Seviye Ölçüm Yöntemleri

Teknik Bilgi

Seviye Kontrolü uygulamalarında, bir çok eski ve geleneksel metodlar halen kullanılıyor olmasına rağmen, biz burada seviye ölçümüne genel bir bakış oluşturmak ve farklı yöntemler de olduğunun bilinmesini sağlamak istiyoruz.

Seviye ölçüm uygulamalarında öncelikli olarak yapılması gereken, müşterinin tek noktada mı yoksa sürekli olarak mı veya her iki şekilde birden mi seviyeyi kontrol etmek istediğinin belirlenmesidir. Var olan çok çeşitli ölçüm metodları arasından, uygulama için en uygun olanını belirlemek en kritik noktadır.

Yukarıda da belirtildiği gibi; seviye sensörleri iki ana kategoriye ayrılabilir.

*Noktasal seviye kontrolünde kullanılan seviye şalterleri

Seviye şalterleri genellikle temaslı enstrümanlardır ve kabın içerisindeki ürünün belirli bir noktadaki varlığının veya yokluğunun belirlenmesi için kullanılır. Nereye monte edildiklerine bağlı olarak, kabın, tankın, deponun dolu, boş veya aradaki bir seviyede olduğunun sinyalini verirler. Bu tip seviye şalterlerinin bazıları, ultrasonik şalterler, kuru ve katı malzemeler için pedallı seviye şalterleri, kapasitif problar, iletkenlik probları, hem sıvı hem katı malzemelerde kullanılan titreşim probları, yatay veya dikey olarak monte edilen tekli veya çoklu şamandıralı seviye şalterleridir.

*Sürekli tip seviye sensörleri

 Temaslı veya temassız enstrümanlardır. Temaslı enstrümanların içerisinde, yük hücreleri (load-cell), hidro-statik basınç sensörleri, kapasite probları, rölelerin çekilip bırakılması prensibi ile çalışan elektro-mekanik cihazlar, radar ve magnetostrictive prensibi ile çalışan cihazlar bulunur. Temassız sürekli seviye sensörleri ise ultrasonik, açık hava radarları, lazerli veya nükleer seviye sensörlerini içermektedir.

Seviyenin ölçülmesinden sonra ölçülen bilginin nasıl değerlendirileceğidir.(PLC , özel yazılımlar ,

Dijital göstergeler….)

Aşağıda, sıvı veya katı malzemelerin seviye ölçümlerinde kullanılan başlıca metotlar incelenecektir.

Görüntülü Seviye Ölçüm Yöntemleri

Cam Tüp

Temelde tanktaki sıvı seviyesini görebilmek için birleşik kaplar prensibi kullanılır. Tank kenarına monte edilen cam borudaki seviye, tank içerisindeki malzemenin seviyesi ile aynı olduğundan, seviye tank dışarısından kolaylıkla dışarıdan izlenebilir. Bu yöntemle, sisteme herhangi bir mekanik veya elektronik müdahale olmadığından, yalnızca görsel olarak seviye kontrolü yapılabilmektedir.

Yansıtıcı (Refleks) Cam

Malzemelerin çeşitli fazlarında ışığın farklı kırılması prensibine göre çalışan bir yöntemdir. Sıvılar, ışığı yuttukları için, refleks camda koyu renkli, gazlar ise ışığı daha az absorbe ettiklerinden daha açık renkte görülürler.

Kuvvetle Seviye Ölçüm Yöntemleri

Diyafram

Genellikle içerisinde mıknatıs bulunan kolun, malzemenin baskısı ile içerisinde reed kontak veya micro-switch bulunan gövdeye yaklaşması sonucu alınan kontak ile malzemenin seviyesi kontrol edilir. Şamandıra prensibine benzer ancak katı malzemelerin seviye kontrolünde kullanılması avantajıdır.

Tilt Şalter

Genellikle kablolu seviye şalteri olarak anılan, cıvalı switch veya özel bir eğimli yol yardımıyla hareket eden bilyalı bir mekanizma ihtiva eden ve micro-switch yardımıyla kontak alınan seviye şalterleridir. Eğim açısına bağlı olarak, alt, üst veya her iki seviye kontrolü için kullanılması mümkündür. Ekonomikliği ve her türlü sıvı veya katı malzemede ve yanıcı – patlayıcı özellikli ortamlarda kullanılabilirliği nedeniyle tercih edilen bir noktasal seviye kontrol yöntemidir.

