タービンと曇りの物理学を理解する

光学レベルセンサーは、エミッタと受信機の間の清潔で無停電光路に依存しています。 頑丈な液体では、急速で、混沌とした流れが変化し、空気泡や変形が予測不可能に散らばる渦巻きや浮気体を導入します。 この散乱は、受信機があまりにも多くの光(泡が逆に反射する)または少し(ビームが反転している場合)を検出する可能性があります。 結果は、ジッタまたは永久に液体のメカニズムを吸収する可能性があります。 微分光が、または粒子が、または粒子が効果的に低下する可能性があります。

センサーの設計および構成の選択

カプセル化とシールド

堅牢なハウジング、ガラス窓、サファイアレンズを使用して光学コンポーネントの物理的な分離は、劇的にターブレンスの影響を減らすことができます。カプセル化されたセンサーは、バルク液体の動きの影響を低下させる、光学インターフェイスの近くで静的な流体境界を作成します。例えば、円筒形のシュラウドの後ろに収容された10°狭いビーム角のセンサーは、ベアードLEDエミッタよりも攪拌タンクにはるかに少ない偽のトリガーを持っています。

波長最適化

特定の液体の吸収と散乱を最小限に抑える波長で光源を選択することは重要です。 850-940nmのほぼ赤外線(NIR)ライトは、通常、曇りの水を貫通し、スラリー、および多くの産業流体は、見える赤や青色の光よりもはるかに優れています。 非常に濁った環境では、波長が1300nm(例えば、1300nm)も使用できますが、センサーコストと複雑さが上昇します。 一部のメーカーは、現在、最適なセンサーを入札するセンサーに基づいて、自動的にマルチ波長センサーを提供します。

ビーム幾何学および共同

多波長による線反射が受信機に当たる可能性が高いため、ワイドビームセンサーは偽の読書に敏感です。 狭い、集中されたビームに光を照らすと、角度の広がりが低下し、センサーがオフ軸の散乱に敏感なことを防ぎます。 高粒子密度の液体のために、希釈ビームは実際にいくつかの光子が受信機に到達する確率を高めることによって助けることができる - このトレードオフはアプリケーションごとに調整されなければなりません。

高度な信号処理とフィルタリング

タイムドメインのアバージング

現代の光学センサーは、毎秒多くの測定を取ることができ、移動窓の平均を適用することができます。 単純10サンプル平均は、レベル変化に対する応答時間を犠牲にすることなく、気泡から短時間でスピークを滑らかにすることができます。 より洗練されたアルゴリズムは、液体レベルでのステップ変更を観察しながら、より洗練されたアルゴリズムは、アウトリエを拒絶するためにメディアンフィルタリングを使用します。

適応性のある境界

固定信号レベルのしきい値の代わりに、適応システムは、継続的にベースライン信号強度を監視し、実行中の統計に基づいてトリガーポイントを調整します。例えば、センサーでスラッジタンクを監視し、プロセッサは、落ちる期間の間にメディアン信号を識別し、±3標準偏差でしき値を設定することができます。これにより、水平変化を示す誤って粒子の簡単な雲が防止されます。

二重波長の差動の測定

一つのエレガントなソリューションは、液体によって強く吸収される2つのLEDが異なる波長で放出する2つのLEDを使用して、弱く吸収されます。 返された信号の比率を測定することにより、センサーは、濁りや加硫によって引き起こされる光散乱などの一般的なモードノイズをキャンセルすることができます。 この技術は、すでにいくつかの濁度コンペンスレートレベルセンサーで使用され、エマルジョンの90%以上で偽の読書を減らすことができます。

インストールベストプラクティス

気密ゾーンのセンサーの配置

液体の入口、動揺の刃、または管曲げからセンサーを置きます。 多くの場合、タンクには、静止した井戸を取り付けます。バルク運動から液体の列を隔離する穴があいたチューブは、ほとんど無動の測定ゾーンを作成できます。 同様に、攪拌機の反対側のタンクのセンサーを配置すると、誤った読書を大幅に削減できます。

発生の角度

わずかな下方に角度(水平ではない)で光ビームを指示すると、光路の吊り下げや泡が光路の飛散を防ぐことができます。反射(液状)センサーの場合、角度の付いた設置により、泡や蒸気を反射する光のリスクも軽減し、液体表面を模倣できます。

