הבנת עיבוד אותות ב- Vibrating Fork Level Sensors

חיישני רמות של דיו הפכו לאבן הפינה של אוטומציה תעשייתית מודרנית, מתן זיהוי אמין ברמה נקודה עבור שני הנוזלים ו מוצקות גדולות.חיישנים אלה הם פרס עבור החוסן שלהם, דרישות תחזוקה נמוכה, ויכולת לפעול בסביבות מאתגרות. בעוד שזיהוי פיזי של דיו הוא המרכיב הנראה לעין ביותר, האינטליגנציה הספציפית של המכשיר נמצאת באלקטרוניקה לעיבוד אותות מתוחכמות שלה.

עקרונות הפעלה

בלב כל חיישן רמת הנקה רוטט הוא זוג של tines - המיוצרים באופן רטי מ נירוסטה או סגסוגת עמיד קורוזיה - המונעים להתפתל בתדר הטבעי שלהם resonant תדירות. tines הם נרגשים על ידי גביש אדזואלקטרי שממיר אות חשמלי להילוך מכני. a Second ⁇ electric אלמנט, או איסוף מגנטי, לזהות את התמריצים העצמיים זה מייצר אותות אחוריים.

כאשר ה-Fork מוקף רק באוויר או ב- vapor, הוא רוטט בחופשיות בתדר ההתחדשות שלו, בדרך כלל בטווח של 80 עד 400 הרץ בהתאם לתכנון. amplitude של רטט הוא גבוה יחסית, ואת ה- coefficienting להורדת ה-Sliances, כאשר ה-ik הופך להיות שקוע בנוזל או מכוסה על ידי חומר מוצק, התכונות הפיזיות של זה חומר - במיוחד, צפיפות אלקטרונית, ומדכאורטית, ומדכאה, כדי להפחית את התכונות הפיזיות חומר, ומדכאה, ומדכאה, ומדכאה, ומדכאה.

האתגר הבסיסי בעיבוד אותות הוא להבחין בין מגע חומרי אמיתי לבין הפרעות טרנסיות כגון מתיז, קצף, זעזוע, או רטטים מכניים של ציוד סמוך. אלגוריתמי עיבוד אותות יעילים נועדו להתעלם מאירועים קצרי-טווח ולספק להקה היסטריה המונעת במהירות על אופניים / על אופניים כאשר הרמה החומרית היא בדיוק במיקום של דיו.

אותות דור ו- Drive Circlery

החיישן חייב לשמור על התוספת המחודשת שלו תוך חשבונאות לשינויים שנגרמו על ידי טמפרטורה, הזדקנות, או פיקדונות חומריים.מעגל הכונן משתמש לולאה משוב חיובי: התפוקה של המגבר זיהוי הוא מוגבר ומשתנה בשלב כדי לספק אות נהיגה כי יש קיום תנודות.זה למעשה מעגל אוסוציאטור שבו פועל עבור פועל כמרכיב התדרים.

Piezoelectric Drive וגילוי

רוב חיישני ה-ek המודרניים משתמשים בשני אלמנטים אדזואלקטריים: אחד כדי להניע את ה-Fork ועוד כדי לחוש את הרטט.הגביג הכונן מקבל גל מרובע או מתח סינוסי הגורם להתרחבות מכנית וההיגוי.התחושה יוצרת מתח פרופורציה לזן שחווה ה-Fork. כי חומרים אדזואלקטריים יש תנופה גבוהה, האות הוא בדרך כלל מוקרן על ידי מדגמי קדמיון רגיל, אשר ממוקם על ידי מדבקת הלחשית ה-ידי מכווץ רגיל, לאחר מכן, לאחר מכן, כי חומרים מכווץ הקדמית הלחשית ה-ה הקדמית הלחשית ה-ה הקדמית ה-ה הקדמיתיקים, כי הם רק על-מפוספסתיקים אופייניתיקים, כי חומרים אדפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפט

שמירה על Resonance

כדי להבטיח שה-Fork פועל תמיד בתדר ההתחדשות האמיתי שלו, האלקטרוניקה חייבת לעקוב ולפצה על סחף תדר.לאה שנשלטת בשלב (PLL) מועסקת בדרך כלל. PLL משווה את ההבדל בשלב בין אות הכונן לבין אות התחושה. at resonance, השינוי בשלב הוא בדיוק 90 מעלות.אם השלב deviates, PLL מאמת את הכונן עד למצב התדירות של 90 מעלות מאפשר שמירה אוטומטית על חיישן.

