Temat wydania: CANTY – systemy wizyjne… w układach pomiaru poziomu

Systemy wizyjne to często wykorzystywane układy do różnego rodzaju monitoringu w zakładach przemysłowych. Układy te bynajmniej nie kojarzą się nam z pomiarami poziomu, co jednak postara się zmienić niniejszy artykuł.
Przyjrzymy się bowiem nowym możliwościom w zakresie wykorzystania układów wizyjnych amerykańskiej firmy CANTY przy realizacji układów pomiaru poziomu. Jako przykłady stosowania wykorzystamy doświadczenia inżynierów CANTY z oddziału w Dublinie.

DLACZEGO SYSTEMY WIZYJNE, DLACZEGO CANTY?
Analizując systemy wizyjne w układach pomiaru poziomu na wstępie należy przybliżyć dwie kluczowe kwestie, które wyjaśnią przyczyny naszego zainteresowania ofertą firmy CANTY. Nasza firma w zakresie pomiarów poziomu reprezentuje od ponad dwudziestu lat dwie znane firmy z Niemiec: VEGA i BERTHOLD.
VEGA oferuje bardzo szeroki zakres technologii od klasycznych pomiarów hydrostatycznych czy pojemnościowych, do technik bezkontaktowych bazujących na ultradźwiękach oraz radarach. BERTHOLD z kolei skupił się na zdecydowanie trudniejszych aplikacjach, w których wykorzystuje się źródła izotopowe (cez lub kobalt) do pomiaru ciągłego lub sygnalizacji poziomu w zbiornikach, w których warunki nie pozwalają na pomiar klasycznymi metodami. Pomimo posiadania przez nas co najmniej 8 metod pomiaru nadal spotykaliśmy się z sytuacjami, w których żadna z powyższych metod nie nadawała się do zastosowania. Powody były typowe: próby tradycyjnymi metodami wypadły niezadowalająco lub nie miały sensu z uwagi na umiejscowienie pomiaru, brak króćca lub warunki otoczenia itp. Z kolei w przypadku urządzeń marki BERTHOLD, wielu klientów wykazuje wyraźne objawy alergiczne na słowa typu „izotop” czy „radioaktywność”.
Faktem jest również, że często pomiar izotopowy jest również nierealny do zrealizowania w praktyce. Oferta firmy CANTY rozpatrywana była zatem jako próba rozwiązania problemu pomiaru poziomu w pewnej części aplikacji.

temat_wydania1
Kamera wizyjna w pomiarze poziomu

 

Kolejną kwestią jaką należy przybliżyć na wstępie jest samo pojęcie systemów wizyjnych, czyli po prostu zastosowania kamer. Technologia ta kojarzona jest bardzo pozytywnie w przemyśle z szeroko pojętym monitoringiem terenów przemysłowych czy kluczowych instalacji technologicznych. Całkowicie jednak inną kwestią jest próba uzyskania z kamery sygnału 4÷20 mA, a nie tylko obrazu na monitorze. Zaletą systemów wizyjnych jak i kontroli wzrokowej przez operatora jest możliwość obserwacji zbiornika z boku, czasami nawet pod dość dużym kątem do samej powierzchni materiału.
Możliwość pomiaru z boku zbiornika nabiera szczególnego znaczenia kiedy nie ma fizycznej możliwości umieszczenia czegokolwiek nad zbiornikiem z uwagi na specyfikę procesu lub konstrukcję instalacji. Sytuacja taka jest spotykana dość często np.: na stalowniach hut czy w odlewnictwie, kiedy musimy określić poziom płynnego metalu w trakcie napełniania kadzi.

Dotychczas spotykaliśmy się z sytuacjami, w których operator sam musiał ocenić wzrokowo stan poziomu w różnego rodzaju zbiornikach. Problemem przy ręcznym sterowaniu procesem (obserwacja wzrokowa) jest fakt, że często układ sterowania składa się z operatora i dużego czerwonego przycisku z napisem ‘STOP’ , a zatem z ręcznego układu regulacji, praktycznie bez możliwości realizacji układu automatycznych blokad. Co więcej, dyrektor finansowy często nie do końca jest przekonany do ekonomicznej strony takiego rozwiązania z uwagi na koszty zatrudnienia. Proponowany przez nas system nie ma zatem na celu dostarczenia obrazu (jest to funkcja dodatkowa), a wprowadzenie, za pomocą układu rozpoznawania obrazu sygnału cyfrowego lub analogowego do dowolnego układu sterownia i wizualizacji.
Z uwagi na fakt, że systemy CANTY są układami specjalistycznymi, podstawowe cechy modeli warto omówić w oparciu o przykładowe aplikacje, które znacznie lepiej niż suche dane katalogowe przybliżą możliwości nowego na polskim rynku rozwiązania.

