معرفی
سنسور سطح دستگاهی است که برای نظارت، حفظ و اندازه‌گیری سطوح مایعات (و گاهی جامدات) طراحی شده است. این حسگرها میتوانند انواع مختلف رساناهای آزاد جریان مانند مایعات، مواد پودری و مواد گرانولی را تشخیص دهند. پس از شناسایی سطح مایع، سنسور دیتاها را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند که با تفسیر آن سیگنال توسط مداری مناسب می‌توان به سطح مایع مورد نظر پی برد. این سنسورها به توزیع‌کنندگان و تولیدکنندگان کمک می‌کنند تا مقدار محصول موجود در هر مخزن ذخیره‌سازی را مشخص کنند. این سنسورها عمدتاً در صنایع تولیدی و خودروسازی استفاده می‌شوند، اما در بسیاری از وسایل خانگی مانند یخ‌سازهای یخچال نیز یافت می‌شوند.
دسته بندی
دو دسته‌بندی اصلی برای سنسورهای سطح وجود دارد:
از یک دیدگاه سنسورهای سطح به دو دسته نقطه‌ای و پیوسته تقسیم می‌شوند:
- سنسورهای سطح نقطه‌ای: این سنسورها برای نشان دادن رسیدن مایع به یک نقطه خاص در مخزن طراحی شده‌اند.
- سنسورهای سطح پیوسته: این سنسورها برای اندازه‌گیری دقیق سطح مایع استفاده می‌شوند.
از دیگاهی دیگر سنسورهای سطح به دو نوع تماسی و غیرتماسی تقسیم می‌شوند:
- سنسورهای تماسی مستقیماً با ماده‌ای که اندازه‌گیری می‌کنند در تماس هستند.
- سنسورهای غیرتماسی از امواج صوتی یا مایکروویو برای اندازه‌گیری سطح استفاده می‌کنند.
انواع سنسورهای سطح
سنسور سطح خازنی
این سنسورها بر اساس ثابت دی‌الکتریک و نوع سیال کار می‌کنند. برای اندازه‌گیری دقیق ظرفیت کل مواد در مخزن، این سنسورها نیاز به یک فرستنده متصل به میله عایق یا غیرعایق دارند.
ویژگی‌ها:
- کوچک و ارزان‌تر از حسگرهای دیگر
- تماسی (با محصول تماس دارد)
- دقیق و بدون قطعات متحرک
حسگر سطح نوری
حسگرهای سطح نوری ساده اما قابل اعتماد هستند و به همین دلیل انتخاب رایجی برای بسیاری از کاربردها محسوب می‌شوند. این حسگرها به انواع مختلفی از حسگرهای بصری برای تعیین سطح رسانه تکیه می‌کنند. بسته به نوع حسگر ، آن‌ها میتوانند از نور مرئی، لیزر یا نور مادون قرمز استفاده کنند.
پرتوهای نوری به سمت سطح ماده ارسال می‌شوند. حسگر با ضبط مواردی که نور از سطح منعکس یا شکست می‌یابد، کار می‌کند که این کار با استفاده از یک یا چند سلول نوری انجام می‌شود. پاسخ تقریباً بلافاصله دریافت شده و دقت این نوع حسگرها بالا است.
ویژگی‌ها:
- بدون قطعات متحرک
- تحت تأثیر فشار یا دما بالا قرار نمی‌گیرد
- مناسب برای کاربردهای مایع
- در صورت کثیف شدن لنز، نیاز به تمیز کردن دارد.
حسگر سطح رسانایی (مقاومتی)
حسگرهای سطح رسانایی، که به آن‌ها حسگرهای سطح مقاومتی نیز گفته می‌شود، دارای پروب‌هایی هستند که سطح مواد را اندازه‌گیری می‌کنند. این پروب‌ها معمولاً از فولاد ضد زنگ ساخته شده‌اند. حسگرهای سطح رسانایی با استفاده از خروجی‌های تماس الکتریکی برای تعیین سطوح مواد، از طریق پروب‌های فولادی کار می‌کنند. همچنین می‌توان آن‌ها را همراه با رله‌های کنترل سطح برای تعیین سطوح از پیش تعیین‌شده و نظارت از راه دور استفاده کرد.
حسگرهای رسانا دقیق و حساس هستند و معمولاً توسط حرفه‌ای‌ها استفاده می‌شوند. این نوع حسگر سطح برای اندازه‌گیری مایعات استفاده می‌شود و کاربردهای معمول شامل مخازن، استخرها، برکه‌ها و کانال‌ها و همچنین داروسازی است.
