Optische Sensoren

Es kommt oft zu einer Fehlinterpretation eines so einfachen Konzepts, wie es im Titel des Artikels erwähnt wird. Es handelt sich nicht um ein schlechtes Verständnis des Titels durch den Leser oder eine schlechte Definition durch den Autor. Der Begriff „Füllstandssensor“ allein kann eine kontinuierliche Messung des Füllstands, also eine schrittweise Bestimmung seiner Höhe, oder eine Anzeige des Füllstands bei Erreichen eines bestimmten Füllstands bedeuten. Der Begriff optischer Füllstandsensor soll die Umwandlung von Informationen über den Füllstand in ein optisches Signal (optische Information) darstellen.

Mögen mir die Schöpfer der slowakischen Sprache verzeihen, aber es gibt viele technische Probleme, wenn wir uns auf Slowakisch ausdrücken wollen. Ich bin ein Befürworter der Übernahme von Begriffen aus anderen Sprachen, wenn dies der Präzision im technischen Bereich dient. So wie die Japaner, Amerikaner oder Chinesen kein Problem mit dem Begriff Roboter haben, werden wir im Slowakischen nicht nach Ersatzstoffen für die Wörter Sensor, Aktuator oder suchen der bereits erwähnte Begriff kontinuierlich.

In dem Artikel konzentrieren wir uns auf den Sensor (Sensor) des diskreten Füllstandswertes, also nicht auf die Messung der Füllstandhöhe. Der Füllstand wird im Aktor in ein optisches Signal umgewandelt. Anschließend wird das Signal im elektronischen Teil des Sensors verarbeitet und am Ausgang des Sensors erhalten wir ein eingeschaltetes bzw offener Transistor, der Informationen über den Zustand des Flüssigkeitsstands liefert.

In der Schule haben wir gelernt, dass ein Lichtstrahl von der Oberfläche von Gegenständen im gleichen Winkel reflektiert wird, in dem er auf die Oberfläche trifft. Dadurch haben wir die Möglichkeit, Objekte zu sehen. Wenn das Objekt jedoch solche optischen Eigenschaften aufweist, dass das Licht hindurchdringt, kommt es zu keiner oder nur teilweisen Reflexion. In diesem Fall wird ein Teil des Lichts reflektiert und ein Teil des Lichts durchdringt das Objekt weiter, außerdem kommt es zu einer teilweisen Lichtbrechung. Wie Licht reflektiert wird, bzw Geht man weiter, wird es durch die optischen Eigenschaften beider Objekte (optische Umgebungen) bestimmt.

In Abb. 2 sehen wir ein optisches Prisma in einem Behälter. Gehen wir in diesem Fall davon aus, dass der Behälter kein Hindernis für den Lichtstrahl darstellt. Später werden wir den Vogel verstehen. An dem optischen Prisma gemäß Abb. wird ein Lichtstrahl, in der Praxis häufiger ein Lichtstrahlbündel, reflektiert. 2 zurück. Da der Behälter leer ist, kommt es zur Totalreflexion, ohne dass Licht in den Behälter gelangt.

Denken wir zunächst über ideale Bedingungen nach. In der Praxis wird nahezu 100 % des Lichts zurückgegeben, mögliche Verluste spielen keine praktische Rolle und wir können daher von einer perfekten Reflexion ausgehen.
Wenn wir den Behälter mit Wasser füllen, oder eine andere Flüssigkeit, wie in Abb. zu sehen ist. 3 dringt das Strahlenbündel in den Behälter ein und wird in der Flüssigkeit abgeschwächt (Absorption), und nicht einmal ein kleiner Teil dieses Lichts gelangt zurück. Die Flüssigkeit hat ungefähr die gleichen optischen Eigenschaften wie Glas (Brechungsindex) und daher wird der Strahl nicht reflektiert, wie in Abb. 2, dringt aber in die Flüssigkeit ein.

Was bedeutet das in der Praxis? Befindet sich das optische Prisma außerhalb der Flüssigkeit, kehrt der optische Strahl zurück, wenn das Prisma jedoch in die Flüssigkeit eingetaucht ist, kehrt der optische Strahl nicht zurück. In diesem Fall spielt die Farbe der Flüssigkeit keine Rolle, oder seine Lichtdurchlässigkeit.

So haben wir die Umwandlung des Vorhandenseins des Flüssigkeitsspiegels in ein Lichtsignal, in unserem Fall das Prinzip des Aktors, ausführlich erklärt. Als nächstes wandeln wir das Lichtsignal in ein elektrisches Signal um und schon haben wir einen fertigen Sensor.

Im Vergleich zu anderen Prinzipien von Füllstandsensoren weist dieses Prinzip eine Reihe von Vorteilen auf. Da er keine mechanischen Teile enthält, gehört er zu den Sensoren mit einer langen Lebensdauer. Es hat keinen Einfluss auf die Zusammensetzung der erkannten Flüssigkeit. Je nach Ausführung (z. B. in Abb. 1) hält es hohen Drücken stand. Es ist speziell für Anpassungen in explosionsgefährdeten Umgebungen gedacht.

