سنسور فشار و نقش آن در سیستم‌های کنترل سطح سیالات

مقدمه:

سنسور فشار در کنترل سطح سیالات،کنترل سطح مایعات در مخازن و تجهیزات فرآیندی یکی از ارکان اصلی اتوماسیون صنعتی به شمار می‌رود. دانستن دقیق ارتفاع سیال در هر لحظه برای حفظ ایمنی، بهینه‌سازی مصرف انرژی و کاهش اتلاف منابع اهمیت زیادی دارد. یکی از روش‌های پرکاربرد در این زمینه، استفاده از سنسور فشار برای کنترل سطح مایعات است. این سنسورها با تکیه بر اصل فشار هیدرواستاتیک، قادرند سطح مایع را به صورت غیرمستقیم اما بسیار دقیق محاسبه کنند.

چرا سنسور فشار برای اندازه‌گیری سطح انتخاب می‌شود؟

روش‌های مختلفی برای سنجش سطح سیال وجود دارد؛ از جمله فلوتر مکانیکی، سنسور اولتراسونیک، رادار و حتی سیستم‌های لیزری. با این حال، سنسور فشار به دلایل زیر جایگاه ویژه‌ای در صنعت پیدا کرده است:

• سادگی و قابلیت اعتماد بالا: بدون قطعات متحرک و در نتیجه خرابی کمتر.
• مقرون‌به‌صرفه بودن: هزینه خرید و نگهداری پایین‌تر نسبت به تکنولوژی‌های پیچیده‌تر.
• قابلیت استفاده در مخازن بسته: مناسب برای فرآیندهایی که سطح مایع قابل مشاهده نیست.
• مناسب برای سیالات خطرناک یا خورنده: بدون نیاز به تماس مستقیم با سطح بالایی مایع.
• سازگاری با سیستم‌های کنترلی: خروجی‌های استاندارد مانند 4-20 میلی‌آمپر یا Modbus.

اصل عملکرد سنسور فشار در کنترل سطح:

وقتی یک سنسور فشار در کف مخزن نصب می‌شود، فشار ناشی از ستون مایع را اندازه‌گیری می‌کند. این فشار مستقیماً به ارتفاع مایع مرتبط است و از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

$P=\rho \times g\times h$

• P = فشار وارد بر سنسور (پاسکال)
• ρ = چگالی مایع (کیلوگرم بر متر مکعب)
• g = شتاب گرانش (9.81 متر بر مجذور ثانیه)
• h = ارتفاع مایع (متر)

به این ترتیب، با دانستن مقدار فشار و چگالی سیال، می‌توان سطح مایع را محاسبه کرد. این روش به ویژه در مایعات با چگالی ثابت مثل آب، شیر یا محلول‌های ساده بسیار دقیق است.

انواع سنسور فشار برای کنترل سطح سیالات:

برای کاربردهای مختلف، انواع مختلفی از سنسور فشار طراحی شده‌اند:

1. سنسور فشار گیج (Gauge Pressure)
   مناسب برای مخازن باز که فشار بالای مایع با فشار اتمسفر برابر است.
2. سنسور فشار دیفرانسیلی (Differential Pressure)
   برای مخازن بسته که فشار گاز یا بخار بالای سطح مایع باید در محاسبه لحاظ شود.
3. سنسور فشار مطلق (Absolute Pressure)
   زمانی استفاده می‌شود که مقیاس فشار باید نسبت به خلأ مطلق اندازه‌گیری گردد.

مراحل پیاده‌سازی سنسور فشار در سیستم کنترل سطح:

1. انتخاب سنسور مناسب
   • بررسی باز یا بسته بودن مخزن
   • توجه به ماهیت سیال (اسیدی، خورنده، داغ یا عادی)
   • مشخص کردن محدوده فشار مورد نیاز
2. محاسبه فشار معادل حداکثر سطح
   به عنوان نمونه، در یک مخزن 3 متری با آب: $P=1000\times 9.81\times 3=29430Pa$ یعنی حدود 29.4 kPa فشار در کف مخزن ایجاد می‌شود. پس باید سنسوری انتخاب شود که محدوده کاری آن بیش از این مقدار باشد.
3. نصب صحیح سنسور
   نصب در پایین‌ترین بخش مخزن و استفاده از اتصالات استاندارد مانند فلنج یا رزوه ضد نشت.
4. اتصال به سیستم کنترل
   ارتباط با PLC یا HMI از طریق سیگنال‌های آنالوگ (4-20mA یا 0-10V) یا پروتکل‌های دیجیتال مثل Modbus.
5. کالیبراسیون و تنظیمات نرم‌افزاری
   تعریف رابطه فشار به ارتفاع در نرم‌افزار کنترلی برای نمایش دقیق سطح مایع.

کاربردهای صنعتی سنسور فشار در کنترل سطح:

• صنایع غذایی: کنترل سطح شیر، آب‌میوه، روغن و سس‌ها در مخازن فرآیندی.
• صنایع دارویی: پایش سطح محلول‌ها، سرم‌ها و مواد اولیه حساس.
• پتروشیمی و نفت و گاز: کنترل سطح مواد شیمیایی و سیالات اشتعال‌پذیر.
• تصفیه‌خانه‌ها: اندازه‌گیری سطح آب آشامیدنی یا پساب.
• نیروگاه‌ها: کنترل سطح آب در بویلرها، تانک‌های خنک‌کننده و کندانسورها.

نکات کلیدی در انتخاب سنسور فشار سطح‌سنج:

• انتخاب متریال مقاوم: فولاد ضد زنگ یا آلیاژهای خاص برای سیالات خورنده.
• دقت اندازه‌گیری: برای کاربردهای دقیق دارویی یا آزمایشگاهی باید از سنسورهایی با دقت ±0.1% FS استفاده کرد.
• تحمل دما و فشار بالا: در فرآیندهای حرارتی باید سنسور ویژه دماهای بالا انتخاب شود.
• کلاس حفاظتی مناسب: حداقل IP65 برای محیط‌های صنعتی مرطوب و پرگرد و غبار.
• قابلیت کالیبراسیون: برای افزایش دقت و کاهش خطا در طول زمان.

مزایای سنسور فشار نسبت به سایر روش‌ها:

جمع‌بندی:

استفاده از سنسور فشار در کنترل سطح مخازن یکی از روش‌های قابل اعتماد، اقتصادی و کارآمد در صنایع مختلف محسوب می‌شود. این سنسورها با محاسبه فشار هیدرواستاتیک، سطح سیال را به‌طور دقیق تعیین کرده و امکان اتصال آسان به سیستم‌های کنترلی را فراهم می‌کنند. انتخاب درست نوع سنسور، توجه به شرایط فرآیندی، نصب اصولی و کالیبراسیون صحیح می‌تواند دقت سیستم را افزایش داده، هزینه‌های نگهداری را کاهش دهد و ایمنی فرآیند را تضمین کند.

✅ نتیجه نهایی: سنسور فشار نه تنها ابزاری ساده برای اندازه‌گیری فشار است، بلکه به‌عنوان یک سطح‌سنج دقیق و اقتصادی در خطوط تولید مدرن جایگاهی کلیدی دارد.

برای خواندن مقاله سنسور فشار کلیک کنید.