أنواع أجهزة قياس المستوى: المبادئ، والميزات، ودليل الاختيار

يُستخدم قياس المستوى على نطاق واسع في مجالات متعددة، منها: المعالجة الكيميائية، ومعالجة المياه، وإنتاج الأغذية والمشروبات، والصناعات الدوائية، وإدارة المياه في القطاع الزراعي، والتعدين، ونُظم التخزين، والأتمتة الصناعية. تتطلب الظروف المختلفة استخدام تقنيات قياس متنوعة، وذلك اعتمادًا على نوع الوسط، وبنية الخزان، ودرجة الحرارة، والضغط، وبيئة التركيب.

تشمل التقنيات الشائعة: قياس المستوى بالضغط الهيدروستاتيكي، وتقنية الموجات فوق الصوتية، وتقنية العوامة، وتقنية الرادار، وتقنية قبول الترددات الراديوية (RF)، وتقنية قياس المستوى بالقدرة. ولا توجد تقنية واحدة تناسب جميع التطبيقات، لذا يجب أن يُؤخذ في الاعتبار عند اختيار التقنية المناسبة: ظروف العملية، ونطاق القياس، ومتطلبات التركيب، وطبيعة إشارة المخرجات، ومتطلبات الصيانة.

1. قياس المستوى بالضغط الهيدروستاتيكي

يعتمد قياس المستوى بالضغط الهيدروستاتيكي على الضغط الناتج عن عمود السائل لتحديد مستوى السائل.عندما يظل كثافة السائل مستقرًا نسبيًا، فإن زيادة ارتفاع السائل تؤدي إلى زيادة متناسبة في الضغط الهيدروستاتيكي.

مبدأ القياس البسيط

مناسب لقياس مستمر لمستوى السوائل.

التطبيقات النموذجية

خزانات المياه، والخزانات التجميعية، والآبار، وأنظمة التخزين الصناعية.

استقرار العملية

لا تؤثر الرغوة والبخار والاضطرابات السطحية بشكل مباشر على قياس الضغط.

تكامل الأنظمة

النماذج الصناعية قد توفر 4-20mA أو RS485 المخرجات.

يُتأثر القياس الهيدروستاتيكي بكثافة السائل. إذا تغيرت الكثافة تغيرًا ملحوظًا نتيجةً لدرجة الحرارة، أو التركيز، أو تركيبة العملية، قد يتغير المستوى المحسوب أيضًا. بالنسبة للخزانات المغلقة ذات الضغط، قد يتطلب الأمر تعويضًا لضغط الطور الغازي أو قياسًا للضغط التفاضلي.

: 2. قياس مستوى بالموجات فوق الصوتية

تُعدّ أجهزة إرسال مستويات بالموجات فوق الصوتية أجهزةً لا تعتمد على التلامس في معظم الأحيان. يُصدر المستشعر نبضةً فوق صوتيةً باتجاه سطح السائل أو الصلب، ثم يقيس زمن انتقال الإشارة المنعكسة. ثم يُحوَّل المسافة المُقاسة إلى مستوى وفقًا لارتفاع المرجع الخاص بالتركيب.

قياس بدون تلامس |

لا يبقى المستشعر في حالة تلامس مباشر مع وسط العملية في الظروف العادية.

تطبيقات السوائل وبعض المواد الصلبة

مناسبة للخزانات والأحواض وأنظمة مياه الصرف الصحي والقنوات المفتوحة وبعض المواد الصلبة السائبة.

تركيب بسيط نسبيًا

يُعدّ هذا الجهاز مناسبًا تمامًا للتطبيقات التي تعمل تحت ضغط جوي، في ظل ظروف هوائية مستقرة.

تكامل أتمتة

يمكن ربطه بأجهزة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC s)، وأجهزة RTUs، وأجهزة تسجيل البيانات، وأنظمة المراقبة عن بُعد.

نظرًا لأن الإشارات فوق الصوتية تنتقل عبر الفراغ الغازي فوق العملية، قد تؤثر التغيرات في درجة الحرارة، والبخار، وال رغوة، وتدفق الهواء القوي، والغبار، وعدم انتظام سطح السطح، والعوائق الداخلية، على استقرار القياس.

3. قياس مستوى العوامة

تستفيد أجهزة قياس مستوى السوائل من قوة الطفو لتتبع التغيرات في مستوى السائل. عندما يرتفع السائل أو ينخفض، يتحرك العائم وفقًا لذلك، ويتم تحويل هذا الوضع إلى إشارة مستوى باستخدام اقتران مغناطيسي. الربط الميكانيكي، أو مفاتيح الريد، أو غيرها من طرق الاستشعار.

