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技術總覽 - 液位感測器

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阻抗頻譜法

沉積物及泡沫往往會讓液位偵測變得困難。阻抗頻譜法技術可在多種頻率下（50...200MHz之間），測量電場及磁場強度。在如此高頻率的頻譜掃描下，每個介質會產生獨特的特徵輪廓。在每個點可產生３組測量值：

  • 電磁場的衰減（抑制）
  • 電場傳導率（傳導電流的能力）
  • 磁場的介電常數（使粒子極化的能力）

當介質出現時，這些量測值會與輪廓做比對。當沒有介質出現，或只有沉積物時，量測值將不會進行比對。當量測輪廓落入綠色切換區域，感測器的輸出將會改變狀態。

無介質：上圖顯示沒有介質包覆在感測器頂端的狀況。此時會呈現低衰減、低傳導率及低介電常數。此特徵輪廓發生在切換區域外。

有介質：下圖顯示當頂端有介質時的輪廓。衰減、傳導率及介電常數都很高，且量測輪廓位在開關區域內。輸出改變狀態。

有沉積物：當只有沉積物包覆頂端，傳導率及介電常數會很高，因為有介質出現的跡象。但衰減會很低，因為介質的量很小。這個輪廓是在開關區域外，輸出並無改變狀態。

其他介質具有不一樣的輪廓。使用IO-Link時，可評估介質處理數值，並用來分辨不同的物質，也就是油 vs 水，全脂牛奶 vs 2%牛奶等。

特色：

  • 抑制沉積物堆積以及泡沫。
  • 嵌平密封PEEK感測器尖端符合3A要求。
  • 強固的不鏽鋼機體。

所有版本皆可進行程式設計，但也提供水性介質、油性／粉狀介質及高含糖介質使用的原廠預設設定。

導波雷達（gwr）

導波雷達的運作原理為在奈秒（微波）範圍內使用電磁脈衝。感測器頂部傳送脈衝，脈衝一路傳送至金屬探針（導波）。當電磁波碰到介質時，會反彈回來，由金屬探針接收到，並導波傳送至感測器頂部。傳送脈衝及接收脈衝之間的時間差（飛時測距）與距離量測成正比。

為了雷達脈衝的適當去耦， 金屬發射板 需要至少 150 平方公釐或直徑 150 公釐。 若水槽有金屬蓋，則可以當作發射板。

上圖為有金屬蓋的水槽。其不需要發射板，因為外蓋可充當發射板。

但在水槽有塑膠外蓋的情況下，則需要發射板。圖片上為直徑至少 150 公釐的法蘭。

若是無蓋槽，也同樣需要發射板。只要將一個法蘭栓在金屬角上，即可輕鬆完成。

有別於水，油性介質流體表面反射雷達脈衝的效果較差。為了加強與保存訊號，我們必須使用 同軸管配件。

當使用同軸管時，不一定要使用上述提到的發射板。這讓安裝變得更簡單。然而，為了橋接探針及同軸管所使用的固體、乳膠等可能導致錯誤的液位指示。同軸管也可以用在水性介質，必要時可裁切長度以配合探針。

特色：

  • 部分型號具有3A認證的異地清洗（COP）設計
  • 部分型號的壓力額定值更高達40bar
  • 不鏽鋼材質
  • 不受灰塵、煙霧及蒸汽影響

靜水壓

靜水壓是流體對每單位面積施加的壓力，其為容器高度的函數，而非容器整體形狀或體積。靜水壓的公式為：

如果知道流體的密度和比重，則可根據靜水壓力測量結果，確定流體的高度（或液位）。
常見的靜水壓應用是在密閉槽內測量液位。可以使用惰性氣體覆蓋層來防止液體氧化，例如啤酒槽頂部的CO2。在這個情況下，使用兩個壓力感測器即可計算出壓力差。上方的感測器測量氣體壓力，下方感測器則測量氣體壓力以及液體所導致的壓力。兩次測量結果差即為液體的壓力（也就是液體的液位）。

