کنترلر سطح

کنترلر سطح یکی از تجهیزات پرکاربرد در برق صنعتی و اتوماسیون است که برای تشخیص رسیدن مایع به یک یا چند سطح مشخص و صدور فرمان کنترلی استفاده می شود. رایج‌ترین کاربرد آن کنترل خودکار پمپ در مخازن آب، چاه‌ها، منابع ذخیره، سیستم‌های تخلیه، تصفیه‌خانه‌ها و خطوط صنعتی است. کنترلر سطح می تواند با استفاده از الکترود یا پراب رسانایی، فلوتر مکانیکی، سنسور سطح یا سایر روش‌های اندازه‌گیری، وضعیت مایع را تشخیص دهد و خروجی مناسب را به کنتاکتور، شیر برقی، PLC، آلارم یا سایر تجهیزات کنترلی ارسال کند. جلوگیری از سرریز مخزن، حفظ سطح بین حداقل و حداکثر، حفاظت پمپ در برابر خشک‌کار کردن و خودکارسازی فرآیند پر و خالی شدن از مهم‌ترین دلایل استفاده از این تجهیزات هستند.

کنترلر سطح چیست؟

کنترلر سطح یا Level Controller تجهیزی است که اطلاعات وضعیت سطح مایع را دریافت و بر اساس منطق تعریف‌شده یک خروجی کنترلی ایجاد می کند. در ساده‌ترین کاربرد، دستگاه فقط تشخیص می دهد که سطح مایع از یک نقطه مشخص بالاتر یا پایین‌تر رفته است. در سیستم‌های دو سطحی نیز حداقل و حداکثر جداگانه تعریف می شوند تا سطح مایع در یک محدوده مشخص نگه داشته شود.

برای مثال در یک مخزن ذخیره آب، کنترلر می تواند زمانی که سطح به حداقل رسید پمپ را روشن کند و پس از رسیدن آب به سطح حداکثر، فرمان خاموش شدن پمپ را صادر کند. در یک مخزن تخلیه نیز منطق عملکرد برعکس می شود و پمپ با رسیدن مایع به سطح بالا روشن و پس از کاهش سطح تا حد پایین متوقف می شود.

باید توجه داشت که کنترلر سطح لزوما یک «سطح‌سنج پیوسته» نیست. بسیاری از رله‌های کنترل سطح فقط رسیدن مایع به نقاط مشخص را تشخیص می دهند و مقدار دقیق ارتفاع یا درصد پرشدگی مخزن را اندازه‌گیری نمی کنند. برای نمایش پیوسته ارتفاع یا حجم مایع، معمولا از ترانسمیتر یا سنسور سطح پیوسته همراه نمایشگر یا کنترلر مناسب استفاده می شود.

کاربرد کنترلر سطح

کنترلر سطح در ساختمان، کشاورزی، صنایع غذایی، تصفیه آب، فاضلاب، صنایع شیمیایی، سیستم‌های سرمایش، تاسیسات و بسیاری از ماشین‌آلات صنعتی کاربرد دارد. روش تشخیص سطح باید متناسب با نوع مایع و شرایط محیطی انتخاب شود.

انواع کنترل سطح مایعات

عبارت کنترل سطح در بازار برای تجهیزات متفاوتی استفاده می شود. مهم‌ترین تفاوت میان آن‌ها روش تشخیص حضور مایع است. شناخت این تفاوت پیش از خرید اهمیت زیادی دارد، زیرا یک کنترلر الکترودی برای همه مایعات مناسب نیست و یک فلوتر مکانیکی نیز نمی تواند تمام قابلیت‌های یک کنترلر الکترونیکی را ارائه کند.

رله کنترل سطح الکترودی چگونه کار می کند؟

در کنترلرهای الکترودی، چند الکترود در ارتفاع‌های مشخص مخزن قرار می گیرند. در یک آرایش متداول سه‌الکترودی، یک الکترود مرجع، یک الکترود سطح پایین و یک الکترود سطح بالا وجود دارد. زمانی که مایع رسانا با الکترودها تماس پیدا می کند، مقاومت یا رسانایی مسیر تغییر کرده و کنترلر حضور مایع در آن نقطه را تشخیص می دهد.