مبدأ ميكانيكي مباشر.

يُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات قياس مستوى السوائل التقليدية.

لا يعتمد على ثابت عازل كهربائي.

مناسب للعديد من أنواع السوائل القياسية.

يتيح قياسًا точным (نقطةً) أو قياسًا مستمرًا.

يمكن استخدامه في مفاتيح تحديد المستوى أو في عرض مستمر لمستوى السائل.

نظرًا لأن العنصر العائم يكون في تلامس مباشر مع الوسط، فإن ذلك يُعرّضه لظواهر مثل اللزوجة، والتآكل، والمواد الصلبة. يجب أخذ عملية تبلور الرواسب، ووجود هذه الرواسب، ومساحة الحركة المتاحة في الاعتبار. قد تُقيّد وسائط ذات لزوجة عالية أو وسائط مُتسببة في تراكم الرواسب حركة الأجسام العائمة.

: قياس مستوى باستخدام الرادار.

: تستخدم أجهزة إرسال قياس المستوى بالرادار موجات كهرومغناطيسية ذات تردد عالٍ لإجراء قياسات مستوى دون استخدام تلامس. تُصدر الهوائي إشارة رادار باتجاه سطح العملية، ويتم تحليل الإشارة المنعكسة لحساب مستوى السائل أو الصلب الفعلي.

– قياس غير تلامسي

مناسب لكل من السوائل والأجسام الصلبة الضخمة.

: مناسب للظروف الأكثر صرامة.

: بشكل عام، يكون أقل حساسية مقارنةً بالقياس بالموجات فوق الصوتية تجاه التغيرات في درجة الحرارة والضغط وكمية البخار.

: لا يحتوي على أجزاء ميكانيكية متحركة.

: مناسب للقياس المستمر على مدى طويل.

: نطاق تطبيق واسع.

: يُستخدم في خزانات، وأبراج تخزين، ومعالجة المياه، والعمليات الكيميائية، وتطبيقات التعدين.

لا تزال الانعكاسات الرادارية تتأثر بالثابت العازل، وموضع التركيب، هندسة الخزان والارتدادات غير المرغوب فيها. قد تتطلب الوسائط ذات الثابت العازل المنخفض أو الأوعية المعقدة اختيارًا دقيقًا لتردد الرادار وتصميم الهوائي وموضع التركيب.

5. قياس مستوى الموصليّة الكهرومغناطيسية

تكتشف أجهزة قياس المستوى بالموصلية الكهرومغناطيسية التغيرات في الخصائص الكهربائية بين المجس والوعاء. عادةً ما تستخدم مسبارًا للاستشعار بالاتصال، ويمكن تطبيقها على السوائل والمعاجين والمساحيق والمواد الحبيبية.

أنواع متعددة من الوسائط

مناسب للسوائل، والمعاجين، والمساحيق، والحبيبات.

كشف مستوى نقطة

يُستخدم هذا الجهاز على نطاق واسع في أنظمة الإنذار من المستويين العالي والمنخفض.

: قابل للتطبيق على بعض وسائط الطلاء.

: وبفضل تصميمٍ مناسب، يمكنه تحمل ظروفٍ معيّنةٍ تتعلق بالطلاء أو تراكم المواد.

: قد يتأثر قياس التماسية في التردد الراديوي بالخصائص الكهربائية للوسيط. هندسة طلاء المجس وتركيبه يجب معايرة وتأكيد الأجهزة التي تشهد تغيرات كبيرة في خاصية العزل الكهربائي أو تراكمًا شديدًا للشحنات الكهربائية، وذلك في ظل ظروف عملية فعلية.

– 6. قياس مستوى باستخدام السعة الكهربائية

تقيس أجهزة قياس السعة الكهربائية التغيرات في السعة الكهربائية عند دخول مادة ما إلى منطقة الاستشعار الواقعة بين المجس والمعدِّد المرجعي. يؤثر ثابت العزل الكهربائي لوسيط العملية تأثيرًا مباشرًا على استجابة السعة.

: سوائل وأحجام صلبة مختارة؛

: مناسب لمختلف أنواع السوائل والحبوب والمواد الحبيبية؛

: بنية مدمجة؛

: مفيد للوعاءات والمعدات الصغيرة ذات المساحة المحدودة؛

: يتيح قياسًا مستمرًا أو عند نقطة محددة؛

: يمكن تهيئته لكشف مستوى مستمر أو مستوى عند نقطة محددة.

