- Översikt över nivågivare
- Teknisk översikt
Teknisk översikt - nivågivare
Impedansspektroskopi
Avlagringar och skum gör ofta tillförlitlig nivådetektering komplicerad. Tekniken med impedansspektroskopi mäter styrkan hos elektriska och magnetiska fält vid flera frekvenser mellan 50-200 MHz. Varje medium genererar en unik signaturprofil över detta högfrekventa spektrum. Tre mätningar sker vid varje punkt:
- Attenuering (dämpning) av det elektromagnetiska fältet
- Konduktans hos det elektriska fältet (elektrisk ledningsförmåga)
- Permittivitet (förmåga att polarisera partiklar) hos det magnetiska fältet
När medium finns, matchar de här mätningarna profilen. När medium saknas eller då det endast finns avlagringar kvar, matchar inte mätningarna. När den uppmätta profilen ligger inom den gröna kopplingszonen, kopplas utgången på givaren.
Medium saknas: Bilden ovan visar situationen när inget medium täcker givarspetsen. Attenuering, konduktans och permittivitet är låg. Signaturprofilen ligger utanför kopplingszonen.
Medium finns: Nästa bild visar profilen när det finns medium vid spetsen. Attenuering, konduktans och permittivitet är höga och mätprofilen ligger inom kopplingszonen. Utgångens status ändras.
Avlagringar och rester: När endast rester och avlagringar täcker spetsen är konduktivitet och permittivitet höga eftersom det finns spår av medium. Men attenueringen är låg på grund av den lilla mängden medium. Profilen ligger utanför kopplingszonen och utgångens status ändras inte.
Andra medier har andra profiler. Med hjälp av IO-Link kan mediernas processvärden utvärderas och användas för att skilja mellan olika material, t.ex. olja kontra vatten, standardmjölk kontra mellanmjölk, etc.
Egenskaper:
- Undertryckning av avlagringar och skum.
- Infälld och tätad PEEK-givarspets uppfyller 3A-krav.
- Robust stomme av rostfritt stål.
Alla versioner kan programmeras, men det finns standardinställningar för vatten- och oljebaserade medier, pulvermedier och medium med hög sockerhalt.
Radarmätning (guided wave radar, GWR)
Vid radarmätning används elektromagnetiska impulser i nanosekundintervallet (mikrovågor). Givarhuvudet överför impulserna och dessa vidarebefordras genom en metallprob. När vågorna träffar mediet, reflekteras och detekteras de av metallproben och leds till givarhuvudet. Tidsskillnaden mellan sändning och mottagning (time of flight) är direkt proportionell mot avståndsmätningen.
För korrekt frikoppling av radarimpulsen krävs en isoleringsplatta av metall på minst 150 mm²eller 150 mm diameter. Om tanken har ett metallock kan detta användas som isoleringsplatta.
Bilden ovan visar en tank med ett metallock. Isoleringsplatta krävs inte eftersom locket används.
I en tank med plastlock krävs en isoleringsplatta av metall. På bilden visas en fläns med minst 150 mm diameter.
I en öppen tank krävs också en isoleringsplatta. Ett enkelt sätt att lösa detta är att fästa en fläns på en metallvinkel.
Vätskeytan på oljebaserade medier reflekterar inte radarimpulsen lika bra som vatten. För att förstärka och isolera signalen måste ett koaxialrör användas.
Vid användning av koaxialrör krävs inte isoleringsplattan som beskrivs ovan. Detta underlättar monteringen. Bryggkopplingen mellan proben och koaxialröret kan orsaka felaktig nivådetektering på grund av fasta partiklar, emulsioner etc. Koaxialröret kan även användas med vattenbaserade medier och röret kan kapas så att det passar proben.
Egenskaper:
- 3A-godkänd design för montering utanför tanken (clean out of place) för vissa modeller
- För tryck upp till 40 bar för vissa modeller
- Material av rostfritt stål
- Immunitet mot damm, dimma och ånga
Hydrostatiskt tryck
Hydrostatiskt tryck är kraften som utövas på ett område av en vätskepelare och är en funktion av behållarens höjd och inte behållarens form och volym. Ekvation för hydrostatiskt tryck:
Om densiteten och den specifika tyngdkraften för vätskan är känd, kan höjden (eller nivån) bestämmas med mätningar av det hydrostatiska trycket.
En vanlig applikation av hydrostatiskt tryck är mätning av vätskenivån i en sluten tank. En isolering med inert gas kan användas för att förhindra att vätskan oxiderar, t.ex. CO2 ovanpå en öltank. I det här fallet, kan tryckskillnaden beräknas med två tryckgivare. Den övre mäter gastrycket och den nedre mäter gastrycket plus trycket som orsakas av vätskan. Vätskans tryck (och därigenom vätskenivån) är den enda skillnaden mellan de två mätvärdena.