כמה חיישנים משתמשים בגישה פשוטה יותר: מעגל עצמי שבו נתיב משוב כולל רכיב שליטה על רווח אוטומטי (AGC) רכיב. AGC מאמת את כוח הנהיגה כדי לשמור על קבוע amplitude המחושך. כאשר חומר לחות את ה-Fork, ה- AGC מגביר את הכונן הנוכחי; כאשר ה-Ac הוא חינם, ה- AGC עצמו יכול לשמש כאמצעי זיהוי מדויק יותר מאשר עיצובים פשוטים.

זיהוי ועיבוד ראשוני

לאחר רטט ה-Fork מומר לאות חשמלי, יש לשנות את נתוני הגלם ולנתח. הפרמטרים העיקריים של זיהוי הם תדירות ו amplitude (או לחבית). Analog filtering, תיקון ושלבי השוואה להמיר את אות הרטט האנלוגי לתפוקות הסטטוס הדיגיטלי.

תדירות

תדירות resonant של ה-Fork נמדדת על ידי ספירת מספר של אפס מעברים לזמן יחידת, או באמצעות ממיר בתדר-to-voltage. בחיישנים המבוססים על PLL, מתח הבקרה ל-oscillator הנשלט על ידי המתח (VCO) מספק ייצוג אנלוגי ישיר של תדירות.מתח זה הוא אז בהשוואה לסף ההתייחסות. כאשר ה- pk הוא שקוע, על ידי כמות גבוהה יותר ל- 50 טיפות, אך ניתן עדיין להיות מסוגל להיות טמפרטורות מוצקות.

כדי למנוע אזעקה כוזבת מתזזים או קצף, מדידת תדירות ממוצעת על פני חלון זמן קצר - באופן חד פעמי 1 עד 3 שניות. כמה חיישנים מתקדמים משתמשים במערכת דו-צדדית: ירידה מהירה בתדירות גורמת למצב "זיהוי מהיר", בעוד שינוי איטי יותר מאשר את המצב.

סליחות ומדכאת

זיהוי Amplitude מבוצע לעתים קרובות באמצעות מאמת דיוק ופילטר נמוך-פס המוציא את המעטפה של אות הרטט.המתח DC וכתוצאה מכך הוא בהשוואה להקשר.כאשר חומר יוצר קשר עם ה-Fork, ה- amplitude טיפות באופן משמעותי - לפעמים יותר מ-50%. Damping ניתן גם להעריך על ידי מדידה של זמן הדעיכה לאחר שהניאק מופרע בקצרה.

השילוב של תדירות ונתונים אמפיריים מספק ריצוף ומשפר את האפליה.לדוגמה, בועה גז העוברת את ה-Fork עלולה לגרום ל-Flicker קצר אך לא שינוי תדר מתמשך.ניתן לתכנת את לוגיקה עיבוד האות כדי לדרוש משני הפרמטרים להשתנות במקביל לפני ההכרזה על מצב "מכוס".

טכניקת עיבוד אותות

יצרנים משתמשים באסטרטגיות אלגוריתמיות שונות כדי להמיר נתוני חיישן גולמי לסימנים ברמה אמינה.הטכניקות הבאות משמשות באופן נרחב, לעתים קרובות בשילוב.

תדירות שינוי

זוהי הטכניקה הבסיסית ביותר בשימוש נרחב.החיישנים מודדים כל הזמן את התדר המהדהד ומחיל מסנן נמוך לסיר רעש.תדירות בסיס הרץ הוקמה במהלך ההתקנה כאשר ה-Fork יבש (או ריק) המיקרומעבד מחשב שינוי תדירות יחסית להחלפת בסיס. כאשר השינוי עולה על סף תוכנית (למשל, 50 הרץ עבור נוזלים, 20 עבור s עבור מתגים נמוכים), למנוע צ'אטים קטנים יותר (כמו כן) כדי לשחזר את התדירות גבוהה יותר (למשל, זה חייב להיות מ- 10 מצופה) לפני ה-retra צמיגים (למשל, זה יותר).

