نکات مهم درباره سنسور فشار هیدرواستاتیک (نگهداری و خرید)

برای اندازه گیری سطح و ارتفاع مایعات در مخازن با استفاده از فشار هیدرواستاتیک ستون مایع از سنسور فشار هیدرواستاتیک یا غوطه ور استفاده می شود. یکی از پرکاربرد ترین و ارزان‌ترین سنسورهای سطح موجود در بازار، سنسور فشار هیدرواستاتیک است. نصب آن ساده است، نیازمند هیچ تنظیمی نیست (به جز مشخصات بازه فول‌اسکیل در زمان خرید)، جریان خیلی کمی می‌کشد و در برابر چندین متغیر کاربرد ایمن است که معمولا دیگر تکنولوژی‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهد. در این مقاله به سوالات و نکات مهم درباره خرید و نگهداری سنسور فشار هیدرواستاتیک می پردازیم. لازم به ذکر است این مقاله به مرور تکمیل خواهد شد.

سنسور فشار هیدرواستاتیک چگونه کار می‌کند؟

سنسور فشار هیدرواستاتیک (سنسور فشار غوطه‌ور)، در انتهای مخزن یا چاه می‌نشیند و با شناسایی فشار وارده توسط حجم مایع بالای آن، سطح آب را می‌سنجد. این مقدار بر اساس ابعاد مخزن یا چاه و گرانش خاص مایع اندازه‌گیری شده، به یک مقدار سطح تبدیل می‌شود. در این مورد، گرانش خاص یک است چون مایع آب است.

سطح خوانده شده توسط سنسور سطح، یک سیگنال ۴-۲۰ mA به کنترلر ارسال می‌کند. دو نقطه‌ی انتهای مقیاس ۴-۲۰ mA کالیبره شده‌اند تا اندازه‌گیری دقیق و درستی انجام پذیرد. این کار با تنظیم ۴mA روی ۰ psi و ۲۰mA روی حداکثر psi عملی می‌شود.

فشار در آب تقریبا ثابت (یا همان فشار هیدرواستاتیک) با ضرب کردن چگالی آب در گرانش و فاصله بین نقطه مورد نظر و سطح آب (P=ρgh) محاسبه می‌شود. این معادله را به سادگی می‌توان معکوس کرد تا فاصله یا عمق (h=P/ρg) را به دست آوریم. و از آنجایی که چگالی و گرانش برای آب ثابت هستند، مقدار اندازه‌گیری‌شده توسط سنسور فشار ما، به سرعت و با دقت بالا به اندازه‌گیری سطح تبدیل می‌شود (۲٫۳۱ شماره‌ی جادویی است که PSI را به فوت تبدیل می‌کند).

کالیبره کردن برای عمق چاه

بیایید تصور کنیم که شما چاه آب با عمق ۳۰ متر دارید. شما نیاز دارید که سیگنال، در ۳۰ متر، ۲۰mA را خروجی کند. اما از آنجایی که سنسور فشار را با واحد psi می‌سنجد، باید این فشار را به سطح تبدیل کنید. برای انجام این کار، عمق آب را به واحد اینچ در اینچ آب به نسبت psi مقدار ۰٫۰۳۶۰۶۳ ضرب می‌کند. تبدیل به این شکل انجام می‌شود:

۱۰۰ ft. X 12 in. = 1200 in.
۱۲۰۰ in. X 0.36063 = 43.276 psi

پس سنسور سطح آب به شکلی کالیبره می‌شود که وقتی ۴۳٫۲۷۶ psi را خواند، سیگنال ۲۰mA را خروجی کند، که در این مثال یعنی سطح آب ۱۰۰ فوت است.

طول کابل

موقع حفاری چاه، ممکن است مقداری طول بکشد تا به آب برسید. به همین دلیل است که برخی از چاه‌ها تا این حد عمیق هستند. بنابراین وقتی که می‌خواهید در چاه‌ها سنسور سطح آب نصب کنید، ممکن است به کابلی بسیار طولانی نیاز داشته باشید.

