Optické snímače

Častokrát dochádza k zlej interpretácii tak jednoduchého pojmu ako je uvedené v názve článku. Nie je to v zlom pochopení názvu čitateľom a ani v zlej definícii autorom. Už samotný pojem “snímač hladiny” môže znamenať kontinuálne odmeriavanie hladiny, to znamená postupné určovanie jej výšky, alebo indikáciu hladiny pri dosiahnutí určitej úrovne. Pojem optický snímač hladiny by mal predstavovať prevod informácie o hladine na optický signál (optickú informáciu).

Nech mi to tvorcovia slovenského jazyka odpustia, ale v technike je veľa problémov, pokiaľ sa chceme vyjadrovať po slovensky. Som zástancom preberania termínov z iných jazykov, ak to pomôže presne sa vyjadrovať v technickej oblasti. Tak ako Japonci, Američania alebo Číňania nemajú problém s pojmom robot, tak ani my nebudeme hľadať v slovenčine náhrady za slová senzor, aktuátor, resp. už spomenutý výraz kontinuálne.

V článku sa budeme venovať senzoru (snímaču) diskrétnej hodnoty hladiny, teda nie odmeriavaniu výšky hladiny. Prítomnosť hladiny sa v aktuátore prevedie na optický signál. Následne sa v elektronickej časti senzoru signál spracuje a na výstupe senzora dostávame zopnutý, resp. rozopnutý tranzistor, ktorý bude nositeľom informácie o stave hladiny kvapaliny.

V škole sme sa učili, že svetelný lúč sa z povrchu predmetov odráža pod rovnakým uhlom pod akým dopadá na povrch. Vďaka tomu máme možnosť predmety vidieť. Avšak, ak má predmet také optické vlastnosti, že svetlo prepúšťa, potom k odrazu nedochádza, alebo dochádza len čiastočne. V tom prípade sa časť svetla odráža a časť svetla prechádza cez predmet ďalej a tiež dochádza ku čiastočnému lomu svetla. To ako sa svetlo odráža, resp. postupuje ďalej, je dané optickými vlastnosťami oboch predmetov (optických prostredí).

Na obr. 2 vidíme optický hranol umiestnený v nádobe. V tomto prípade uvažujme, že nádoba nepredstavuje pre svetelný lúč žiadnu prekážku. Neskôr pochopíme prečo. Svetelný lúč, alebo v praxi častejšie zväzok svetelných lúčov, sa na optickom hranole odráža podľa obr. 2 naspäť. Nádoba je prázdna, a preto dochádza ku celkovému odrazu bez toho, aby nejaká časť svetla prenikla do nádoby.

Zatiaľ uvažujme o ideálnych podmienkach. V praxi sa naspäť dostane takmer 100% svetla, prípadné straty nemajú praktický význam a preto môžeme uvažovať o dokonalom odraze.
Pokiaľ nádobu naplníme vodou, resp. inou kvapalinou, ako vidno na obr. 3, zväzok lúčov prenikne do nádoby a v kvapaline dôjde k jeho útlmu (pohlteniu) a naspäť sa nedostane ani malá časť tohto svetla. Kvapalina má približne rovnaké optikcé vlastnosti ako sklo (index lomu) a preto sa zväzok lúčov neodrazí, ako je to uvedené na obr. 2, ale prenikne do kvapaliny.

Čo to v praxi znamená? Ak je optický hranol mimo kvapaliny, optický lúč sa vráti naspäť, ale ak je hranol ponorený do kvapaliny, optický lúč sa nevráti. V tomto prípade nezáleží ani na farbe kvapaliny, ani na priepustnosti svetla kvapaliny.

Takto sme si vysvetlili celkom podrobne prevod prítomnosti hladiny kvapaliny na svetelný signál, v našom prípade princíp aktuátora. Svetelný signál ďalej prevedieme na elektrický signál a máme hotový senzor.

V porovnaní s ostatnými princípmi senzorov hladín má tento princíp množstvo výhod. Nemá mechanické časti, čo ho radí medzi senzory s dlhou životnosťou. Neovplyvňuje zloženie snímanej kvapaliny. V závislosti od prevedenia (napr. na obr. 1) odoláva vysokým tlakom. Je priam predurčený na vyhotovenie úpravy pre výbušné prostredie.

