הבנת האתגרים הבסיסיים

חיישני רמה אופטיים פועלים על ידי פולטים קרן אור - באופן קטי מ LED או לייזר - וגילוי ההשתקפות, השידור, או הפרעה כדי לקבוע נוכחות נוזלית או רמה. בנוזלים נקיים, quiescent, הנתיב האור מוגדר היטב ואת האותות המתקבלים מתאמים הדוק עם ממשק נוזלי בפועל.עם זאת, כאשר המדיום הופך מעונן או מסובך, הנתיב האופטי הוא במובנים כי לא אמין, אותות, חומרת, חומרת לא אמין, או חומרת, חומרת, או חומרת, חומרת חומרת, חומרת, או לא אמין, חומרת, חומרת חומרת, או ממתכת, חומרת חומרת, או ממתכת, או ממתכת, או ממתכת, או ממתכת, או ממתכת, או ממתכת, או ממתכת, או מכדי כישלונות, עם ממשק נוזלי, עם ממשק נוזלי, או מכדי כישלונות, או מסולק.

נוזלי ענן (או turbid) מכילים חלקיקים מוצקים מושעה, ulsions, או microbubbles כי לפזר ולספוג אור. התואר של פיזור תלוי בגודל חלקיקים, ריכוז, ואינדקס השביר יחסית לנוזל. לדוגמה, בטיפול במים פסולת, להפוך חלקיקים מתפתלים מופעל טווח בין 10 ל -100 מיקרומטר ופיזור אור גלוי מאוד.

Turbulence מציגה שכבה נוספת של מורכבות. Rapid, כאוטית נוזל תנועה גורמת משטח נוזלי לזחל, גלים בצורת, ולפעמים ליצור aeration (בועות אוויר מאוישות) אפילו במיכל עדיין לא אמין, זרימה וזרימות החוצה יכולים ליצור eddies שמשנים את מדד השבירה היעיל לאורך נתיב האור.

ההשפעה המשולבת של זעזועים וזעזועים היא רב-תכליתית: חלקיקים מפוזרים כל הזמן מופץ על ידי הזרם, כך פרופיל הפיזור משתנה במהירות.החיישנים חייבים לכן לא רק חזקים אופטית אלא גם את היכולת להבחין בין אות הרמה האמיתית לבין רעש מהיר, גבוה-אמפ.

בחירת אורך הגל עבור החדירה משופרת

אחת האסטרטגיות היעילות ביותר להילחם בהפרעות היא בחירת אורך גל הפעלה הממזער את ספיגה ופיזור בנוזל מסוים.התמדה של אור במדיום סוער בערך בעקבות חוק הבירה-לאמברט, שבו הפזורה coefficient הוא חזק מאוד תלוי גל חלקיקים גדול יותר מאשר אורך הגל, פיזור הוא בערך באורך גל עצמאי (כלומר משטר M).

בפועל, נוזלים רבים תעשייתיים מעוננים מכילים תערובת של גדלים חלקיקים.עם זאת, אורכי גל ליד-נאפרד (NIR) בטווח של 850nm עד 1050 nm הם לעתים קרובות מועדים מסיבות רבות:

  • (ב) ,0) פיזור פיזור (FLT:1) - עבור רבים השעיה, הפיזור החלקה צומצם ככל אורך הגל נע לתוך NIR, במיוחד כאשר חלקיקים קטנים מ 1 מיקרומטר.
  • (FLT:0) קליטת מים של מים: מים יש מינימום ספיגה סביב 900-1000 nm, אשר מסייע למקסם את השידור באמצעות נוזלים מבוססי מים.
  • (FLT:0) LEDs ו photodiodesFLT:1 - מרכיבים יקרים זמינים נרחב ב 850 nm, 940 nm, ו 1050 nm.

עבור נוזלי מאתגר במיוחד, כגון צללים כימיים כהים או מרקים תסיסה גבוהה, מעבר לאורך גל NIR ארוך יותר (למשל, 1550 nm) עשוי להפחית עוד יותר את הפיזור, אם כי עלייה במים ועלויות רכיב עולה.כמה חיישנים מתקדמים משתמשים ב-FLT:0multi-waveal-waveal Measureial Measures 1FLT:1, שבו גל אחד נספג מאוד על ידי אותות נוזל אחד הוא לא משתקף יחס אחר.

