- Επισκόπηση αισθητήρων στάθμης
- Επισκόπηση τεχνολογίας
Επισκόπηση τεχνολογίας - Αισθητήρες στάθμης
Φασματοσκοπία σύνθετης αντίστασης
Οι αποθέσεις και ο αφρός συχνά δυσχεραίνουν την αξιόπιστη ανίχνευση της στάθμης πλήρωσης. Η τεχνολογία φασματοσκοπίας σύνθετης αντίστασης μετρά την ισχύ του ηλεκτρικού και του μαγνητικού πεδίου σε διάφορες συχνότητες σε εμβέλεια ανίχνευσης μεταξύ 50…200 MHz. Κάθε μέσο δημιουργεί ένα μοναδικό προφίλ υπογραφής σε αυτή τη σάρωση φάσματος υψηλών συχνοτήτων. Σε κάθε σημείο πραγματοποιούνται τρεις μετρήσεις:
- Εξασθένηση (απόσβεση) του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου
- Αγωγιμότητα του ηλεκτρικού πεδίου (δυνατότητα αγωγής ηλεκτρικού ρεύματος)
- Επιτρεπτότητα (δυνατότητα πόλωσης σωματιδίων) του μαγνητικού πεδίου
Όταν υπάρχει μέσο, αυτές οι μετρήσεις ταιριάζουν στο προφίλ. Όταν δεν υπάρχει μέσο ή υπάρχει μόνο κατάλοιπο, οι μετρήσεις δεν ταιριάζουν. Όταν το μετρημένο προφίλ εμπίπτει στην πράσινη ζώνη μεταγωγής, η έξοδος του αισθητήρα αλλάζει κατάσταση.
Δεν υπάρχουν μέσα: Η παραπάνω εικόνα παρουσιάζει την κατάσταση, στην οποία η ακίδα του αισθητήρα δεν καλύπτεται από κάποια μέσα. Υπάρχει χαμηλή εξασθένηση, χαμηλή αγωγιμότητα και χαμηλή επιτρεπτότητα. Το προφίλ υπογραφής είναι εκτός της ζώνης μεταγωγής.
Υπάρχουν μέσα: Η επόμενη εικόνα παρουσιάζει το προφίλ όταν στην ακίδα υπάρχουν κάποια μέσα. Η εξασθένηση, η αγωγιμότητα και η επιτρεπτότητα είναι σε υψηλό βαθμό και το μετρημένο προφίλ είναι εντός της ζώνης μεταγωγής. Η έξοδος αλλάζει κατάσταση.
Υπάρχει κατάλοιπο: Όταν η ακίδα καλύπτεται μόνο από κατάλοιπο, η αγωγιμότητα και η επιτρεπτότητα είναι σε υψηλό βαθμό διότι υπάρχουν ίχνη του μέσου. Ωστόσο, η εξασθένηση είναι χαμηλή διότι η ποσότητα του μέσου είναι μικρή. Το προφίλ είναι εκτός της ζώνης μεταγωγής και η έξοδος δεν αλλάζει κατάσταση.
Άλλα μέσα έχουν διαφορετικά προφίλ. Μέσω του IO-Link, οι τιμές διεργασίας του μέσου μπορούν να αξιολογηθούν και να χρησιμοποιηθούν στη διάκριση ενός υλικού από ένα άλλο, π.χ. το λάδι από το νερό, το πλήρες γάλα από το γάλα 2%, κτλ.
Χαρακτηριστικά:
- Καταστολή δημιουργίας καταλοίπου και αφρού.
- Η χωνευτή ακίδα του αισθητήρα από μονωτικό PEEK πληροί τις απαιτήσεις 3A.
- Κορμός από ανοξείδωτο χάλυβα για στιβαρότητα.
Όλες οι εκδόσεις είναι προγραμματιζόμενες, αλλά είναι διαθέσιμες εργοστασιακές ρυθμίσεις στην κατάσταση παράδοσης για μέσα με βάση το νερό, μέσα με βάση έλαιο / μέσα σε σκόνη και μέσα με υψηλή περιεκτικότητα σε ζάχαρη.
Κυματοδηγούμενο ραντάρ (GWR)
Η αρχή λειτουργίας του κυματοδηγούμενο ραντάρ χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητικούς παλμούς στην εμβέλεια ανίχνευσης νανοδευτερολέπτων (μικροκυμάτων). Η κεφαλή του αισθητήρα μεταβιβάζει τους παλμούς και οι παλμοί μεταφέρονται κάτω στη μεταλλική ειδική ράβδο (οδηγός). Όταν το κύμα προσκρούει στο μέσο, αντανακλάται πίσω, συλλέγεται από τη μεταλλική ειδική ράβδο και οδηγείται στην κεφαλή του αισθητήρα. Η χρονική διαφορά μεταξύ του παλμού μετάδοσης και του παλμού λήψης (χρόνος πτήσης) είναι ευθέως ανάλογη με τη μέτρηση απόστασης.