フラッシュとパージシステム

連続した曇りの液体のために、光学窓の定期的な清掃は不可欠です。 クリーンな液体の小さなジェットを狙う自動パージシステムまたはレンズ全体に圧縮空気を蓄積から保つことができます。 一部のセンサーには、統合ワイパーが含まれています。 食品加工では、定期的な清掃サイクル中にセンサーポートをパージするために、クリーンインプレース(CIP)システムがタイムアウトできます。

代替技術と補完技術

光学センサーは、多くの用途に費用対効果が大きいままですが、代替技術が好まれる環境もあります。

  • [超音波レベルセンサー]]は音波を使用し、液体の明快さや不透明度に大雑把に免疫があります。しかし、それらは泡、蒸気、および重濁によって影響を受けることができます。論理的および過半周波の超音波および光学センサーを結合することは、どちらかの技術だけで引き起こされた誤った読書を除去することができます。
  • レーダー(マイクロウェーブ)レベルセンサーは、マイクロ波がほこり、気孔、または曇りに影響されないため、多岐にわたる泡立つ液体に優れています。 非接触レーダー、特に周波数変調連続波(FMCW)レーダーは、高温および高圧容器で信頼性の高い読書を提供します。
  • レーザーベースのタイムオブフライトセンサーは、極端な精度を提供が、レトロな反射の慎重な管理を必要とし、密な雲によってブラインドすることができます。 彼らは適度な乱れできれいな透明な液体でうまく動作します。
  • []光学センサーと一緒に使用される導電性または静電容量プローブ[は、レベル変化を検証できます。3つの異なる技術が同意した場合、偽の読書の可能性は非常に低いです。

事例:排水処理場における偽物警報の低減

市町村排水プラントは、プライマリクラリファイタータンク内の光学センサーから1日10〜15の偽レベル警報を経験しました。液体は、中断された固体(500〜3000 ppm)を含んだし、流入によって攪拌されました。3つの強力な修正を実施した後、NIR 940 nm LEDに切り替え、各センサーの周りの静止井戸を取り付け、PLCに50サンプルのメディアンフィルタを追加して、誤った警報速度が1週間に6回以上保存された。

メンテナンスおよび校正プロトコル

定期的な清掃

インストールのベストプラクティスであっても、光学窓はフィルムやスケールを刺激的に蓄積します。メンテナンススケジュールには、ソフトな布やブラシで視覚的な検査と優しい清掃が含まれます。光学面を傷つける研磨剤を避けてください。過酷な環境では、プロセスバッチまたは毎週の操作後に清掃をスケジュールします。

校正検証

校正された参照(例、既知の液体高さまたはテストブロック)を使用して、センサー出力月を検証します。 現代のセンサーには、ウィンドウの強制を検出し、警告を出力できる内蔵の自己診断ルーチンが含まれます。 ログセンサーは、清掃が必要になったときに時間をかけて低下します。

環境補償

温度変化は、LED出力と受信機の感度に影響します。内部温度補償を含むセンサーを探したり、広い温度範囲(例えば、-40°C〜+ 85°C)上で動作するセンサーを探します。屋外設置のために、誤った読書を引き起こす可能性がある熱勾配を防ぐために、太陽シールドを検討してください。

光学レベルセンシングの未来の動向

新興技術は、困難な液体でより良い性能を約束します。 エッジデバイス上で実行される機械学習アルゴリズムは、特定のタンクの典型的なノイズパターンを学び、過渡イベントから本物のレベル変化を区別することができます。 IoTプラットフォームと統合された光学センサーは、光学干渉を補正する、電気的プロセスモデルを構築するために、他のセンサー(圧力、温度、pH)とデータを共有することができます。 さらに、光パルスが粒子からバックスキャッターを拒否できる唯一の正確な時間でサンプルを時間ごとに時間指定するイメージングセンサーは、光干渉をクリアするだけでなく、クリアなレベルの信号も提供します。

コンテンツ

タービンおよび曇りによって引き起こされる光学レベルのセンサーの偽の読書は、不可能ではありません。基礎的な物理を理解することによって、適切なセンサーの設計と波長を選択し、インテリジェントな信号処理を適用し、インストールとメンテナンスを最適化することで、産業施設は、信頼性、正確なレベルの測定を達成することができます。最も困難なアプリケーションでは、光学および代替技術センサーの組み合わせは、堅牢な冗長性を提供します。これらの戦略は、ダウンタイムを削減し、コストを削減し、安全を改善します。これらは、複雑な施設の処理に価値のある投資価値があります。

更に読みたい場合は、光学レベルセンサーのの]の[Endress+Hauserアプリケーションノートと醸造と酪農、および[[]]]]の直接エントリーを光学レベルセンサー物理]を参照してください。