Μείωση των ψευδών αναγνώσεων σε οπτικούς αισθητήρες επιπέδου σε ταραγμένα ή θολά υγρά

Κατανόηση της Φυσικής της Ανησυχίας και της Νεφελότητας

Σε ταραχώδη υγρά, ταχεία, χαοτική ροή δημιουργεί ποικίλους δείκτες διάθλασης και εισάγει φυσαλίδες αέρα ή eddies που διασκορπίζουν το φως απρόβλεπτα. Αυτή η διασπορά μπορεί να προκαλέσει τον δέκτη να ανιχνεύσει είτε πάρα πολύ φως (αν οι φυσαλίδες αντανακλούν το φως πίσω) ή πολύ λίγο (αν η δέσμη εκτρέπεται). Το αποτέλεσμα είναι μια νευρική ή μόνιμα λανθασμένη ένδειξη επιπέδου. Τα νεφελώδη υγρά παρουσιάζουν μια διαφορετική πρόκληση: αιωρούμενα σωματίδια (π.χ., ιλύς, λεπτά στερεά, γαλακτώματα) απορροφούν ή σκορπίζουν το φως πριν φτάσει στον δέκτη, αποτελεσματικά εξασθενώντας το σήμα. Ακόμη και μια μέτρια συγκέντρωση σωματιδίων μπορεί να μειώσει τη μεταδιδόμενη ένταση φωτός κάτω από το κατώφλι ανίχνευσης, πυροδοτώντας ένα ψεύτικο “κενό” ή “πλήρες” σήμα. Η κατανόηση αυτών των φυσικών μηχανισμών είναι το πρώτο βήμα για τον σχεδιασμό στρατηγικών μετριασμού.

Σχεδιασμός αισθητήρων και επιλογή συστατικού

Εντοπισμός και θωράκιση

Η φυσική απομόνωση των οπτικών στοιχείων με τη χρήση στιβαρών περιβλημάτων, γυάλινων παραθύρων ή φακών ζαφείρι μπορεί να μειώσει δραματικά την επίδραση των αναταράξεων. Οι εγκλωβισμένοι αισθητήρες δημιουργούν ένα στατικό όριο υγρού κοντά στην οπτική διεπαφή, αποσβέννοντας την επίδραση της χύδην υγρής κίνησης. Για παράδειγμα, ένας αισθητήρας με γωνία στενής δέσμης 10° που στεγάζεται πίσω από ένα κυλινδρικό σάβανο θα έχει πολύ λιγότερες λανθασμένες ενεργοποιήσεις σε μια ταραγμένη δεξαμενή από έναν γυμνό εκπεμπόμενο LED.

Βελτιστοποίηση μήκους κύματος

Η επιλογή μιας φωτεινής πηγής με μήκος κύματος που ελαχιστοποιεί την απορρόφηση και τη διασπορά στο συγκεκριμένο υγρό είναι κρίσιμη. Το φως κοντά στην υπέρυθρη ακτινοβολία (NIR) στα 850 ⁇ 940 nm συνήθως διαπερνά το νεφελώδες νερό, τα υγρά και πολλά βιομηχανικά υγρά πολύ καλύτερα από το ορατό κόκκινο ή μπλε φως. Σε εξαιρετικά θολά περιβάλλοντα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ακόμη μεγαλύτερα μήκη κύματος (π.χ., 1300 nm), αν και το κόστος των αισθητήρων και η πολυπλοκότητα αυξάνονται.

Γεωμετρία και οξυγόνωση δέσμης

Οι αισθητήρες ευρείας δέσμης είναι πιο ευαίσθητοι σε ψευδείς ενδείξεις, επειδή οι αντανακλάσεις που προκαλούνται από αναταράξεις είναι πιο πιθανό να χτυπήσουν τον δέκτη. Η συγκέντρωσή του σε στενή, εστιασμένη δέσμη μειώνει τη γωνιακή εξάπλωση, καθιστώντας τον αισθητήρα λιγότερο ευαίσθητο σε σκέδαση εκτός άξονα. Για υγρά με υψηλή πυκνότητα σωματιδίων, μια διαφορετική δέσμη μπορεί να βοηθήσει στην πραγματικότητα αυξάνοντας την πιθανότητα ότι κάποια φωτόνια φτάνουν στον δέκτη ⁇ αυτή η ανταλλαγή πρέπει να συντονιστεί ανά εφαρμογή.