מחקרים חיצוניים הראו כי קידוד אורך הגל לבדו יכול לשפר את דיוק החיישן עד 60% ביישומים מסוימים של פעוטים.ניתוח יסודי של עקומת השידור ספקטרלית של הנוזל - המוחזקת מ-spectroPhotometer או נתונים ספרותיים - הוא צעד ראשון חיוני לפני בחירת חיישן.

המונחים:

גם עם אורך גל אופטימלי, פלט הגלם מ חיישן ברמה אופטית בנוזל סוערת יהיה מכיל בסיס רועש עיבוד אותות יכול לחלץ את המידע ברמה האמיתית של רעש זה מבלי לפנות לפילטרים איטיים ומחכים.

נמוך-Pass ו- Band-Passing

מסנן נע פשוט או קוהרנטיות נמוך יכול להסיר רעש זעזוע גבוה ⁇ עלות של זמן תגובה הולך וגובר.תדירות חיתוך חייב להיות מוגדר נמוך יותר מאשר גל פני השטח הצפוי (לעתים קרובות מתחת 5 הרץ) אבל גבוה מספיק כדי לעקוב אחר שינויים רמת הנוזל איטי (למשל, מלא / מחזורים). עבור טנקים תעשייתיים רבים, זמן קבוע של 0.5-2 שניות מספק איזון טוב.

סינון בנד-פס שימושי כאשר רעש הזעזוע הדומיננטי תופס להקה תדר מסוים, בעוד אות הרמה הוא quasi-static או שינויים לאט.לדוגמה, אם משאבה גורמת למשקעים תקופתיים ב 10 הרץ, מסנן נוטריון בתדירות זו יכול לחסל את המרכיב הזה תוך שמירה על האות בתדר נמוך יותר.

פילטר ו- Kalman Techniques

מסננים סטטיים עשויים לא מספיק כאשר המאפיינים הסוערים משתנים עם קצב זרימה.פילטרים הסתגלותיים, כגון הריבועים הפחות מתכוונים (LMS) אלגוריתם, יכול תמיד לכוונון אפקטיביות כדי למזער את השגיאה בין קלט רועש לבין האות הצפוי. בדומה, מסנן קלמן מודלים את הדינמיקה של מערכת מדידה covariance, לייצר הערכות מצב אופטימליות גם כאשר הרעש הוא לא פתור ביצועים פשוטים יותר על ידי קלושט.

לדוגמה, בקו מילוי המשקאות שבו פחמן נוזלי יוצר הן זעזוע והן זעזועים, מסנן קלמן יכול להפחית את הפחתת הסימון קריאה ברמת יותר מ 80% בהשוואה לסף אות גולמי, המאפשר שליטה ברמת מילוי מדויקת.

דופק קולינג ושחיתות

כמה חיישנים אופטיים משתמשים בפעמוני אור מודולים (למשל, נוריות הדופק) ומתואמים את האות המתקבל עם הקוד המועבר.טכניקה זו דוחה אור וסימנים מחיישנים אחרים, אבל זה גם מספק חסינות לריאציות אקראיות amplitudes הנגרמת על ידי פיזור.על ידי שילוב של הדופקים מרובים, יחס האות-לא-לא-רעש משתפר באופן יחסי לשורש של מספר החיישנים הממוצעים עם סימולציה הוא לעתים קרובות.

שיפור עיצוב חיישן עבור Hostile Media

הבנייה הפיזית של ראש החיישן יכולה להשפיע באופן דרמטי על יכולתה לשמור על שלמות האות.שינויים בעיצובים אחדים מוכחים להפחית את העיוות, התפזרות ואפקטי הזעזוע.