Şamandıra

Sıvı seviyesine göre paslanmaz çelik tüp boyunca hareket eden mıknatıslı şamandıra ve tüp içerisine yerleştirilmiş reed rölelerden oluşur. Şamandıra, reed röleye yaklaştığında, içerisindeki mıknatısın manyetik kuvveti ile reed röle açılır veya kapanır. Reed rölelerin sıralı dizilmesiyle, sürekli seviye ölçümü de yapılabilir. Tankın yanından, üstünden kolaylıkla monte edilmesi ve herhangi bir kalibrasyon gerektirmemesi ve ekonomikliği sayesinde, kullanıcıya kolaylıklar sağladığından en çok tercih edilen seviye ölçüm metotlarından biridir. Ancak, sıvı viskozitesinin yüksek olduğu durumlarda temassız ölçüm yöntemlerine göre zayıf kaldığı bir gerçektir.

Manyetik Seviye Göstergeleri

Temel olarak sıvının kaldırma kuvvetinin kullanıldığı görüntülü ölçüm yöntemidir. Birleşik kaplar prensibi gereği, tank ile manyetik seviye göstergesi içerisindeki sıvı seviyeleri aynıdır. Gösterge gövdesi içine yerleştirilen ve her sıvının yoğunluğuna bağlı olarak, kaldırma kuvvetine göre dizayn edilen şamandıranın içerisindeki mıknatıs, ana gövdenin dış yüzeyine yerleştirilmiş gösterge içerisindeki, mıknatıs ihtiva eden sezgi elemanlarını etkiler ve seviyenin yükselmesi veya alçalması sırasında sezgi elemanlarının sıra ile dönmesini sağlar. Sezgi elemanlarının farklı renklerde olan iki yüzü sayesinde de seviye bilgisi tank dışarısından kolaylıkla izlenebilir. Gövdenin üzerine yerleştirilen sıralı reed röleler yardımıyla sürekli seviye bilgisi analog sinyale dönüştürülebilirken, yine gövde üzerine istenen noktalara yerleştirilecek reed kontaklar sayesinde noktasal seviye kontrolü de yapılabilmektedir.

Yüksek basınçlı tanklarda ve kazanlarda seviye ölçümü uygulamalarında kullanılabilecek en ekonomik ve sık rastlanan yöntemlerden biridir.

Magnetostrictive Sensörler:

Cihaz, temel olarak, gövde içerisine yerleştirilmiş bir magnetostrictive telden ve, içerisinde mıknatıs ihtiva eden bir şamandıradan oluşmaktadır. Şamandıra, cihazın gövdesi üzerinde dikey olarak hareket eden tek oynar parçasıdır. Magnetostrictive telden geçirilen pulse akımı sırasında, tel etrafında manyetik alan oluşur. Şamandıranın hareketi sırasında, şamandıranın manyetik alanının magnetostrictive telin etrafındaki manyetik alan ile etkileşimi sonucu, telde burulmadan kaynaklanan bir titreşim oluşur. Şamandıranın pozisyonu, burulmadan kaynaklanan titreşimin sensöre ulaşmasına kadar geçen zaman ile belirlenir.

Basınç İle Seviye Ölçümü

Hidrostatik Basınç

Sıvı seviyesinin sürekli ölçümünde en eski ve sık kullanılan yöntemlerden biri de kabın içerisindeki sıvının tabana uyguladığı hidrostatik basıncın ölçümüdür. Tankın alt yüzeyinde bulunan sensör, hidrostatik basıncı sıvı seviyesi ile orantılı bir akım sinyaline çevirir. İçerisinde silikon yağı ve metal veya seramik diyafram ihtiva eden yarı iletken transduser, hassasiyet ve sürekliliği arttırmak için kullanılır. Daldırma tip (submersible) seviye transmitterlerinde atmosferik basınç ile kompanzasyonun sağlanması amacıyla, hidrostatik basınç transmitteri kablosu içerisinde bir de hava tüpü bulunur. Hidrostatik basınç, sıvı sütununun yüksekliği ve sıvının özgül ağırlığının çarpımıdır.

Fark Basınç

Hidrostatik basınç yardımıyla seviye ölçümü ile aynı prensiptedir. Ancak, kapalı tanklarda oluşan, statik basıncın etkisi fark basınç yönteminde yok edilebilmektedir.

Bubbler

Basınç yöntemi ile temelde aynıdır. Basınç transmitterinin proses ile temasının istenmediği durumlarda kullanılır.

Boruya verilen P hava basıncı nedeniyle borunun alt ucundan hava kabarcıkları yüzeye çıkar. Hava basıncı, sıvı hidrostatik basıncından küçük veya eşit ise kabarcıklanma durur. Bu noktada hava basıncı hidrostatik basınca eşittir.

Elektriksel Yöntemlerle Seviye ÖlçümüIsıl Kütle

Bu cihazlar, ısının sıvı içerisinde yayılımı ile havadaki yayılımını karşılaştırarak, sıvının varlığını veya yokluğunu belirler. Sensör, termistor formu ile bir direnç ihtiva eder. Termistör, kendisine gerilim uygulandığında ısıtıcı gibi davranır ve aynı zamanda ısıyı algılar ve elektrik sinyaline dönüştürür. Termistör tarafından yaratılan ısı sıvı içinde yayıldığı anda switch çıkışı elde edilir.