Wie wir bereits erwähnt haben, hat das genannte Prinzip mehrere Vorteile gegenüber anderen Sensortypen. Es hat auch Nachteile, die jedoch behoben werden können. In Abb. In Abb. 4 sehen wir ein Beispiel einer Flüssigkeit mit höherer Viskosität. Nachdem der Flüssigkeitsstand unter das Niveau des Sensors gesunken ist, verbleibt ein Restflüssigkeitstropfen auf dem optischen Prisma, was zu einer Fehlsignalisierung des Sensors führt, d. h. Der Sensor zeigt das Vorhandensein von Flüssigkeit an.

In Abb. 5 ist dieser Fall aus der Vorderansicht des Sensors dargestellt. In Abb. 5 ist „V“ ein Lichtstrahlsender, „P“ ein Lichtstrahlempfänger und „K“ ein Flüssigkeitstropfen.

In Abb. 5a) ist zu erkennen, dass ein Flüssigkeitstropfen den Empfänger „P“ bedeckt (eine ähnliche Situation ergibt sich, wenn der Sensor um 180° gedreht wird und der Tropfen den Sender „V“ bedeckt). Daher funktioniert der Sensor bei Flüssigkeiten mit höherer Viskosität nicht zuverlässig. In Abb. 5b) Die Lösung dieses Problems erkennt man, wenn der Sensor um 90° gedreht wird. In der Praxis ist diese Lösung nicht geeignet, da die gegebene Position experimentell ermittelt werden muss und möglicherweise nicht die Voraussetzung für eine einwandfreie Abdichtung des Systems erfüllt.

In Abb. 5c) ist zu erkennen, dass bei der Verwendung von zwei Sendern und zwei Empfängern immer ein Paar (Sender-Empfänger) funktionsfähig ist. Das System arbeitet zuverlässig und ein Restabfall beeinträchtigt die ordnungsgemäße Funktion nicht.

Ein weiteres interessantes Problem entsteht, wenn die Spiegeloberfläche in die Nähe des optischen Prismas gebracht wird. In Abb. In Abb. 6 ist dieses Problem schematisch dargestellt. In der Praxis ist es am besten, dieses Problem einfach zu vermeiden. In der Getränkeindustrie ist dies jedoch nicht vollständig möglich, da Behälter aus Edelstahl bestehen, der eine glänzende Oberfläche haben kann. Dies kann auf zwei Arten vermieden werden: Halten Sie den Mindestabstand zwischen der glänzenden Oberfläche und dem Sensor ein oder Platzieren Sie den Sensor so, dass die mögliche Reflexion des Lichtstrahls nicht in das optische Prisma zurückfließt.

Die Abb. 6 zeigt die geschätzten Werte der Lichtstrahlung pro Empfänger. Zum Beispiel In diesem Fall können 20 % ein ausreichender Wert für eine falsche Sensorauswertung sein. Natürlich ist es sehr schwierig, die Situation im Voraus einzuschätzen, und daher besteht in diesem Fall Raum für den Einsatz von Prozessoren direkt im Sensor. Aber darüber reden wir später noch mehr.

Eine sehr interessante Lösung ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7a) zeigt schematisch einen klassischen Sensor. „V“ bedeutet Sender, „P“ bedeutet Empfänger wie in Abb. 5. „H“ steht für das optische Prisma und „S“ für die Lichtleiter, die den Sender und Empfänger vom optischen Prisma trennen, wie in Abb. gezeigt. 7b). Diese Lösung ermöglicht es, Sender und Empfänger in einer anderen Umgebung als das optische Prisma zu positionieren. Zum Beispiel Das optische Prisma kann bei einer deutlich höheren Temperatur betrieben werden als der Rest des Sensors. Ebenso z.B. Wird der Sensor in explosionsgefährdeter Umgebung eingesetzt, kann dessen höhere Widerstandsklasse erreicht werden.

In diesem Abschnitt haben wir gezeigt, wie man Fehler bei einem optischen Flüssigkeitsstandsensor behebt. Daraus ist ersichtlich, dass eine Reihe von Problemen gelöst werden können, die nicht einmal mit den Mängeln des Sensors zusammenhängen, sondern andererseits dieses Prinzip gegenüber anderen Sensortypen bevorzugen.

In den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts wurden neue Steuerungselemente eingesetzt – Mikroprozessoren. Damals schrieb das Magazin „Electronics“ einen Wettbewerb für den besten Einsatz eines Mikroprozessors in der Praxis aus. Der Gewinner war der Einsatz eines Mikroprozessors in einem Apfelschneider. Schon damals war klar, wie nah Mikroprozessoren an den menschlichen Bedürfnissen sein würden. Seitdem habe ich viele Anwendungen mit Mikroprozessoren gesehen, oft wurden (Mikro-)Prozessoren unnötig eingesetzt, aber oft steigerte ihr Einsatz die Qualität und Funktionalität des Produkts.

