A Technical Analysis of Multi-Sensor Systems for Fluid Dynamics Monitoring and Control

Εισαγωγή στην τεχνολογία ανίχνευσης ροής και πίεσης

Οι αισθητήρες ροής και πίεσης είναι κρίσιμα στοιχεία στον βιομηχανικό αυτοματισμό, τις ιατρικές συσκευές και τα συστήματα περιβαλλοντικής παρακολούθησης. Αυτοί οι αισθητήρες παρέχουν συμπληρωματικές ροές δεδομένων που επιτρέπουν τον ακριβή χαρακτηρισμό της δυναμικής των υγρών σε διάφορες εφαρμογές. Ενώ οι αισθητήρες ροής μετρούν τον ρυθμό κίνησης του υγρού, οι αισθητήρες πίεσης ποσοτικοποιούν τη δύναμη που ασκούν τα υγρά στο περιβάλλον τους. Η ενσωμάτωση αυτών των τρόπων ανίχνευσης δημιουργεί συνεργιστικά συστήματα ικανά να ανιχνεύουν μπλοκαρίσματα, να βελτιστοποιούν την ενεργειακή απόδοση και να επιτρέπουν την προγνωστική συντήρηση σε πολύπλοκα συστήματα ρευστών. Οι σύγχρονες εξελίξεις στην τεχνολογία MEMS και η σύντηξη δεδομένων με πολλούς αισθητήρες έχουν βελτιώσει σημαντικά την ακρίβεια και την αξιοπιστία αυτών των συστημάτων μέτρησης.

Αρχές λειτουργίας και παραλλαγές αισθητήρων

Οι αισθητήρες ροής λειτουργούν με διάφορες φυσικές αρχές, συμπεριλαμβανομένης της θερμικής μεταφοράς (ανεμομετρία με θερμό φιλμ), τη μέτρηση διαφορικής πίεσης και το φαινόμενο Coriolis. Οι αισθητήρες θερμικής ροής, όπως η σειρά PLF1000 που βασίζεται σε MEMS, μετρούν τα αποτελέσματα ψύξης από την κίνηση του υγρού για να προσδιορίσουν τους ρυθμούς ροής με ελάχιστη αντίσταση ροής. Οι αισθητήρες πίεσης χρησιμοποιούν μηχανισμούς όπως πιεζοαντιστατικό, χωρητικό ή οπτικό αισθητήριο για τη μετατροπή της μηχανικής καταπόνησης σε ηλεκτρικά σήματα. Οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες ανιχνεύουν αλλαγές αντίστασης σε υλικά ημιαγωγών υπό πίεση, ενώ οι χωρητικές παραλλαγές μετρούν τις διακυμάνσεις της απόστασης μεταξύ των ηλεκτροδίων. Οι αναδυόμενοι μικροδομημένοι αισθητήρες πίεσης επιτυγχάνουν εξαιρετική ευαισθησία (έως 39,077 kPa-1) μέσω καινοτόμων σχεδίων εμπνευσμένων από βιολογικά συστήματα.

Ολοκληρωμένα συστήματα και εφαρμογές ανίχνευσης

Ο συντονισμός των αισθητήρων ροής και πίεσης επιτρέπει εξελιγμένες δυνατότητες παρακολούθησης σε όλες τις βιομηχανίες. Σε ιατρικές εφαρμογές, η ταυτόχρονη απόκτηση αιμοδυναμικών παραμέτρων επιτρέπει την ακριβή ανίχνευση αγγειακών αποφράξεων με ακρίβεια 92,3% για μικρές αποφράξεις, ξεπερνώντας σημαντικά τις προσεγγίσεις με έναν αισθητήρα. Τα βιομηχανικά υδραυλικά συστήματα χρησιμοποιούν «μαλακούς αισθητήρες» που βασίζονται στην πίεση για τον υπολογισμό των ρυθμών ροής, εξαλείφοντας την ανάγκη για φυσικούς μετρητές ροής σε μεταβατικές συνθήκες. Οι μικρορευστικές πλατφόρμες όπως ο αισθητήρας Elveflow MFP ενσωματώνουν και τους δύο τύπους μέτρησης με μηδενικό νεκρό όγκο, επιτρέποντας ακριβείς κλινικές βιοχημειακές αναλύσεις. Αυτά τα ολοκληρωμένα συστήματα χρησιμοποιούν τυπικά προσαρμοστικούς σταθμισμένους αλγόριθμους σύντηξης για να συνδυάζουν ροές δεδομένων για βελτιωμένη ακρίβεια μέτρησης.

Τεχνικά ζητήματα εφαρμογής

Η επιτυχής εφαρμογή απαιτεί προσοχή στις προδιαγραφές του αισθητήρα, συμπεριλαμβανομένου του εύρους μέτρησης, του χρόνου απόκρισης και της περιβαλλοντικής συμβατότητας. Οι αισθητήρες ροής όπως η σειρά PLF1000 προσφέρουν ελάχιστη αντίσταση ροής που είναι ζωτικής σημασίας για εφαρμογές άντλησης χαμηλής ισχύος, ενώ οι αισθητήρες πίεσης πρέπει να επιλέγονται με βάση τη συμβατότητα μέσων και το εύρος πίεσης (π.χ. 0-16 bar για εφαρμογές μικρορευστών). Οι πτυχές ρύθμισης του σήματος, όπως η αντιστάθμιση θερμοκρασίας και τα πρωτόκολλα βαθμονόμησης επηρεάζουν σημαντικά την ακρίβεια μέτρησης. Οι σύγχρονοι αισθητήρες ενσωματώνουν όλο και περισσότερο την επικοινωνία IO-Link για αμφίδρομη ανταλλαγή δεδομένων, διευκολύνοντας την απομακρυσμένη διαμόρφωση και τις δυνατότητες πρόβλεψης συντήρησης. Η απουσία κινητών μερών σε αισθητήρες που βασίζονται σε MEMS ενισχύει την αξιοπιστία σε μολυσμένα ή διαβρωτικά μέσα.

Αναδυόμενες Τάσεις και Μελλοντικές Κατευθύνσεις

Η έρευνα επικεντρώνεται στην ενίσχυση της ευαισθησίας των αισθητήρων και των σειρών ανίχνευσης μέσω μικροδομικής μηχανικής και σχεδίων με βιολογική έμπνευση. Οι αισθητήρες γυαλόχαρτου-προτύπου επιδεικνύουν αξιοσημείωτη ευαισθησία πίεσης (ανίχνευση 0,9 Pa) διατηρώντας παράλληλα μεγάλα εύρη λειτουργίας έως και 160 kPa. Οι τεχνολογίες ευέλικτου υποστρώματος επιτρέπουν την σύμμορφη ανάπτυξη αισθητήρα σε καμπύλες επιφάνειες για αεροδυναμικές και υδροδυναμικές μετρήσεις. Η ενσωμάτωση της τεχνητής νοημοσύνης για ανάλυση δεδομένων σε πραγματικό χρόνο αντιπροσωπεύει το επόμενο σύνορο, με πιθανές εφαρμογές στην έξυπνη κατασκευή και αυτόνομα ρομποτικά συστήματα. Αυτές οι εξελίξεις θα γεφυρώσουν περαιτέρω το χάσμα μεταξύ των φυσικών μετρήσεων και των ψηφιακών διπλών εφαρμογών σε βιομηχανικά πλαίσια IoT.

-Endress+Hauser Instruments

-ALLEN BRADLEY PLC

-Όργανα YOKOGAWA

-MTL

-P+F

-Περισσότερα προϊόντα