Turbulenssin ja kalustuksen fysiikan ymmärtäminen

Optisten tasoanturien on oltava puhtaita, keskeytymättömiä optisia polkuja lähettimen ja vastaanotin. Turbulenssissa nesteet, nopea, kaoottinen virtaus luo vaihtelevia taitekerroin ja tuo ilmakuplia tai eddies, jotka sirottavat valoa arvaamattomasti. Tämä hajautuminen voi aiheuttaa vastaanottimen havaita joko liikaa valoa (jos kuplat heijastavat valoa takaisin) tai liian vähän (jos säde on ohjattu). Tuloksena on jäykkä tai pysyvästi väärä taso. Jopa kohtalainen hiukkasten pitoisuus voi vähentää valon voimakkuutta alle havaitsemiskynnyksen, laukaista väärän .

Anturien suunnittelu ja komponenttien valinta

Kapselointi ja suojaus

Optisten komponenttien fyysinen eristäminen vanoilla koteloilla, lasi-ikkunoilla tai safiirilinsseillä voi vähentää merkittävästi turbulenssien vaikutusta. Kapseloidut anturit luovat staattisen nesterajan lähelle optista rajapintaa, mikä vaimentaa irtotavarana olevan nesteen vaikutuksen. Esimerkiksi 10° kapeasädekulmainen anturi, joka on sylinterimäisen verhon takana, saa paljon vähemmän vääriä laukaisimia kiihtyneessä säiliössä kuin paljas LED-lähetin.

Aallonpituuden optimointi

Valonlähteen valinta aallonpituudella, joka minimoi imeytymisen ja siroutumisen tiettyyn nesteeseen, on ratkaisevan tärkeää. Lähi-infrapunavalo (NIR) on tyypillisesti 850.9440 nm, joka läpäisee pilvisen veden, liekin ja monet teollisuusnesteet paljon paremmin kuin näkyvä punainen tai sininen valo. Erittäin sameissa ympäristöissä voidaan käyttää jopa pidempiä aallonpituuksia (esim. 1300 nm), vaikka sensorien kustannukset ja monimutkaisuus nousevat. Jotkut valmistajat tarjoavat nyt moniaaltosensoreita, jotka automaattisesti vaihtavat parhaan tehon reaaliaikaisen sameuden mittaukseen perustuen.

Puomin geometria ja törmäys

Laajasädeanturit ovat alttiimpia väärille lukemille, koska turbulenssista johtuvat harhaheijastukset osuvat todennäköisemmin vastaanottimeen. Valon törmääminen kapeaan, keskittyneeen säteeseen vähentää kulman leviämistä, jolloin sensori ei ole yhtä herkkä off-akselien hajaantumiselle. Nesteille, joilla on suuri hiukkastiheys, poikkeava säde voi itse asiassa auttaa lisäämällä todennäköisyyttä, että jotkut fotonit saavuttavat vastaanottimen.

Edistynyt signaalin käsittely ja suodattaminen

Aika-alue-analyysi

Nykyaikainen optinen sensori voi ottaa useita mittauksia sekunnissa ja soveltaa liuku-ikkuna keskimäärin. Yksinkertainen 10 näytteen keskiarvo voi tasoittaa lyhyen aikavälin piikkejä ilmakuplista uhraamatta vasteaikaa tasonmuutoksille. Hienostuneemmat algoritmit käyttävät mediaanisuodatusta hylkiämään outliers ja säilyttäen samalla askelmuutokset nestemäisessä tasossa.

Mukautuva kynnysarvo

Kiinteän signaalitason kynnyksen sijaan adaptiiviset järjestelmät seuraavat jatkuvasti perustason signaalin voimakkuutta ja säätävät käynnistyspistettä juoksevien tilastojen perusteella. Esimerkiksi lietesäiliön anturin valvonnassa prosessori voi tunnistaa mediaanisignaalin rauhallisina aikoina ja asettaa sitten kynnykset ±3 standardipoikkeamaan. Tämä estää lyhyttä hiukkaspilviä ilmaisemasta väärää tasoa.

