- Przegląd czujników poziomu
- Przegląd technologii
Przegląd technologii – czujnik poziomu
Spektroskopia impedancyjna
Osady i piana często utrudniają niezawodne wykrywanie poziomu. Technologia spektroskopii impedancyjnej mierzy natężenie pola elektrycznego i magnetycznego w wielu częstotliwościach w zakresie 50...200 MHz. Każde medium tworzy unikalny profil sygnatury w całym zakresie wysokich częstotliwości. W każdym punkcie wykonywane są trzy pomiary:
- Tłumienie pola elektromagnetycznego
- Przewodność pola elektrycznego (zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego)
- Przenikalność pola magnetycznego (zdolność do polaryzacji cząstek)
Gdy medium jest obecne, pomiary te odpowiadają profilowi. W przypadku braku medium lub obecności tylko pozostałości pomiar nie jest zgodny. Gdy zmierzony profil znajdzie się w zielonej strefie przełączania, wyjście czujnika zmienia stan.
Brak medium: Powyższa ilustracja przedstawia sytuację, gdy końcówka czujnika nie jest pokryta żadnym medium. Tłumienie, przewodność i przenikalność. Profil składnika jest poza strefą przełączania.
Obecność medium: Następna ilustracja przedstawia profil, gdy na końcówce czujnika jest medium. Tłumienie, przewodność i przenikalność są wysokie, a zmierzony profil jest w strefie przełączania. Wyjście zmienia stan.
Obecność pozostałości: Gdy końcówka pokryta jest tylko pozostałości, przewodność i przenikalność są wysokie, ponieważ obecne są ślady medium. Tłumienie jest jednak niskie, ponieważ ilość medium jest niewielka. Profil jest poza strefą przełączania i wyjście nie zmienia stanu.
Inne media mają odmienne profile. Za pomocą IO-Link można oceniać wartości procesowe medium i wykorzystywać je do odróżniania jednego materiału od innego, np. oleju od wody, mleka pełnego od mleka 2% itd.
Cechy:
- Tłumienie gromadzenia się pozostałości i piany.
- Szczelna końcówka czujnika zabudowanego wykonana z PEEK, spełnia wymagania 3A.
- Wytrzymały korpus ze stali nierdzewnej.
Wszystkie wersje są programowalne, ale dostępne są domyślne ustawienia fabryczne dla mediów wodnych, olejowych/proszkowych oraz mediów o wysokiej zawartości cukru.
Radar z falą kierowaną (GWR)
Zasada działania GWR wykorzystuje impulsy elektromagnetyczne w zakresie nanosekundowym (mikrofale). Głowica czujnika przesyła impulsy, a impulsy przesuwają się wzdłuż metalowej sondy (falowodu). Kiedy fala uderza w medium, jest odbijana z powrotem, zbierana przez metalową sondę i kierowana do głowicy czujnika. Różnica czasu pomiędzy nadawaniem i odbiorem impulsu (czas przelotu) jest wprost proporcjonalna do pomiaru odległości.
Dla prawidłowego odsprzęgania impulsu radarowego wymagana jest metalowa płyta nadawcza o powierzchni co najmniej 150 mm² lub średnicy 150 mm. Jeśli zbiornik ma metalową pokrywę, może ona służyć jako płyta nadawcza.
Na ilustracji powyżej przedstawiono zbiornik z metalową pokrywa. Płyta nadawcza nie jest potrzebna, ponieważ tę funkcję spełnia pokrywa.
W zbiorniku z pokrywą metalową metalowa płyta nadawcza jest niezbędna. Przedstawiono kołnierz o średnicy co najmniej 150 mm.
Płyta nadawcza jest wymagana również w zbiorniku otwartym. Łatwym sposobem na uzyskanie tego jest przykręcenie kołnierza do metalowego kątownika.
W przypadku mediów olejowych powierzchnia cieczy nie odbija impulsu radarowego tak dobrze jak woda. Aby wzmocnić i ograniczyć sygnał, należy użyć rury współosiowej.