يُعدّ قياس السعة حساسًا لكلٍ من ثابت العزل الكهربائي وتركيب المادة. تكوُّن المجس، ومستوى الرطوبة، وهندسة التركيب. قد تتطلب التغيرات الكبيرة في خصائص الوسط إعادة معايرة.

7.مقارنة تقنيات قياس المستوى الشائعة:

– التقنية المستخدمة؛	– نوع القياس؛	– وسائط الاستخدام النموذجية؛	– المزايا الرئيسية؛	– القيود الرئيسية؛
– قياس هيدروستاتيكي؛	– قياس بالتلامس؛	– قياس السوائل؛	– يتميز بالبساطة والاستقرار، ويُعدّ مناسبًا للاستخدامات في المياه العميقة؛	– يتأثر بكثافة السائل؛
– قياس بالموجات فوق الصوتية؛	– قياس غير تلامسي؛	– السوائل والمجالات المحددةالمواد الصلبة	: تركيب بسيط ولا يوجد تلامس مباشر مع العملية	: يتأثر بال رغوة، والبخار، ودرجة الحرارة، وتدفق الهواء
: يتحرك بالطفو	: تلامس مباشر	: السوائل	المبدأ المباشر، ولا يعتمد على ثابت عازل:	يمكن أن يتأثر الحركة الميكانيكية بالترسبات أو باللزوجة العالية؛
الرادار؛	غير تلامسي؛	السوائل والأجسام الصلبة؛	مناسب لظروف عمليات أكثر صرامة؛	يتطلب أخذ ثابت العزل في الاعتبار، بالإضافة إلى وجود صدى غير مرغوب فيه؛
موصلية التردد الراديوي؛	تلامسي؛	السوائل، والمواد المهروسة،البراودات والحبيبات \|	: مناسب للعديد من المواد الصناعية، ويُستخدم في الكشف عند مستوى النقطة \|	: يتأثر بتراكم المادة وخصائصها الكهربائية في الوسط \|
: نوع سعوي \|	: نوع تلامسي \|	: مناسب للسوائل والمواد الصلبة \|	: تركيب مدمج ومرن \|	: حساسٌ للثابت العازل ولطبقة غطاء المجس

8. كيفية اختيار تقنية قياس المستوى

خزانات المياه والصهاريج والآبار

يمكن اختيار القياس الهيدروستاتيكي أو بالموجات فوق الصوتية أو بالرادار، وذلك تبعًا لظروف التركيب وظروف العملية.

أنظمة مياه الصرف الصحي والمياه العادمة

يجب أخذ الرغوة والحمأة والتآكل والمواد العائمة في الاعتبار. يمكن تقييم الرادار في الظروف الأكثر صعوبة.

خزانات تخزين صناعية

يمكن استخدام القياس بالموجات فوق الصوتية أو الرادار أو القياس الهيدروستاتيكي للخزانات العاملة في الظروف الجوية العادية، بينما قد تتطلب العمليات ذات درجات الحرارة أو الضغوط الأعلى استخدام الرادار أو رادار الموجة الموجهة أو قياس الفرق في الضغط. صوامع المواد الصلبة السائبة

يمكن اختيار كاشف المستوى بالرادار أو بالموجات فوق الصوتية أو بالتوصيلية الراديوية أو بالسعة، وذلك وفقًا لخصائص الغبار والمدى وطبيعة المادة.

الأوعية الصغيرة والكشف على مستوى النقطة

قد تكون مفاتيح العوامة، أو المفاتيح السعوية، أو مفاتيح مستوى التوصيل بالترددات الراديوية مناسبة.

٩. المعلومات المطلوبة لاختيار جهاز المستوى:

– معلمة الاختيار؛	– المعلومات اللازمة للتأكيد؛
– وسط العملية	الطور: سائل، أو معلق، أو مسحوق، أو حبيبات؛ نوع القياس:
؛ نوع القياس: قياس مستمر أو إنذار عند مستوى محدد:	؛ نطاق القياس:
؛ الحد الأدنى والحد الأقصى للمستوى:	؛ خصائص الوسط:
؛ الكثافة، والثابت العازل، واللزوجة، والقدرة التآكلية:	؛ درجة حرارة العملية:
	درجة حرارة التشغيل الطبيعية والحد الأقصى
؛ ضغط العملية	؛ ظروف جوية (غلاف جوي، أو ضغط موجب، أو فراغ)
؛ الظروف البيئية	؛ البخار، أو الرغوة، أو الغبار، أو التكثف، أو الاهتزاز
؛ طريقة التركيب	؛ تركيب علوي، أو جانبي، أو غاطس، أو بالشفة
؛ إشارة الخرج	؛ 4-20mA، أو RS485، أو ريليه، أو مخرجات صناعية أخرى
؛ تكامل النظام	؛ وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)RTU، SCADA أو منصة إنترنت الأشياء:

– الأسئلة الشائعة؛

– السؤال الأول: أي تقنية لقياس المستوى تكون مناسبة لقياس مستوى الماء في الظروف العادية؟

A1: يمكن استخدام كل من أجهزة قياس مستوى بالوسيط الهيدرستاتيكي، والأجهزة فوق الصوتية، وأجهزة الرادار. ويُحدد الاختيار النهائي بناءً على مدى القياس، وظروف التركيب، وظروف العملية.

