- Přehled hladinových senzorů
- Přehled technologie
Přehled technologií – hladinové senzory
Impedanční spektroskopie
Spolehlivou detekci hladiny často komplikují usazeniny a tvorba pěny. Technologie využívající impedanční spektroskopii měří intenzitu elektrického a magnetického pole při různých frekvencích od 50 do 200 MHz. Každá látka má v tomto vysokofrekvenčním rozsahu jedinečný profil charakteristiky. V každém bodu se provádějí tři měření:
- zeslabení (tlumení) elektromagnetického pole,
- vodivost elektrického pole (schopnost vést elektrický proud),
- permitivita magnetického pole (schopnost polarizovat částice).
Když je zjištěno médium, měření odpovídají profilu. Když médium zjištěno není nebo jsou ho jen zbytky, měření nesouhlasí. Když naměřený profil spadá do zelené spínací oblasti, změní se stav výstupu senzoru.
Chybí médium: Na obrázku nahoře je situace, kdy snímací hrot není pokrytý médiem. Je nízké zeslabení, nízká vodivost i nízká permitivita. Profil charakteristiky je mimo spínací oblast.
Zjištěno médium: Na dalším obrázku je znázorněný profil za situace, kdy je u hrotu médium. Zeslabení, vodivost i permitivita jsou vysoké a naměřený profil spadá do spínací oblasti. Stav výstupu se změní.
Zjištěny zbytky: Jestliže jsou u hrotu jen zbytky, je vodivost a permitivita vysoká vlivem stop média. Zeslabení je ale nízké, protože je média málo. Profil je mimo spínací oblast a stav výstupu se nezmění.
Různá média mají různé profily. Pomocí rozhraní IO-Link lze procesní hodnoty média vyhodnotit a rozlišit podle nich materiály, např. olej od vody nebo plnotučné mléko od 2%.
Vlastnosti:
- Potlačení vlivu usazených zbytků a pěny.
- Snímací hrot z materiálu PEEK s lícovaným těsněním splňuje standardy 3A.
- Odolné těleso z nerezové oceli.
Všechny varianty jsou programovatelné, ale pro vodná, olejná a prášková a vysoce cukernatá média jsou k dispozici výchozí nastavení z výroby.
Radar s vedenou vlnou (GWR)
Princip GWR využívá elektromagnetické impulzy v řádu nanosekund (mikrovlny). Snímací hlava vysílá impulzy, které procházejí dolů kovovou sondou (vodicí). Když vlna narazí na médium, je odražena zpět, zachycena kovovou sondou a dovedena na snímací hlavu. Časový rozdíl mezi vyslaným a přijatým impulzem (doba průletu) je přímo úměrná měřené vzdálenosti.
Ke správnému oddělení radarového impulzu je potřeba kovová vazební deska s plochou alespoň 150 mm²nebo průměrem 150 mm. Když má nádrž kovové víko, může jako vazební deska sloužit víko.
Na obrázku nahoře je nádrž s kovovým víkem. Není potřeba vazební deska, protože její funkci plní víko.
U nádrží s plastovým víkem je nutné použít kovovou vazební desku. Na obrázku je příruba s průměrem alespoň 150 mm.
Vazební deska je nutná také u otevřených nádrží. Jednoduchou možností je našroubovat přírubu na kovový úhelník.
V případě olejných látek hladina kapaliny neodráží radarový impulz tak dobře jako voda. K zesílení a zachycení signálu je třeba použít přídavnou koaxiální trubici.
Při použití koaxiální trubice není nutná vazební deska popsaná výše. Tím se usnadňuje montáž. Indikace hladiny ale může být zkreslena, když dojde ke spojení sondy s koaxiální trubicí pevnými látkami, emulzemi apod. Koaxiální trubici je možné používat pro vodné látky a zkrátit ji podle délky sondy.
Vlastnosti:
- U některých modelů provedení pro čištění jinde (clean out of place – COP) podle standardů 3A
- Některé modely vhodné pro jmenovitý tlak až 40 barů
- Konstrukce z nerezové oceli
- Odolnost vůči prachu, mlze a páře
Hydrostatický tlak
Hydrostatický tlak je síla působící na jednotku plochy vyvolaná sloupcem kapaliny. Je funkcí výšky nádoby, nikoli jejího celkového tvaru ani objemu. Rovnice hydrostatického tlaku:
Když je známá hustota a měrná hmotnost kapaliny, lze z naměřeného hydrostatického tlaku odvodit výšku sloupce kapaliny (hladiny).
Běžnou aplikací s využitím hydrostatického tlaku je měření hladiny kapalin v uzavřených nádržích. K ochraně kapaliny před oxidací lze použít vrstvu inertního plynu, např. CO2 v horní části nádrže s pivem. V tom případě lze na základě dvou tlakových senzorů vypočítat rozdílový tlak. Horní senzor naměří tlak plynu a senzor u dna naměří tlak plynu plus tlak vyvolaný kapalinou. Samotný tlak kapaliny (odpovídající hladině kapaliny) je rozdíl mezi těmito dvěma naměřenými hodnotami.