Ako sme už spomínali, uvedený princíp má pred ostatnými typmi senzorov niekoľko výhod. Má aj nevýhody, ktoré je však možné riešiť. Na obr. 4 vidíme príklad kvapaliny s väčšou viskozitou. Po tom, ako poklesne hladina kvapaliny pod úroveň senzora, na optickom hranole ostane zbytková kvapka kvapaliny, ktorá spôsobí chybnú signalizáciu senzora, t.j. senzor bude indikovať prítomnosť kvapaliny.

Na obr. 5 je tento prípad zobrazený z čelného pohľadu na senzor. Na obr. 5 je “V” vysielač svetelného lúča, “P” je prijímač svetelného lúča a “K” predstavuje kvapku kvapaliny.

Na obr. 5a) vidno, že kvapka kvapaliny zakryje prijímač “P” (podobná situácia nastane ak bude snímač pootočený o 180° a kvapka zakryje vysielač “V”). Takto senzor pri kvapalinách s vyššou viskozitou nebude pracovať spoľahlivo. Na obr. 5b) vidno riešenie tohto problému pri pootočení senzora o 90°. V praxi toto riešenie nevyhovuje, pretože daná poloha sa musí zisťovať pokusne a nemusí to vyhovovať podmienke na dokonalé tesnenie systému.

Na obr. 5c) je vidno, že pri použití dvoch vysielačov a dvoch prijímačov je vždy jedna dvojica (vysielač-prijímač) funkčná. Systém pracuje spoľahlivo a zbytková kvapka neovplyvní jeho správnu funkciu.

Ďalší zaujímavý problém vznikne v prípade priblíženia zrkadlovej plochy k bezprostrednej blízkosti optického hranola. Na obr. 6 je tento problém znázornený schematicky. V praxi je najlepšie sa tomuto problému jednoducho vyhýbať. V nápojovom priemysle to však nie je celkom možné, pretože nádoby sú vyrábané z nehrdzavejúcej ocele, ktorá môže mať lesklý povrch. Dá sa tomu predísť dvoma spôsobmi: dodržať minimálnu vzdialenosť lesklého povrchu od senzora, resp. umiestniť senzor tak, aby sa prípadný odraz zväzku svetelných lúčov nedostal naspäť do optického hranola.

Na obr. 6 sú uvedené odhadované hodnoty svetelného žiarenia na prijímač. Napríklad, v tomto prípade 20% môže byť dostatočná hodnota pre nesprávne vyhodnotenie senzora. Samozrejme, je veľmi ťažké odhadnúť situáciu vopred, a preto je v tomto prípade priestor pre uplatnenie procesorov priamo v senzore. O tom si však povieme viac neskôr.

Veľmi zaujímavé riešenie je znázornené na obrázku 7.

Na obrázku 7a) je schematicky znázornený klasický senzor. “V” znamená vysielač, “P” znamená prijímač ako na obr. 5. “H” predstavuje optický hranol a “S” sú svetlovody, ktoré odďaľujú vysielač a prijímač od optického hranola tak, ako je to uvedené na obr. 7b). Toto riešenie umožňuje polohovať vysielač a prijímač do iného prostredia v akom sa nachádza optický hranol. Napr. optický hranol môže pracovať pri podstatne vyššej teplote ako zvyšná časť senzora. Rovnako napr. v prípade použitia senzora vo výbušnom prostredí sa dá dosiahnuť jeho vyššia trieda odolnosti.

V tejto časti sme si ukázali riešenie problémov optického senzora hladiny kvapalín. Z toho vidno, že je možné riešiť množstvo problémov, ktoré ani nesúvisia s nedostatkami senzora, ale na druhej strane zvýhodňujú tento princíp pred ostatnými typmi senzorov.

V 70-tych rokoch minulého storočia sa začali používať nové prvky v riadení – mikroprocesory. V tom čase časopis Electronics vypísal súťaž o najlepšiu aplikáciu mikroprocesora v praxi. Vyhralo použitie mikroprocesora v krájači jabĺk. Už vtedy bolo jasné ako blízko pri ľudských potrebách budú mikroprocesory. Od tej doby som videl množstvo aplikácií s mikroprocesormi, častokrát boli (mikro)procesory použité zbytočne no často ich použitie zvýšilo kvalitu a funkčnosť výrobku.

