می‌کند. این فناوری بالاترین سطح ایمنی و قابلیت اطمینان را در سخت‌ترین شرایط تضمین می‌کند.
اندازه‌گیری سطح به روش سروو
سری Proservo (مدل NMS80/81) اندازه‌گیری سطح، مرز و پروفایل چگالی را با دقت بالا ارائه می‌دهد. این دستگاه‌ها عملکرد بدون مشکل حتی در حضور سطوح دارای امولسیون را تضمین کرده و در گستره دمایی -۲۰۰ تا +۲۰۰ درجه سانتیگراد و دامنه اندازه‌گیری تا ۵۵ متر قابل استفاده هستند. همچنین قابلیت اندازه‌گیری پروفایل چگالی چندلایه را دارند.
اندازه‌گیری سطح به روش فشار
اندازه‌گیری هیدرواستاتیک بر اصل این استوار است که فشار در کف یک مخزن با ارتفاع ستون مایع متناسب است. سنسورهای فشاری مانند Deltapilot (مدل FMB70)، Cerabar (مدل PMC51B/PMC71B و PMP51B/PMP71B) و Waterpilot (مدل FMX11/FMXX21) برای این منظور به کار می‌روند. این سنسورها دارای بازه‌های دما، فشار و دقت متنوعی هستند. Deltapilot FMB70 با سلول Contite عملکرد بالایی ارائه می‌دهد. فرستنده‌های Cerabar با سنسورهای سرامیکی یا فلزی مناسب اندازه‌گیری سطح، فشار مطلق و فشار نسبی حتی در دماهای بالا (تا ۴۰۰ درجه سانتیگراد) هستند. Waterpilot برای آب شیرین، فاضلاب و آب شور طراحی شده است. فرستنده‌های فشار تفاضلی (مدل‌های Deltabar FMD71/72، PMD55B/PMD75B/PMD78B) نیز برای این نوع اندازه‌گیری قابل استفاده‌اند.
سوییچ‌های سطح لرزشی
سری Soliphant (مدل‌های FTM20، FTM21، FTM50، FTM51، FTM52) از اصل چنگال لرزشی برای تشخیص نقطه‌ای سطح استفاده می‌کنند. هنگامی که سنسور در ماده غوطه‌ور شود، ارتعاش آن کاهش یافته و سوییچ فعال می‌شود. این سوییچ‌ها برای مواد جامد فله‌ای دانه‌ریز کاربردی بوده و بدون توجه به خواص ماده، عملکرد قابل اطمینان دارند.
Fermentation Monitor QWX43
سوییچ‌های ظرفیت‌سنجی
سوییچ‌های ظرفیت‌سنجی مانند سری‌های Solicap (FTI55، FTI56، FTI77)، Minicap (FTC262) و Nivector (FTI26) برای تشخیص نقطه‌ای در مواد جامد فله‌ای از ریزدانه تا درشت‌دانه کاربرد دارند و برخی مدل‌ها برای دماهای بالا (تا ۴۰۰ درجه سانتیگراد برای FTI77) طراحی شده‌اند.
سوییچ‌های پدالی
سری Soliswitch (مدل‌های FTE30، FTE31) یک راهکار مکانیکی ساده و مقرون به صرفه برای تشخیص نقطه‌ای سطح در مواد جامد فله‌ای ارائه می‌دهد. با چرخش پدال و برخورد آن با ماده، سوییچ فعال می‌شود.
موانع مایکروویو (Soliwave)
سری Soliwave (مدل‌های FDR56، FDR57، FQR56، FQR57، FDR16، FQR16) تشخیص نقطه‌ای سطح در مواد جامد فله‌ای را به صورت غیرتماسی با استفاده از امواج مایکروویو انجام می‌دهد. این سیستم‌ها برای شرایط دشوار، نسخه‌های دمای بالا (تا ۴۵۰ درجه سانتیگراد) و بردهای بلند (تا ۱۰۰ متر) مناسب هستند.
مزایای راهکارهای پیشرفته اندازه‌گیری سطح
منابع مزایای زیر را برای راهکارهای اندازه‌گیری سطح ذکر کرده‌اند:
- افزایش ایمنی: با قابلیت‌هایی مانند اندازه‌گیری مرزی افزونه‌ای، الگوریتم‌های پویا، Multi-Echo Tracking و رعایت استانداردهای ایمنی SIL2/SIL3.
- دقت بالا و کارایی: با استفاده از فناوری‌ها و الگوریتم‌های پیشرفته.
- سهولت استفاده و کاهش هزینه‌ها: با طراحی منوی کاربرپسند و قابلیت‌هایی مانند سرکوب خودکار پژواک‌های تداخلی.
- اطمینان در شرایط سخت: بی‌تأثیر از ویژگی‌های فیزیکی ماده و مقاوم در برابر دما و فشار بالا.
- مجموعه کامل محصولات: راهکار مناسب برای تمامی کاربردها، از صنایع بهداشتی تا شرایط شدید.
- تشخیص پیشرفته: با فناوری‌هایی نظیر Heartbeat Technology برای تشخیص و عیب‌یابی مستمر.
