Jste zde

Optická detekce úniku kapalin pomocí jejich vzlínavosti

Antonín Vojáček, 26. Červen 2010 - 22:34

Potřebujete například v laboratořích či ve zdravotnictví nebo chemickém průmyslu detekovat úniky i malých množství kapalin, včetně chemických látek? Tak by pro Vás mohl být zajímavý následující optický senzor japonské společnosti SUNX s označením FD-F705, který do dokáže. Využívá k tomu efekt vzlínavosti kapalin.

V nabídce japonské společnosti SUNX (dnes „v područí“ společnosti Panasonic) jsem náhodou nalezl velmi zajímavý miniaturní optický senzor detekce úniku i velmi malého množství viskózních kapaliny téměř libovolného složení, včetně chemikálií a těkavých materiálů (vyhovuje SEMI S2). Konkrétně jde o vláknový snímač složený ze malé snímací hlavice s označením FD-F705 a zesilovače / převodníku světlo <-> el. signál s označením FX-301-F.

Bližší popis detektoru FD-F705 + FX-301-F

Snímací hlavice má rozměry 20 x 30 x 10 mm a je přímo určena na umístění (upevnění) na rovnou plochu (např. dno vaničky), kde potřebujeme detekovat i třeba jen několik desetin mm vysokou hladinu kapaliny. Provozní teplota hlavice je -20 až 60°C. Hlavice prakticky realizuje jen speciální zakončení dvou optických vláken (délka 5 nebo 7 m), které přivádějí, resp. odvádějí světlo z vysílače / přijímače paprsku světla, zde realizovaný vyhodnocovací jednotkou (zesilovačem / převodníkem) FX-301-F.

Ta je ve formě úzkého kvádru s vícesegmentovým 4číslicovým červeným LED displejem, kde se na jedné straně do dvou otvorů zasunuje odchozí, resp. příchozí optické vlákno a na druhé straně je elektrické rozhraní pro připojení napájení a tranzistorový spínaný výstup. Ten může být v provedení NPN nebo PNP a lze ho nastavit pro spínání na světlo nebo na tmu.

Konkrétně u jednotky FX-301-F se ke generování světla využívá modulace červených LED diod, které světlo vysílají do optického vlákna prostřednictvím speciálního rozhraní s dvojitou spojovací čočkou. Tím se redukuje disperze světla na přechodu z vysílače a tím téměř veškeré světlo přejde do optického vlákna. Dále je pro dosažení stabilního snímání po dlouhou i krátkou periodu optický vysílač proveden ze tří vysílacích prvků, které potlačují změny v prvcích vysílání světla tak, aby byla dosažena stabilní úroveň světelného vysílání po dlouhou dobu. Mimo to je integrován obvod APC (Auto Power Control), který adaptivně řídí napájení vysílače tak, aby bylo potlačeno kolísání v krátkých časových periodách a stabilní snímání krátce po zapnutí napájecího napětí. Rychlost odezvy vyhodnocovací jednotky je max. 250 mikrosekund.

Jednotlivé vyhodnocovací jednotky FX-301-F se dají umístit vedle sebe na DIN lištu a případně propojit pro použití systému hromadného učení (vlevo). Pro detekci uniku kapaliny (Leak detection) je možné rozhodovací úroveň měnit v rozmezí 70 až 110 %.

K ovládání (nastavení režimu funkce) slouží 2 tlačítka + jedno „točítko“ pro výběr. Mimo již zmíněného displeje dále k indikaci funkce slouží 2 LED diody.

Ovládací rozhraní jednotky FX-301-F je tvořeno zajímavou kombinací LED displeje a ovládacích tlačítek a točítka, kterým se například mění rozhodovací úroveň.

FX-301-F umožňují režim hromadného učení až 16 vzájemně propojených jednotek.