Προηγμένη επεξεργασία και φιλτράρισμα σήματος

Μέση χρονικής διάρκειας

Ένας απλός μέσος όρος 10-δείξεων μπορεί να εξομαλύνει τις αιχμές βραχείας διάρκειας από φυσαλίδες αέρα χωρίς να θυσιάζει το χρόνο απόκρισης για αλλαγές επιπέδου.

Προσαρμοστικό Κατώφλι

Αντί για ένα σταθερό όριο επιπέδου σήματος, τα προσαρμοστικά συστήματα παρακολουθούν συνεχώς την αρχική ένταση σήματος και προσαρμόζουν το σημείο ενεργοποίησης με βάση τις στατιστικές λειτουργίας. Για παράδειγμα, σε έναν αισθητήρα παρακολούθησης μιας δεξαμενής ιλύος, ο επεξεργαστής μπορεί να εντοπίσει το μέσο σήμα κατά τη διάρκεια των περιόδων ηρεμίας και στη συνέχεια να ορίσει όρια σε ±3 τυπικές αποκλίσεις. Αυτό εμποδίζει ένα σύντομο σύννεφο σωματιδίων να υποδεικνύει ψευδώς μια αλλαγή επιπέδου.

Διαφορική μέτρηση διπλού μήκους

Μια κομψή λύση χρησιμοποιεί δύο LED που εκπέμπουν σε διαφορετικά μήκη κύματος ⁇ ένα απορροφάται έντονα από το υγρό, ένα απορροφάται ασθενώς. Μετρώντας την αναλογία των επιστρεφόμενων σημάτων, ο αισθητήρας μπορεί να ακυρώσει τον κοινό θόρυβο-τρόπου, όπως η σκέδαση φωτός που προκαλείται από αναταράξεις ή αποβράσματα. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται ήδη σε ορισμένους αισθητήρες επιπέδων που αντισταθμίζονται από θολερότητα και μπορεί να μειώσει τις ψευδείς ενδείξεις κατά 90% και πλέον σε γαλακτώματα.

Βέλτιστες πρακτικές εγκατάστασης

Εντοπισμός του αισθητήρα σε Ζώνες Quiescent

Σε πολλές δεξαμενές, εγκαθιστώντας ένα φρεάτιο ⁇ ένα διάτρητο σωλήνα που απομονώνει μια στήλη υγρού από τη μαζική κίνηση ⁇ μπορεί να δημιουργήσει μια σχεδόν ακίνητη ζώνη μέτρησης. Ομοίως, η τοποθέτηση του αισθητήρα στην πλευρά μιας δεξαμενής απέναντι από τον αναδευτήρα μπορεί να μειώσει σημαντικά τις ψευδείς ενδείξεις.

Γωνία εμφάνισης

Η κατεύθυνση της οπτικής δέσμης σε ελαφρά καθοδική γωνία (όχι οριζόντια) βοηθά στην αποφυγή των επιπλέον συντριμμιών ή των φυσαλίδων να παραμένουν στην οπτική διαδρομή. Για τους ανακλαστικούς (υγρούς) αισθητήρες, μια γωνιακή εγκατάσταση μειώνει επίσης τον κίνδυνο φωτός που αντανακλά τον αφρό ή τον ατμό, ο οποίος μπορεί να μιμηθεί μια υγρή επιφάνεια.

Συστήματα έκπλυσης και εκκαθάρισης

Για συνεχώς θολά υγρά, ο περιοδικός καθαρισμός του οπτικού παραθύρου είναι απαραίτητος. Τα αυτοματοποιημένα συστήματα καθαρισμού που στοχεύουν σε ένα μικρό πίδακα καθαρού υγρού ή πεπιεσμένου αέρα σε όλο το φακό μπορούν να εμποδίσουν την συσσώρευση κοιτασμάτων. Ορισμένοι αισθητήρες περιλαμβάνουν ενσωματωμένους υαλοκαθαριστήρες.

