- Overzicht niveausensoren
- Overzicht van de technologie
Technologieoverzicht - niveausensoren
Uitleg van technologieën van de niveausensoren
Impedantiespectroscopie
Aanhechting en schuim bemoeilijken vaak een betrouwbare niveaumeting. De impedantiespectroscopie-technologie meet de elektrische en magnetische veldsterkte in een frequentieband tussen 50 en 200 MHz. De aard van het medium evenals de aanhechtingen of schuim bezitten verschillende elektrische eigenschappen, die gebruikt worden voor de verwerking. Op elk punt vinden drie metingen plaats:
- Verzwakking (demping) van het elektromagnetische veld
- Geleidbaarheid van het elektrische veld (vermogen van een materiaal om elektrische stroom te geleiden)
- Permittiviteit van het magnetische veld (vermogen om deeltjes te polariseren)
Indien het medium aanwezig is, komen deze metingen met het profiel overeen. Is er geen medium of slechts een restant aanwezig, komen deze metingen niet overeen. Bevindt zich het gemeten profiel in een groen schakelbereik, dan verandert de uitgang van de sensor van toestand.
Geen medium aanwezig: De bovenste afbeelding toont de situatie waarin geen medium de punt van de sensor bedekt. Demping, geleidbaarheid en permittiviteit zijn laag. Het signatuurprofiel valt binnen het schakelbereik.
Medium aanwezig: In de volgende afbeelding ziet men het profiel met het aanwezige medium aan de punt van de sensor. Demping, geleidbaarheid en permittiviteit zijn hoog en het gemeten profiel ligt binnen het schakelbereik. De uitgang verandert zijn toestand.
Resten aanwezig: Bedekken alleen aanhechtingen de punt van de sensor, dan vallen geleidbaarheid en permittiviteit hoog uit, omdat sporen van het medium aanwezig zijn. De demping is echter gering omdat er slechts weinig medium aanwezig is. Het profiel valt buiten het schakelbereik en de uitgang verandert zijn toestand niet.
Andere media laten andere profielen zien. Met behulp van IO-Link kunnen de proceswaarden van het medium worden geanalyseerd en worden gebruikt voor materiaalonderscheiding, bijv. olie vs. water, volle melk vs. melk met 2% vet enz.
Bijzonderheden:
- Onderdrukking van aanhechtingen en schuim
- Afdichtingsconcept zonder dode ruimte van de punt van de sensor van PEEK voldoet aan de 3A-eisen
- Behuizing van RVS zorgt voor robuustheid
Alle versies zijn programmeerbaar; voor media op waterbasis, op oliebasis/poedervorm en media met een hoog suikergehalte zijn fabrieksmatige voorinstellingen beschikbaar.
Geleide microgolf (GWR)
Het principe van de geleide microgolf (Guided Wave Radar) maakt gebruik van elektromagnetische impulsen in het nanosecondenbereik. De impulsen worden door de kop van de sensor verzonden en langs de sensorstaaf gevoerd. Raakt de microgolfimpuls het medium, dan wordt deze gereflecteerd, door de sensorstaaf gedetecteerd en teruggevoerd naar de sensorkop. De tijdsduur tussen het verzenden en ontvangen van de impuls (Time-of-Flight) dient als directe maat voor de afgelegde afstand.
Er moet een koppelplaat van metaal van minimaal 150 mm² of een diameter van 150 mm worden gebruikt om een toereikende inkoppeling van de radarpuls mogelijk te maken. Beschikt het reservoir over een metalen deksel, kan deze als inkoppelplaat dienen.
De afbeelding boven toont een reservoir met een metalen deksel. Er is geen inkoppelplaat nodig, omdat de deksel deze functie overneemt.
Bij reservoirs met een kunststof deksel is een inkoppelplaat van metaal noodzakelijk. Afgebeeld is een flens met een minimumdiameter van 150 mm.
Ook bij open tanken is een inkoppelplaat nodig. Een eenvoudige manier om dat te realiseren, is de flens te bevestigen aan een metalen hoek.