این مساله مشکلی برای سیگنال ایجاد نمی‌کند، چون از سیگنال ۴-۲۰mA استفاده می‌شود. سیگنال‌های تقویت شده می‌توانند با کابل‌هایی با طول بیش از چند هزار فوت هم منتقل شوند.
از طرفی، این‌ها یعنی این کابل باید با سیمی مقاوم و دارای حالت کششی تقویت شود. می‌تواند مستقیماً به پوشش سنسور سطح آب متصل شود و برای بالا رفتن یا پایین رفتن در چاه مورد استفاده قرار گیرد.

در مقاله کابل برای سنسور فشار غوطه ور (آشنایی با انواع مختلف) می توانید با کابل های سنسورهای غوطه ور آشنا شوید.

چطور از سنسور فشار هیدرواستاتیک در برابر الکترولیز محافظت کنم؟

الکترولیز (یا برق‌کافت) یک واکنش شیمیایی در جریان موجود در مایع شماست. این واکنش، نتیجه‌ی ناخواسته یک حلقه زمین (ground loop) است؛ زمانی است که چندین نقطه اتصال زمین، پتانسیل الکتریکی متفاوتی داشته باشند و جریانی در بین آن‌ها جاری شود. برای از بین بردن الکترولیز، دو گزینه پیش روی شماست:

• عدم استفاده از حلقه زمین
• استفاده از متریالی پلاستیکی، به جای فلزی

برای پرهیز از حلقه زمین باید اطمینان حاصل کنیم که سنسور شما تنها به یک نقطه اتصال زمین متصل باشد. احتمالا الکترولیز به این دلیل رخ می‌دهد که سنسور غوطه‌ور به مایع پیرامونش، اتصال زمین شده است و جریان از پوشش سنسور به نزدیک‌ترین نقطه اتصال زمین جاری می‌شود. در چنین حالتی تنها کافی است که سیم ارت سنسور را از ترمینال سیم‌کشی داخل جعبه کنترل قطع کنید.

چطور از دیافراگم سنسور فشار غوطه ور محافظت کنیم؟

دو گزینه مناسب برای محافظت از دیافراگم داریم:

• دماغه مخروطی (Nose Cone)
• قفس (Cage)

معمولا دماغه مخروطی کافی است. البته در شرایط محیطی پرتلاطم و جریان بالا با جامدات معلق، قفس توصیه می‌شود.

لوله ونت (vent tube) چیست و چرا مهم است؟

لوله ونت یا لوله تهویه، جزئی از کابل سنسور فشار هیدرواستاتیک ونتد (psig) است که محفظه پشت دیافراگم را در معرض فشار اتمسفریک قرار می‌دهد (یا ونت می‌کند). این مساله برای کارکرد و درستی عملکرد سنسور حیاتی است. نقطه مرجع سنسور، فشار اتمسفریک است، یعنی به شکل خودکار با تغییرات فشار اتمسفریک (بارومتریک) تنظیم می‌شود – یا به شما می‌گوید که علاوه بر فشار اتمسفریک، چه مقدار فشار به سنسور وارد شده است.

مهم است که لوله ونت را هم خشک نگه داشته و هم مانعی سر راه آن نباشد. برای خشک نگه داشتن لوله، دو گزینه را ارائه می شود:

• کارتریج خشک‌کننده
• درب ونت قابل تنفس هیدروفوبیک (آب‌گریز)

اطمینان حاصل کنید که یکی از این دو مورد روی لوله ونت شما نصب باشد تا از قطعات الکترونیکی محافظت شود.

وجود مانع یا شی ناخواسته در این لوله، ضرر دارد. اگر سنسور به خوبی ونت نشود (تهویه نشود)، صحت و درستی سنسور افت می‌کند، چون فشار اتمسفر تاثیر متفاوتی بر عملکرد دیافراگم سنسور خواهد گذاشت.

