أتمتة العمليات - تجهيزات قياس المستوى Process Automation System - Level Instruments

 

أتمتة العمليات Process Automation System

يتم استخدام مصطلح أتمتة العمليات (Process Automation System PAS) للتعبير عن التحكم التلقائي في سير عملية إنتاجية ما مثل انتاج المواد الكيميائية وتسلسل العمليات ضمن مصافي النفط ومصانع الورق، معامل الغاز، محطات تحلية ومعالجة المياه، معامل الأغذية (مثل السكر) ومحطات توليد الطاقة الكهربائية. غالبًا ما يستخدم نظام أتمتة العمليات (PAS) شبكات ربط مختلفة لربط التجهيزات الحقلية (Instruments) والمشغلات (Actuators) ووحدات التحكم (Control Systems) ومحطات المشغلين والمهندسين(Stations) بعضها مع بعض، وتختلف هذه الشبكات وبنيتها باختلاف التجهيزات التي يتم التخاطب فيما بينها، تسمى هذه بالشبكات الصناعية (Industrial Networks) والتي تستخدم بدورها بروتوكولات تخاطب خاصة لإتمام عملية الربط بروتوكول (Industrial Protocol).

التجهيزات الحقلية Instruments

تجهيزات قياس المستوى Level Transmitter:

ان جودة المنتج وكفاءته وكلفته الاقتصادية عوامل مهمة يمكن الحصول عليها عند قياس المستوى بشكل دقيق.

غالبا ما يتم قياس المستوى للمواد الصلبة والسائلة والغازية المُسالة وذلك ضمن الخزانات والصوامع والصهاريج المختلفة.  تنقسم مبادئ قياس المستوى الى الأنواع التالية:

1-حساسات المستوى التي تعتمد على قياس الضغط الهايدروستاتيكي Hydrostatic level measurement:

يتم حساب المستوى للسوائل بشكل مستمر بالاعتماد على قيمة الضغط المقاسة أسفل خزان القياس والتي يتم قياسها من خلال خلية القياس Measuring cell والتي كما ذكرنا مصنوعة من السيراميك أو المعدن والتي تكون محمية من الطرفين من خلال الغشاء Diaphragm والغشاء Membrane.

 الهدف الأساسي من استخدام الغشاء Diaphragm هو منع اتصال خلية القياس مع الوسط بشكل مباشر مما يعمل على تخفيف حرارة الوسط المقاس الواصلة الى خلية القياس ومنع دخول المواد المخرشة Corrosion الى خلية القياس. أما الغشاء Membrane فهو متصل مع الطرف الآخر لخلية القياس ويكون ثابت ومغلق مع الوسط إذا كنا نستخدم حساس نوع Gauge، ويكون مرتبط بالطرف المقابل لخلية القياس ويمكن له ان يتحرك إذا كنا نستخدم حساس نوع Absolute.

من مميزات هذه الطريقة في القياس أنها لا تعتمد على الشكل الهندسي لخزان القياس ولا تتأثر بوجود رغوة أعلى سطح خزان القياس.

من الاعتبارات الأساسية عند اختيار الحساس الهايدروستاتيكي هو معرفة طول الخزان المقاس وكثافة المادة المقاسة ودرجة حرارة المادة المقاسة بالإضافة لطريقة وصل الحساس مع خزان القياس.

    2-  حساسات المستوى السعوية Capacitance level transmitter:

تعتمد حساسات المستوى السعوية على استخدام بروب للقياس على طول خزان القياس والذي يشكل أحد قطبي مكثف وحائط خزان القياس يشكل القطب الآخر.  عند تغير مستوى السائل الناقل ضمن الخزان تتغير قيمة ثابت العازلية بين قطبي المكثف المتشكلين من بروب الحساس وجسم الخزان مما يعطي دلالة على منسوب المادة ضمن الخزان.

تتميز الحساسات السعوية بقدرتها على القياس حتى بالنسبة للمواد ذات الطبيعة اللزجة والرغوية.

من المعلومات الأساسية المطلوبة عند اختيار الحساس هو طول بروب القياس وحرارة وضغط وطبيعة المادة المقاسة وطريقة وصل الحساس مع خزان القياس.

يمكن للحساسات السعوية أن تقوم بعملية قياس المستوى لسائلين مختلفين ضمن الخزان تسمى ب Interface measurements والتي من خلالها يمكن معرفة ارتفاع كل سائل ضمن الخزان.

ويمكن لبعض الحساسات السعوية أن تحوي أكثر من بروب للقياس وبالتالي كون القياس لا يعتمد على قيمة ثابت العازلية.