גילוי שינוי תדירות עובד טוב עבור רוב הנוזלים ו מוצקות זרימה חופשית, אבל זה יכול להיות פחות אמין עבור חומרים עם צפיפות נמוכה מאוד (למשל, אבקות מאוישות או קצף) כי השינוי התדירות עשוי להיות קטן מדי למדידה. במקרים כאלה, שיטות המבוססות על אמפליטיות עשוי להיות מועדפים.

מדד דמים

מדידת דמיון מעריכה את השיעור שבו אנרגיית רטט מתפוררת.כאשר ה-Fork שקוע, העלייה החמצת חדה.זה יכול להימדד על ידי התבוננות באמפדות של רטט בכוח כונן קבוע.חיישנים רבים משלבים תדר ולחים מידע כדי ליצור חלל זיהוי דו-ממדי. לדוגמה, נוזל עם רגישות גבוהה עלול לגרום לשינוי תדר גדול אך מתכווץ, בעוד שגורם להבחין בין אותות לחות אפילו לאינט חזק.

חיישנים מתקדמים גם משתמשים לחיבוק כדי לזהות בעיות כמו ציפוי דיו או קורוזיה.אם העלייה החמצת בהדרגה במשך ימים או שבועות, האלקטרוניקה יכולה להטיל התראה תחזוקה מבלי לזרז אזעקה ברמה שקרית.

ניתוח Amplitude Analysis

ניתוח Amplitude הוא טכניקה פשוטה יותר המשמשת לעתים קרובות חיישנים בעלות נמוכה.מתח שיא-to-peak של אות הרטט נמדדת בהשוואה ליחס. כאשר amplitude טיפות, את הפלט טיולים. שיטה זו רגישה לרעש וטמפרטורת סחף, כך שהוא בדרך כלל מתווסף על ידי סינון נוסף. כמה חיישנים משתמשים בגישה אמפירית שונה: הם משווים את הנוכחי לממוצע כדי ריצה ממוצעת, רק אם משך מינימלי נמשך רק עבור סטיה.

ניתוח Amplitude יכול להיות יעיל עבור נוזלים עבים או מזחלות שגורמים לחות חזקה, אבל זה פחות אמין עבור מים נקיים או נוזלים בעלי רגישות נמוכה שבו שינוי אמפול עשוי להיות עדין.

עיבוד אותות דיגיטליים (DSP) טכניקות

מודרני גבוה רוטט חיישנים עבורk משלב מעבדי אות דיגיטליים המבצעים ניתוח בזמן אמת באמצעות אלגוריתמים כגון Fast Fourier Transform (FFT) או סימולציה סינכרונית. DSP מאפשר החיישן להוציא מרכיבים בסיסיים והרמוניה, מתן נתונים עשירים יותר על התכונות של החומר.לדוגמה, נוכחות של בועות או מוצקים בנוזל יכול ליצור מודולציה בצד בתדירות שיכולה לזהות מסנן DSP.

טכניקת DSP נוספת היא ניתוח הגלים, אשר יכול לזהות אירועים טרנסיים כגון עלייה פתאומית של חומר להכות את ה-Fork. החיישן יכול להגיב עם פלט מהיר כדי להזהיר את מערכת הבקרה, בעוד עדיין מתעלם מתזציות כי הם קצרים מדי כדי לייצג שינוי רמת מתמשך.DSP גם מאפשר סינון הסתגלות: החיישן לומד את סביבת הרעש הטיפוסית במהלך והתאמה של מסננים שלה כדי לשמור על רגישות אופטימלית.