Kapasitif

Kapasitif seviye sensörleri genellikle radyo frekansı teknolojisini kullanır. Kap içerisindeki sıvının, granüllerin, çimento benzeri malzemelerin seviyesinin tespit edilmesi için kapasitörlerin elektriksel karakteristiklerini kullanır. Giydirilmiş veya çıplak haldeki elektrot (prob) kapasitörün birinci iletken kısmı olarak tankın içerisine daldırılır. Tankın metal gövdesi ise diğer iletken olarak davranacaktır. Metal olmayan ve plastik tanklarda ise, çift elektrotlu sistemler kullanılmalıdır ki, ikinci elektrot diğer kapasitör iletkeni görevini görebilsin. Kapasitif seviye sensörü, tank içerisindeki malzemenin sensör probu boyunca hareket etmesi (artması veya azalması) sırasında meydana gelen kapasite değişimini ölçer. Bu kapasite değeri lineer bir ölçüm için de, belli bir noktadaki seviye bilgisinin kontak çıkışı olarak elde edilebilmesi için de kullanılabilir.

İletkenlik

İletkenlik tip seviye şalterleri, temel olarak, düşük voltaj kaynağı ile (genellikle < 20 V) elektrik akımını iletebilen malzemelerin iletkenliği üzerine kurulmuştur. 2, 3 veya daha fazla elektrottan oluşan seviye şalteri, algılanacak sıvı seviyesine yerleştirilir. Sıvı elektrotlara ulaştığında elektrotlar ile temas eder ve elektrotlar arasındaki elektrik devresi kapanmış olur. Bu sayede switch çıkışı elde edilir. Bu tip seviye sensörleri noktasal seviye kontrolünde kullanılır. İletken ve iletken olmayan iki sıvının ara yüzeyinin seviyesinin tespitinde de kullanılabilir.

Endüktif

Kapasitif ölçümüm manyetik alan versiyonudur. Bu yöntemde manyetik alan geçirgenliği (permabilite) ölçülür. Laboratuar çalışmaları dışında pek görülmez. Tank selfinin[1] değişimini izlemek için pek pratik değildir, büyük miktarlarda enerji gerektirir. Öte yandan, tankın oluşturduğu sistemin sağladığı çalışma frekansının (rezonans frekansı) değişimi ile de en azından şalter olarak ölçüm yapmak mümkündür. Metal detektörlerinin de çalışma prensibi budur. Ancak, seviye ölçümünde uygulanabilirliği zayıftır.

Elektromekanik Yöntemlerle Seviye Ölçümü

Motorlu

Motor ve halat ucundaki seviye ağırlığından oluşur. Gövdeye halat ile bağlanmış ağırlık, motor vasıtası ile aşağıya doğru hareket eder. Silo içerisindeki katı malzemeye temas ettiğinde is başlangıç pozisyonuna döner. Geriye doğru sarılan halat uzunluğu, toplam uzunluktan çıkarıldığı zaman tank içerisindeki malzemenin seviyesi elde edilmiş olur. Tozdan etkilenmemesi ve yüksek sıcaklıklarda çalışabilmesi motorlu seviye şalterlerinin avantajlarıdır.

Mekanik Rotor (Pedallı Seviye Şalteri)

Rotor pedalları, en eski seviye sensörlerinden biridir. Bu sensörler, kullanımı kolay, güvenilir ve her tür kuru yığının (talaş, tahıl, bakliyat, vs.) seviye ölçümünde uygulanabilirliği ile göze batar. Bu üniteler temel olarak 3-4 pedala bağlanmış şaftı çeviren küçük bir motordan oluşur. Şaft rahatlıkla dönebiliyorken, malzeme ile temas yoktur. Pedallar malzeme ile temas ettiğinde şaft yavaşlar veya tamamen durur. Bu sayede, cihazın takılı olduğu noktadaki seviyeye kadar malzeme ulaşmış demektir. Daha gelişmiş modelleri, malzemenin varlığını veya yokluğunu algılamanın yanında elektrik bağlantı hatası veya elektrik kesintisi gibi durumlarda kullanıcıyı uyarır.