KAMERY WIZYJNE W APLIKACJACH WYSOKOTEMPERATUROWYCH
Wśród kamer znajdujących zastosowanie w aplikacjach o bardzo wysokich temperaturach dostępne są 3 typy urządzeń, a najważniejszym ich parametrem jest maksymalna dopuszczalna do pracy ciągłej temperatura na obiektywie kamery:

  • wersja do 1090°C dla ścian o grubości do 100 mm
  • wersja ULTRATEMP do 1370°C z rurą wziernikową bez układu chłodzenia optyki
  • wersja EXTREMETEMP do 1650°C z rurą wziernikową z Inkonelu, z chłodzeniem za pomocą sprężonego powietrza lub innego gazu.

temat_wydania2
Kamera ULTRATEMP TM w wersji flush mount

 

Wśród powyższych danych wzbudzić może wątpliwość oznaczenie „brak chłodzenia” przy modelu do 1370°C. Typowe znane nam szkło jest bowiem najczęściej szkłem sodowym, które ma niską temperaturę mięknięcia na poziomie 600 – 800°C. Nie ma więc szans na „przeżycie” takiego tradycyjnego układu optycznego w temperaturach dochodzących do 1300°C. Z uwagi na warunki pracy w kamerach wysokotemperaturowych CANTY użyto w optyce szkła kwarcowego o temperaturze mięknięcia powyżej 1400°C. Właśnie ze względu na gatunek zastosowanego szkła producent

zapewnia, że nie ma potrzeby ani chłodzenia układu optycznego powietrzem lub wodą, ani montażu specjalnego układu do automatycznego „wycofania” kamery z pieca w sytuacji awarii. W przypadku obawy o zanieczyszczenie obiektywu przez np. pył, można zastosować klasyczny układ nadmuchu powietrza na sam obiektyw (przepływ około 0,25 mN3 / minutę).

 

temat_wydania3
od góry:
Kamera ULTRATEMP TM,
Kamera EXTREMETEMP TM oraz
Konstrukcja kamery EXTREMETEMP TM

 

Z uwagi na możliwość stosowania kamer przy ekstremalnie wysokich temperaturach, typowe aplikacje obejmują głównie hutnictwo szkła czy stali oraz cementownie. Jako najbardziej charakterystyczny przykład można przywołać pomiar poziomu masy szklanej w piecu szklarskim. Pomiar taki ma dwa ekstremalnie trudne wymagania: musi wytrzymać temperaturę wewnątrz pieca szklarskiego oraz dostarczyć wyniki o dokładności, której mogą tylko pozazdrościć koncerny paliwowe: co najmniej 0,1 mm!

 

temat_wydania4
Schemat pomiaru poziomu w wannie szklarskiej

 

Faktem jest również to, że hutnictwo szkła operuje na zakresach wyrażonych w milimetrach, więc tak naprawdę jest to ekstremalnie czuły układ śledzenia poziomu określonego jako punkt roboczy. Problemem dla układu rozpoznawania obrazu jest oczywiście ustalenie gdzie jest granica pomiędzy płynnym szkłem, a ścianą pieca. W tym przypadku typowe algorytmy są bezużyteczne. Płynne szkło przypomina bowiem lustro, w którym odbija się całe otoczenie pieca z płomieniem od palników włącznie.

Z pomocą pomiarowi przychodzi jednak pewien trik. W celu kalibracji systemu CANTY wystarczy usunąć pojedynczy, niewielki blok materiału ogniotrwałego. Z uwagi na fakt, że w ścianie powstanie otwór, którego powierzchnia ma niższą temperaturę od pozostałej części ściany, na powierzchni szkła można wyraźnie zobaczyć jego „ciemniejsze” odbicie. Układ rozpoznawania śledzi jedną z krawędzi takiego „cienia”, zapewniając dokładność dochodząca do 0,05 mm. Poza pomiarem poziomu, w hutach szkła typu float kamery stosowane są również do wykrywania części stałych (kawałków materiałów ogniotrwałych) w masie szklanej w wannie flotacyjnej lub jako kamera obserwacyjna wnętrza pieca.

 

temat_wydania5
Monitoring poziomu w kadzi

 

Innym przykładem zastosowania wizyjnych układów wysokotemperaturowych może być wykorzystanie kamer do pomiaru poziomu w różnego rodzaju kadziach, np.: w celu zapobiegania przelania w skutek mieszania zawartości za pomocą gazów technicznych.