3-  حساسات المستوى الرادارية Free space Radar Level Transmitter:

يعتمد مبدأ عمل الحساسات الرادارية على ارسال نبضات مستمرة Pulses أو من خلال التعديل الترددي للموجة المستمرة  Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW)والتي تعتمد على ارسال موجات رادارية كهرومغناطيسية بتردد عالي والتي تصطدم بالمادة المراد قياس مستواها، ترتد الموجة عن المادة وبقياس الفاصل الزمني بين الموجة الواردة والموجة المنعكسة يتم حساب مستوى السائل ضمن الخزان.

يتم حساب تغير التردد Δf بين الموجة الواردة والموجة المنعكسة ومن خلالها يتم حساب الفاصل الزمني بين الموجتين وبالتالي مستوى المادة.

يعتبر حساس المستوى الراداري مناسب وملائم للتطبيقات ذات قيم درجات الحرارة حرجة وضغط حرج وهو لا يتأثر بكثافة وناقلية المادة المقاسة. ومن ميزات هذا الحساس عدم وجود أي تلامس مع المادة المقاسة وبالتالي فهو ملائم للتطبيقات الغذائية.

تتمايز حساسات المستوى الرادارية بزاوية انتشار الموجة، فكلما كانت زاوية انتشار الموجة أصغر كان ذلك أفضل وذلك تجنباً لوجود أ ي عائق بين الحساس والوسط المقاس.

يمكن استخدامه كحساس في حالة الطوارئ كحساس لمنع الطفحان Overfill Prevention .

يمكن للمرسل Transmitter المستخدم ضمن الحساس الراداري أن يحوي إمكانية الاتصال اللاسلكي من أجل أعمال المعايرة والقراءة.

تبقى اعتبارات الاتصال مع وسط القياس نفسها لهذا الحساس كباقي الحساسات.

    4-  حساسات المستوى الرادارية الموجهة Guided wave radar level measurement:

تعمل حساسات المستوى الرادارية الموجهة بشكل مشابه للحساسات الرادارية ولكن ما يميز الحساسات الموجهة بأنها تنتشر ضمن بروب محدد وليس بشكل حر. تنتشر من مرسل الحساس الراداري نبضات موجهة ضمن بروب موجه نبضات بتردد عالي تنعكس عن سطح المادة المراد قياس مستواها، يتم حساب الفاصل الزمني بين الإشارة الواردة والمنعكسة والتي تعطي مؤشرا على مستوى المادة.

لا يتأثر هذا الحساس بطبيعة المادة المقاسة ومدى تخرشها وقساوتها.

ان وجود تشوه في سطح المادة المقاسة بسبب اضطرابها أو بسبب وجود رغوة مثلاً لا يؤثر على عمل الحساس بسبب وجود بروب موجه تمر من خلاله الأمواج الرادارية وبالتالي يعتبر الخيار الأنسب من أجل قياس المستوى لمادتين مختلفتين ضمن نفس الوسط المقاس (Interface measuring).

ومن مزايا الحساس الراداري الموجه هو القياس الدقيق حتى أثناء تعبئة المواد ضمن الوسط المقاس.

اعتبارات وطريقة التوصيل مع الوسط المقاس هي نفسها كباقي الحساسات.

 

5-  حساسات المستوى الفوق صوتية Ultrasonic level measurement:

يشبه عمل الحساسات الفوق صوتية عمل الحساسات الرادارية الا أن الموجة المرسلة والمنعكسة هي موجة ميكانيكية، يتم حساب المستوى انطلاقا من القاصل الزمني بين الموجة المرسة والموجة المنعكسة.

لا تتأثر عملية القياس بكثافة المادة المقاسة أو مدى درجة حرارتها ورطوبتها، ولا تتأثر عملية القياس بالغبار والتراكمات على سطح المرسل للحساس بسبب عملية التنظيف الذاتي الناتج عن اهتزاز المرسل.

يعتبر الحساس الفوق صوتي مناسباً لقياس مستوى المواد السائلة والعجينية والبودرة وذلك في حال عدم وجود أي تشوه في جسم خزان لأن تشوه جسم الخزان قد يؤدي الى تشوه بنتيجة القياس.

يتميز الحساس الفوق صوتي بإمكانية المعايرة دون الحاجة لتفريغ وملئ الخزان.

6-  حساسات المستوى الراديوبة Radiometric level measurement:

يعتمد مبدأ عمل الحساسات الراديوية على منبع لأشعة غاما من السيزيزم أو نظائر الكوبالت، حيث يقوم المرسل بإرسال الشعاع باتجاه محدد هذا الشعاع الذي يتعرض للضعف والتوهن عند ملامسته للمادة المقاسة وذلك بسبب اختلاف كثافة المادة المقاسة عن الوسط الخارجي ومن الطرف الآخر لخزان القياس يوجد المستقبل لهذه الأشعة المتوهنة الذي ينتج عنه فوتونات ضوئية تتناسب مع شدة الشعاع المتوهن والذي يتعلق بمستوى مادة القياس.