Het oppervlak van de media op basis van olie reflecteert de radarpuls minder goed dan water. Om het signaal te versterken en op te nemen, is het gebruik van een coaxiale huls noodzakelijk.
Bij gebruik van een coaxiale huls is de boven beschreven inkoppelplaat niet nodig. Dat vergemakkelijkt de montage. Echter kan er door brugvorming tussen meetstaaf en coaxiale buis door vaste stoffen, emulsies enz. een foutieve niveau-indicatie ontstaan. De coaxiale buis kan ook worden gebruikt in media op waterbasis en kan worden ingekort op basis van de meetstaaflengte.
Bijzonderheden:
- Enkele modellen zijn volgens 3A gecertificeerd voor het gebruik in Clean-out-of-Place-toepassingen (COP)
- Enkele modellen bieden een drukvastheid tot 40 bar
- RVS-constructie
- Bestand tegen stof, nevel en damp
Hydrostatische druk
De hydrostatische druk is de kracht die door een vloeistofkolom wordt uitgeoefend op een oppervlak. Die is alleen afhankelijk van de hoogte van het vat, dus niet van de vorm of het volume van een vat. De hydrostatische druk kan met de volgende vergelijking worden berekend:
Wanneer het soortelijk gewicht en de zwaartekrachtversnelling van de vloeistof bekend is, kan de hoogte (of het niveau) van de vloeistof met behulp van de hydrostatische drukmeting worden bepaald.
Een veelgebruikte hydrostatische druktoepassing is de meting van het niveau in een gesloten reservoir. Om een oxidatie van de vloeistof te verhinderen, kan een vulling van inert gas worden gebruikt zoals bijv. CO2 in een biertank. In dat geval kan met behulp van twee druksensoren de verschildruk worden berekend. De bovenste sensor meet de gasdruk en de onderste sensor meet de gasdruk plus de druk door de vloeistof. De druk van de vloeistof (en daarmee het niveau van de vloeistof) is het resultaat van het verschil van beide metingen.
Capacitieve grenswaardemeting (Kxxxxx-artikelnummers)
Capacitieve sensoren registreren via contact of contactloos verschillende materialen. Gebruikers kunnen de gevoeligheid van de capacitieve benaderingsschakelaar van ifm dusdanig instellen, dat vloeibare of vaste media ook door niet-metalen tankwanden kunnen worden gedetecteerd.
Voor een succesvolle niveaumeting met behulp van capacitieve sensoren moet u rekening houden met het volgende:
- de tankrwand mag niet van metaal zijn
- de tankwand moet minder dan 6 tot 12 mm dik zijn
- er mag zich geen metaal in de directe omgeving van de sensor bevinden
- het actieve vlak van de sensor moet zich direct op de tankwand bevinden
- de sensor en de tankwand moeten aan dezelfde potentiaal geaard zijn
Capacitieve, continue niveaumeting (Lxxxxx-artikelnummers)
De continue niveausensoren van de series LK en LT van ifm bestaan uit 16 boven elkaar geplaatste capacitieve sensorelementen.
Elk sensorelement analyseert zijn omgeving, om te bepalen of het door het medium is bedekt. De microprocessor analyseert alle 16 sensorelementen om het niveau te bepalen.
De LK- en LT-series beschikken over een geïntegreerde overloopbeveiliging. Het algoritme voor de overloopbeveiliging werkt onafhankelijk van de algemene niveaumeting. Wanneer de uitgangen niet schakelen zoals gewenst en het niveau blijft stijgen, dan forceert de overloopbeveiliging een schakelen van de uitgangen.
De LT-serie beschikt over een aparte uitgang voor de mediatemperatuur.
Ultrasone sensoren
Voor de niveaumeting detecteren ultrasone sensoren de geluidsgolven die door het oppervlak worden gedetecteerd. Het oppervlak van het medium reflecteert de geluidsgolven en met behulp van een looptijdmeting wordt de afstandsinformatie bepaald.