Για τη σωστή απόζευξη του παλμού ραντάρ, απαιτείται μία μεταλλική πλάκα απόλυσης τουλάχιστον 150 mm²ή με διάμετρο 150 mm. Αν η δεξαμενή έχει μεταλλικό καπάκι, αυτό δρα ως πλάκα απόλυσης.
Στην παραπάνω εικόνα παρουσιάζεται μία δεξαμενή με μεταλλικό καπάκι. Δεν απαιτείται πλάκα απόλυσης, διότι το καπάκι δρα ως πλάκα απόλυσης.
Σε μία δεξαμενή με πλαστικό καπάκι, απαιτείται μία μεταλλική πλάκα απόλυσης. Απεικονίζεται μία φλάντζα με διάμετρο τουλάχιστον 150 mm.
Σε μία ανοιχτή δεξαμενή, επίσης, απαιτείται μία πλάκα απόλυσης. Ένας εύκολος τρόπος για να επιτευχθεί αυτό είναι να βιδωθεί μία φλάντζα σε μία μεταλλική γωνία.
Για μέσα με βάση έλαιο, η επιφάνεια του υγρού δεν αντανακλά τον παλμό ραντάρ τόσο καλά όσο το νερό. Για να ενισχύεται και να εμπεριέχεται το σήμα, πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα αξεσουάρ ομοαξονικού σωλήνα.
Όταν χρησιμοποιείται ο ομοαξονικός σωλήνας, η πλάκα απόλυσης, όπως περιγράφεται παραπάνω, δεν είναι αναγκαία. Αυτό διευκολύνει την τοποθέτηση. Ωστόσο, η γεφύρωση μεταξύ της ειδικής ράβδου και του ομοαξονικού σωλήνα μπορεί να οδηγήσει σε λανθασμένη ένδειξη της στάθμης πλήρωσης λόγω στερεών σωματιδίων, γαλακτωμάτων, κτλ. Ο ομοαξονικός σωλήνας μπορεί να χρησιμοποιηθεί, επίσης, με μέσα με βάση το νερό και ο σωλήνας μπορεί να κοπεί ως προς το μήκος για να ταιριάζει με την ειδική ράβδο.
Χαρακτηριστικά:
- Πιστοποιημένος σχεδιασμός 3A για καθαρισμό εκτός θέσης (Clean-Out-of-Place, COP) για κάποια μοντέλα
- Εύρος πίεσης έως 40 bar για κάποια μοντέλα
- Υλικά κατασκευής από ανοξείδωτο χάλυβα
- Ανοσία σε σκόνη, ομίχλη και ατμό
Υδροστατική πίεση
Η υδροστατική πίεση είναι η δύναμη ανά επιφάνεια που ασκείται από μία στήλη υγρού και αποτελεί μία λειτουργία σε συνάρτηση με το ύψος της δεξαμενής και όχι με το γενικό σχήμα ή τον όγκο της δεξαμενής. Η εξίσωση για την υδροστατική πίεση είναι ως εξής:
Αν είναι γνωστή η πυκνότητα και το ειδικό βάρος του υγρού, το ύψος (ή η στάθμη) του υγρού μπορεί να καθοριστεί από τη μέτρηση της υδροστατικής πίεσης.
Μία συνήθης εφαρμογή υδροστατικής πίεσης είναι η μέτρηση της στάθμης ενός υγρού σε μία κλειστή δεξαμενή. Μία επικάλυψη με αδρανές αέριο μπορεί να χρησιμοποιεί για την αποφυγή της οξείδωσης του υγρού, όπως το CO2 στο άνω τμήμα μιας δεξαμενής με μπύρα. Σε αυτήν την περίπτωση, η διαφορική πίεση μπορεί να υπολογιστεί με δύο αισθητήρες πίεσης. Ο ένας στο άνω τμήμα μετρά την πίεση του αερίου και ο άλλος στο κάτω τμήμα μετρά την πίεση του αερίου συν την πίεση λόγω του υγρού. Η πίεση του υγρού μόνο (και επομένως η στάθμη του υγρού) είναι η διαφορά των δύο μετρήσεων.