 يمكن لحساس المستوى الراديوي أن يقوم أيضاً بحساب كثافة المادة المقاسة Density وحساب المستوى لمادتين ضمن نفس الخزانInterface Measurement. يتم استخدام الحساسات الراديوبة في الحالات التي لا يصلح معها استخدام باقي الحساسات وعدم إمكانية وجود تماس مع وسط القياس.

 لا يوجد محدودية لدرجة حرارة وضغط المادة المقاسة عند استخدام الحساس الراديوي، يتم تحديد زاوية الشعاع المنبعث من الحساس عند عملية الاختيار الأولي للحساس.

 

7-  حساسات المستوى ذات الفواشة المربوطة بمحرك سيرفو Servo level measurement:

يحوي حساس المستوى السيرفو على فواشة Displacer تكون على تلامس دائم مع سطح المادة المقاسة تتحرك من خلال محرك سيرفو موجود بأعلى الخزان ومربوطة مع المحرك من خلال سلك متحرك يلتف على أسطوانة أعلى الخزان. عندما تنخفض الفواشة وتلامس سطح المادة فان وزنها يقل بسبب قوة دفع المادة لها، ينتج عن ذلك تغير قيمة عزم المحرك المطبق على الفواشة والذي يتم قياسه من خلال حساسات مغناطيسية Hall Sensors. يعطي ذلك دلالة على مستوى المادة ضمن الخزان.

يحتاج هذا الحساس الى معايرة عند البداية لتحديد أعلى وقعر الخزان.

يمكن لحساس السيرفو حساب المستوى لسائلين ضمن الخزان Interface Measurement وكذلك حساب كثافة المادة السائلة المقاسة وعند معرفة أبعاد ومقياس الخزان بدقة يمكن عندها حساب حجم المادة وكتلتها ضمن الخزان وهذا ما يسمى Tank Gauging.

لا يتأثر حساس السيرفو بطبيعة المادة المقاسة من حيث كثافتها ومدى ناقليتها للتيار.

يعتبر حساس مستوى السيرفو من أدق حساسات قياس المستوى لذلك يستخدم كمقياس موثوق عندما يتعلق الأمر بنقل الملكية Custody Transfer للمادة المقاسة بين المنتج والزبون، وكذلك يستخدم بشكل موثوق ضمن نظام إدارة المخزون Inventory Management system للمواد البترولية خصوصاً والسوائل عموماً عندما يتعلق الأمر بالنقل والتوزيع لهذه المواد.

ضمن نظام إدارة المخزون ونقل الملكية يتم استخدام حساس السيرفو لقياس المستوى وكذلك يتم استخدام حساسات لقياس الضغط والحرارة وذلك لتعويض تغير الحجم والكتلة والمستوى عند تغير درجة الحرارة والضغط للمادة المقاسة مما يعطي نتائج دقيقة وموثوقة.

عند عملية اختيار الحساس يتم الأخذ بعين الاعتبار درجة حرارة وضغط السائل المقاس وكذلك طريقة الوصل مع الخزان ومعدن الغطاء ومكونات الحساس التي يجب أن تكون مضادة للانفجار عند استخدامه لنقل الملكية للمواد البترولية وكذلك وجود شهادات للمعايرة والاختبار توثق إمكانية استخدامه لهذا الهدف.

8-  حساس المستوى النقطي الفايبرونيك الهزاز :Vibronic point level detection

حساس المستوى النقطي القايبرونيك يستخدم بشكل آمن وموثوق عند الحاجة لوجود دلالة الى الوصول الى مستوى محدد للسوائل والمواد الصلبةLevel switch، يستخدم عادة ليعطي إشارة لمنع الوصول الى الحد الأعلى لمستوى خزان overfill prevention أو لمنع دوران المضخة على الناشف pump dry-run protection.  لا يتأثر أثناء عملية القياس بوجود مواد رغوية أو فقاعات أو حتى اهتزاز بسطح السائل. يعتمد مبدأ عمل هذا الحساس على الشوكة الرنانة والتي تهتز بتردد ثابت، عند وصول مستوى المادة الى مكان وجود الشوكة الرنانة يتغير تردد عمل هذه الشوكة ويتم تحسس هذا التغير من خلال حساس بيزو الكتريك piezoelectric sensor، يعمل المرسل على قراءة تغيرات اهتزاز الشوكة ويعطي إشارة خرج رقمية دلالة على وصول المادة الى المستوى المطلوب.

يتميز هذا الحساس بسهولة التركيب ولا يتأثر بطبيعة المادة المقاسة ويتم استخدامه مباشرة دون الحاجة لأي عملية معايرة.