- گواهینامه‌ها و تأییدیه‌ها: مانند NMi، PTB، ASME-BPE، USP Class VI، 3-A، EHEDG.
نمونه کاربری در کارخانه مواد شیمیایی
بعنوان مثال در یک شرکت شیمیایی که در زمینه تولید مواد واسطه و افزودنی‌های شیمیایی برای فرآیندهای گوناگون تولیدی فعالیت می‌کند، سه مخزن یکسان برای اندازه‌گیری سطح حلال‌ها به تجهیزات ابزار دقیق مجهز شده‌اند. در هر یک از این مخازن، دو رادار سطح Micropilot M FMR 230 با آنتن 8 اینچی (DN200) و یک رادار هدایت‌شده Levelflex M FMP 40 با کابل 0.16 اینچی (4 میلی‌متری) نصب شده است. علاوه بر این، برای حفاظت در برابر سرریز شدن، یک سوئیچ سطح Liquiphant M FTL 51 نیز در هر سه مخزن به کار رفته است.
این مخازن راکتور با قطر 2.5 متر و ارتفاع 3.2 متر، دارای همزن‌های چند مرحله‌ای هستند و فرآیند اختلاط حلال‌ها در آن‌ها در فشار محیط و دمای بین 140 تا 180 درجه سانتیگراد انجام می‌شود. منطقه نصب این تجهیزات به دلیل وجود مواد قابل اشتعال، جزء مناطق خطرناک انفجاری محسوب می‌شود.
برای اندازه‌گیری سطح به صورت مداوم، در یکی از راکتورها که دما زیر 150 درجه سانتیگراد است، از رادار هدایت‌شده Levelflex FMP 40 استفاده شده است. کابل این دستگاه در پایین مخزن و دور کویل حرارتی ثابت شده است. استفاده از فناوری رادار هدایت‌شده (TDR) در این نوع کاربردها به دلیل قابلیت اندازه‌گیری مواد با ثابت دی‌الکتریک پایین ترجیح داده شده است. از آنجایی که در زمان نصب، نسخه مقاوم به دمای بالای Levelflex موجود نبوده است، در دو راکتور دیگر که دما می‌تواند تا 180 درجه سانتیگراد برسد، از رادار غیرتماسی Micropilot FMR 230 استفاده شده است. آنتن بزرگ 8 اینچی (DN200) این رادار برای دستیابی به زاویه انتشار باریک و در نتیجه کاهش تداخل با پژواک‌های ناشی از کویل‌های حرارتی انتخاب شده است.
علاوه بر این ابزارهای اندازه‌گیری سطح پیوسته مبتنی بر اصل زمان پرواز، از یک سوئیچ سطح ارتعاشی Liquiphant FTL 51 نیز برای حفاظت در برابر سرریز شدن در تمامی این مخازن استفاده می‌شود. Levelflex M یک ترانسمیتر سطح فشرده است که از بالا نصب می‌شود و برای کنترل فرآیند یا کاربردهای مربوط به انبارداری و موجودی کالا با استفاده از فناوری رادار میکروپالس بر اساس اصل زمان پرواز هدایت‌شده عمل می‌کند. Micropilot یک سیستم اندازه‌گیری سطح غیرتماسی از نوع “نگاه رو به پایین” است که بر اساس روش زمان پرواز کار می‌کند و فاصله از نقطه مرجع (اتصال فرآیندی) تا سطح محصول را اندازه‌گیری می‌کند. پالس‌های رادار توسط یک آنتن منتشر شده، از سطح محصول منعکس شده و دوباره توسط سیستم رادار دریافت می‌شوند. Liquiphant M یک سوئیچ حد سطح برای استفاده در تمامی مایعات است و عملکرد آن تحت تأثیر جریان، تلاطم، حباب‌ها، فوم، لرزش، محتوای مواد جامد معلق یا رسوبات قرار نمی‌گیرد. بنابراین، Liquiphant M یک جایگزین ایده‌آل برای سوئیچ‌های شناور، سوئیچ‌های شکاف‌دار، سنسورهای خازنی و سایر فناوری‌ها محسوب می‌شود.
نتیجه‌گیری
اندازه‌گیری سطح بخشی حیاتی از فرآیندهای صنعتی مدرن است و انتخاب فناوری مناسب برای تضمین کارایی، ایمنی و کیفیت محصول اهمیت بالایی دارد. مجموعه گسترده دستگاه‌ها و فناوری‌های اندازه‌گیری سطح معرفی شده، مانند رادار، فراصوت، رادار هدایت‌شده، ظرفیت‌سنجی، رادیومتریک، سروو، فشارمحور و انواع سوییچ‌های نقطه‌ای، تعهد به ارائه راهکار برای کاربردهای متنوع و شرایط چالش‌برانگیز را نشان می‌دهد. فناوری‌هایی مانند Heartbeat Technology، Multi-Echo Tracking و طراحی‌های مقاوم قابلیت اطمینان و صرفه‌جویی در هزینه را افزایش داده‌اند و این ابزارها را به اجزایی جدایی‌ناپذیر از صنایع مختلف تبدیل کرده‌اند.