Χωρητική σημειακή στάθμη (κωδικοί προϊόντων Kxxxxx)
Οι χωρητικοί αισθητήρες ανιχνεύουν οποιοδήποτε υλικό με ή χωρίς επαφή. Με τους χωρητικούς αισθητήρες προσέγγισης της ifm, ο χρήστης μπορεί να ρυθμίσει την ευαισθησία του αισθητήρα για την ανίχνευση υγρού ή στερεών ακόμα και μέσα από μη μεταλλικές δεξαμενές.
Για την επιτυχή ανίχνευση στάθμης με χρήση χωρητικών αισθητήρων βεβαιωθείτε για τα εξής:
- Το τοίχωμα του δοχείου είναι μη μεταλλικό
- Το τοίχωμα του δοχείου έχει πάχος μικρότερο από 6 – 12 mm
- Δεν υπάρχει μέταλλο σε άμεση εγγύτητα με τον αισθητήρα
- Η επιφάνεια ανίχνευσης είναι τοποθετημένη απευθείας στο τοίχωμα του δοχείου
- Τόσο ο αισθητήρας, όσο και το δοχείο είναι γειωμένα με το ίδιο δυναμικό
Χωρητική συνεχής στάθμη (κωδικοί προϊόντων Lxxxxx)
Οι αισθητήρες συνεχούς στάθμης LK και LT της ifm απαρτίζονται από 16 μεμονωμένους χωρητικούς αισθητήρες που είναι στοιβαγμένοι και πολυπλεγμένοι.
Κάθε κυψέλη αξιολογεί το περιβάλλον της, για να καθορίσει εάν καλύπτεται από τα μέσα. Ο μικροεπεξεργαστής αξιολογεί και τις 16 κυψέλες, για να καθορίσει τη στάθμη των μέσων.
Οι σειρές LK και LT διαθέτουν ενσωματωμένη προστασία από υπερχείλιση. Ο αλγόριθμος που παρακολουθεί την υπερχείλιση είναι ανεξάρτητος από τη γενική μέτρηση της στάθμης πλήρωσης. Με αυτήν τη μέθοδο, αν οι έξοδοι αποτύχουν να μετάγουν με τον επιθυμητό τρόπο και η στάθμη εξακολουθεί να ανεβαίνει, η προστασία από υπερχείλιση αναγκάζει τις εξόδους να μετάγουν.
Επιπρόσθετα, η σειρά LT παρέχει μία ξεχωριστή έξοδο για τη θερμοκρασία του μέσου.
Υπέρηχος
Οι αισθητήρες υπερήχων βασίζονται στην ανίχνευση των ηχητικών κυμάτων που αντανακλώνται από την επιφάνεια για τη μέτρηση της στάθμης πλήρωσης. Η επιφάνεια του μέσου αντανακλά ηχητικά κύματα και η απόσταση καθορίζεται μέσω μέτρησης του χρόνου πτήσης.
Αντίθετα από τα φωτοκύτταρα, το χρώμα, η διαφάνεια και η ανακλαστικότητα του μέσου δεν επηρεάζουν την τεχνολογία υπερήχων.
Οι αισθητήρες υπερήχων παρουσιάζουν υψηλό βαθμό ανοσίας στην υγρασία και τη σκόνη. Η επιφάνεια ανίχνευσης δονείται σε πολύ υψηλή συχνότητα και αποβάλλει την πλεονάζουσα υγρασία και σκόνη, προτού επιδράσουν αρνητικά την απόδοση. Ωστόσο, οι υπερβολικές θερμοκρασίες μπορεί να επηρεάσουν την ακρίβεια, διότι η ταχύτητα του ήχου ποικίλει ανάλογα με τη θερμοκρασία.
Οπτικός αισθητήρας
Ο αισθητήρας απόστασης λέιζερ O1D και ο οπτικός αισθητήρας O3D χρησιμοποιούν την τεχνολογία pmd time-of-flight για να μετρούν την απόσταση από την επιφάνεια του μέσου. Η αρχή λειτουργίας του χρόνου πτήσης παρακολουθεί τον χρόνο που χρειάζεται ένα φωτόνιο φωτός για να μετακινηθεί από την επιφάνεια και να επιστρέψει. Στη συνέχεια, ένα στοιχείο δέκτη αναλαμβάνει την επεξεργασία του σήματος.
Αυτή η τεχνολογία δεν είναι κατάλληλη για μέτρηση της στάθμης πλήρωσης διαυγών υγρών. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για αδιαφανή υγρά και στερεά σώματα.