למידת מכונה מתחילה להופיע בכמה חיישנים תעשייתיים.רשת עצבית יכולה להיות מאומנת על מאות חתימות רטט התואם לתנאים שונים (דרי, רטוב, מכוסה, מבולחת, מבוללת, מסובבת) ולאחר מכן לסווג את הנתונים בזמן אמת עם דיוק גבוה.גישה זו מועילה במיוחד עבור יישומים מורכבים שבהם לוגיקה מסורתית מבוססת הסף נכשלת.

שיקולים של יישום ואופטימיזציה

פרמטרים עיבוד אותות חייבים להיות מכוונים ליישום הספציפי כדי להשיג ביצועים אמינים.גורמים כגון צפיפות חומרים, מהירויות, טמפרטורה, לחץ, וזרימה מהירות כל השפעה על התגובה של חיישן.

המונחים: Liquid Level Detection

עבור נוזלי רגישות נמוכה כמו מים, מעצורים, או שמנים קלים, גילוי שינוי תדירות הוא בדרך כלל מספיק. חיישן יכול להיות מוגדר להגיב במהירות (<1 השני) כי יש סיכון קטן של אותות כוזבים מהפרעה.עם זאת, עבור זיהוי נוזלי מולקו (למשל, מלגס ראשוני, רזס, או מזי), לחות יכול להיות גבוה כל כך כי alitos זמן קצר לפני שינוי מוקדם יותר, כדי להפעיל פרמטר קבוע, כדי להגדיר את זה.

Foam מציג אתגר כי זה יכול לחבק חלקית את ה-Fork ללא כיסוי מלא.כמה פורמולות קצף יש צפיפות קרובה לזה של הנוזל, גרימת שינוי תדירות דומה לרמה נוזלית מוצקה. אלגוריתמים מיוחדים לזיהוי קצף זמינים במודלים מסוימים של חיישן.זה לנתח את התוכן הרמוני: קצף נוטה לייצר יותר נזקי מסדר גבוה יותר מאשר טהור.

בולק סולידריות ואבקות

מוצקות בקוב, כגון גרגר, אגן פלסטיק, מלט או חול, לעתים קרובות יש צפיפות נמוכה ודחיסות גבוהה.שינוי תדירות מגע הוא קטן, לפעמים רק כמה הרץ. לכן, מדידה לחות הוא בדרך כלל אמין יותר מאשר ספירת תדירות. החיישן חייב גם להיות מוגן מפני נזק מכני שנגרם על ידי ירידה בחומר. חיישנים ברמה מוצקה רבים יש red, מורחב עבור עיצוב, רגישות מופחתת למנוע קירור כוזבת למנוע אבק כוזב.

עיבוד אותות עבור מוצקים חייב לקחת בחשבון עבור ייצור חומרים על ה-Fork. Over Time, אבקות קנס יכול לצבור ולשנות את המאפיינים של רטט בסיס. כמה חיישנים כוללים פונקציה אוטומטית ביטול מחדש כי מעת לעת מתעד את הבסיס בעוד ה-ik ידוע להיחשף (למשל, לאחר מחסנית טנקים). תכונה זו מונעת סחף הדרגתי מגורם אותות יבשים כוזבים.

יישומים Hygienic ו- Sanitary

במזון, למשקה ובתעשיות התרופות, לחיישנים יש סיום סניטרי ולהיות מסוגלים לעמוד במחזורי ניקוי-אין-אין-מקום (CIP) בטמפרטורות גבוהות ובכימיקלים אגרסיביים. לעיבוד האות חייב להיות מסוגל להתמודד עם הטראנסים התרמיים המהירים במהלך CIP, אשר יכול לגרום לשינויים זמניים עקב שינויים במודולים של יאנג של דיו.

סביבה מסוכנת

באטמוספירה של חומרי נפץ (למשל, שמן וגז, צמחי כימי), אלקטרוניקה החיישן חייבת להיות בטוחה או חסינה להבה באופן בלתי פתיר.כוח עיבוד אותות מוגבל לעתים קרובות על ידי הצורך לשמור על ניתוק כוח נמוך.עם זאת, זיהוי אמין הוא עדיין בלתי אפשרי באמצעות מיקרו-בקרים בעלי עוצמה נמוכה ואלגוריתמים יעילים.

