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Panoramica della tecnologia - Sensori di livello
Spiegazione delle tecnologie dei sensori di livello
Spettroscopia di impedenza
Depositi e schiuma rendono spesso difficile un rilevamento affidabile del livello. La tecnologia della spettroscopia d'impedenza misura l'intensità del campo elettrico e magnetico in una banda di frequenza tra 50 e 200 MHz. Il tipo di fluido, nonché depositi o schiuma hanno caratteristiche elettriche diverse che vengono utilizzate per l'analisi. In ogni punto si eseguono tre misurazioni:
- Attenuazione (smorzamento) del campo elettromagnetico
- Conduttività del campo magnetico (capacità di un materiale di condurre corrente elettrica)
- Permittività del campo magnetico (capacità di polarizzare le particelle)
Se il fluido è presente, queste misure corrispondono al valore atteso. In assenza di fluido o in presenza di residui, le misurazioni non corrispondono. Se il valore atteso è nel campo di commutazione verde, l'uscita del sensore cambia il suo stato.
Fluido assente: l’illustrazione di cui sopra mostra il caso in cui la sonda del sensore non è coperta da fluido. Smorzamento, conduttività e permittività sono basse. Il valore atteso è al di fuori del campo di commutazione.
Fluido presente: la figura seguente mostra il valore atteso con fluido presente sulla sonda del sensore. Smorzamento, conducibilità e a permittività sono elevate; il valore atteso è all'interno del campo di commutazione. L'uscita cambia il suo stato.
Presenza di residui: se dei residui coprono la sonda del sensore, la conducibilità e la permittività sono alte poiché sono presenti tracce del fluido. Tuttavia, lo smorzamento è basso perché c'è solo una piccola quantità di fluido. Il valore atteso è fuori dal campo di commutazione e l'uscita non cambia il suo stato.
Altri fluidi hanno valori diversi. Utilizzando IO-Link, i valori di processo del fluido possono essere valutati e utilizzati per distinguere il materiale, ad es. olio da acqua, latte intero da latte al 2%, ecc.
Caratteristiche:
- Soppressione di depositi e schiuma
- Sistema di tenuta della sonda senza interstizi in PEEK, conforme agli standard 3A
- Corpo in acciaio inossidabile per garantire robustezza
Tutte le versioni sono programmabili; le impostazioni di fabbrica sono disponibili per fluidi a base di acqua, a base di olio / in polvere e fluidi ad alto contenuto di zucchero.
Microonde guidate (GWR)
Il principio radar con microonde guidate (Guided Wave Radar) utilizza impulsi elettromagnetici nella gamma dei nanosecondi. Gli impulsi elettromagnetici vengono inviati dalla testa del sensore fino alla sonda. Quando l'impulso a microonde colpisce il fluido, viene riflesso, rilevato dalla sonda e ricondotto alla testa del sensore. La durata tra l’invio e la ricezione dell’impulso (Time of Flight, ToF) è una misura diretta per la distanza percorsa.
Si deve utilizzare una flangia di trasmissione in metallo di almeno 150 mm² o 150 mm di diametro per consentire un sufficiente accoppiamento dell'impulso radar. Se il serbatoio ha un coperchio di metallo, questo può servire come flangia di trasmissione.
La figura di cui sopra mostra un serbatoio con un coperchio di metallo. Non è necessario utilizzare una flangia di trasmissione poiché il coperchio esegue questa funzione.
Una flangia di trasmissione in metallo è invece necessaria con serbatoi con coperchi di plastica. La figura mostra una flangia con un diametro minimo di 150 mm.
Una flangia di trasmissione è necessaria anche con serbatoi aperti. Un modo semplice per realizzarla è quello di fissare la flangia a una staffa di metallo.
La superficie dei fluidi a base di olio non riflette bene l'impulso radar quanto l'acqua. Per amplificare e registrare il segnale, è necessario un tubo coassiale.
Se si utilizza il tubo coassiale, la flangia di trasmissione descritta sopra non è necessaria. Ciò facilita il montaggio. Tuttavia, la formazione di ponti tra la sonda e il tubo coassiale per via di solidi, emulsioni, ecc. può causare un'indicazione errata del livello. Il tubo coassiale può essere utilizzato anche in fluidi a base di acqua e può essere tagliato in base alla lunghezza della sonda.
Caratteristiche:
- Certificazione 3A per alcuni modelli utilizzabili in applicazioni COP (clean out of place)
- Resistenza alla pressione fino a 40 bar per alcuni modelli
- Corpo in acciaio inossidabile
- Resistente a polvere, nebbia e vapore
Pressione idrostatica
La pressione idrostatica è la forza che una colonna di liquido esercita su una superficie. Dipende solo dall'altezza del serbatoio, quindi non dipende dalla sua forma o dal suo volume. La pressione idrostatica può essere calcolata con la seguente equazione:
Se la densità e l'accelerazione dovuta alla gravità del liquido è nota, l'altezza (livello) del liquido può essere determinata utilizzando la misura della pressione idrostatica.
Un'applicazione comune della pressione idrostatica è la misurazione del livello in un serbatoio chiuso. Per evitare l'ossidazione del liquido, si può utilizzare un gas inerte, come ad es.CO2 in un serbatoio della birra. In questo caso, la pressione differenziale può essere calcolata con l'aiuto di due sensori di pressione. Il sensore superiore misura la pressione del gas mentre il sensore inferiore misura la pressione del gas più la pressione attraverso il liquido. La pressione del liquido (quindi il livello) risulta dalla differenza delle due misure.