Kaksisuuntaisen differentiaalimittaus

Yksi tyylikäs ratkaisu käyttää kahta LED-valoa, jotka eri aallonpituuksilla. Yksi imeytyy voimakkaasti nesteeseen, toinen imeytyy heikosti. Mittaamalla palanneiden signaalien suhteen anturi voi peruuttaa tavallisen moodin melun, kuten turbulenssin tai epäpuhtaantumisen aiheuttaman valon sirpaloitumisen. Tätä tekniikkaa käytetään jo joissakin sameuden kompensoimissa tasosensoreissa ja se voi vähentää vääriä lukemia yli 90% emulsioissa.

Asennus Paras käytäntö

Sensorin sijainti Quiescent-alueilla

Aseta anturi pois nesteen sisääntulosta, agitaattorin lavat, tai putkien mutka, jossa turbulenssi on korkein. Monissa säiliöissä, asentamalla hiljentävä hyvin rei'itetty putki, joka eristää kolonnin neste irtotavarana liikkeitä.Voit luoda lähes liikkumaton mittausalue. Samoin paikannus anturin puolella säiliö vastapäätä agitaattori voi merkittävästi vähentää vääriä lukemia.

Ilmaantuvuuskulma

Optisen säteen ohjaaminen pieneen alaspäin kulmaan (ei vaakasuoraan) estää kelluvia roskia tai kuplia viipymästä optisella tiellä. Heijastavien (nestemäisten) anturien osalta kulmautunut asennus vähentää myös valoa heijastavan vaahto- tai höyryvaahtoa, joka voi jäljitellä nestemäistä pintaa.

Huuhtelu- ja puhdistusjärjestelmät

Jatkuvasti sameiden nesteiden osalta optisen ikkunan säännöllinen puhdistus on välttämätöntä. Automaattiset puhdistusjärjestelmät, joilla tähdätään pieneen puhtaan nesteen tai paineilman suihkuun linssin läpi, voivat pitää esiintymät kerääntymästä. Jotkut sensorit sisältävät integroidut pyyhkimet. Elintarvikekäsittelyssä voidaan ajoittaa anturiportin puhdistamiseen rutiinipesun aikana.

Vaihtoehtoiset ja täydentävät teknologiat

Vaikka optiset anturit ovat edelleen kustannustehokkaita monissa sovelluksissa, jotkin ympäristöt ovat niin haastavia, että vaihtoehtoisia teknologioita suositaan.

  • Ultrasonic tasosensorit[ käyttää ääniaaltoja ja ovat suurelta osin immuuni nestekirkkautta tai sameutta. Kuitenkin, ne voivat vaikuttaa vaahto, höyry, ja raskas turbulenssi. Yhdistämällä ultraääni- ja optinen sensorit logiikka-AND tai enemmistö-äänestys järjestelmä voi poistaa vääriä lukemia aiheuttama joko teknologia yksin.
  • Radar (mikroaalto) tasoanturit[] ovat erinomaisia turbulenttisille ja vaahtomaisille nesteille, koska mikroaaltouunit eivät ole pölyn, höyryn tai pilvisyyden vaikutuksesta. Koskettamaton tutka, erityisesti taajuusmoduloitu jatkuva aalto (FMCW) tutka, tarjoaa luotettavan lukeman korkeassa lämpötilassa ja korkeapaineisissa aluksissa.
  • Laserpohjainen lentoaika-anturit[ tarjoavat äärimmäisen tarkkuutta, mutta vaativat huolellista hallintaa heijastus ja voidaan sokaista tiheillä pilvillä. Ne toimivat hyvin puhtaissa läpinäkyvissä nesteissä, joissa on kohtalainen turbulenssi.
  • Johtuvuus- tai kapasitanssianturit[], joita käytetään optisten antureiden rinnalla, voivat validoida tasonmuutokset.