קלבריה וידוי

הגדרה נכונה של פרמטרים לעיבוד אותות היא קריטית עבור פעולה אמינה.רוב חיישני דיו רוטט הם קלים להגדיר, אבל הבנה האפשרויות יכול למנוע בעיות שדה.

דרישות

סף המעבר הוא הפרמטר החשוב ביותר. עבור גילוי מבוסס תדר, הסף בדרך כלל מתבטא שינוי תדירות (למשל, 10 הרץ) או כאחוז של תדירות יבשה.ההלהקה ההיסטריה צריך להיות מוגדר רחב יותר מאשר רמת הרעש הרגיל, אבל צר מספיק כדי לספק נקי על / מעבר.נקודת התחלה טובה היא להגדיר את הסף פעמיים של הרעש על פני חומר יבש, לאחר מכן לאמת את חומר יבש.

יש חיישנים שיש להם פונקציה ללמד אוטומטית: המשתמש חושף את הסימון לחומר ומעיתונות כפתור, ואת החיישן מתעד את תדירות מכוסה / דגימה.זה ואז מחשב את האמצעי בין ערכים יבשים ומכוסים כמו הסף.זה מפשט, אבל אולי לא יכול לקחת בחשבון את התנאים הגרועים ביותר כמו קיצוניות טמפרטורה.

גילוי Fault

עיבוד אותות כולל גם שגרות אבחון כי לזהות כשלים חיישן. A Broken tine, גביש כושל, או כבל חמור יגרום לאובדן מוחלט של רטט.האלקטרוניקה יכול לזהות זאת על ידי בדיקת אות תנומה אימות.אם שום רטט מזוהה במשך כמה שניות, החיישן צריך להיות מצב שלם של התריטציה (למשל, ערך קבוע מחוץ לטווח הרגיל עבור תפוקה, דפוס דיגיטלי ספציפי עבור חיישנים עצמיים עם יכולת בדיקה עצמית).

גם עם עיבוד מתקדם, בעיות שדה יכולות להתעורר בעיות נפוצות והאבחונים המבוססים על האות כוללים:

  • (FLT:0) קריאה יבשה של FLT: לעתים קרובות נגרמת על ידי ציפוי כבד על התוספת, אשר לחטט לצמיתות. לבדוק עבור ייצור חומרים.אם ניקוי לא יעזור, החיישן עשוי לדרוש יותר רגישות הגדרת או אפס מחדש.
  • (FLT:0) קריאה רטובה:FLT:1 עשוי להיות בשל רטטים מכניים של ציוד רוטט הסמוך. רטטים בתדר נמוך יכול להתחבר לתוך החיישן.הוספת מסנן גבוה במרחק גבוה עיבוד אותות יכול לעזור.
  • (ב) אם החיישן לוקח זמן רב מדי כדי לזהות שינוי ברמת, זמן המינוף או היסטריה עשויים להיות גדולים מדי.
  • (FLT:0) סחף טמפרל: 1) תדירות ההחזרה של שינויי נירוסטה על ידי 0.003% per ° C. A 50 מעלות צלזיוס תנודה טמפרטורה יכול לשנות את תדירות על ידי 1.5 הרץ, אשר עשוי להיות מספיק כדי לעורר קריאה כוזבת אם הסף מוגדר חזק מדי. השתמש בטמפרטורה אוטומטית מדי או לבצע הוראה לאחר שהתהליך מגיע לטמפרטורה הפעלה.

יתרונות השוואתיים על פני טכנולוגיות אחרות

הבנת עיבוד אותות עוזרת להסביר מדוע חיישני דיו מתחרים היטב עם חלופות כמו מבחנים קיבוליים, מתגי מוליכות, וחיישנים קוליים. Vibrating forks מציעים חסינות גבוהה לקצף, זעזועים, ומבנה חומרים כי עיבוד האות יכול לבודד את ההתנהגות המהדהדת באופן ישיר חיישנים קפיליים הקשורים לנפיחות חשמלית; חיישנים התנהגותיים דורשים את החומרי כדי להיות חיישנים; ניתן לבודד את זה על ידי ניגודיות (רגישים) על ידי ניגודיות (מסוגיות) הוא ניגודיות מכנית) הוא ניגודיות.