Titreşim

Prob, sonunda bulunan piezo-elektrik elemanı kullanarak titreşir. Bu piezo-elektrik eleman belirli bir vibrasyon frekansına set edilmiştir. Probun herhangi bir malzeme ile teması halinde, titreşim malzeme tarafından emilir. Vibrasyondaki bu değişim sensör tarafından hissedilir ve röle çıkışına dönüştürülür. Tek çubuklu cihazlar sadece katı malzemelerde kullanılırken, çift problu cihazlar, hem sıvı hem de katı malzemelerde kullanılabilir. Vibrasyon probları tipik olarak deponun üst kısmına veya yan tarafına monte edilir. Bu tamamen elektronik seviye şalterlerinin iki önemli avantajı vardır. Birincisi, farklı malzemeler için herhangi bir kalibrasyona ihtiyaç duymamalarıdır. İkincisi ise, bu probların çok düşük yoğunluklu malzemelerde bile sorunsuz çalışabilmeleridir.

Optik Yöntemlerle Seviye Ölçümü

Işıklı (Optik) Beam Breaker

Basit optik anahtarlama kullanılır. Sensördeki ışık miktarının değişimi, seviyenin bu noktada olduğunu belirtir. Bakım (özellikle temizlik) ihtiyacının fazlalığı nedeniyle seviye ölçümlerinde sık kullanılmaz. Referans ışık değişimine (kirliliğe) duyarsız ölçüm de mümkündür ancak maliyeti oldukça yüksektir. Bu ölçüm metodu seviye ölçümünden çok kirlilik ölçümü uygulamalarında daha kullanışlıdır.

Radyasyon (Nükleer)

Kaynaktan sensöre aktarılabilen tanecik sayısı (özellikle gamma izotopu) , radyoaktif ışınımın geçtiği ortamın kütlesi ile ters orantılıdır. Dolayısıyla, bu yöntemde kaynak – sensör arasındaki mesafe miktarı doğrudan ölçülüp buradan seviye bulunur. Daha çok yoğunluk ölçümüne uygun olan bir yöntemdir. Seviye ölçümü için ise maliyeti oldukça yüksektir. Dikkat edilmesi gereken bir başka nokta ise, seviyesi ölçülmek istenen malzemenin radyoaktif özellikli olmaması gerektiğidir.

E/M Dalga ile Seviye Ölçüm Yöntemleri

Ultrasonik

Ultrasonik seviye sensörleri, seviyenin tespit edilmesinde ses dalgalarını kullanır. Tankın üstüne yerleştirilen transduser içerisindeki piezoelektrik kristal, elektriksek sinyalleri belirli bir frekans ve sabit hızla ortam içerisinde dalgasal olarak hareket eden ses enerjisine dönüştürür. Ses dalgaları yayılır ve eko olarak transdusera geri döner. Cihaz, basitçe dalganın yayılamaya başlamasıyla, yüzeyden yansıyarak geri dönmesi arasında geçen süreyi ölçer. Bu süre, transduser ile seviyesi ölçülmek istenen malzemenin yüzeyi arasındaki uzaklıkla doğru orantılıdır ve malzemenin seviyesinin ölçülmesi için kullanılabilir.

Ultrasonik seviye şalterleri, özellikle düşük viskoziteli sıvıların noktasal seviye ölçümlerinde alternatif bir yöntemdir. Şalterin bir yanında bulunan çevirici kristal ile diğer taraftaki alıcı kristal arasında malzeme olup olmadığını ses dalgalarının iletimi yöntemiyle algılar.

Radar

Bu yöntem, ultrasonik prensibe oldukça benzer bir metottur. Radar (bazen mikro-dalga olarak da adlandırılır) yönteminde, kabın üstüne yerleştirilen sensörden aşağı doğru yönlendirilmiş GHz mertebesinde yüksek frekanslı elektromanyetik dalgalar kullanılır.

Gönderilen enerjinin seviyesi ölçülmek istenen sıvı yüzeyinden yansıyan kısmı, sensöre geri döner. Sinyalin gidip gelme süresi (uçuş süresi olarak da adlandırılır) seviyenin tespiti için kullanılan büyüklüktür. Non-Invasive olarak adlandırılan radar teknolojisinde herhangi bir tüp veya kablo kullanılmaz. FMCW (Frekans Modüler Sürekli Dalga) ve Pulse Radar iki farklı Non-Invasive radar teknolojisidir, Invasive radar teknolojisinde dalgaya kılavuzluk edecek sensörden tankın tabanına kadar uzanan bir kablo veya çubuk kullanılır.

Avatar
Mustafa Fazlıoğlu

Mustafa FAZLIOĞLU;1990 yılı İ.T.Ü Elektrik Mühendisliği Mezunu. Mustafa FAZLIOĞLU 1990 yılından beridir Elektrik Mühendisliğinin yanısıra Teknik Medya’da faaliyet göstermektedir. www.elektrikhaber.com , www.mustafafazlioglu.com.tr, www.guneshaber.net, www.otomasyonhaber.net haber portalları bir Mustafa Fazlıoğlu yapımıdır......