Princip funkce snímací hlavice FD-F705

Celá detekce využívá efekt kapilarity viskózních kapalin, kdy je i velmi malé množství kapaliny navázáno na snímací průhlednou stěnu snímací hlavice a způsobí rozptýlení světla vysílaného z optického vlákna na vnitřní stranu stěny. To je normálně bez přítomnosti kapaliny odráženo stěnou hlavice do optického přijímače (druhého odchozího vlákna), odkud se přenáší do vyhodnocovací jednotky. V případě přítomnosti kapaliny se světlo na stěně zalomí směrem ven ze snímací hlavice do kapaliny, čímž žádné nebo jen malé množství světla je zachyceno optickým přijímačem. Vyhodnocovací jednotka pak tento stav vyhodnotí jako přítomnost kapaliny.

Kapilarita, česky lépe vzlínavost, je schopnost látek vést kapalinu vzhůru (proti směru gravitačních sil) působením kapilárních sil. Ponoříme-li velmi úzkou trubici malého vnitřního průměru (kapiláru) svisle do kapaliny v široké nádobě, pozorujeme zakřivení povrchu kapaliny v kapiláře a její vzestup (resp. snížení) vzhledem k hladině kapaliny v nádobě. V praxi mohou nastat dva případy kapilární elevace (u stěn trubice je hladina výše než okolní kapalina) nebo kapilární deprese (u stěn trubice je hladina níže než hladina okolní kapaliny). Oba tyto jevy se nazývají souhrnně kapilarita (kapilární jevy). Z hlediska molekulové fyziky je kapilarita způsobena kapilárním tlakem, který je definovaný jako dvojnásobek podílu povrchového napětí kapaliny a poloměru. Tímto způsobem se kapalina „akumuluje“ u snímací stěny snímače a díky tomu je možné detekovat i velmi malé množství kapaliny přítomné v oblasti senzoru, která by jiným způsobem nebyla zjistitelná.

Princip detekce vyteklé kapaliny (Leaked liquid) "přitažené" ke snímacímu povrchu (Sensing surface): vlevo je stav v přítomnosti kapaliny, kdy se do hlavice dodávané světlo z vyhodnocovací jednotky rozptýlý do okolí, zatímco bez kapaliny se světlo odráží do optického přijímače "Beam-receiving part" (vpravo).

Příklad umístění snímací hlavy na dno snímané oblasti (Leakage pan).

Základní parametry (dle výrobce)

 

Hlavice FD-F705:

  • Snímané objekty: viskózní kapaliny
  • Měřící princip: odraz světla na rozhraní stěna/kapalina
  • Připojovací rozhraní: 2x optické vlákno 5 nebo 7 m ve trubičce
  • Materiál hlavice: PFA (fluorová pryskyřice)
  • Provozní teplota: -20 až 60°C
  • Rozměry: 20 x 30 x 10 mm
  • Upevnění: prostřednictvím upevňovacího soklu

 

Vyhodnocovací jednotka FX-301-F:

  • Pro připojení k snímací hlavici: FD-F705
  • Napájení: 12 až 24 V DC, spotřeba: typ. 0,96 W
  • Optické rozhraní:
    • Vstup a výstup pro optické vlákno
    • Generátor světla: tříprvkový vysílací element (červená LED)
    • Obvod stabilizace světelného výkonu (APC)
    • Dvojitá spojovací čočka pro min. disperze světla rozhraní vysílač / vlákno
    • Přijímač: fotodioda
  • Elektrické rozhraní:
    • Spínaný výstup: NPN nebo PNP
    • Volba spínání na světlo / tma
    • Odezva: max. 250 mikrosekund
  • HMI:
    • 4znakový LED displej, 2x indikační LED
    • 2x tlačítko, 1x volící „točítko“
  • Učení:
    • Automatické (Teach-in režim)/ ruční nastavení
    • Individuální / hromadné nastavení více propojených jednotek
  • Provozní teplota: 0 až 50°C
  • Rozměry: 70 x 10 x 30 mm

 

 

Obrázky NPN (vlevo) a PNP (vpravo) zapojení výstupů vyhodnocovací jednotky FX-301-F.

 

Autor článku: Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: