Seviye sensörü

Seviye sensörleri, sıvıların ve sıvılaştırılmış katıların, bulamaçların, tanecikli malzemelerin ve üstünde serbest yüzeyli tozlar dahil olmak üzere sıvılaştırılmış katıların seviyesini algılar. Akan maddeler, yerçekimi nedeniyle kaplarında (veya diğer fiziksel sınırlarda) esasen yatay hale gelirken, çoğu dökme katı, bir tepe noktasına bir durma açısında yığılır. Ölçülecek madde bir kabın içinde olabilir veya doğal halinde olabilir (örneğin nehir veya göl). Seviye ölçümü sürekli veya noktasal değerler olabilir. Sürekli seviye sensörleri, belirli bir aralıktaki seviyeyi ölçer ve belirli bir yerdeki tam madde miktarını belirlerken, nokta seviye sensörleri yalnızca maddenin algılama noktasının üstünde mi yoksa altında mı olduğunu gösterir. Genellikle ikincisi, aşırı yüksek veya alçak seviyeleri tespit eder.

Endüstriyel ve ticari prosesler için en uygun seviye izleme yönteminin seçimini etkileyen birçok fiziksel ve uygulama değişkeni vardır.^[1]

Seçim kriterleri şunları içerir: faz (sıvı, katı veya bulamaç), sıcaklık, basınç veya vakum, kimya, ortamın dielektrik sabiti, ortamın yoğunluğu (özgül ağırlık), ajitasyon (eylem), akustik veya elektriksel gürültü, titreşim, mekanik şok, tank veya kutu boyutu ve şekli. Ayrıca uygulama kısıtlamaları da önemlidir: fiyat, doğruluk, görünüm, yanıt oranı, kalibrasyon veya programlama kolaylığı, cihazın fiziksel boyutu ve montajı, sürekli veya ayrık (nokta) seviyelerin izlenmesi veya kontrolü. Kısacası, seviye sensörleri çok önemli sensörlerden biridir ve çeşitli tüketici/endüstriyel uygulamalarda çok önemli rol oynar. Diğer sensör türlerinde olduğu gibi, seviye sensörleri de mevcuttur veya çeşitli algılama ilkeleri kullanılarak tasarlanabilir. Uygulama gereksinimlerine uygun bir sensör tipinin seçilmesi çok önemlidir.

Katıların sınır seviyesinde tespiti için çeşitli sensörler vardır. Bunlar titreşimli, döner kürekli, mekanik (diyafram), mikrodalga (radar), kapasitans, optik, darbeli-ultrasonik ve ultrasonik seviye sensörleridir.

Bunlar, çok ince tozların (yığın yoğunluğu: 0,02–0,2 g/cm³), ince tozların (yığın yoğunluğu: 0,2–0,5 g/cm³) ve taneli katılar (yığın yoğunluğu: 0,5 g/cm³ veya daha fazlası) seviyelerini tespit eder. Doğru titreşim frekansı seçimi ve uygun hassasiyet ayarları ile yüksek derecede akışkanlaştırılmış tozların ve elektrostatik malzemelerin seviyesini de algılayabilirler.

Tek-problu titreşimli seviye sensörleri, toplu toz seviyesi için idealdir. Yalnızca bir algılama elemanı tozla temas ettiğinden, iki prob elemanı arasındaki köprüleme ortadan kalkar ve ortam birikmesi en aza indirilir. Probun titreşimi, prob elemanı üzerinde malzeme birikmesini ortadan kaldırır. Titreşimli seviye sensörleri tozdan, dielektrik tozlardan dolayı oluşan statik yük veya iletkenlik, sıcaklık, basınç, nem veya nemdeki değişikliklerden etkilenmez. Ayarlı-çatal tarzı titreşim sensörleri başka bir seçenektir. Daha ucuzdur, ancak dişleri arasında malzeme birikebilir.

Döner kürekli seviye sensörleri, dökme katı nokta seviye göstergesinin eski bir tekniğidir. Bu teknikte bir çarkı döndüren düşük hızlı bir dişli motor kullanılır. Kürek katı maddeler tarafından durdurulduğunda, motora takılı flanş mekanik bir anahtarla temas edinceye kadar motor kendi torkuyla milinde döndürülür. Kürek çeşitli malzemelerden yapılabilir ancak kürekte yapışkan malzeme birikmesine izin verilmemelidir. Haznedeki yüksek nem seviyesi veya yüksek ortam nemi nedeniyle proses malzemesi yapışkan hale gelirse birikme olabilir. Perlit, Bentonit veya uçucu kül gibi birim hacim ağırlığı çok az olan malzemelerde özel kürek tasarımı ve az torklu motorlar kullanılır. Küreğin hazneye veya hazneye uygun şekilde yerleştirilmesi ve uygun contaların kullanılmasıyla ince parçacıkların veya tozun mil yataklarına ve motora girmesi önlenmelidir.

RF admittans seviye sensörü, admittans'deki değişikliği ölçmek için çubuk prob ve RF kaynağı kullanır. Prob, değişen kablo kapasitansının toprağa olan etkilerini yok etmek için korumalı bir koaksiyel kablodan geçirilir. Prob etrafındaki seviye değiştiğinde, dielektrikte karşılık gelen bir değişiklik gözlenir. Bu, eksik kapasitörün admittansını değiştirir ve böylece bu değişiklik seviye değişikliğini belirlemek için ölçülür.^[2]

Sıvılarda sınır seviyesinin belirlenmesinde, manyetik ve mekanik şamandıralar, basınç sensörleri, elektro iletken algılama veya elektrostatik (kapasitans veya endüktans) dedektörler ve elektromanyetik (manyetostriktif gibi), ultrasonik, radar veya optik sensörler aracılığıyla sinyalin sıvı yüzeyine uçuş süresinin ölçülmesi kullanılır.^[3][4]

Manyetik, mekanik, kablo ve diğer şamandıralı seviye sensörlerinin arkasındaki prensip, genellikle mekanik bir anahtarın, elektrik anahtarıyla doğrudan temasıyla veya bir dilin manyetik çalışmasıyla açılması veya kapanmasını içerir. Manyetostriktif sensörler gibi diğerlerinde, şamandıra prensibiyle sürekli izleme mümkündür.

Manyetik şamandıra sensörleriyle, bir şamandıranın içine kapatılmış sabit bir mıknatıs çalıştırma seviyesine yükseldiğinde veya alçaldığında anahtarlama gerçekleşir. Mekanik şamandıra ile şamandıranın minyatür (mikro) bir elektrik anahtarına karşı hareketinin sonucunda anahtarlama olur.

Hem manyetik hem de mekanik şamandıra seviye sensörleri için kimyasal uyumluluk, sıcaklık, özgül ağırlık (yoğunluk), kaldırma kuvveti ve viskozite, gövde ve şamandıra seçimini etkiler. Örneğin, kaldırma kuvvetini korurken özgül ağırlıkları 0,5 kadar az sıvılarda daha büyük şamandıralar kullanılabilir. Şamandıra malzemesi seçimi aynı zamanda özgül ağırlık ve viskozitede sıcaklığa bağlı değişikliklerden de etkilenir - bunlar kaldırma kuvvetini doğrudan etkileyen değişikliklerdir.^[5]

Şamandıra tipi sensörler, şamandıranın kendisini türbülans ve dalga hareketinden koruyan bir kalkan olacak şekilde tasarlanabilir. Şamandıra sensörleri, aşındırıcılar da dahil olmak üzere çok çeşitli sıvılarda iyi çalışır. Bununla birlikte, organik çözücüler için kullanıldığında, bu sıvıların sensörü oluşturmak için kullanılan malzemelerle kimyasal olarak uyumlu olduğunun doğrulanması gerekecektir.

Şamandıra tipi sensörler, çok koyu sıvılar, çamurlar veya gövdeye veya şamandıraya yapışan sıvılar veya metal talaşları gibi kirletici maddeleri olan malzemelerle kullanılmamalıdır; diğer algılama teknolojileri bu uygulamalar için daha uygundur.

Şamandıralı tip sensörlerin özel bir uygulaması, yağ-su ayırma sistemlerinde arayüz seviyesinin belirlenmesidir. Bir yandan yağın, diğer yandan suyun özgül ağırlığına uyacak şekilde boyutlandırılmış iki şamandıra kullanılabilir. Mil tipi şamandıralı anahtarın diğer bir özel uygulaması, çok parametreli bir sensör oluşturmak için sıcaklık veya basınç sensörlerinin kurulmasıdır. Manyetik şamandıralı şalterler, basitlik, güvenilirlik ve ucuzluğundan dolayı popülerdir.

Manyetik algılamanın bir çeşidi, mekanik göstergenin göstergelerinin manyetik algılamasını kullanan "Hall etkisi" sensörüdür. Tipik uygulamada, manyetizmaya duyarlı "Hall etkisi sensörü", gösterge iğnesinin gösterge konumunu saptamak için mıknatıslanmış bir gösterge iğneli mekanik tank göstergesine yapıştırılır. Manyetik sensör, diğer (genellikle uzak) gösterge veya sinyallere izin vererek gösterge iğnesinin konumunu elektrik sinyaline çevirir.^[3]

Pnömatik seviye sensörleri tehlikeli koşulların olduğu, elektriğin olmadığı veya kullanımının kısıtlandığı yerlerde veya ağır çamur veya bulamaçlı uygulamalarda kullanılır.

Anahtarı hareket ettirmek için bir hava sütununun bir diyaframa karşı sıkıştırılması prensibi kullanıldığından, hiçbir proses sıvısı sensörün hareketli parçalar ile temas etmez.

Bu sensörler, gres gibi çok koyu sıvıların yanı sıra su bazlı ve aşındırıcı sıvılarla da kullanılabilir. Bunun, nokta düzeyinde izleme için nispeten ucuz bir teknik olma gibi ek faydası vardır.

Bu tekniğin bir çeşidi, hava basıncı borunun altından hava kabarcıklarını atacak kadar yükselip oradaki basıncın üstesinden geldiği için basınç artışı durana kadar havayı tankın dibindeki bir boruda sıkıştıran "bubbler" dır. Sabit hava basıncının ölçümü, tankın altındaki basıncı ve dolayısıyla yukarıdaki sıvının kütlesini gösterir.^{[3][4][6][7][8][9]}

İletken seviye sensörleri, su gibi çok çeşitli iletken sıvıların sınır seviye tespiti için idealdir. Özellikle kostik soda, hidroklorik asit, nitrik asit, ferrik klorür ve benzeri sıvılar gibi oldukça aşındırıcı sıvılar için uygundur. Aşındırıcı iletken sıvılar için sensörün elektrotlarının titanyum, Hastelloy B veya C veya 316 paslanmaz çelikten yapılması ve seramik, polietilen ve teflon malzemelerden aralayıcılar, ayırıcılar veya tutucular ile yalıtılması gerekir. Tasarımlarına bağlı olarak, bir tutucu ile farklı uzunluklarda birden çok elektrot kullanılabilir.

Aşındırıcı sıvılar sıcaklık ve basınç arttıkça daha zararlı olduğundan, bu sensörleri seçerken aşırı ortam koşullarına dikkat edilmelidir.

İletken seviye sensörleri, ayrı elektrotlara uygulanan alçak voltajlı, akımla sınırlandırılmış güç kaynağı kullanır. Güç kaynağı, daha az iletken (daha yüksek dirençli) ortamlarda çalışacak şekilde tasarlanmış daha yüksek voltajlı çeşitlerle sıvının iletkenliğine ayarlanmıştır. Güç kaynağının yüksek-düşük veya değişken pompa kontrolü gibi bazı kumanda özellikleri vardır.

Hem en uzun prob (ortak) hem de daha kısa prob (dönüş) ile temas eden iletken sıvı, iletken devreyi tamamlar.

İletken sensörler, düşük voltaj ve akım kullandıkları için güvenlidir. Kullanılan akım ve voltaj doğası gereği az olduğundan, kişisel güvenlik nedenleriyle, teknik aynı zamanda tehlikeli konumlar için uluslararası standartları karşılayacak şekilde kendinden güvenli yapılabilir.

İletken problar, katı hal cihazları avantajlıdır. Kurulumu ve kullanımı çok basittir.

Bazı sıvılarda ve uygulamalarda bakım sorun olabilir. Prob iletken olmaya devam etmelidir. Birikme, probu ortamdan yalıtırsa, düzgün çalışmayı durdurur. Probun incelenmesi için şüpheli prob ve toprak referansı boyunca bağlacak bir ohmmetreye gerek vardır.

Genellikle çoğu su ve atık su kuyusunda, merdivenleri, pompaları ve diğer metal tesisatları ile kuyunun kendisi toprağa elektrik dönüşü sağlar. Ancak kimyasal madde tanklarında ve diğer topraklanmamış kuyularda, tesisatçının toprak dönüşü için bir topraklama çubuğu yerleştirmesi gerekir.

Mikroişlemci kontrollü frekans durum değişikliği algılama yöntemi, farklı uzunluklardaki çoklu sensör problarında üretilen düşük genlikli sinyali kullanır. Her probun dizideki diğer tüm problardan farklı frekansı vardır ve suya temas ettiğinde bağımsız olarak durum değiştirir. Her sondadaki frekansın durum değişikliği, çoklu su seviyesi kontrol işlevlerini yapan bir mikroişlemci tarafından izlenir.

Duruma bağlı frekans izlemenin iyi tarafı algılama problarının uzun vadeli kararlılığıdır. Sinyal gücü, kirlenmiş suda elektroliz nedeniyle sensörlerin kirlenmesine veya bozulmasına neden olması için yeterli değildir. Sensörü temizleme ihtiyacı azdır veya hiç yoktur.

Farklı uzunluklarda birden çok algılama çubuğunun kullanılması, kullanıcının çeşitli su yüksekliklerinde kontrol anahtarlarını sezgisel olarak ayarlamasına imkan verir.

Duruma bağlı frekans monitöründeki mikroişlemci, valfleri ve/veya büyük pompaları çok az güç tüketimiyle çalıştırılır. Mikroişlemciyi kullanarak karmaşık, uygulamaya özel işlevsellik sağlarken, küçük bir pakete birden çok anahtar kontrolu yerleştirilebilir. Kontrollerin az güç tüketimi, büyük ve küçük saha uygulamalarında tutarlıdır. Bu teknoloji, çok çeşitli sıvı uygulamalarında kullanılır.

Ultrasonik seviye sensörleri, çok viskoziteli sıvıların yanı sıra dökme katıların temassız seviye algılamasında kullanılır. Ayrıca pompa kumandası ve açık kanal debi ölçümü için su arıtmalarda çok kullanılır. Sensörler yüksek frekanslı (20 kHz - 200 kHz) akustik dalgalar yayar ve bu dalgalar yayan dönüştürücü tarafından geri yansıtılır ve algılanır.^[3]

Ultrasonik seviye sensörleri nem, sıcaklık ve basınç nedeniyle değişen ses hızından da etkilenir. Ölçüm doğruluğunu artırmak için seviye ölçümüne düzeltme faktörleri uygulanabilir.

Türbülans, köpük, buhar, kimyasal sisler (buharlar) ve proses malzemesinin konsantrasyonundaki değişiklikler de ultrasonik sensörün tepkisini etkiler. Türbülans ve köpük, ses dalgasının sensöre doğru şekilde yansımasını engeller; buhar ve kimyasal sisler ve buharlar ses dalgasını bozar veya emer; ve konsantrasyondaki değişiklikler, sensöre geri yansıyan ses dalgasındaki enerji miktarında değişikliklere neden olur. Bu faktörlerin neden olduğu hataları önlemek için durgunluk kuyuları ve dalga kılavuzları kullanılır.

Yansıyan sese en iyi tepkiyi vermek için dönüştürücünün uygun şekilde yerleştirilmesi gereklidir. Ayrıca çoğu modern sistem mühendislik değişikliklerini yapmak için yeterince "akıllı" yankı işlemeli olsa da, yanlış geri dönüşleri ve bunun sonucunda ortaya çıkan hatalı yanıtı azaltmak için hazne, hazne veya tankta yapılan kaynaklar, braket veya merdiven gibi engellerden arındırılmış olmalıdır. Bir izinsiz girişin, dönüştürücünün hedefe olan görüş hattını engellediği durumlar dışında gereksizdir. Ultrasonik dönüştürücü akustik enerjiyi hem iletmek hem de almak için kullanıldığından, "ringing" denilen mekanik titreşim dönemine tabidir. Yankılanan sinyalin işlenebilmesi için bu titreşimin zayıflaması gerekir. Net sonuç, dönüştürücünün kör olan ve nesneyi algılayamayan yüzünden olan mesafedir. Dönüştürücünün algılama menziline bağlı olarak, genelde 150 mm ila 1 m 150 mm arasında olan bu mesafeye "boşluk bölgesi" denilir.

Elektronik sinyal işleme devresi gereksinimi ultrasonik sensörü akıllı cihaz yapmak için kullanılabilir. Ultrasonik sensörler, sınır seviye kontrolü, sürekli izleme veya her ikisini birden sağlayacak şekilde tasarlanabilir. Mikroişlemci varlığı ve az güç tüketmesi nedenleriyle diğer bilgi işlem cihazlarıyla seri iletişim yeteneği de vardır. Bu yüzden sensör sinyalinin, uzaktan kablosuz izlemenin veya fabrika ağ iletişimlerinin kalibrasyonunda ve filtrelenmesinde iyidir. Ultrasonik sensör ucuzluğu ve işlevselliği nedenleriyle popülerdir.

Kapasitans seviye sensörleri çeşitli katıların, sulu ve organik sıvıların ve bulamaçların varlığını algılamada mükemmeldir.^[10] Tekniğe, kapasitans devresine radyo frekansı sinyalleri uygulandığı için RF tekniği denir.

Sensörler, 1,1 (kok ve uçucu kül) kadar düşük ve 88 (su) veya daha yüksek dielektrik sabit'li olan malzemeleri algılamak üzere tasarlanabilir. Kurutulmuş çamur keki ve kanalizasyon bulamacı (dielektrik sabiti yaklaşık 50) gibi çamurlar ve sönmemiş kireç (dielektrik sabiti yaklaşık 90) gibi sıvı kimyasalları da algılanabilir.^[3]

Çift problu kapasitans seviye sensörleri "yağ-su arayüzü" uygulaması için yukarıda bahsedilen manyetik şamandıra anahtarına bir katı hal alternatifi sağlayarak, çok farklı dielektrik sabitli iki karışmaz sıvı arasındaki arayüzü algılamak için de kullanılabilir.

Kapasitans seviye sensörleri elektronik cihazlar olduğundan, faz modülasyonu ve daha yüksek frekansların kullanılması, sensörü dielektrik sabitlerinin benzer olduğu uygulamalar için uygun yapar.

Sensör hareketli parça içermez, sağlamdır, kullanımı ve temizlemesi kolaydır ve yüksek sıcaklık ve basınç uygulamaları için tasarlanabilir. Düşük dielektrik malzemelerin sürtünmesi ve hareketinden kaynaklanan yüksek voltajlı statik yük birikmesi ve boşalması tehlikesi vardır ama bu tehlike uygun tasarım ve topraklama ile ortadan kaldırılabilir.

Uygun prob malzemesi seçimi, aşınma ve korozyonun neden olduğu sorunları azaltır veya ortadan kaldırır. Yapıştırıcıların ve yağ ve gres gibi yüksek viskoziteli malzemelerin nokta düzeyinde algılanması, prob üzerinde malzeme birikmesine neden olabilir Ancak bu, kendi kendini ayarlayan bir sensör kullanılarak azaltılabilir. Köpürmeye eğilimli sıvılar ve sıçramaya veya türbülansa eğilimli uygulamalar için kapasitans seviye sensörleri, diğer cihazların yanı sıra sıçrama koruyucuları veya dinlendirme kuyuları ile tasarlanabilir.

Kapasitans probları için önemli bir sınırlama, dökme katıları depolamada kullanılan uzun kutulardır. Ölçülen aralığın altına kadar uzanan iletken bir sonda gerekliliği sorunludur. Silo veya siloya asılan uzun iletken kablo probları (20 ila 50 metre uzunluğunda), silodaki dökme tozun ağırlığı ve kabloya uygulanan sürtünme nedeniyle muazzam mekanik gerilime maruz kalır. Bu tür kurulumlar sıklıkla kablo kırılmasına neden olur.