Ραντάρ
Η συσκευή λειτουργεί σύμφωνα με τη μέθοδο FMCW (FMCW = Frequency Modulated Continuous Wave (συνεχές κύμα διαμόρφωσης συχνότητας)). Στο μέσο αποστέλλονται ηλεκτρομαγνητικοί παλμοί στην περιοχή GHz με μία συνεχώς μεταβαλλόμενη συχνότητα μεταξύ 77 και 81 GHz. Εφόσον ο πομπός αλλάζει συνεχώς τη συχνότητα του εκπεμπόμενου σήματος, υπάρχει διαφορά συχνότητας μεταξύ του εκπεμπόμενου και του ανακλώμενου σήματος. Η συχνότητα του ανακλώμενου σήματος αφαιρείται από τη συχνότητα του σήματος που εκπέμπεται τη δεδομένη στιγμή, με αποτέλεσμα ένα σήμα χαμηλής συχνότητας ανάλογο με την απόσταση από τη στάθμη πλήρωσης. Αυτό το σήμα υποβάλλεται σε περαιτέρω επεξεργασία, προκειμένου να ληφθούν γρήγορες, αξιόπιστες και εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις στάθμης πλήρωσης.
Ποιο είναι το πλεονέκτημα των 80 GHz;
Το μέγεθος και η συχνότητα της κεραίας είναι οι δύο κύριοι παράγοντες, οι οποίοι είναι καθοριστικοί για την ανάλυση της εμβέλειας ανίχνευσης και την ακρίβεια ενός αισθητήρα με ραντάρ. Βασικά:
- Όσο μικρότερη είναι η κεραία, τόσο μεγαλύτερη είναι η γωνία ανοίγματος του ραντάρ
- Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα, τόσο μικρότερο είναι το μήκος κύματος
Το σχήμα δείχνει: Η τεχνολογία υψηλής συχνότητας 80 GHz επιτρέπει μία σχετικά μικρή γωνία ανοίγματος χρησιμοποιώντας μία κεραία μικρού μεγέθους.
Περισσότερο σήμα, λιγότερες παρεμβολές
Η μεγαλύτερη εστίαση του ισχυρού σήματος μέσω της μικρής γωνίας ανοίγματος επιτρέπει την ανίχνευση χαμηλών διηλεκτρικών μέσων, καθώς η υψηλή εστίαση αυξάνει την αντανάκλαση στον αισθητήρα. Η μεγάλη εστίαση αποτρέπει επίσης τον εντοπισμό αναδευτήρων και φυσητήρων καθαρισμού που προκαλούν παρεμβολές σήματος.
Υψηλή ανάλυση και ακριβής μέτρηση της στάθμης πλήρωσης σε όλο το ύψος της δεξαμενής
Για εφαρμογές όπως η βιομηχανική ανίχνευση στάθμης πλήρωσης, η ακρίβεια του εύρους (έως χιλιοστό) αποτελεί βασική προτεραιότητα. Η ακρίβεια των μετρήσεων και η ανάλυση της εμβέλειας ανίχνευσης (δηλαδή, με πόση ακρίβεια ανιχνεύονται οι αλλαγές στη στάθμη πλήρωσης) εξαρτώνται από τις εκπεμπόμενες συχνότητες. Το μεγάλο εύρος ζώνης που διατίθεται στη ζώνη 77 έως 81 GHz καθιστά τις μετρήσεις της εμβέλειας ανίχνευσης πολύ ακριβείς. Ο αισθητήρας με ραντάρ 80 GHz μπορεί να επιτυγχάνει 20 φορές καλύτερη απόδοση στην ανάλυση και την ακρίβεια της εμβέλειας ανίχνευσης σε σύγκριση με ένα ραντάρ 24 GHz. Επίσης, η υψηλή ανάλυση βοηθά στον διαχωρισμό της στάθμης πλήρωσης του υγρού από τυχόν ανεπιθύμητες αντανακλάσεις στον πυθμένα της δεξαμενής. Αυτό επιτρέπει στον αισθητήρα να μετρά με ακρίβεια τη στάθμη πλήρωσης του υγρού σε όλο το ύψος της δεξαμενής, ελαχιστοποιώντας την τυφλή περιοχή στον πυθμένα της δεξαμενής. Και δεδομένου ότι η υψηλή ανάλυση βελτιώνει την ελάχιστη μετρήσιμη απόσταση, βοηθά στη μέτρηση της στάθμης πλήρωσης του υγρού μέχρι την κορυφή της δεξαμενής, όταν η δεξαμενή είναι γεμάτη.