Εναλλακτικές και συμπληρωματικές τεχνολογίες

Ενώ οι οπτικοί αισθητήρες παραμένουν οικονομικά αποδοτικοί για πολλές εφαρμογές, ορισμένα περιβάλλοντα είναι τόσο προκλητικά ώστε προτιμάται η χρήση εναλλακτικών τεχνολογιών.

• Οι αισθητήρες υπερήχων χρησιμοποιούν ηχητικά κύματα και είναι σε μεγάλο βαθμό ανοσία σε υγρή διαύγεια ή αδιαφάνεια. Ωστόσο, μπορούν να επηρεαστούν από αφρό, ατμό και βαριά αναταράξεις. Συνδυάζοντας υπερήχους και οπτικούς αισθητήρες σε ένα σύστημα λογικής-AND ή πλειοψηφίας-ψηφοφορίας μπορεί να εξαλείψει ψευδείς ενδείξεις που προκαλούνται είτε από την τεχνολογία και μόνο.
• Οι αισθητήρες επιπέδου Radar (microwave) είναι εξαιρετικοί για τα ταραχώδη και αφρώδη υγρά, καθώς τα μικροκύματα δεν επηρεάζονται από τη σκόνη, τους ατμούς ή τη θολότητα. Το ραντάρ χωρίς επαφή, ειδικά το ραντάρ συνεχούς κύματος με ρύθμιση συχνότητας (FMCW), παρέχει αξιόπιστη ανάγνωση σε δοχεία υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης.
• Οι αισθητήρες χρόνου πτήσης με βάση το λέιζερ προσφέρουν εξαιρετική ακρίβεια αλλά απαιτούν προσεκτική διαχείριση των αντανακλαστικών και μπορούν να τυφλωθούν από πυκνά σύννεφα. Λειτουργούν καλά σε καθαρά διαφανή υγρά με μέτρια αναταραχή.
• Η συναγωγικότητα ή οι καθετήρες χωρητικότητας[[LFT:1]] που χρησιμοποιούνται παράλληλα με τους οπτικούς αισθητήρες μπορούν να επικυρώσουν αλλαγές επιπέδου ⁇ αν συμφωνήσουν τρεις διαφορετικές τεχνολογίες, η πιθανότητα λανθασμένης ανάγνωσης είναι πολύ χαμηλή.

Μελέτη περίπτωσης: Μείωση των ψευδών συναγερμών σε ένα εργοστάσιο επεξεργασίας λυμάτων

Ένα δημοτικό εργοστάσιο λυμάτων αντιμετώπιζε 10 ⁇ 15 ψευδείς συναγερμούς επιπέδου την ημέρα από οπτικούς αισθητήρες στις κύριες δεξαμενές αποκωδικοποίησης. Το υγρό περιείχε αιωρούμενα στερεά (500 ⁇ 3000 ppm) και αναστατωνόταν από τη ροή εισροής. Μετά την εφαρμογή μιας τριών-προωθούμενης στερέωσης ⁇ μεταγωγής σε LED NIR 940 nm, εγκαθιστώντας φρέατα που παραμένουν γύρω από κάθε αισθητήρα, και προσθέτοντας ένα 50-δείγμα διάμεσο φίλτρο στο PLC ⁇ το ψευδές ποσοστό συναγερμού έπεσε σε λιγότερο από ένα την εβδομάδα. Το συνολικό κόστος μετασκευής ήταν κάτω από 5.000 δολάρια ανά σημείο αισθητήρα, με περίοδο αποπληρωμής μικρότερη από έξι μήνες λόγω της εξοικονόμησης εργασίας και των μειωμένων χημικών δοσιμετρικών σφαλμάτων.

Πρωτόκολλα συντήρησης και βαθμονόμησης

Περιοδικός καθαρισμός

Ακόμη και με τις βέλτιστες πρακτικές εγκατάστασης, τα οπτικά παράθυρα συσσωρεύουν αναπόφευκτα φιλμ ή κλίμακα. Ένα πρόγραμμα συντήρησης πρέπει να περιλαμβάνει οπτική επιθεώρηση και απαλό καθαρισμό με ένα μαλακό πανί ή πινέλο. Αποφύγετε λειαντικά καθαριστικά που μπορούν να ξύσουν την οπτική επιφάνεια. Σε σκληρά περιβάλλοντα, ο καθαρισμός πρόγραμμα μετά από κάθε παρτίδα διαδικασία ή κάθε εβδομάδα λειτουργίας.