Tapaustutkimus: Väärien hälytysten vähentäminen jäteveden käsittelylaitoksessa

Kunnallinen jätevedenpuhdistamo sai 10.15 väärän tason hälytyksiä päivässä optisten anturien ensiöselkein säiliöissä. Neste sisälsi suspendoituja kiinteitä aineita (500.3000 ppm) ja oli kiihtynyt vaikutusvirtauksen vaikutuksesta. Kun kolmeosainen korjaus.Kolmeosainen korjaus.Kolmeosainen kytkin NIR 940 nm LED-valoihin, asentaminen hiljentävät kaivot ympärilleen, ja lisäämällä 50-näytteen mediaanisuodatin PLC. Väärä hälytysnopeus laski alle yhteen viikossa. Jälkiasennuskustannukset olivat alle $5000 anturipistettä kohti, ja takaisinmaksuaika oli alle kuusi kuukautta, koska säästyi työ ja vähensi kemiallisia annosteluvirheitä.

Huolto- ja kalibrointiprotokollat

Määräaikaispuhdistus

Vaikka asennusta parhaita käytäntöjä, optiset ikkunat väistämättä keräävät filmiä tai mittakaavassa. Huoltoaikatauluun tulisi sisältyä silmämääräinen tarkastus ja lempeä puhdistus pehmeällä kankaalla tai harjalla. Vältä hankaavia puhdistusaineita, jotka voivat raapia optista pintaa. Karkeissa ympäristöissä, aikataulujen puhdistus jokaisen prosessin erän tai joka viikko käytön jälkeen.

Kalibrointitarkastus

Käytä kalibroitua viitettä (esim. tunnettu nestekorkeus tai testilohko) sensorin lähdön varmentamiseen kuukausittain. Jotkut modernit sensorit sisältävät sisäänrakennettuja itsediagnooseja, jotka voivat havaita ikkunan vaurion ja ulostulon varoituksen. Kirjautumisanturin ajallinen driftaus auttaa ennustamaan, kun puhdistus on tarpeen.

Ympäristökorvaukset

Lämpötilan muutokset voivat vaikuttaa LED-valonlähteeseen ja vastaanottimen herkkyyttä. Etsi antureita, jotka sisältävät sisäisen lämpötilan kompensoinnin tai toimivat laajalla lämpötila-alueella (esim. -40 °C +85 °C). Ulkona asennuksissa kannattaa harkita aurinkosuojaa, joka estää lämpögradientteja, jotka voivat aiheuttaa vääriä lukemia.

Optisen tason anturin tulevat suuntaukset

Kehittyvä teknologia lupaa entistä parempaa suorituskykyä haastavissa nesteissä. Edge-laitteilla toimivat koneoppimisalgoritmit voivat oppia tietyn säiliön tyypilliset melumallit ja erottaa todelliset tasomuutokset transienttitapahtumista. IoT-alustojen avulla integroidut optiset anturit voivat jakaa tietoja muiden sensoreiden (paine, lämpötila, pH) kanssa, jotta ne voivat rakentaa kokonaisvaltaisen prosessimallin, joka kompensoi optisia häiriöitä. Lisäksi aikaohjatut kuvananturit, jotka vain ottavat näytteen tarkan ajan kuluttua valopulssin jälkeen, voivat hylätä backspatter-hiukkasista, tarjoavat selkeitä tasosignaaleja myös tiheissä suomuissa.

Päätelmät

Väärät lukemat optisen tason antureissa, jotka ovat turbulenssia ja pilviyttä, eivät ole ylitsepääsemättömiä. Ymmärtämällä taustalla olevan fysiikan, valitsemalla asianmukaiset anturit ja aallonpituudet, soveltamalla älykästä signaalinkäsittelyä ja optimoimalla asennusta ja ylläpitoa, teollisuuslaitokset voivat saavuttaa luotettavia ja tarkkoja tason mittauksia. Kaikkein vaikeimpiin sovelluksiin optisten ja vaihtoehtoisten teknologia-anturien yhdistelmä tarjoaa vankan resurssit. Nämä strategiat vähentävät seisokkiaikaa, estävät kalliita prosessihäiriöitä ja parantavat turvallisuutta.

Lisätietoja on ]Omega Engineering -teknisessä opasteessa optisten anturien osalta[, Endress+Hauser application note for breaking and meilding , ja ]Science Direct entry on optical level sensor physical.