W przypadku użycia rury współosiowej płytka odsprzęgająca opisana powyżej nie jest konieczna. Ułatwia to montaż. Jednak mostki pomiędzy sondą a rurką koncentryczną spowodowane ciałami stałymi, emulsjami itp. mogą powodować fałszywe wskazania poziomu. Rury współosiowej można również używać z mediami wodnymi i można ją przycinać do długości odpowiadającej sondzie.
Cechy:
- Konstrukcja do czyszczenia po demontażu (COP) z aprobatą 3A dla niektórych modeli
- Ciśnienie znamionowe do 40 barów dla niektórych modeli
- Materiały konstrukcyjne ze stali nierdzewnej
- Odporność na kurz, mgłę i parę wodną
Ciśnienie hydrostatyczne
Ciśnienie hydrostatyczne jest siłą wywieraną na powierzchnię przez słup cieczy i jest funkcją wysokości zbiornika, a nie jego ogólnego kształtu czy objętości. Równanie dla ciśnienia hydrostatycznego to:
Jeśli znana jest gęstość i ciężar właściwy płynu, wysokość (lub poziom) płynu może być określona na podstawie pomiaru ciśnienia hydrostatycznego.
Typowym zastosowaniem ciśnienia hydrostatycznego jest pomiar poziomu cieczy w zamkniętym zbiorniku. Aby zapobiec utlenianiu się cieczy, można zastosować osłonę z gazu obojętnego, np. CO2 w górnej części zbiornika z piwem. W tym przypadku ciśnienie różnicowe można obliczyć przy użyciu dwóch czujników ciśnienia. Czujnik na górze mierzy ciśnienie gazu, a czujnik na dole ciśnienie gazu plus ciśnienie wywołane przez ciecz. Ciśnienie samej cieczy (a tym samym poziom cieczy) jest różnicą obu pomiarów.
Pojemnościowy punktowy pomiar poziomu (numery art. Kxxxxx)
Czujniki pojemnościowe wykrywają każdy materiał w sposób dotykowy lub bezdotykowy. Dzięki pojemnościowym czujnikom zbliżeniowym firmy ifm użytkownik może dostosować czułość czujnika, aby wykrywać ciecze lub ciała stałe nawet w niemetalowych zbiornikach.
Aby skutecznie wykrywać poziom za pomocą czujników pojemnościowych, upewnić się, że:
- ściana naczynia jest niemetaliczna
- grubość ściany naczynia nie przekracza 6-12 mm
- w bezpośrednim sąsiedztwie czujnika nie ma metalu
- powierzchnia aktywna czujnika znajduje się bezpośrednio przy ścianie naczynia
- zarówno czujnik jak i naczynie posiadają ten sam potencjał uziemienia
Czujniki pojemnościowe do ciągłego pomiaru poziomu (numery art. Lxxxxx)
Czujniki do ciągłego pomiaru poziomu LK i LT firmy ifm składają się z 16 indywidualnych czujników pojemnościowych, które można łączyć kaskadowo i multipleksować.
Każda cela ocenia swoje otoczenie, aby ustalić, czy jest pokryte medium. Mikroprocesor ocenia wszystkie 16 cel, aby określić poziom medium.
Grupy czujników LK i LT mają wbudowane zabezpieczenie przelewowe. Algorytm chroniący przed przelaniem jest niezależny od ogólnego pomiaru poziomu. W ten sposób, jeśli wyjścia nie przełączają się zgodnie z oczekiwaniem, a poziom nadal rośnie, zabezpieczenie przelewowe wymusza przełączenie wyjść.
Ponadto grupa LT zapewnia oddzielne wyjście dla temperatury medium.
Ultradźwiękowe
Działanie czujników ultradźwiękowych polega na odbieraniu fal dźwiękowych odbijanych od powierzchni w celu pomiaru poziomu. Powierzchnia medium odbija fale dźwiękowe, a odległość jest określana na podstawie pomiaru czasu przelotu.
W przeciwieństwie do czujników optycznych, kolor medium, jego przezroczystość i zdolność odbijania światła nie mają wpływu na technologię ultradźwiękową.