فاصله میان الکترود حد پایین و حد بالا عملا محدوده کنترل را ایجاد می کند. برای نمونه در حالت پرکردن، رسیدن سطح به حد پایین می تواند باعث روشن شدن پمپ شود و رسیدن به الکترود بالایی فرمان توقف ایجاد کند. در حالت تخلیه نیز همین دو نقطه با منطق معکوس استفاده می شوند.

برخی کنترلرها امکان تنظیم حساسیت دارند تا دستگاه با مقاومت الکتریکی مایع هماهنگ شود. این قابلیت در کاربردهایی که رسانایی آب یا محلول تغییر می کند اهمیت دارد. مقدار و محدوده دقیق حساسیت به مدل کنترلر وابسته است و باید از مشخصات همان محصول بررسی شود.

مایع رسانا و نارسانا چه تفاوتی در انتخاب کنترلر دارند؟

کنترلرهای الکترودی برای تشخیص سطح به وجود یک مسیر الکتریکی از طریق مایع وابسته‌اند. بنابراین بیشتر برای آب و مایعاتی استفاده می شوند که رسانایی کافی دارند. اگر مایع بسیار کم‌رسانا یا نارسانا باشد، این روش ممکن است مناسب نباشد.

روغن، بعضی حلال‌ها و مایعات با هدایت بسیار کم ممکن است به فلوتر مکانیکی، سنسور خازنی، سنسور نوری، اولتراسونیک یا فناوری دیگری نیاز داشته باشند. نوع مایع باید پیش از خرید مشخص شود و نباید فقط بر اساس عنوان «کنترلر سطح» یک دستگاه انتخاب شود.

دمای مایع، فشار مخزن، خورندگی، وجود رسوب، کف، بخار، مواد معلق و جنس مخزن نیز می توانند در انتخاب سنسور یا الکترود تاثیر داشته باشند.

کنترل پر کردن مخزن

یکی از متداول‌ترین کاربردها حفظ سطح آب مخزن در یک محدوده مشخص است. در این حالت یک حد پایین و یک حد بالا تعریف می شود. وقتی سطح آب از حد پایین کمتر شود، کنترلر فرمان روشن شدن پمپ یا باز شدن شیر را صادر می کند.

پمپ تا زمانی کار می کند که سطح به حد بالا برسد. سپس خروجی کنترلر تغییر وضعیت داده و فرآیند پرکردن متوقف می شود. این اختلاف میان حد روشن و خاموش شدن از قطع و وصل بسیار سریع پمپ در اثر موج سطح جلوگیری می کند.

در مدل‌هایی که تایمر یا تأخیر قابل تنظیم دارند، می توان اثر نوسان، موج یا تغییر لحظه‌ای سطح را نیز کاهش داد؛ اما وجود و محدوده این قابلیت به مدل محصول وابسته است.

کنترل تخلیه مخزن

در کاربرد تخلیه، منطق فرمان برعکس حالت پرکردن است. با افزایش سطح تا نقطه بالا، پمپ تخلیه روشن می شود و مایع را از مخزن خارج می کند. پس از کاهش سطح تا حد پایین، پمپ متوقف می شود.

این روش در سامپ‌ها، حوضچه‌های جمع‌آوری آب، مخازن فاضلاب و بسیاری از سیستم‌های صنعتی کاربرد دارد. اگر احتمال سطح بسیار بالا وجود داشته باشد، می توان یک سنسور مستقل دیگر نیز برای آلارم سرریز در نظر گرفت.

حفاظت پمپ در برابر خشک‌کار کردن

خشک‌کار کردن زمانی رخ می دهد که پمپ در شرایطی کار کند که مایع کافی در ورودی آن وجود ندارد. این وضعیت می تواند باعث افزایش دما، آسیب آب‌بند، کاهش عمر پمپ یا خرابی جدی مجموعه شود.

کنترلر سطح می تواند با تشخیص کاهش آب چاه یا مخزن از یک حد مشخص، فرمان توقف پمپ را صادر کند. پس از بازگشت سطح به شرایط مناسب نیز بسته به طراحی مدار امکان راه‌اندازی مجدد فراهم می شود.

