تخفيض قراءات الصمامات في أجهزة الاستشعار ذات المستوى البصري في السائل أو السائل المزدوج

فهم فيزياء التسلط وعلم الصدر

وتعتمد أجهزة الاستشعار ذات المستوى الضوئي على مسار بصري نظيف وغير متقطع بين المرارة والمتلقية، وفي السوائل المضطربة، يؤدي التدفق الفوضوي إلى مؤشرات مختلفة للانحلال ويستحدث صيغاً للفقاعات أو حرارات تبعث الضوء دون أي شك، بل إن هذه الأشعة يمكن أن تسبب في قيام جهاز الاستلام بالكشف عن قدر كبير من الضوء )إذا كانت الفقاعات تعكس الضوء(.

تصميم أجهزة الاستشعار واختيار العناصر

القدرات والدرع

فالعزلة المادية للعناصر البصرية التي تستخدم مساكن قوية أو نوافذ زجاجية أو عدسات شاشة يمكن أن تقلل بشكل كبير من أثر الاضطراب، إذ أن أجهزة الاستشعار المزودة بالبخار تخلق حدودا ثابتة بالقرب من الواجهة البصرية، وتفجر أثر حركة السائل السائب، مثلا، فإن جهاز الاستشعار الذي يحتوي على 10 درجات ضيقة من الشعاع الذي يقع خلف صهريج مفتول سيليندريك قد يكون أقل بكثير.

Wavelength Optimization

إن اختيار مصدر خفيف ذي خط موجي يقلل من الامتصاص والتشتت في السائل المحدد أمر بالغ الأهمية، فالضوء الذي يناهز الاشعة المتوسطة يبلغ ٨٥٠-٩٤٠ نم عادة ما يخترق المياه الغائمة، والزلاجات، والعديد من السوائل الصناعية أفضل بكثير من الضوء الأحمر أو الأزرق الواضح، وفي بيئات شديدة الاضطرابات، وحتى الارتفاعات الأكثر تلويثا )أي الإنتاج(

Beam Geometry and Collimation

والمستشعرات الواسعة النطاق أكثر عرضة للقراءات الكاذبة لأن الانعكاسات المتقطعة الناجمة عن الاضطراب يرجح أن تضرب جهاز الاستقبال، فإحداث الضوء في شعاع ضيق ومركّز يقلل من الانتشار العازل، مما يجعل الإحساس أقل حساسية إزاء تقطيع الأورام خارج نطاق الضرائب، أما بالنسبة للسيارات ذات الكثافة العالية للجسيمات، فإن الشعاع المتباعد قد يساعد في الواقع في زيادة القدرة على الوصول إلى هذه المادة.

تجهيز الإشارات المتقدمة وإعدادها

متوسط التوقيت

ويمكن للمستشعرات البصرية الحديثة أن تأخذ قياسات كثيرة في الثانية، وأن تطبق متوسطاً للزئبق المتحركة، ويمكن أن يؤدي متوسط الطول البسيط البالغ 10 أمتار إلى سد التأرجح القصير الأجل من الفقاعات الهوائية دون التضحية بوقت الاستجابة للتغيرات في المستوى، وتستخدم الخوارزميات الأكثر تطوراً تصفية وسيطة لرفض المتفوقين مع الحفاظ على التغيرات في مستوى السائل.

الإمساك بالنفقة

وبدلا من أن تكون هناك عتبة ثابتة على مستوى الإشارة، وأن تكيف النظم يرصد باستمرار قوة الإشارة المرجعية ويضبط نقطة الانطلاق على أساس الإحصاءات الجارية، مثلا، في جهاز الاستشعار الذي يرصد خزانا للحوض، يمكن للمعالج أن يحدد الإشارة الوسيطة خلال فترات الهدوء، ثم يحدد العتبات عند الانحرافات القياسية 3، مما يحول دون وجود سحابة قصيرة من الجسيمات من الإشارة الزائفة إلى حدوث تغيير في المستوى.

قياس التفاضل المزدوج - المسافات

ويستخدم حل واحد من الحلول المميزة جهازين متفجرين من أجهزة متفجرة من مختلف الأغصان الموجية - واحد يستوعبه السائل بقوة، ويمتص أحدهما بشكل ضعيف، وبقياس نسبة الإشارات المعادة، يمكن للمجس أن يلغي ضوضاء ذات حركة مشتركة مثل الحرق الضوئي الناجم عن الاضطرابات أو التشويش، وقد تستخدم هذه التقنية بالفعل في بعض أجهزة قراءة الأشعة فوق اللزوم والتي يمكن أن تقلل من الألف.

أفضل الممارسات في مجال التركيب

موقع المجس في مناطق كيسنت

وبعــد المجســس عن السوائل، أو شفرات المطهر، أو عنابر الأنابيب التي يكون فيها الاضطراب أعلى، وفي العديد من الصهاريج، يزرع أنبوباً مطهراً يعزل عموداً من السائل من حركة السوائب، ينشئ منطقة قياس شبه لا تحركها، وبالمثل، فإن وضع جهاز الاستشعار على جانب خزان مقابل المتعهد يمكن أن يقلل كثيراً من القراءات المزيفة.

Angle of Incidence

ويساعد توجيه الشعاع البصري على زاوية منخفضة (ليس أفقيا) في منع الحطام العائم أو الفقاعات العائمة من الارتحال في المسار البصري، كما يؤدي تركيبة مائلة (القائمة على السائلة) إلى الحد من خطر النور الذي يعكس الرغاوي أو البخار، مما يمكن أن يخفف من سطح سائل.