Q2: ما الفرق الرئيسي بين قياس مستوى باستخدام الموجات فوق الصوتية واستخدام الرادار؟

A2: تعتمد أجهزة قياس المستوى فوق الصوتية على موجات صوتية، في حين تعتمد أجهزة الرادار على موجات كهرومغناطيسية. وبشكل عام، فإن أجهزة الرادار تكون أقل حساسية تجاه التغيرات في درجة الحرارة والضغط وتركيز البخار.

Q3: هل يتأثر قياس المستوى الهيدروستاتيكي بكثافة السائل؟

A3: نعم. يُحسب مستوى السائل استنادًا إلى ضغط عمود السائل، وبالتالي قد تؤثر التغيرات الكبيرة في كثافة السائل على قيمة المستوى المحسوبة.

Q4: هل يمكن لأجهزة قياس المستوى بالرادار قياس المواد الصلبة الكتلية؟

A4: نعم، تُستخدم أجهزة قياس المستوى بالرادار على نطاق واسع في قياس مستويات السوائل والمواد الصلبة الكتلية في الخزانات والمخازن الأسطوانية.

Q5: ما أهمية ثابت العزل الكهربائي في قياس مستوى باستخدام تقنية السعة؟

A5: يعتمد القياس السعوي على التغيرات في السعة الناتجة عن وسط العملية، وبالتالي فإن ثابت العزل الكهربائي يؤثر بشكل مباشر على استجابة الجهاز.

Q6: ما التقنية التي ينبغي أخذها في الاعتبار عند وجود رغوة؟

A6: يعتمد الاختيار على سماكة الرغوة وظروف العملية. إذ قد يؤدي استخدام رغوة سميكة إلى إضعاف إشارات الارتداد فوق الصوتية، مما يستدعي تقييم إمكانية استخدام رادار أو قياسات تلامسية.

Q7: هل يمكن لجميع أجهزة القياس ربطها بجهاز تحكم لوحي (PLC)؟

A7: يعتمد ذلك على تهيئة مخرجات الجهاز. فعادةً ما يمكن دمج الأجهزة التي تُصدر إشارات بتيار 4-20mA، أو تدعم بروتوكول RS485 Modbus، أو تمتلك مخرجات ريليه، مع أجهزة تحكم لوحي (PLC)، أو وحدات تحكم رقمية (RTUs)، أو أنظمة جمع البيانات.

– الخلاصة

تستخدم أجهزة قياس الضغط الهيدروستاتيكي، والموجات فوق الصوتية، وأجهزة القياس بالطفو، ورادار، ومعاملات التمرير للترددات الراديوية، وأجهزة قياس مستوى ذات سعة مبادئ قياس مختلفة، وهي مناسبة لظروف عمليات متنوعة. يُعدّ قياس الهيدروستاتيكي مناسبًا للسوائل ذات كثافة مستقرة نسبيًا؛ يُعدّ القياس بالموجات فوق الصوتية أداةً فعّالةً في العديد من تطبيقات السوائل دون تلامس، وكذلك في تطبيقات مواد صلبة مختارة؛ توفر أجهزة العوامة حلاً ميكانيكيًا مباشرًا للسوائل العادية؛ يُعدّ الرادار خيارًا مناسبًا للظروف الأكثر صرامة في التعامل مع الدبابات والخزانات؛ وتُستخدم تقنيات التماس الراديوي (RF) أو التقنيات السعوية على نطاق واسع في قياسات تلامسية محددة وفي الكشف عند نقاط محددة.

الاختيار الصحيح يجب أن يراعي متوسط العملية ومدى القياس ودرجة الحرارة والضغط والرغوة والبخار والغبار وظروف التركيب وإشارة الخرج ومتطلبات تكامل النظام. METRAVON يمكن دمج منتجات قياس المستوى مع PLC س, رتوس,SCADA أنظمة ومنصات تشغيل صناعية لخزانات السوائل وأنظمة معالجة المياه والعمليات الصناعية والتطبيقات الصلبة السائبة.