Επαλήθευση βαθμονόμησης

Χρησιμοποιήστε μια βαθμονομημένη αναφορά (π.χ., ένα γνωστό ύψος υγρού ή ένα μπλοκ δοκιμής) για να επαληθεύσετε την έξοδο αισθητήρων κάθε μήνα. Ορισμένοι σύγχρονοι αισθητήρες περιλαμβάνουν ενσωματωμένες αυτοδιαγνωστικές ⁇ τίνες που μπορούν να ανιχνεύσουν τη φθορά παραθύρων και να βγάλουν μια προειδοποίηση.

Περιβαλλοντική αντιστάθμιση

Οι αλλαγές θερμοκρασίας μπορούν να επηρεάσουν την έξοδο LED και την ευαισθησία του δέκτη. Αναζητήστε αισθητήρες που περιλαμβάνουν εσωτερική αντιστάθμιση θερμοκρασίας ή που λειτουργούν σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασίας (π.χ. -40°C έως +85°C).Για εξωτερικές εγκαταστάσεις, εξετάστε μια ασπίδα ήλιων για την πρόληψη θερμικών κλιμών που μπορεί να προκαλέσουν ψευδείς ενδείξεις.

Μελλοντικές τάσεις στην οπτική αντίληψη επιπέδου

Οι αναδυόμενες τεχνολογίες υπόσχονται ακόμα καλύτερη απόδοση σε προκλητικά υγρά. Αλγόριθμοι εκμάθησης μηχανών που τρέχουν σε συσκευές άκρων μπορούν να μάθουν τα τυπικά πρότυπα θορύβου μιας συγκεκριμένης δεξαμενής και να διακρίνουν πραγματικές αλλαγές επιπέδου από παροδικά γεγονότα. Οι οπτικοί αισθητήρες που ενσωματώνονται με πλατφόρμες IoT μπορούν να μοιραστούν δεδομένα με άλλους αισθητήρες (πίεση, θερμοκρασία, pH) για να κατασκευάσουν ένα ολιστικό μοντέλο διαδικασίας που αντισταθμίζει τις οπτικές παρεμβολές. Επιπλέον, οι αισθητήρες απεικόνισης που πραγματοποιείται με χρονοθυρίδες και οι οποίοι μόνο δείγμα σε ακριβή χρονική στιγμή μετά από ένα ελαφρύ παλμό μπορούν να απορρίψουν το πίσω μέρος από σωματίδια, παρέχοντας σαφή σήματα επιπέδου ακόμα και σε πυκνά υγρά.

Συμπέρασμα

Οι ψευδείς ενδείξεις σε οπτικούς αισθητήρες επιπέδου που προκαλούνται από αναταράξεις και νεφελότητα δεν είναι ανυπέρβλητες. Κατανοώντας την υποκείμενη φυσική, επιλέγοντας κατάλληλα σχέδια αισθητήρων και μήκη κύματος, εφαρμόζοντας ευφυή επεξεργασία σήματος, και βελτιστοποιώντας την εγκατάσταση και συντήρηση, οι βιομηχανικές εγκαταστάσεις μπορούν να επιτύχουν αξιόπιστες, ακριβείς μετρήσεις επιπέδων. Για τις πιο δύσκολες εφαρμογές, ένας συνδυασμός οπτικών και εναλλακτικών αισθητήρων τεχνολογίας παρέχει ισχυρή πλεονασματική ισχύ.

Για περαιτέρω ανάγνωση, βλέπε Τεχνικός οδηγός Omega Engineering για τους οπτικούς αισθητήρες επιπέδου, Σημείο εφαρμογής Endress+Hauser για τη ζυθοποιία και τα γαλακτοκομικά, και ScienceDirect intergration on optical level sensor physics[]].