ویژگی‌ها:
- بدون قطعات متحرک، هزینه کم و استفاده آسان.
حسگر سطح ویبره‌ای
حسگرهای سطح ویبره‌ای که به آن‌ها حسگرهای سطح چنگالی نیز گفته می‌شود، معمولاً دارای یک چنگال یا میله هستند. این مؤلفه به طور مداوم ارتعاشات با فرکانس بالا تولید می‌کند. هنگامی که ماده و چنگال در تماس با یکدیگر قرار می‌گیرند، تماس باعث تغییر در ارتعاش می‌شود که برای تعیین سطوح مواد توسط حسگر استفاده می‌شود.
علاوه بر استفاده‌های نشان‌دهی، این حسگرها میتوانند به عنوان دستگاه‌های حفاظت از پرشدگی نیز عمل کنند. حسگرهای سطح ویبره‌ای عمدتاً برای تعیین سطوح مایع استفاده می‌شوند، اما همچنین برای استفاده با مواد گرانوله و پودری مناسب هستند.
ویژگی‌ها:
- مقرون به صرفه
- تماسی (باید با ماده در تماس باشد)
حسگر سطح اولتراسونیک
حسگرهای سطح اولتراسونیک روش جایگزینی برای تعیین سطح یک ماده ارائه می‌دهند. به دلیل روش سنجش آن‌ها، این حسگرها تنها برای استفاده با مایعات مناسب هستند.
این حسگرها با تولید پالس‌های اولتراسونیک کار می‌کنند که از سطح مایع اندازه‌گیری شده منعکس می‌شوند. برای تعیین سطح مایع، حسگر سپس زمان لازم برای سفر پالس اولتراسونیک به سطح و بازگشت به حسگر را محاسبه می‌کند. هرچند که حسگرهای سطح اولتراسونیک در عمل بسیار دقیق هستند، اما در واقعیت، این همیشه چنین نیست زیرا پاسخ حسگر می‌تواند تحت تأثیر چندین عامل خارجی مانند فشار، دما، بی‌نظمی و سطح رطوبت قرار بگیرد.
ویژگی‌ها:
- بدون قطعات متحرک.
- غیر تماسی (بدون تماس).
- تحت تأثیر خواص ماده‌ای که حس می‌کند قرار نمی‌گیرد.
- ممکن است هزینه‌بر باشد و شرایط محیطی در بعضی موارد بر آن تأثیر بگذارد.
کاربردها
- سنسورها میتوانند برای کاهش هدررفت در فرایندهای تولید استفاده شوند، تا زمان و منابع کمتری تلف شود و کارایی کاری افزایش یابد.
- سنسورهای تشخیص مایعات میتوانند به طور مؤثر مایعات و مواد نیمه مایع را در تولید مواد غذایی و نوشیدنی اندازه‌گیری کنند.
- تولید دارو نیاز به دقت بالایی دارد تا ایمنی مصرف‌کنندگان تضمین شود. سنسورهای سطح برای نظارت بر سطح مایعات خاص در داروها که در فرمولاسیون دارو با غلظت‌های صحیح ضروری است، بسیار مهم هستند. همچنین این سنسورها در عملکرد بسیاری از دستگاه‌های پزشکی، از جمله دستگاه‌های دیالیز، نقش دارند. هر دو مایع خون و دیالیز به دقت از طریق سنسورهای مایع غیرتهاجمی نظارت می‌شوند تا نشت‌های احتمالی که می‌تواند جان بیمار را تهدید کند، شناسایی شوند.
- اگر در سیستم نشت رخ دهد، سنسور سطح می‌تواند به شناسایی این مشکل کمک کند. به این ترتیب، قبل از اینکه تجهیزات دچار مشکل شوند یا آسیب ببینند، عملیات متوقف می‌شود. از این رو، سنسورهای سطح نقش مهمی در مدیریت عملیات صنعتی ایفا می‌کنند.
نتیجه‌گیری
حسگرهای سطح، با توجه به ویژگی‌ها و کاربردهای متنوع خود، نقش مهمی در صنایع مختلف ایفا می‌کنند. این حسگرها به بهبود کارایی، دقت و ایمنی در کنترل مایعات کمک می‌کنند و از آن‌ها می‌توان در انواع فرآیندهای صنعتی، از جمله تولید، داروسازی و مدیریت انرژی بهره‌برداری کرد. انتخاب حسگر مناسب بر اساس نوع ماده، شرایط محیطی و نیازهای خاص سیستم می‌تواند تأثیر زیادی بر کیفیت و کارایی عملیات صنعتی داشته باشد.