 

temat_wydania6
Widok z układu kamer automatycznego pomiaru poziomu

 

WIRÓWKI PRZEMYSŁOWE
Kolejną grupą aplikacji, w których znajdują zastosowanie kamery CANTY są takie, w których problemem nie jest temperatura, a raczej położenie medium. Typową aplikacją, w której dotychczas nie posiadaliśmy żadnego rozwiązania są wirówki. W skutek działania siły odśrodkowej, cała ciecz znajduje się na ściankach bocznych, a nie na dnie. W związku z tym kamera wyposażona w szkło wziernikowe (również produkcji firmy CANTY), śledzi bieżące położenie krawędzi cieczy (ang. Cake thinkness).
Inżynierowie CANTY zwrócili uwagę również na inne zastosowanie: wykrywanie nierównomiernego rozłożenia się masy w wirówce co prowadzi do wibracji urządzenia.

Urządzenia CANTY znalazły zastosowanie na wirówkach np.: w firmach farmaceutycznych ROCHE i Aventis.

temat_wydania7
Pomiar poziomu w wirówkach

 

Zarówno w przypadku wirówek jak i zwykłych zbiorników kamera może wykrywać stan całkowitego opróżnienia zbiornika, również poprzez identyfikację różnicy koloru pomiędzy cieczą a dnem zbiornika.
Warunkiem jest umieszczenie okna wziernikowego w miejscu, z którego widać chociaż część leja z rurą spustową. Plątanina instalacji wewnętrznych i mieszadeł nie przeszkadza w pomiarze tak jak w przypadku np.: urządzeń bezkontaktowych typu ultradźwięk czy radar. Innym przykładem jest możliwość wykrywania powstania piany na powierzchni, a zatem i sterowanie procesem podawania środka antypieniącego. Ważną informacją jest również to, że system mierzy w sposób ciągły poziom piany, co jest bardzo trudne i często zawodne w klasycznych systemach.

FARMACJA I PRZEMYSŁ SPOŻYWCZY
W przypadku aplikacji w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym może pojawić się wątpliwość dotycząca oświetlenia wewnętrznego zbiornika. Z jednej strony zbiorniki posiadają zaledwie jeden wziernik, który może wykorzystać albo kamera albo źródło światła. Z drugiej strony klasyczne źródło światła może budzić obawy czy nie „przypiecze” produktu w skutek nagrzania szkła wziernikowego. Rozwiązanie problemu jest następujące: wewnątrz kamery znajduje się układ oświetlenia, który ma zainstalowany dodatkowy filtr eliminujący całkowicie podczerwień, czyli promieniowanie, które jest w głównej mierze odpowiedzialne za emisję ciepła. Nie ma więc obawy, że na powierzchni szkła wziernikowego „wyhodujemy” przy okazji problem dla technologa.

 

temat_wydania8
Układ oświetlania z filtrem IR
Światło w produktach innych producentów „low-cost” powoduje „smażenie” produktu w jednogodzinnym teście spiekania

 

W ofercie jest również gotowy układ zainstalowany na ruchomym ramieniu. Zastosowaniem tego typu kamer są aplikacje gdzie istnieje wyłącznie jedno okno wziernikowe, a dodatkowo występuje wymaganie udostępnienia wziernika dla okresowej kontroli wzrokowej obsłudze (a zatem konieczności chwilowego usunięcia kamery).

NIETYPOWE APLIKACJE JUŻ NIE STRASZNE
Celem niniejszego artykułu była prezentacja możliwości jakie oferują współczesne układy rozpoznawania obrazu. Starałem się uniknąć szczegółowego opisu technicznego, a raczej skupić się na aplikacjach oraz zainteresować dodatkowymi możliwościami naszej firmy w zakresie realizacji specjalizowanych układów pomiaru poziomu.

temat_wydania9
System oświetlenia zbiornika poprzez wziernik

 

Należy przy okazji pamiętać, że układy wizyjne działają na zasadzie wykrywania kontrastu, czyli identycznie jak nasz układ wzrokowy. W każdym przypadku, w którym jesteśmy w stanie wzrokowo ocenić stan poziomu, możemy również zastosować prezentowane urządzenia oraz włączyć je w układy sterowania za pomocą sygnałów analogowych 4÷20 mA lub za pomocą serwera OPC.
Należy również zaznaczyć, że każda technologia ma swoje ograniczenia. Dla układów wizyjnych nie wydają się one zbyt trudne do identyfikacji np. jeżeli występujące zadymienie, zapylenie czy zaparowanie, całkowicie uniemożliwiające naszemu wzrokowi obserwację interesującej nas części zbiornika/kadzi. W takich przypadkach nie ma sensu stosować pewnych rozwiązań „na siłę”.
Sądzę jednak, że prezentowana oferta doskonale uzupełni nasze możliwości w zakresie aplikacji specjalnych, tym bardziej, że z uwagi na możliwości naszej grupy kapitałowej, jesteśmy w stanie zaoferować pełną usługę w postaci projektu, montażu oraz wzbogacenia systemu o dodatkowe elementy.

 

autor:
Robert Sowa
rsowa@introl.pl