در سیستم‌های حساس، تنها کنترل سطح برای حفاظت کامل موتور کافی نیست و حفاظت‌های الکتریکی مانند اضافه‌بار، اتصال کوتاه، قطع فاز و سایر حفاظت‌های مورد نیاز باید جداگانه طراحی شوند.

تفاوت کنترلر سطح و فلوتر

هیچ‌کدام به صورت مطلق بهتر از دیگری نیستند. نوع مایع، هندسه مخزن، دقت مورد نیاز، امکان رسوب‌گیری، فضای نصب و منطق کنترل تعیین می کنند کدام روش مناسب‌تر است.

تفاوت کنترلر سطح و سنسور سطح

سنسور سطح وظیفه تشخیص یا اندازه‌گیری سطح را بر عهده دارد، در حالی که کنترلر اطلاعات دریافتی را پردازش کرده و بر اساس آن خروجی فرمان تولید می کند. در بعضی محصولات این دو عملکرد در یک مجموعه ترکیب شده‌اند و در برخی سیستم‌ها سنسور و کنترلر دو تجهیز جدا هستند.

برای نمونه یک ترانسمیتر سطح می تواند سیگنال آنالوگ متناسب با ارتفاع مایع تولید کند و یک کنترلر یا PLC بر اساس آن فرمان پمپ را صادر کند. در مقابل یک رله کنترل سطح الکترودی بیشتر برای تشخیص نقاط Min و Max طراحی شده است.

خروجی رله‌ای و اتصال به کنتاکتور

بسیاری از کنترلرهای سطح دارای خروجی رله‌ای هستند. این خروجی می تواند در مدار فرمان برای کنترل کنتاکتور، شیر برقی، آلارم یا ورودی PLC استفاده شود.

برای پمپ‌های موتوری نباید بدون بررسی ظرفیت کنتاکت خروجی، موتور را مستقیما به کنترلر متصل کرد. در بسیاری از تابلوهای صنعتی، خروجی کنترلر فقط بوبین کنتاکتور را فرمان می دهد و کنتاکتور جریان اصلی موتور را قطع و وصل می کند.

ظرفیت رله خروجی، نوع بار و ولتاژ مدار فرمان باید در دیتاشیت همان محصول کنترل شوند. جریان نامی یک کنتاکت روی بار مقاومتی نیز لزوما معادل ظرفیت قابل استفاده برای بار القایی نیست.

حساسیت کنترلر سطح چیست؟

در رله‌های سطح مبتنی بر رسانایی، حساسیت نشان می دهد دستگاه چه محدوده‌ای از مقاومت مایع را می تواند تشخیص دهد. آب دارای املاح، آب صنعتی و محلول‌های مختلف رسانایی یکسانی ندارند؛ به همین دلیل برخی کنترلرها امکان تنظیم حساسیت را در اختیار کاربر قرار می دهند.

تنظیم نامناسب می تواند باعث عدم تشخیص مایع یا عملکرد ناخواسته شود. انتخاب مقدار مناسب باید بر اساس رسانایی مایع، فاصله الکترودها، طول کابل و توصیه سازنده انجام شود.

الکترود و پراب کنترل سطح

الکترود بخشی است که مستقیما با مایع تماس دارد و محل نصب آن نقاط عملکرد سیستم را تعیین می کند. در سیستم سه‌الکترودی معمولا الکترود مرجع در پایین، الکترود حداقل در سطح پایین و الکترود حداکثر در سطح بالاتر قرار می گیرد.

جنس الکترود باید با مایع سازگار باشد. در محیط‌های خورنده یا آلوده، انتخاب متریال مناسب اهمیت بیشتری دارد. همچنین تشکیل رسوب یا لایه عایق روی الکترود می تواند بر عملکرد سیستم اثر بگذارد و نیاز به بازرسی و تمیزکاری دوره‌ای ایجاد کند.

نکات نصب کنترلر سطح

کنترلر باید مطابق نقشه سازنده و در محدوده ولتاژ تغذیه مجاز نصب شود. کابل‌های الکترود یا سنسور بهتر است از کابل‌های قدرت و منابع ایجاد نویز فاصله مناسب داشته باشند تا احتمال فرمان اشتباه کاهش پیدا کند.

الکترودها باید در ارتفاع مناسب نصب شوند و فاصله حداقل و حداکثر متناسب با حجم مخزن، دبی پمپ و تعداد دفعات مجاز استارت موتور انتخاب شود. اگر فاصله دو سطح بسیار کم باشد، پمپ ممکن است دفعات زیادی در ساعت روشن و خاموش شود.

در مخزن‌هایی با تلاطم شدید، بهتر است محل الکترود یا فلوتر از نقطه ورود مستقیم جریان مایع فاصله داشته باشد. در صورت وجود قابلیت تأخیر زمانی، تنظیم مناسب آن نیز می تواند از تغییر وضعیت لحظه‌ای بر اثر موج جلوگیری کند.

پارامترهای مهم در انتخاب کنترلر سطح

کنترل یک سطح یا دو سطح؟

در کنترل یک سطح، دستگاه فقط عبور مایع از یک آستانه را تشخیص می دهد. این روش برای آلارم سطح بالا، آلارم سطح پایین یا بعضی کاربردهای ساده مناسب است.

در کنترل دو سطح، حداقل و حداکثر جداگانه تعریف می شوند. این ساختار برای کنترل پمپ مناسب‌تر است، زیرا فاصله میان Min و Max از قطع و وصل مکرر جلوگیری می کند و حجم مفیدی از مخزن را بین دو نقطه در اختیار سیستم قرار می دهد.

کنترل سطح در چاه و مخزن

در بعضی پروژه‌ها دو محل باید همزمان کنترل شوند؛ برای مثال یک چاه منبع تامین آب و یک مخزن مقصد وجود دارد. در چنین سیستمی باید هم پایین رفتن سطح آب چاه برای حفاظت پمپ و هم سطح مخزن برای فرمان پرکردن در نظر گرفته شود.

بسته به قابلیت کنترلر ممکن است این منطق توسط یک دستگاه اختصاصی، چند رله سطح یا PLC اجرا شود. پیش از خرید باید تعداد ورودی‌های سطح و منطق دقیق فرآیند مشخص شوند؛ نمی توان فرض کرد هر کنترلر سطح به تنهایی قابلیت کنترل همزمان چاه و مخزن را دارد.

کنترلر سطح برای مایعات خورنده و صنعتی

در آب معمولی، انتخاب الکترود و کنترلر نسبتا ساده است؛ اما در مایعات شیمیایی باید جنس بخش‌های در تماس با سیال بررسی شود. مقاومت در برابر خوردگی، دما، فشار، مواد رسوب‌زا و شرایط ایمنی محیط می تواند نوع سنسور مناسب را تغییر دهد.

در چنین کاربردهایی ابتدا باید مشخصات فرآیند و مایع بررسی شود و سپس فناوری اندازه‌گیری انتخاب شود. استفاده از یک الکترود عمومی برای هر محلول شیمیایی توصیه نمی شود.

قیمت کنترلر سطح

قیمت کنترلر سطح به برند، روش تشخیص، تعداد نقاط کنترل، محدوده حساسیت، ولتاژ تغذیه، تعداد خروجی‌ها، وجود تایمر، نوع نصب و تجهیزات جانبی وابسته است. کنترلر ساده یک‌سطحی با یک رله صنعتی چندسطحی یا کنترلر دارای نمایشگر و ورودی سنسور آنالوگ از نظر ساختار و قیمت یکسان نیست.

هزینه الکترودها، پراب، فلوتر، سوکت یا سایر اجزای مورد نیاز نیز باید در زمان مقایسه قیمت لحاظ شود؛ زیرا در برخی مدل‌ها این قطعات همراه کنترلر نیستند و باید جداگانه تهیه شوند.

برای استعلام دقیق بهتر است نوع مایع، کاربرد پرکردن یا تخلیه، تعداد سطوح، ولتاژ مدار فرمان و مشخصات پمپ اعلام شوند تا مدل مناسب از نظر فنی انتخاب شود.

سوالات متداول کنترلر سطح

راهنمای خرید و قیمت کنترلر سطح