نظم التعبئة والتنقيب

وبالنسبة للسوائل الغائمة باستمرار، فإن التنظيف الدوري للنافذة البصرية أمر أساسي، إذ أن نظم التنظيف الآلية التي تستهدف طائرة صغيرة من السائل النظيف أو الهواء المضغوط عبر العدسة يمكن أن تحافظ على الودائع من التراكم، وتشمل بعض أجهزة الاستشعار الممسحات المتكاملة، وفي تجهيز الأغذية، يمكن توقيت نظم التنظيف في مكان واحد لتطهير ميناء الاستشعار أثناء دورات التنظيف الروتينية.

التكنولوجيات البديلة والمكملة

وفي حين أن أجهزة الاستشعار البصرية لا تزال فعالة من حيث التكلفة بالنسبة للعديد من التطبيقات، فإن بعض البيئات تواجه تحديات كبيرة في تفضيل التكنولوجيات البديلة.

• Ultrasonic level sensors] use sound waves and are largely immune to liquid clarity or opacity. However, they can be affected by foam, vapor, and heavy turbulence. Combining ultrasonic and optical sensors in a logical-AND or majority-vote scheme can eliminate false readings caused by either technology.
• Radar (microwave) level sensors] are excellent for turbulent and foamy liquids, as microwaves are unaffected by dust, vapor, or cloudiness. Non-contact radio, especially frequency-modulated continuous wave (FMCW) Radio, provides reliable reading in high-temperature and high-pressure vessels.
• ]Laser-based time-of-flight sensors] offer extreme precision but require careful management of retroreflection and can be blinded by dense clouds. they work well in clean transparent liquids with moderate turbulence.
• ] Conductivity or capacitance probes used along optical sensors can validate level changes - if three different technologies agree, the likelihood of a false reading is very low.

دراسة حالة: تخفيض الأسلحة الخفيفة في محطة لمعالجة مياه الصرف

وكان هناك جهاز إنذار مزيف في المستوى المحلي يتراوح بين ٠١ و٥١ جهازاً يومياً من أجهزة الاستشعار البصرية في صهاريج الموضحات الأولية، وكان السائل يحتوي على مواد صلبة معل َّقة )٠٠٥-٠٠٠ ٣ جزء من المليون( وأصيب بتدفقات عمالية مؤثرة، وبعد تنفيذ عملية إصلاحية ثلاثية الأبعاد لأجهزة الاستنشاق بالأشعة المميتة، مما أدى إلى انخفاض في عدد الآبار المثبتة في كل جهاز استشعار، و٥.

بروتوكولات الصيانة والمعايرة

التنظيف الدوري

وحتى مع أفضل الممارسات في مجال التركيب، لا بد أن تتراكم النوافذ البصرية في الأفلام أو المقياس، وينبغي أن يتضمن جدول أعمال الصيانة التفتيش البصري والتنظيف اللطفي مع القماش الناعم أو الفرشاة، وأن يتجنب المنظفات البدائية التي يمكن أن تخدش السطح البصري، وفي البيئات القاسية، يُنظّف الجدول بعد كل دفعة عملية أو كل أسبوع من العمليات.

التحقق من معايرة البعثة

استخدام مرجع معايرة (مثل ارتفاع سائل معروف أو كتلة اختبار) للتحقق من إنتاج أجهزة الاستشعار شهريا، وتشمل بعض أجهزة الاستشعار الحديثة روتينات تشخيص ذاتي مبنية يمكن أن تكشف عن تآكل النافذة وتحذيرها، ويساعد حساسية التعبئة عبر الزمن على التنبؤ عند الحاجة إلى التنظيف.

التعويض البيئي

ويمكن أن تؤثر التغييرات في درجة الحرارة على ناتج الأجهزة المتفجرة المرتجلة وحساسية أجهزة الاستلام، ابحث عن أجهزة استشعار تشمل التعويض عن درجة الحرارة الداخلية أو تعمل على مدى درجات حرارة واسعة (مثلاً، 40 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية).

الاتجاهات المستقبلية في الاستشعار من المستوى الضوئي

وتعود التكنولوجيات الناشئة بأداء أفضل في السائل المحفوف بالتحديات، إذ يمكن لجرائم التعلم الآلاتي التي تعمل على أجهزة الحافة أن تتعلم أنماط الضوضاء النموذجية لدباب معين وتميز التغيرات الحقيقية في المستوى من الأحداث العابرة، ولا يمكن للمستشعرات الضوئية التي تدمج مع منابر إيوت أن تتقاسم البيانات مع أجهزة الاستشعار الأخرى (الضغط، درجة الحرارة، الهيدروجين) لبناء نموذج شامل للعمليات يعوض عن التدخل البصري.

خاتمة

ولا يمكن التغلب على القراءات الخافضة في أجهزة الاستشعار البصرية التي تسببها الاضطرابات والسحب، إذ يمكن للمرافق الصناعية، بفهم الفيزياء الكامنة، اختيار تصميمات الاستشعار المناسبة وأجهزة الاستشعار ذات الموجة، وتطبيق تجهيز الإشارات الذكية، وتحقيق التركيب والصيانة الأمثل، أن تحقق قياسات دقيقة وموثوقة، ومن شأن وجود مجموعة من أجهزة الاستشعار الافتراضية والبديلة في مجال التكنولوجيا أن يؤدي إلى تحسين مستوياتها.

For further reading, see the Omega Engineering guide on optical level sensors, the ]Endress+Hauser application note for brewing and dairy, and the ScienceDirect entry on optical level sensor phys.