Kapacitiv gränsnivå (artikelnr Kxxxxx)
Kapacitiva givare detekterar alla slags material med eller utan beröring. Med ifm:s kapacitiva beröringsfria givare kan användaren justera givarens känslighet för att till och med detektera vätskor eller fasta material genom tankar av icke-metall.
För att lyckas med nivådetektering med kapacitiva givare, se till att:
- Kärlets vägg är icke-metallisk
- Kärlets vägg har en tjocklek på mindre än 6 – 12 mm
- Det finns ingen metall i givarens omedelbara närhet
- Avkänningsytan är placerad direkt på kärlets vägg
- Både givaren och kärlet är jordade vid samma potential
Kapacitiv kontinuerlig nivå (artikelnr Lxxxxx)
ifm:s kontinuerliga nivågivare LK och LT består av 16 individuella kapacitiva givare som är ihopkopplade och multiplexerade.
Varje cell utvärderar sin omgivning för att avgöra om den är täckt av medier. Mikroprocessorn utvärderar alla 16 celler för att bestämma medienivån.
LK- och LT-serierna har inbyggt överfyllnadsskydd. Algoritmen som övervakar överfyllnad är oberoende av den allmänna nivåmätningen. Om utgångarna inte kopplas som önskat och nivån fortsätter att stiga, tvingar överfyllnadsskyddet utgångarna att växla.
Dessutom har LT-serien en separat utgång för medietemperatur.
Ultraljud
Ultraljudsgivare detekterar ljudvågor som reflekteras från mätnivåns yta. Medieytan reflekterar ljudvågorna och avståndet bestäms med hjälp av time of flight-mätning.
Till skillnad från fotoelektriska givare, påverkas inte ultraljudstekniken av mediets färg, transparens och reflektivitet.
Ultraljudsgivare har en hög grad av immunitet mot fukt och damm. Sensorytan vibrerar vid mycket höga frekvenser och på så sätt avlägsnas fukt och damm innan dessa kan påverka mätresultatet. Extrema temperaturer kan emellertid påverka noggrannheten eftersom ljudets hastighet varierar beroende på temperatur.
Fotocell
O1D laseravståndsgivare och O3D visionsgivare använder PMD time of flight-teknik för att mäta avståndet till medieytan. Time of flight-principen övervakar hur lång tid det tar för en foton att röra sig från ytan och tillbaka. Signalen bearbetas sedan av ett mottagarelement.
Tekniken är inte lämplig för att mäta nivån i klara vätskor. Den kan endast användas för ogenomskinliga vätskor och fasta ämnen.
Radar
Enheten fungerar enligt FMCW-metoden (FMCW = Frequency Modulated Continuous Wave). Elektromagnetiska impulser i GHz-området skickas till mediet vid en konstant växlande frekvens mellan 77 och 81 GHz. Eftersom sändaren kontinuerligt ändrar frekvensen på den sända signalen uppstår det frekvensskillnad mellan den sända och den reflekterade signalen. Frekvensen av den reflekterade signalen subtraheras från frekvensen av den signal som överförs vid den tidpunkten, vilket resulterar i en lågfrekvent signal som är proportionell mot avståndet till nivån. Denna signal bearbetas vidare för att kunna få en snabb, pålitlig och högexakt nivåmätning.
Vad är fördelarna med 80 GHz?
Antennens storlek och frekvens är de två huvudfaktorer som avgör radarsensorns räckviddsupplösning och precision. Grundläggande:
- Ju mindre antennen är, desto större är radarns öppningsvinkel
- Ju högre frekvensen är, desto lägre är våglängden
Bilden visar: Den högfrekventa 80 GHz-tekniken möjliggör en jämförelsevis liten öppningsvinkel med hjälp av en liten antennstorlek.
Starkare signal, mindre störningar
En högre fokusering från den starka signalen genom den lilla öppningsvinkeln möjliggör detekteringen av medier med låg dielektrisk konstant eftersom det höga fokuset ökar reflektionen till givaren. Den höga fokuseringen förhindrar också detekteringen av omrörare och spraykulor vilket annars kan leda till signalstörningar.
Hög upplösning och noggrann nivåmätning längs hela tankhöjden
För applikationer så som industriell nivåavkänning är mätningsprecision (ner till millimetern) av högsta prioritet. Noggrannheten på mätningar och områdesupplösningar (d.v.s. hur exakt nivåändringar detekteras) beror på de utsända frekvenserna. Den utsträckta bandbredden som finns i ett 77 till 81 GHz-band gör områdesmätningar mycket precisa. En 80 GHz-radargivare kan uppnå en 20 ggr bättre prestanda i områdesupplösning och precision än en 24 GHz radar. Dessutom hjälper den höga upplösningen till att skilja vätskenivån från oönskade reflektioner från tankens botten. Det gör det möjligt för givaren att exakt mäta vätskenivån upp till hela tankhöjden och samtidigt minimera blindzonen på tankens botten. Och eftersom den höga upplösningen förkortar det minimala mätavståndet, bidrar det till mätningar av vätskenivån upp till tankens toppen när tanken är full.