電容點液位（Kxxxxx產品編號）

電容式感測器可以在接觸或不接觸的情況下偵測到任何材質。有了宜福門的電容式鄰近感測器，使用者可以調整感測器的敏感度，透過非金屬槽偵測液體或固體。

Diagram of tanks with capacitive point level sensors for high and low level particulate and/or liquid detection

為了讓電容式感測器成功偵測液位，請確保：

  • 容器壁為非金屬
  • 容器壁厚度需小於 6 至 12 公釐
  • 感測器附近沒有金屬
  • 感應面直接置於容器壁上
  • 感測器和容器均以相同的電位接地

電容點液位（Lxxxxx產品編號）

宜福門的LK及LT連續液位感測器包含16個獨立電容式感測器堆疊及分工。

Capacitance continuous level sensor diagram showing 16 capacitive cells in the probe

每個感測器都可評估周圍環境，以確定是否被介質覆蓋。微處理器評估所有16個感測器以確定介質液位。

Capacitive sensor diagram showing capacitive cells exposed to air outside of the tank, the mounting, air inside the tank, and water level

LK及LT系列產品內建有溢出防護。監控溢出的演算法不受常規液位測量影響。如此一來，如果輸出未按要求切換，液位也持續上升，則溢出防護將強制切換輸出。

另外，LT系列為介質溫度提供了額外輸出。

超音波

超音波感測器測量液位時，會偵測介質表面反射回來的聲波。介質的表面反射聲波，而距離則是透過飛時測距來確定。

有別於光學感測器，介質的顏色、透明度及反射度均不影響超音波技術。

對於濕度及灰塵，超音波感測器亦展現高度免疫力。在這些物質對性能產生負面影響之前，感應面會以很高的頻率振動，藉此排散多餘的水分和灰塵。然而，溫度則對於準確度有很大的影響，因為音速在不同的溫度下有不同變化。

光電性

透過 pmd 飛時測距技術，O1D 雷射距離感測器以及 O3D 視覺感測器可測量至介質表面的距離。飛時測距原則可監控光子飛行到表面並返回原處的時間。訊號接著由接收元件處理。

然而，此技術不適合測量清澈液體的液位。它僅適用於不透明的液體和固體。

雷達

此裝置是以調頻連續波（FMCW）方法運作。在 Ghz 範圍內的電磁脈波，被以 77 到 81 GHz 之間不斷改變的頻率發送到媒介。由於發射器不斷改變送出訊號的頻率，送出之訊號和反射回來的訊號會有頻率差異。從當時發射出的訊號頻率中，減去反射訊號的頻率，就會得到一個低頻率信號，而該低頻訊號和到液位的距離是成正比的。此訊號將受到更進一步處理，得出一個快速、可靠、和高精準度的液位測量結果。

80 Ghz 的優勢是什麼？

天線尺寸和頻率是兩個關鍵要素，對於雷達感測器的距離、解析度、和準確度具有決定性的影響。基本上來說: 

  • 天線尺寸越小，雷達的張角就越大。
  • 頻率越高，波長就越短。

圖表顯示：80 Ghz 技術的高頻率，讓小尺寸天線與較小的雷達張角成為可能。

更多的訊號，更少的干擾

透過較小張角得到更聚焦的高強度訊號，讓低介電之介質能夠被偵測到，因為偵測到的反射訊號也增強了。更高度的聚焦同時也避免攪拌器和噴射清潔劑被偵測到造成訊號干擾。

對整個儲水池進行之高解析度、高準確度液位測量。 

對於工業液位偵測等應用類型，距離準確度（精準度到公釐的程度）至關重要。測量之精準度和距離解析度 （即液位改變時受偵測的精細程度），取決於射出的頻率。介於 77 到 81 GHz 頻帶間的寬廣頻寬，讓距離測量非常的精準。80 GHz 雷達感測器的性能，相較於 24 GHz 的雷達，在距離解析度和準確度，可達到 20 倍的效能。同時，高解析度有助於將液態液位區别于任何水槽底部不必要的反射中。這讓感測器能夠精準地測量整個水槽高度的液態液位，最小化水槽底部的盲區。而且由於高解析度能加強可測之最短距離，它能持續測量至整個水槽裝滿。