עיבוד האות בחיישנים רוטטטיביים גם מאפשר אבחון מתקדם כי טכנולוגיות רבות אחרות ברמה נקודה חסרה. הם יכולים לזהות ולדווח על מצב ה-Fork, המאפשר תחזוקה חיזוי.יכולות אלה הן בעלות ערך במיוחד בנקודות מרוחקות או בלתי נגישות.

מגמות מתפתחות בעיבוד אותות

תחום עיבוד אותות החיישן של דיו ממשיך להתפתח. מגמות מפתח כוללות:

  • (FLT:0) חיישנים ללא תשלום וסוללה: ההרחבה 1 ( Ultra-low-power microcontrollers ואלגוריתמים יעילים מאפשרים לחיישנים לפעול במשך שנים על סוללה אחת, העברת נתונים באמצעות LoRaWAN או פרוטוקולים אחרים של IoT. עיבוד אותות חייב להיות מותאם כדי להפחית את מחזור החובה תוך שמירה על תגובה מהירה.
  • (FLT:0) מחשוב וניתוח: FLT:1 חיישנים עם מעבדים חזקים יותר יכולים להפעיל מודלים מורכבים באופן מקומי, להפחית את הצורך בקר מרכזי.לדוגמה, חיישן יכול לסווג חומר כמו "מלחין", "פואם", או "נוזל נקי" בהתבסס על חתימה ולתאם את נקודת מתגו בהתאם.
  • (FLT:0)Sensor fusion:FLT:1 משלב נתונים רוטט עם מדידות אחרות (טמפרטורה, לחץ, קיבול) בדיור יחיד מניב מכשיר רב-פרמטר. עיבוד אותות יכול לחצות נתונים כדי לשפר את האמינות בתהליכים מורכבים.
  • (FLT:0 אלגוריתמים:ראהFLT:1) שימוש במכונות למידה, חיישנים יכולים להתאים באופן אוטומטי לשינויים בתנאי תהליך לאורך זמן.הם יכולים לזהות מגמות השפלה (למשל, הצטברות ציפוי) ולהפצה לפני שכישלון מתרחש.

מסקנה

עיבוד האות מאחורי חיישנים ברמת ה-K הוא הרבה יותר מאשר השוואה פשוטה של סף.הוא כולל מעקב מדויק של התחדשות, סינון הסתגלות, ניתוח רב-פרמטר, פונקציות אבחון מתוחכמות.היכולת לזהות באופן אמין את נוכחות של נוזלים ו מוצקים בסביבה תעשייתית קשה תלוי בהנדסה זהירה של מערכות אלקטרוניות אלה.כפי חיישן הופך להיות יותר חזק ולהפחית, היכולת להמשיך באופן אמין יותר כדי לשפר את הביצועים, אפילו יותר מהיר יותר, אופטימיזציה של טכניקות אופטימיזציה פיזית, כדי לבחון יותר, יותר, יותר יעיל יותר, כדי לבדוק את הטכניקות אופטימיזציה יעילה יותר של תהליכים אלה.

(FLT:0Key Takeaway: FLT:1) האמינות של חיישן רמת הסימון רוטט הוא פונקציה ישירה של איכות עיבוד אותות שלה.טכניקות דיגיטליות מודרניות - כולל מעקב PLL, ניתוח DSP ואלגוריתמים הסתגלות - להפוך אלמנט רוטט פשוט לתוך כלי מדידה חזק, אינטליגנטי המסוגל לפעול בתנאים התובעניים ביותר.

לקריאה נוספת על טכנולוגיות מדידה תעשייתיות, ייעוץ תיעוד של יצרן כגון Endress+Hauser, Vega ומדריכי Sitron.See גם את FLT:0ISA אוטומציה Handbookof1 ו-FLT:2Omega Engineering Level Measurement ResourceFLT 3 עבור קונפורציות רחבות יותר.