טיפול אופטי וכיסויי פני השטח

חלקיקים מוצקים בנוזלים מעוננים נוטים לצבור על חלונות אופטיים, בהדרגה להפחית את העברת האור. הידרופוביים או סגולופוביים להפחית את הדבקות של מים ילידים ושמן ילידים, בהתאמה.עבור לוחות מזחלים מאוד, ציפוי ספירה או פחמן דמוי יהלום (DLC) מספק הן עמידות לגרד והן אנרגיה על פני השטח הנמוך, מה שהופך את ניקוי קל יותר.

מספר נתיבי אור וערוץי Redundant

במקום זוג פולט-דקטור יחיד, חיישן עשוי לשלב מספר נתיבים אופטיים בזווית שונה.במד זעזוע, נתיב אחד עשוי להיות יותר מעוד בשל חלקיק מקומי clumps.החיישנים יכולים לאחר מכן לבחור את הנתיב עם האות החזק ביותר או לשלב אותות ממגוון דרכים לאחר משקולות.

עיצוב אופטי של Robust Optomechanical Design

שיקולים מכניים כוללים את השימוש בזווית של סטיות צר כדי להפחית את ההסתברות של חלקיקים פיזור מירוט את הדבורה.קולת (lens או s אופטיקה היקפית) לייצר קרן עפרון שנשאר מוגבל גם לאחר עובר כמה מטרים של נוזל מטושטש.עבור חיישנים רפלקטיביים (כמו אלה באמצעות רטרוlector בצד השני של מיכל), להבטיח כי אתה מתמקד כראוי ונקמי הוא מייצב כראוי.

ניהול והערכה

שינויים בטמפרטורות יכולים לשנות את ספקטרום הקליטה של הנוזל ואת הרגישות של photodiodes. חיישנים באיכות גבוהה כוללים חיישן טמפרטורה על הגלאי ולבצע פיצוי דיגיטלי. בתנודות טמפרטורה קיצונית (למשל, טנקים בחוץ בחורף לעומת קיץ), כשל לפצות יכול לשנות את סף זיהוי ולחקות שינויים ברמת הדרגה.

התקנה ומערכת-Level Best Practices

לא משנה כמה מתוחכמת עיצוב החיישן, ההתקנה ללא טיפול יכולה לבטל את היתרונות שלה.מיקום החיישן, אוריינטציה, מערכת יחסים עם דפוס זרימת הנוזל הם קריטיים.

המונחים: Minimize Turbulence

הניחו את החיישן הרחק מאיונים נוזליים, שקעים, חסמים מעומקים.אם הטנק הוא כל הזמן מעורר, לשקול להתקין היטב (צנרת מחוסמת המקיף את קרן החיישן ותנועת נוזל לחות) עדיין מאפשר נוזל להיכנס דרך חורים קטנים אך פעולה גל אטמפט ופשעים גדולים.התוצאה היא עמודה רגועה יחסית שיכולה עדיין למדוד באופן שווה את החיישנים המשתנים באופן שווה.

משמרות אופטיים ואור

אור Ambient מהשמש או תאורה מקורה יכול להציף את אות החיישן, במיוחד אם הנוזל הוא מעונן ואת הגלאי מוגדר לרווח גבוה. להתקין מגן פיזי סביב ראש החיישן כדי לחסום אור משוטט.כאשר עולה חיצוני (למשל, על מראה זכוכית), להשתמש בצ'קוזי ⁇ ו Light-ht- tig.אם החיישן נמצא בתוך קו, הפנים מול משטח נמוך, למנוע השתקפות חומר כוזבת, כדי למנוע השתקפות לא קדמית.

תחזוקה ותחזוקה

לאורך זמן, פני השטח האופטיים הופכים מלוכלכים בהדרגה גם עם ציפויים.זמן ניקוי ושיקום באמצעות נוזל התייחסות עם זעזוע ידוע.ב calibration יכול להתבצע על ידי הסרת החיישן לתוך שרוול קליברציה המכיל פתרון זעזוע סטנדרטי המכיל פתרון זעזוע סטנדרטי.כמה חיישנים מודרניים מציעים FLT:0auto-calationFLT:1 שגרת תיקון כי מתאמת את סף מבוסס על בסיס שבועות ריקים (atraicial) כאשר הוא "מחלוקת" (כלומר, כלומר," (הדגש על בסיס אוטומטי).