9-  حساس المستوى الإلكتروميكانيكي :Electromechanical level measurement

يعتمد مبدأ الحساسات الكهروميكانيكية على شريط يتدلى ضمن خزان القياس يرتبط بأسفله وزن ثابت معروف ومحدد، عند وصول مستوى المادة الى هذا الوزن الثابت تتغير قيمة قوة الشد على هذا الوزن مما يعمل على إعادة لف شريط القياس الى الأعلى حتى الوصول الى قيمة الشد الأساسية. يتم حساب عدد لفات المحرك وعدد الدورات التي دارها عند كل تغير في قيمة الشد مما يعطي دلالة على قيمة المستوى ضمن هذا الخزان.

يستخدم هذا الحساس لقياس مستوى المواد الصلبة مثل الحبوب ضمن الصوامع. وما يميز هذا الحساس أنه لا يتأثر بالغبار ضمن خزانات القياس ولا بطبيعة المادة المقاسة ومدى ناقليتها.

يعتبر هذا الحساس موثوق ومختبر عند استخدامه لقياس مستوى المواد الصلبة مثل الحبوب والمواد البلاستيكية. عند اختيار هذا الحساس يجب تحديد درجة حرارة وضغط حجرة القياس بالإضافة لتحديد طريقة الوصل مع الخزان وطبيعة المادة المصنوع منها الحساس وغطاءه.

10-  حساسات المستوى بالاعتماد على فرق الضغط :Differential pressure measurement

يمكن من خلال حساب فرق الضغط بين حساس الضغط المرتفع التموضع أسفل الخزان وحساس الضغط المنخفض التموضع وأعلى الخزان من حساب مستوى المادة داخل الخزان كذلك يمكن حساب مقدار التدفق الحجمي أو الكتلي الداخل أو الخارج من الخزان. 

يتم قياس الضغط من خلال مقاومة البيزو التي تتغير مقاومتها بتغير مقدار القوة المطبقة عليها والغشاء المعدني الملحوم مع المقاومة. يتم ارسال قيمتي الضغط الى المرسل Transmitter الذي بدوره يحسب فرق الضغط وبالتالي مستوى المادة المقاسة. يتم وضع مقاومة البيزو ضمن جسر القياس (جسر وتسطون) والذي يعطي تغير بقيمة الجهد كلما تغيرت قيمة المقاومة تتناسب مع قيمة الضغط المقاس. يتميز حساس فرق الضغط بإمكانية قياس المستوى بشكل مستمر بالإضافة لعملية قياس التدفق الداخل أو الخارج للمادة المقاسة. ان وجود حاجز Diaphragm seal بين الوسط المقاس وخلية القياس يعطي سماحية عالية للحساس بعدم تأثره بدرجة حرارة العالية للمادة المقاسة.

يتم الأخذ بعين الاعتبار طريقة الوصل مع الخزان ومجال الضغط المقاس والمادة المصنوع منها جهاز القاس.

11- حساسات المستوى النقطي باستخدام المايكرويف Microwave barrier level measurement:

يعمل حساس المستوى النقطي باستخدام الأمواج المايكروية على تحديد نقطة الوصول الى مستوى محدد دون الحاجة لوجود أي اتصال مع المادة المقاسة مثل الورق، البودرة، الحصى، الرمال.

يتألف الحساس المايكروي من جزأين هما المرسل والمستقبل الذين يتصلان فيما بينهما لتحديد نقطة الوصول الى المستوى المطلوب وذلك بالاعتماد على تأثير دوبلر للموجة بين المرسل والمستقبل.

يمكن استخدام هذا المقياس مع الخزانات الغير معدنية ودون الحاجة لوصل الحساس مع جسم الخزان مما يسهل عملية الصيانة والمعايرة، أما إذا كان الخزان معدني فيمكن وصله مع جسم الخزان عند النقطة المطلوب الوصول إليها.

11- حساس المستوى النقطي باستخدام المجذاف :Paddle switch level measurement

يعتمد مبدأ عمل هذا الحساس على وجود مجذاف ميكانيكي أسفل نقطة القياس تعمل على تحسس عدم أو وجود المادة ضمن الوسط المقاس عند النقطة المقاسة، يتم استخدام هذا الحساس لإعطاء انذار على إشارة رقمية للدلالة على امتلاء أو فراغ خزان القياس من المادة وذلك بناء على مكان تموضع حساس القياس.

ان طبيعة عمل هذا الحساس تسمح بإمكانية استخدامه ضمن الأوساط الغبارية وللمواد الصلبة حتى حجم 2 انش لمادة القياس الصلبة، بالإضافة لعدم الحاجة لأي عملية معايرة عند استخدامه.

عند اختيار هذا الحساس فنحن بحاجة لمعرفة طريقة الاتصال مع وسط القياس بالإضافة لدرجة حرارة وضغط المادة المقاسة.