- Pregled senzorjev nivoja
- Pregled tehnologije
Pregled tehnologije – senzorji nivoja
Impedančna spektroskopija
Usedline in pena pogosto otežujejo zanesljivo zaznavanje nivoja. Tehnologija impedančne spektroskopije meri moč električnega in magnetnega polja na več frekvencah v razponu 50…200 MHz. Vsak medij ustvari edinstven podpisni profil po tem visokofrekvenčnem spektru. Na vsaki točki se izvedejo tri meritve:
- Slabljenje (blaženje) elektromagnetnega polja
- Prevodnost električnega polja (zmožnost prevajanja električnega toka)
- Prepustnost (zmožnost polarizacije delcev) magnetnega polja
Ko je medij prisoten, te meritve ustrezajo profilu. Če medij ni prisoten ali če so prisotni samo ostanki, se merjenja ne ujemajo. Če izmerjeni profil pade v zeleno preklopno območje, izhod senzorja spremeni stanje.
Brez medija: Zgornja slika prikazuje situacijo, ko medij ne prekriva konice senzorja. Slabljenje, prevodnost in prepustnost so nizki. Podpisni profil je zunaj območja preklopa.
Z medijem: Naslednja slika prikazuje profil, kadar je na konici medij. Slabljenje, prevodnost in prepustnost so vsi visoki, izmerjeni profil pa je znotraj območja preklopa. Izhod spremeni stanje.
Prisotni ostanki: Če samo ostanki prekrivajo konico, sta prevodnost in prepustnost visoki, saj so prisotne sledi medija. Slabljenje pa je nizko, saj je količina medija majhna. Profil je zunaj območja preklopa in izhod ne spremeni stanja.
Različni mediji imajo različne profile. Z uporabo IO-Linka je mogoče oceniti procesne vrednosti medija in jih uporabiti za razlikovanje med materiali, npr. olje in voda, polnomastno mleko in 2-odstotno mleko itn.
Značilnosti:
- Preprečevanje kopičenja ostankov in pene.
- Poravnano zatesnjena konica senzorja PEEK ustreza zahtevam 3A.
- Ohišje iz nerjavnega jekla za robustnost.
Vse različice so programirljive, vendar so na voljo privzete nastavitve za medije na osnovi vode, medije na oljni osnovi/praškaste medije in medije z visoko vsebnostjo sladkorja.
Vodeni valovni radar (gwr)
Princip delovanja gwr uporablja elektromagnetne impulze v območju nanosekunde (mikrovalovi). Glava senzorja oddaja impulze, ki potujejo navzdol po kovinskem tipalu (vodilo). Ko val udari ob medij, se odbije nazaj, kar zbere kovinsko tipalo in ga vodi do glave senzorja. Časovna razlika med oddajo in sprejemom impulza (time-of-flight) je neposredno sorazmerna z merjenjem razdalje.
Za pravilno ločevanje radarskega impulza je potrebna kovinska oddajna plošča premera vsaj 150 mm²ali 150 mm. Če ima rezervoar kovinski pokrov, lahko ta služi kot oddajna plošča.
Zgornja slika prikazuje rezervoar s kovinskim pokrovom. Oddajna plošča ni potrebna, saj jo nadomešča pokrov.
V rezervoarju s plastičnim pokrovom je potrebna kovinska oddajna plošča. Prikazana je prirobnica s premerom vsaj 150 mm.
V odprtem rezervoarju je tudi potrebna oddajna plošča. To na preprost način dosežemo s privijanjem prirobnice na kovinski kotnik.
Pri medijih na oljni osnovi površina tekočine ne odbija radarskega impulza tako dobro kot voda. Za večjo intenzivnost in obvladovanje signala moramo uporabiti pripomoček s koaksialno cevko.
Pri uporabi koaksialne cevke oddajna plošča, kot je opisano zgoraj, ni potrebna. Zaradi tega je nameščanje preprostejše. Vseeno pa lahko premoščanje med tipalom in koaksialno cevko zaradi trdnih delcev, emulzij itn. povzroči napačen prikaz nivoja. Koaksialno cevko je mogoče uporabiti v medijih na vodni osnovi, cevko pa je mogoče prirezati na dolžino, ki ustreza tipalu.
Značilnosti:
- Odobrena zasnova 3A Clean-Out-of-Place (COP) za nekatere modele
- Nazivni tlak do 40 barov za nekatere modele
- Konstrukcijski materiali iz nerjavnega jekla
- Odporni na prah, meglo in paro
Hidrostatični tlak
Hidrostatični tlak je sila na določeno območje, ki jo izvaja stolpec tekočine, ter je funkcija višine vsebnika in ne skupne oblike ali prostornine vsebnika. Enačba za hidrostatični tlak je:
Če je gostota in specifična teža tekočine znana, je mogoče določiti višino (ali nivo) tekočine prek merjenja hidrostatičnega tlaka.
Običajna aplikacija za hidrostatični tlak meri nivo tekočine v zaprtem rezervoarju. Lahko se uporabi prevleka z inertnim plinom, da se prepreči oksidacija tekočine, npr. CO2 na vrhu rezervoarja piva. V tem primeru je diferenčni tlak mogoče izračunati z dvema tlačnima senzorjema. Zgornji meri tlak plina, spodnji pa meri tlak plina in tlak zaradi tekočine. Samo tlak tekočine (in tako tudi nivo tekočine) je razlika med meritvama.