Czujniki ultradźwiękowe charakteryzują się wysokim stopniem odporności na wilgoć i kurz. Powierzchnia czujnika wibruje z bardzo wysoką częstotliwością i usuwa nadmiar wilgoci i kurzu, zanim substancje te wpłyną negatywnie na działanie urządzenia. Jednak skrajne temperatury mogą wpływać na dokładność, ponieważ prędkość dźwięku zmienia się w zależności od temperatury.
Optyczny
Laserowy czujnik odległości O1D i czujnik wizyjny O3D wykorzystują technologię mieszacza fotonowego PMD do pomiaru odległości do powierzchni medium. Zasada czasu przelotu sprawdza czas, w jakim foton przebywa drogę do powierzchni i z powrotem. Odebrany sygnał jest przetwarzany przez odbiornik.
Ta technologia nie jest odpowiednia do pomiaru cieczy przezroczystych. Można jej używać tylko do cieczy nieprzezroczystych i ciał stałych.
Radar
Urządzenie działa w oparciu o metodę FMCW (FMCW = Frequency Modulated Continuous Wave (Fala ciągła o modulowanej częstotliwości)). Impulsy elektromagnetyczne w paśmie GHz są wysyłane do medium z ciągle zmieniającą się częstotliwością pomiędzy 77 a 81 GHz. Ponieważ nadajnik stale zmienia częstotliwość nadawanego sygnału, istnieje różnica częstotliwości pomiędzy sygnałem nadawanym a odbitym. Częstotliwość sygnału odbitego jest odejmowana od częstotliwości sygnału nadawanego w tym czasie, w wyniku czego powstaje sygnał o niskiej częstotliwości proporcjonalny do odległości do danego poziomu. Sygnał ten jest dalej przetwarzany w celu uzyskania szybkich, niezawodnych i bardzo dokładnych pomiarów poziomu.
Jaka jest przewaga częstotliwości 80 GHz?
Rozmiar anteny i częstotliwość są dwoma głównymi czynnikami, które decydują o rozdzielczości i dokładności pomiaru czujnika radarowego. Ogólna zasada brzmi:
- Im mniejsza antena, tym większy kąt otwarcia radaru
- Im wyższa częstotliwość, tym mniejsza długość fali
Na rysunku: Technologia wysokiej częstotliwości 80 GHz umożliwia uzyskanie stosunkowo małego kąta otwarcia przy zastosowaniu niewielkiej anteny.
Większy sygnał, mniej zakłóceń
Większe skupienie silnego sygnału przez mały kąt otwarcia umożliwia wykrywanie mediów o niskiej stałej dielektrycznej, ponieważ duże skupienie zwiększa odbicie do czujnika. Duże skupienie zapobiega również wykrywaniu mieszadeł i myjek strumieniowych, co prowadziłoby do zakłóceń sygnału.
Wysoka rozdzielczość i dokładny pomiar poziomu na całej wysokości zbiornika
Dokładność pomiaru (co do milimetra) jest głównym priorytetem w zastosowaniach takich jak przemysłowe pomiary poziomu. Dokładność i rozdzielczość pomiaru (tzn. jak precyzyjnie wykrywane są zmiany poziomu) zależy od emitowanych częstotliwości. Szerokie pasmo dostępne w zakresie od 77 do 81 GHz sprawia, że pomiary są bardzo dokładne. Czujnik radarowy 80 GHz może osiągnąć 20-krotnie lepszą rozdzielczość i dokładność w porównaniu do czujnika radarowego 24 GHz. Wysoka rozdzielczość pomaga również oddzielić poziom cieczy od niepożądanych odbić od dna zbiornika. Dzięki temu czujnik może dokładnie mierzyć poziom cieczy na całej wysokości zbiornika, minimalizując martwe pole na jego dnie. Ponieważ wysoka rozdzielczość zmniejsza minimalną mierzalną odległość, pomaga to zmierzyć poziom płynu aż do samego szczytu zbiornika, gdy jest on pełny.