שילוב עם בקרת תהליכים

נתונים ברמה מחיישנים אופטיים לא צריך לשמש בידוד.שלב המדידה האופטית עם חיישן לחץ או חיישן רמה שנייה (ultrasonic או מכ"ם) מספק undancy. מערכת בקרה מפקחת יכול לבצע בדיקות סבירות: אם חיישן אופטי מציין ירידה פתאומית בעוד חיישן הלחץ מראה לא שינוי, הקריאה האופטית היא כנראה אות כוזבת הנגרמת על ידי בועה חולפת או קלמנט גדול זה גישה רבודה באופן דרמטי עלייה באמינות באופן דרמטי.

מקרים של יישום מעשי

טיפול בשפכים - Sudge Level Detection

אחת האפליקציות התובעניות ביותר היא לזהות את הממשק בין מים מיושבים ומדליקים במבהר. שכבת ה-Selpha היא מאוד מטרידה (התעושות > 1000 NTU) ועוברת לאט.חיישנים אופטיים באמצעות LED 940 ננומטר עם קרן צרה ופילטר נמוך (זמן 2 שניות קבוע) הוכיחו מוצלח. Aman מקטין רעש נוסף מ- iconreme מ- 90% לחיישנים רגילים.

מזון ובקר - Juices and Pulp

בטנקים המחזיקים מיץ תפוזים להתרכז או להדביק עגבניות, הנוזל הוא גם מולקווס ופיזור גבוה. Adhesion של pulp בחלון החיישן הוא נושא קבוע. A חיישן עם ציפוי אולטרה סגול ואוויר תקופתי (כל 5 דקות) שומר קריאה יציבה. השימוש של גל ננומטר 1050 על ידי כ-40% לעומת מקור NUMF אדום, נמדד על ידי ניתוח סלולר של ספקטרום של ייצור סטרילי.

עיבוד כימי - Polymerization Reactors

במהלך פולימריזציה, תערובת התגובה משתנה מנוזל ברור לענן, מולטי, חיישן רמת אופטי חייב לפעול מעבר זה כל מעבר. Multi-wave אורכי מדידה (אורך גל אחד נספג על ידי המנומר, אחד לא) הועסק כדי לעקוב אחר רמת ללא הרף של זעזוע.החיישנים גם משלב סינון הסתגלות כי retunes כאשר התגובה נכנסת לשלב חדש, <1%) נשמרת בכל רחבי המדידה.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

הכונן לכיוון תעשייה 4.0 וחיישנים חכמים מביא יכולות חדשות למדידה ברמה אופטית.האלגוריתמים של למידת מכונות לרוץ על מעבדים משובצים יכולים עכשיו לסווג דפוסי רעש שונים (למשל, זעזוע לעומת גלי אוויר לעומת חיישן רעוע) ולעבור אסטרטגיות עיבוד אותות בזמן אמת.

בנוסף, חישה סיבים אופטית מבוזרת - שבו כל הכבלים פועלים כגורם רגיש - יכול לספק מדידות ברמת המאזניים לאורך טנק על ידי ניתוח ריילי חזרות מכווץ. טכנולוגיה זו עדיין מתפתחת לשימוש תעשייתי קצר טווח אבל מראה הבטחה בסביבות טורחות מאוד או קורוזיות שבו חיישנים קונבנציונליים נכשלים.

מסקנה

חיישנים ברמה אופטית מתמודדים עם השפלה חמורה של אותות בנוזלים מעוננים ומטרידים עקב פיזור, ספיגה ותנועה מהירה נוזל.תגברות על אתגרים אלה דורש גישה ברמת מערכות הכוללת ברירה באורך גל זהיר, עיבוד אותות דיגיטליים מתקדם (נמוך, הסתגלות, ופילטר קלמן), עיצוב חזק של חיישן (coatings, מספר מסלולים, מערכות טיהור), וקבוע עם תכונות ממושכות עדיין אינטגרציה נקייה ולהפחית את תהליכי עיבוד מיידיים, אפילו ממערכות מדידה.

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