Der Einsatz von Prozessoren im Sensor soll auch zu einer höheren Qualität und Funktionalität führen. Bisher haben wir nur Flüssigkeiten mit den gleichen einfachen Eigenschaften betrachtet. Wir haben die unterschiedliche Viskosität berücksichtigt und gesagt, dass die Flüssigkeit unterschiedlich gefärbt sein kann. Dies sind jedoch nicht alle Merkmale.

Als nächstes beschreiben wir verschiedene Anwendungen, bei denen wir auf den Einsatz eines Prozessors nicht verzichten können bzw Die Lösung wäre deutlich komplexer. Auf die spezifischen Details des Einsatzes des Prozessors im Sensor (z. B. den Programmaufbau) gehen wir nicht ein, da diese je nach Hersteller unterschiedlich sein können. Letztlich lässt es uns selbst der Umfang dieses Beitrags nicht zu.

In Abb. 8 zeigt die Erfassung des Bierfüllstands. Aus der Abbildung wird deutlich, dass selbst wenn sich das Bier unterhalb der Ebene des optischen Prismas befindet, ein erheblicher Teil der Lichtstrahlung zurückreflektiert wird. In jedem Fall ist es jedoch möglich, diesen Zustand auszuwerten und festzustellen, dass der Bierspiegel gesunken ist, auch wenn der Schaumspiegel noch über dem optischen Prisma liegt.

Es bleibt dem Nutzer überlassen, ob er sich für die Verkostung von Bier ohne Schaum oder mit Schaum entscheidet. In der Praxis besteht die Anforderung darin, den Bierfüllstand und nicht den Schaum zu messen. Diese Entscheidungsvarianten sind bereits für die Funktion des Prozessors geeignet

Abb. 9 zeigt den Fall, bei dem die Flüssigkeit Fett enthält – z.B. Milch. In diesem Fall kommt es, selbst wenn das Prisma mit Flüssigkeit geflutet ist, zu einer teilweisen Rückreflexion der Lichtstrahlung. Dies liegt daran, dass die ölige Flüssigkeit einen glänzenden Film auf der Oberfläche des optischen Prismas bildet, das sich wie ein Spiegel verhält. Zu Beginn der Anwendung dieses Prinzips in der Getränkeindustrie galt dieser Sensortyp für Milchprodukte als ungeeignet. Und wieder hat der Prozessor seinen Dienst getan und es ermöglicht, das Prinzip der Füllstandserfassung mittels optischem Prisma auch bei fetthaltigen Flüssigkeiten anzuwenden.

Das Beispiel einer schaumigen Flüssigkeit und einer öligen Flüssigkeit widerspricht dem Verwendungsprinzip. In der Praxis kommen solche Fälle nur selten vor. Aber stellen wir uns ein Öl vor, das Wasser enthält. Dies ist in der Industrie ein häufiger Fall. Wenn wir das Wasser aus dem Öl herausholen wollen, beginnen wir mit dem Erhitzen der Öl-Wasser-Mischung. Da Wasser einen deutlich niedrigeren Siedepunkt als Öl hat, beginnt es bei einer niedrigeren Temperatur zu verdampfen. Allerdings führt dies dazu, dass die gesamte Mischung schäumt. Und wir haben eine Anfrage zur Messung des Füllstands einer öligen, schaumigen Flüssigkeit. Mit dem Prozessor im Sensor kann eine nahezu unrealistische Anforderung gelöst werden. Wenn wir jedoch einen Prozessor im Sensor haben, kann dieser andere Aufgaben lösen, wie wir bisher erwähnt haben. Dies hängt von der Leistung des Prozessors und den Fähigkeiten des Designers ab. Grundsätzlich gilt: Wenn der Prozessor bereits im Sensor steckt, dann sind alle seine anderen Aktivitäten tatsächlich kostenlos (sie erhöhen nicht die Produktionskosten), aber sie erhöhen den Nutzwert des Sensors.

Abschließend wäre es angebracht zu erwähnen, wo überall Sensoren dieser Art eingesetzt werden können. Im vorherigen Text haben wir einige Eigenschaften von Sensoren bei der Füllstandmessung von Flüssigkeiten wie Bier oder Milch besprochen. Der Einsatz optischer Füllstandsensoren ist daher am wahrscheinlichsten in der Getränkeindustrie. Von der Getränkeindustrie zur Medizin- und Pharmaindustrie ist es nur ein kleiner Schritt. Dabei müssen die zur Herstellung von Sensoren verwendeten Materialien berücksichtigt werden. Diese Sensoren haben keinen Einfluss auf die Zusammensetzung der Flüssigkeit und beeinflussen diese in keiner Weise. Aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit werden sie zunehmend auch in der normalen Industrie eingesetzt. Sie leisten einen wesentlichen Beitrag zur Erhöhung des Automatisierungsgrades und werden aufgrund ihrer Umweltbeständigkeit im Luft- und Seetransport eingesetzt.

Autor: Ing. Štefan Ploskoň, PLOSKON AT, s.r.o