Anders dan bij optische sensoren spelen kleur, transparantie en reflectiviteit van het medium geen rol voor de detectie.
Ultrasone sensoren zijn bijzonder ongevoelig voor vocht en stof. Het actieve oppervlak trilt met een zeer hoge frequentie en vermindert het aanhechten van vocht en stof, voordat deze de prestaties negatief kunnen beïnvloeden. Echter kunnen extreme temperaturen de nauwkeurigheid beïnvloeden, omdat de snelheid van het geluid afhankelijk is van de temperatuur.
Optische sensoren
De laser-afstandssensor O1D en de vision sensor O3D maken gebruik van de PMD lichtlooptijdtechnologie om de afstand tot het oppervlak van het medium te meten. Het Time-of-Flight-gedrag meet daarbij de lichtlooptijd tot het oppervlak en terug naar de sensor. Het signaal wordt aansluitend door een ontvangstelement verwerkt.
Deze technologie is niet geschikt voor de niveaumeting van transparante vloeistoffen. Deze kan uitsluitend voor niet-transparante vloeistoffen en vaste stoffen worden gebruikt.
Radarsensoren
Radarsensoren detecteren het niveau van een medium contactloos. 80GHz-sensoren die volgens de methode van de Frequency Modulated Continuous Wave (FMCV) werken, verzenden elektromagnetische impulsen met een constant veranderende frequentie in het bereik van 77 tot 81 GHz naar het oppervlak van het medium. Door de veranderende frequenties ontstaat er een frequentieverschil tussen het verzonden en het gereflecteerde signaal. Uit het verschil van het in- en uitgaande signaal op een tijdstip kan de sensor de afstand tot het oppervlak van het medium berekenen. De meettechniek realiseert een snel reagerende, betrouwbare en uiterst nauwkeurige niveaumeting.
Welk voordeel biedt de 80 GHz technologie?
Antennegrootte en frequentie zijn de twee essentiële factoren die bepalend zijn voor de openingshoek en daarmee voor het bereik en de precisie van een radarsensor. In principe geldt:
- Hoe kleiner de antennegrootte, des te groter de openingshoek bij gelijke frequentie.
- Hoe hoger de frequentie, des te kleiner de openingshoek bij gelijke antennegrootte.
Zoals op de afbeelding te zien is, betekent dit: de hoogfrequente 80 GHz technologie heeft een relatief kleine openingshoek bij een kleine antenne.
Sterker signaal, minder storingen
In de praktijk creëert de kleine openingshoek een sterke focussering van het signaal richting het medium en is het mogelijk media met een lage di-ëlektrische constante te detecteren, omdat de hoge focussering de reflectie naar de sensor verhoogt. Bovendien voorkomt de hoge focussering dat hindernissen zoals roerwerken of sproeibollen worden gedetecteerd en signaalverstoringen worden veroorzaakt.
Exacte niveaumeting in hoge resolutie over de gehele tankhoogte.
Bij toepassingen als de industriële niveaumeting is een millimeter nauwkeurige meting van het grootste belang. Hoe precies een meting wordt uitgevoerd en hoe hoog de resolutie tot de afstand plaatsvindt (met andere woorden: hoe exact niveauveranderingen worden gedetecteerd), hangt af van de bandbreedte van de uitgezonden frequenties. Zo behaalt een 80 GHz radarsensor die in het frequentiebereik van 77 tot 81 GHz werkt, een 20 keer hogere precisie ten opzichte van een 24 GHz radarsensor. Bovendien helpt de hoge resolutie het vloeistofniveau te onderscheiden van ongewenste reflecties op de bodem van de tank. Daardoor kan de sensor het vloeistofniveau over de gehele tankhoogte nauwkeurig meten en het dode zone op de bodem van de tank minimaliseren. Omdat de hoge resolutie tevens de minimaal meetbare afstand aanzienlijk verkleint, detecteert de sensor ook het exacte vulniveau van een compleet gevulde tank.