Kapacitní bodové měření hladiny (čísla výrobků začínající na Kxxxxx)
Kapacitní senzory detekují každý materiál, kontaktně ibezkontaktně. U kapacitních přibližovacích senzorů ifm může uživatel nastavit citlivost, takže umožňují detekovat kapaliny nebo pevné látky i v nekovových nádržích.
Pro úspěšnou detekci hladiny pomocí kapacitních senzorů se ujistěte, že:
- stěna nádoby je znekovového materiálu,
- stěna nádoby má tloušťku maximálně 6–12 mm,
- vtěsné blízkosti senzoru není žádný kov,
- aktivní plocha se nachází přímo na stěně nádoby,
- senzor inádoba jsou uzemněny se stejným potenciálem.
Kapacitní souvislé měření hladiny (čísla výrobků začínající na Lxxxxx)
Úsekové hladinové senzory ifm řady LK a LT jsou tvořeny 16 jednotlivými kapacitními senzory, které se spojují do multiplexních zařízení.
Každá buňka vyhodnocuje, jestli je médium v jejím dosahu. Mikroprocesor zjistí hladinu média vyhodnocením všech 16 buněk.
Senzory řady LK a LT mají integrovanou ochranu proti přetečení. Algoritmus monitorující přetečení je nezávislý na základním měření hladiny. Když tedy výstupy nesepnou požadovaným způsobem a hladina dále stoupá, jsou k sepnutí donuceny ochranou proti přetečení.
Senzory řady LT mají navíc samostatný výstup pro teplotu média.
Ultrazvukové
Ultrazvukové senzory fungují na principu detekce zvukových vln odražených od měřené hladiny. Zvukové vlny se odrážejí od povrchu média a vzdálenost se určuje podle naměřené doby průletu.
Na rozdíl od fotoelektrických senzorů není ultrazvuková technologie ovlivněna barvou, průhledností ani lesklým povrchem látek.
Ultrazvukové senzory jsou velmi odolné vůči vlhkosti a prachu. Snímací plocha vibruje vysokou frekvencí, takže se nadměrná vlhkost a prach setřesou a nemohou zhoršit výkon senzoru. Přesnost se ale může snížit vlivem extrémních teplot, protože se rychlost zvuku mění s teplotou.
Fotoelektrické
Laserový distanční senzor O1D a obrazový senzor O3D měří vzdálenost od povrchu média technologií doby průletu PMD. Princip měření doby průletu spočívá v monitorování doby, za kterou foton světla doletí k povrchu a zpět. Tento signál se pak zpracuje pomocí přijímacího prvku.
Tato technologie není vhodná k měření hladiny čirých kapalin. Je použitelná jen pro neprůhledné kapaliny a pevné látky.
Radar
Přístroj pracuje metodou FMCW (FMCW = Frequency Modulated Continuous Wave). Elektromagnetické impulsy v GHz pásmu jsou vysílány k médiu s neustále se měnící frekvencí mezi 77 a 81 GHz. Protože převodník neustále mění frekvenci vysílaného signálu, vzniká mezi vysílaným a odraženým signálem frekvenční rozdíl. Frekvence odraženého signálu se odečítá od frekvence signálu vysílaného v daném okamžiku, čímž vznikne nízkofrekvenční signál úměrný vzdálenosti od hladiny. Tento signál se dále zpracovává za účelem získání rychlého, spolehlivého a vysoce přesného měření hladiny.
Jaká je výhoda frekvence 80 GHz?
Dva hlavní faktory, které rozhodují o rozlišení dosahu a přesnosti radarového senzoru, jsou velikost antény a frekvence. Ve své podstatě:
- Čím menší je anténa, tím větší je úhel otevření radaru.
- Čím vyšší je frekvence, tím kratší je vlnová délka.
Obrázek představuje: Vysokofrekvenční technologie 80 GHz umožňuje při malých rozměrech antény dosáhnout poměrně malého úhlu otvoru.
Více signálu, méně rušení
Větší zaostření silného signálu přes malý úhel otvoru umožňuje detekci médií s nízkou dielektrickou konstantou, protože vysoké zaostření zvyšuje odraz k senzoru. Vysoké zaostření také brání detekci míchadel a tryskových čističů, což by vedlo k rušení signálu.
Vysoké rozlišení a přesné měření hladiny v celé výšce nádrže
Pro aplikace, jako je průmyslové snímání hladiny, je klíčovou prioritou přesnost rozsahu (na milimetry). Přesnost měření a rozlišení rozsahu (tj. jak přesně jsou detekovány změny hladiny) závisí na vysílaných frekvencích. Díky dostupné velké šířce pásma v rozsahu 77 až 81 GHz je měření dosahu velmi přesné. Ve srovnání s 24GHz radarem může 80GHz radarový senzor dosáhnout 20x lepšího výkonu co do rozlišení a přesnosti dosahu. Vysoké rozlišení také pomáhá oddělit hladinu kapaliny od veškerých nežádoucích odrazů na dně nádrže. To umožňuje senzoru přesně měřit hladinu kapaliny v celé výšce nádrže a minimalizovat tak mrtvou zónu na dně nádrže. A protože vysoké rozlišení zlepšuje minimální měřitelnou vzdálenost, pomáhá měřit hladinu kapaliny až na samý vrchol nádrže, když je nádrž plná.