Rilevamento capacitivo del livello puntuale (codici articolo Kxxxxx)
I sensori capacitivi rilevano qualsiasi materiale con o senza contatto. L’utente può regolare la sensibilità dei sensori capacitivi di ifm per rilevare fluidi liquidi o solidi anche attraverso le pareti non metalliche del serbatoio.
Per un rilevamento corretto del livello con i sensori capacitivi, assicurarsi che:
- la parete del serbatoio non sia in metallo
- lo spessore della parete del serbatoio sia meno di 6-12 mm
- non ci sia metallo nelle immediate vicinanze del sensore
- la superficie attiva del sensore sia posizionata direttamente sulla parete del serbatoio
- il sensore e la parete del serbatoio siano collegati a terra con lo stesso potenziale
Misurazione capacitiva continua del livello (codici articolo Lxxxxx)
I sensori di livello continuo LK e LT di ifm sono composti da 16 elementi sensoriali capacitivi disposti uno sopra l'altro.
Ogni elemento del sensore valuta l'ambiente circostante per determinare se è coperto da un fluido. Il microprocessore valuta tutti i 16 elementi del sensore per determinare il livello.
I sensori LK e LT hanno una protezione antitracimazione integrata. L'algoritmo di protezione antitracimazione funziona indipendentemente dalla misura generale del livello. Se le uscite non dovessero come desiderato e il livello continuasse a salire, la protezione antitracimazione forzerà la commutazione delle uscite.
I sensori LT hanno anche un'uscita separata per la temperatura del fluido.
Sensori a ultrasuoni
I sensori a ultrasuoni rilevano le onde sonore riflesse dalla superficie rilevando così il livello. La superficie del fluido riflette le onde sonore e la distanza viene determinata tramite la misurazione del tempo di volo.
Diversamente dai sensori ottici, il colore, la trasparenza o la riflettività del fluido non sono determinanti al fine del rilevamento.
I sensori a ultrasuoni sono altamente insensibili all'umidità e alla polvere. La superficie attiva vibra ad una frequenza molto elevata e riduce l'accumulo di umidità e polvere prima che possano influire negativamente sulla performance. Tuttavia, temperature estreme possono influenzare la precisione poiché la velocità del suono dipende dalla temperatura.
Fotocellule
Il sensore di distanza laser O1D e il sensore di visione O3D utilizzano la tecnologia PMD ToF per misurare la distanza dalla superficie del fluido. La tecnologia ToF misura il tempo di volo che un fotone di luce impiega per raggiungere la superficie e tornare indietro al sensore. Il segnale viene poi elaborato da un elemento ricevitore.
Questa tecnologia non è adatta alla misurazione del livello di liquidi chiari, ma può essere utilizzata solo per liquidi e solidi non trasparenti.
Sensori radar
I sensori radar rilevano il livello di un fluido senza contatto. I sensori a 80GHz, che funzionano secondo il metodo FMCV (Frequency Modulated Continuous Wave), inviano impulsi elettromagnetici con una frequenza che cambia costantemente nell'intervallo da 77 a 81 GHz sulla superficie del fluido. Queste variazioni si traducono in una differenza della frequenza tra il segnale trasmesso e quello riflesso. Dalla differenza del segnale in entrata e in uscita in un punto nel tempo, il sensore può calcolare la distanza dalla superficie del fluido. La tecnologia di misurazione consente una misurazione del livello reattiva, affidabile ed estremamente precisa.
Qual è il vantaggio della tecnologia 80GHz?
Le dimensioni dell'antenna e la frequenza sono i due fattori essenziali che determinano l'angolo di apertura e quindi la portata e la precisione di un sensore radar. Fondamentalmente, più piccola è la dimensione dell'antenna, più grande è l'angolo di apertura con frequenza invariata.
- Più alta è la frequenza, più piccolo è l'angolo di apertura con la stessa dimensione dell'antenna.
Come illustrato nell'immagine, questo significa che la tecnologia ad alta frequenza 80GHz consente un angolo di apertura relativamente piccolo con un'antenna altrettanto piccola.
Segnale più forte, meno interferenze
In pratica, la forte focalizzazione del segnale creata dal basso angolo di apertura rende possibile il rilevamento di fluidi con una bassa costante dielettrica, poiché l'alta focalizzazione aumenta la riflessione verso il sensore. Inoltre, l'alta focalizzazione evita che ostacoli come agitatori o spray-ball vengano rilevati e causino interferenze nel segnale.
Rilevamento del livello preciso e ad alta risoluzione su tutta l'altezza del serbatoio
In applicazioni come il rilevamento di livelli industriali, una misurazione al millimetro è della massima importanza. La precisione della misurazione e la risoluzione della distanza (cioè la precisione con cui vengono rilevati i cambiamenti di livello) dipendono dalla larghezza di banda delle frequenze emesse. Ad esempio, un sensore radar da 80GHz che opera nella gamma di frequenza da 77 a 81 GHz raggiunge una precisione 20 volte superiore a quella di un sensore radar da 24 GHz. Inoltre, l'alta risoluzione aiuta a separare il livello del fluido da riflessioni indesiderate sul fondo del serbatoio. Il sensore è così in grado di misurare con precisione il livello del fluido su tutta l'altezza del serbatoio e di ridurre al minimo la zona morta sul fondo del serbatoio. Poiché l'alta risoluzione riduce significativamente anche la distanza minima misurabile, il sensore rileva perfino il livello esatto di un serbatoio completamente pieno.