مهر و موم کردن این لوله، مرجع سنسور را به یک فشار تغییر می‌دهد و در نتیجه در برابر تغییرات ارتفاع و آب و هوا آسیب‌پذیر خواهد بود. سنسورهای فشار غوطه‌ور معمولا ابزار اندازه‌گیری فشار در محیط‌های کم‌فشار هستند و این تغییرات کوچک در اتمسفر می‌تواند تاثیری قابل توجه روی مقادیر خوانده شده داشته باشد.

آیا تغییرات چگالی، سنسور فشار غوطه‌ور شما را دچار مشکل می‌کند؟

این سنسورها یک پاشنه‌ی آشیل دارند. برای اندازه‌گیری دقیق، به جاذبه یا چگالی وابسته هستند. خب اینکه ساده است! فقط کافی است آن را نیز با مشخصات تولیدکننده هماهنگ کنید. این کار معمولا کافی است. اما نه همیشه.

چگالی چطور تغییر می‌کند

دو عامل وجود دارد که می‌تواند باعث تغییر چگالی در مایع شود: دما و فشار. کنترل کردن این دو متغیر برای حفظ چگالی ،کلیدی است.

چگالی بسیاری از مایعات در دمای اتاق و دمای محیط، پایدار است. اما برخی مایعات نیازمند کنترل دقیق شرایط محیطی هستند تا چگالی ویژه‌ی آن‌ها تثبیت شود.

همچنین زمانی که دو مایع با چگالی مختلف در یک مخزن یکسان نگهداری می‌شوند یا زمانی که مایعات طبیعتاً ناسازگار هستند، چگالی تغییر می‌کند.

شاید تعویض سنسورها بهترین راه باشد

برخی مایعات به سادگی تغییر چگالی می‌دهند. به این مایعات، مایعات فرار گفته می‌شود. برخی مایعات چگالی نامشخصی دارند یا چگالی آن‌ها تخمین زده می‌شود. نفت خام یک مثال عالی برای مایعی طبیعی است که چگالی آن به شدت متغیر است.

وقتی که بخواهید سطح یکی از این مایعات را اندازه‌گیری کنید، باید از یک تجهیزی به جز سنسور فشار استفاده کنید. اگر ستون هوا بالای مایع باز باشد، بهترین گزینه یک سنسور فراصوت (التراسونیک) است. اگر مایعی بخاری یا کف‌دار باشد، تکنولوژی مبتنی بر شناور احتمالا بهترین گزینه است، همچون magnetostrictive level probe.

سنسورهای رادار شاید انتخاب بهتری باشد وقتی که با دیگر متغیرهایی همچون دمای بالا یا فواصل طولانی سروکار دارید. اما هزینه‌ی آن‌ها بسیار بالا است و معمولا می‌توان از آن‌ها دوری کرد.

مگر آنکه دقت بالا مهم نباشد

اگر تنها انتظار می‌رود که تغییراتی کوچک در چگالی رخ بدهد و دقت و درستی، اولویت اول شما نیست، در این حالت استفاده از سنسور فشار غوطه‌ور احتمالا انتخاب خوبی است. دقت و درستی با تغییر چگالی، ارتباطی مستقیم دارد. اگر این تغییر جزئی است، تغییر در دقت احتمالا قابل چشم‌پوشی است.

همه با این مشکل روبرو نمی شوند

تغییر در جاذبه می‌تواند برای سنسورهای فشار مشکل‌زا باشد، اما در اکثر کاربردها، به مشکل منجر نمی‌شود. اگر در گذشته مشکلی با این مساله نداشتید، احتمالا در آینده نیز نیازی نیست که نگران آن باشید.

مهم‌ترین مساله این است که با کاربرد مورد نظر خود آشنایی داشته باشید و بدانید که مایع شما چطور به تغییرات محیط زیست و شیمیایی واکنش نشان می‌دهد، تغییراتی که در شرایط روتین و شرایط خطادار رخ می‌دهد. در این حالت، می‌توانید در مورد سنسورهای سطح و کنترل، تصمیماتی عالی بگیرید.