Kapacitivni točkovni nivo (številke izdelkov Kxxxxx)
Kapacitivni senzorji zaznavajo vse materiale stično ali brezstično. S kapacitivnimi senzorji bližine družbe ifm lahko uporabnik prilagodi občutljivost senzorja za zaznavanje tekočin ali trdnih delcev tudi skozi nekovinske rezervoarje.
Za uspešno zaznavanje nivoja z uporabo kapacitivnih senzorjev poskrbite, da:
- posoda ni kovinska
- stena posode je debela manj kot 6–12 mm
- ni kovin v neposredni bližini senzorja
- je sprednji del senzorja nameščen neposredno na steno posode
- sta senzor in posoda ozemljena z istim potencialom
Kapacitivni neprekinjeni nivo (številke izdelkov Lxxxxx)
Neprekinjeni senzorji nivoja LK in LT družbe ifm so sestavljeni iz 16 posameznih kapacitivnih senzorjev, ki so skladani in multipleksirani.
Vsaka celica oceni svojo okolico, da ugotovi, ali je prekrita z medijem. Mikroprocesor oceni vseh 16 celic, da določi nivo medija.
Družini LK in LT imata vgrajeno zaščito proti preplavljanju. Algoritem, ki spremlja preplavljanje, ni odvisen od splošnega merjenja nivoja. Na ta način, če se izhodi ne preklopijo, kot bi se morali, in če nivo ne neha rasti, zaščita pred preplavljanjem vsili preklop izhodov.
Poleg tega nudi serija LT še ločen izhod za temperaturo medija.
Ultrazvočno
Ultrazvočni senzorji se za merjenje nivoja zanašajo na zaznavanje zvočnih valov, ki se odbijajo od površin. Površina medija odbija zvočne valove, razdalja pa se določi prek merjenja time-of-flight.
Za razliko od fotoelektričnih senzorjev barva, prosojnost in odbojnost medija ne vpliva na ultrazvočno tehnologijo.
Ultrazvočni senzorji imajo visoko stopnjo imunosti na vlago in prah. Zaznavno pročelje vibrira z zelo visoko frekvenco in odvrže odvečno vlago in prah, preden bi lahko te snovi negativno vplivale na učinkovitost delovanja. Vseeno pa lahko temperaturni ekstremi vplivajo na natančnost, saj se hitrost zvoka spreminja glede na temperaturo.
Fotoelektrično
Laserski senzor razdalje O1D in vizualni senzor O3D uporabljata tehnologijo pmd time-of-flight za merjenje razdalje do površine medija. Princip time-of-flight spremlja čas, ki je potreben, da foton svetlobe potuje do površine in nazaj. Signal nato obdela sprejemni element.
Ta tehnologija ni primerna za merjenje nivoja bistrih tekočin. Uporablja se lahko samo za neprosojne tekočine in trdne delce.
Radar
Naprava deluje skladno z metodo FMCW (FMCW = Frequency Modulated Continuous Wave – frekvenčno modulirani neprekinjeni val). Elektromagnetni impulzi v GHz območju se pošljejo do medija pri nenehno spreminjajoči se frekvenci od 77 do 81 GHz. Ker oddajnik nenehno spreminja frekvenco oddanega signala, pride do razlike v frekvenci med oddanim in odbitim signalom. Frekvenca odbitega signala se odšteje od frekvence v tem času oddanega signala, rezultat pa je nižji signal frekvence sorazmerno z razdaljo do nivoja. Ta signal se nadalje obdela, da dobimo hitro, zanesljivo in izjemno natančno izmerjeno raven.
Kaj je prednost 80 GHz?
Velikost antene in frekvenca sta glavna dejavnika, odločilna za ločljivost razdalje in natančnost radarskega senzorja. V bistvu:
- Manjša je antena, večji je kot odpiranja radarja
- Večja je frekvenca, manjša je valovna dolžina
Slika prikazuje: Visokofrekvenčna 80-GHz tehnologija omogoča primerljivo mali kot odpiranja z uporabo male antene.
Več signala, manj motenj
Večje osredotočanje močnega signala skozi mali kot odpiranja omogoča zaznavanje nizko dielektričnega medija, saj visoko osredotočanje poveča odboj do senzorja. Visoko osredotočanje tudi prepreči zaznavanje mešalnikov in čistilnikov s curkom, kar bi pomenilo interference signalov.
Visoka ločljivost in natančno merjenje ravni celotne višine rezervoarja
Za vrste uporabe, kot je zaznavanje na industrijski ravni, je ključna prednostna naloga natančnost razpona (do milimetra natančno). Natančnost merjenja in ločljivost razpona (torej, kako natančno so zaznane spremembe ravni) sta odvisna od oddanih frekvenc. Velika pasovna širina, ki je na voljo na pasu od 77 do 81 GHz, omogoča zelo natančne meritve razpona. 80-GHz radarski senzor lahko doseže 20x boljšo zmogljivost pri ločljivosti razpona in natančnost v primerjavi s 24-GHz radarjem. Poleg tega visoka ločljivost pomaga ločevati raven tekočine od kakršnih koli neželenih odbojev na dnu rezervoarja. To omogoča senzorju, da natančno izmeri raven tekočine po celotni višini rezervoarja, zaradi česar se zmanjša slepo območje na dnu rezervoarja. Ker visoka ločljivost izboljša minimalno merljivo razdaljo, pomaga pri merjenju ravni tekočine do samega vrha rezervoarja, kadar je ta poln.