Aj použitie procesorov v senzore by malo viesť k jeho vyššej kvalite a funkčnosti. Doteraz sme uvažovali iba o kvapaline rovnakých jednoduchých vlastností. Brali sme do úvahy jej rôznu viskozitu a povedali sme, že kvapalina môže byť rôzne sfarbená. To však nie sú všetky jej vlastnosti.

Ďalej si popíšeme rôzne aplikácie, pri ktorých sa bez použitia procesora nezaobídeme, resp. riešenie by bolo podstatne zložitejšie. Konkrétne detaily použitia procesora v senzore nebudeme rozoberať (napr. programovú štruktúru), pretože tie sa môžu líšiť v závislosti od výrobcu. Nakoniec ani rozsah tohto príspevku nám to neumožňuje.

Na obr. 8 je znázornené snímanie hladiny piva. Z obrázku je zrejmé, že aj keď je pivo pod úrovňou optického hranola, podstatná časť svetelného žiarenia sa vracia späť. V každom prípade je však možné tento stav vyhodnotiť a zistiť, že hladina piva poklesla aj keď hladina peny je ešte stále nad optickým hranolom.

Je len na užívateľovi či sa rozhodne snímať pivo bez peny alebo s penou. V praxi je požiadavka snímať hladinu piva a nie peny. Tieto varianty rozhodovania sú už vhodné pre funkciu procesora

Na obr. 9 je uvedený prípad, kde kvapalina obsahuje tuk – napr. mlieko. V tomto prípade, aj keď je hranol zaplavený kvapalinou, dochádza k čiastočnému odrazu svetelného žiarenia späť. Je to spôsobené tým, že mastná kvapalina vytvorí lesklý film na povrchu optického hranola, ktorý sa správa ako zrkadlo. V začiatkoch používania tohto princípu v nápojovom priemysle sa tento typ senzora považoval za nevhodný pre mliečne produkty. A procesor opäť urobil svoju prácu a umožnil princíp snímania hladiny pomocou optického hranola používať aj pri kvapalinách obsahujúcich tuk.

Príklad spenenej kvapaliny a mastnej kvapaliny je v protiklade s princípom použitia. V praxi sa také prípady vyskytujú iba zriedkavo. Predstavme si však olej, ktorý obsahuje vodu. Toto je v priemysle bežný prípad. Ak chceme vodu z oleja dostať preč, začneme zmes oleja a vody ohrievať. Keďže voda má podstatne nižší bod varu ako olej, začne sa pri nižšej teplote odparovať. Toto však spôsobí, že sa celá zmes spení. A máme tu požiadavku na snímanie hladiny mastnej kvapaliny, ktorá je spenená. Takmer nereálna požiadavka je riešiteľná pomocou procesora v senzore. Ak však v senzore máme procesor, môže riešiť aj iné úlohy, ako sme si doteraz uviedli. Záleží na výkonnosti procesora a na schopnosti konštruktéra. V podstate, ak už procesor v senzore je, tak všetky jeho ďalšie činnosti sú vlastne bezplatné (nezvyšujú výrobné náklady), avšak zvyšujú úžitkovú hodnotu senzora.

Na záver by bolo vhodné spomenúť, kde všade je možné senzory tohto typu použiť. V predchádzajúcom texte sme rozoberali niektoré vlastnosti senzorov pri meraní hladín kvapalín ako sú pivo alebo mlieko. Asi s najväčšou pravdepodobnosťou je teda vhodné použiť optické senzory hladiny práve v nápojovom priemysle. Od nápojového priemyslu je len malý krok k medicíne a farmaceutickému priemyslu. Tam treba mať na zreteli predovšetkým použité materiály na výrobu senzorov. Tieto senzory nemajú žiadny vplyv na zloženie kvapaliny a nijakým spôsobom ju neovplyvňujú. Pre svoju vysokú spoľahlivosť sa stále viac uplatňujú aj v bežnom priemysle. Majú významný prínos pre zvyšovanie úrovne automatizácie a pre odolnosť voči prostrediu sa uplatňujú v leteckej a námornej doprave.

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