Sådan overvåger du materialestørrelser i tanke for at forbedre styringen af forsyningskæden

Det er blevet stadig vigtigere at registrere og måle mængden af faste, flydende eller granulerede materialer, der opbevares i tanke, på grund af udfordringer i forsyningskæden og behovet for at overvåge lagerniveauer og kontrollere fremstillingsprocesser nøje. Afhængigt af applikationen kan det kræves, at niveausensorerne skal være fødevaresikre, kunne modstå høje tryk, temperaturer eller vibrationer, anvendes i korrosive miljøer med høj modstandsdygtighed over for syrer og baser og have en høj grad af elektrisk og termisk isolation for at sikre sikker drift.

Selv om det er muligt at designe niveau-sensorer, er det en kompleks opgave fyldt med risici. Processen begynder med at matche måleteknologien, f.eks. kapacitiv, magnetisk, ultralydsbaseret eller optisk sensorer, med applikationen. Det næste skridt er at vælge kabinet, komponenter og andre materialer til at understøtte driftsmiljøet. Det er også ofte nødvendigt at opnå sikkerheds- og myndighedsgodkendelser og sikre, at designet opfylder den krævede IP-klassificering (indtrængningsbeskyttelse).

I stedet kan designere henvende sig til præfabrikerede niveauaflæsningsløsninger, der sikrer nøjagtige og pålidelige målinger og gør det hurtigere at komme på markedet. Denne artikel indledes med en gennemgang af kapacitive, magnetiske, ultralyds- og optiske sensorteknologier, herunder form A (normalt åbne) og form B (normalt lukkede) enheder. Derefter undersøges materialernes egnethed og IP-klassificering og de bedst egnede anvendelser for hver teknologi identificeres. Derefter præsenteres eksempler på niveausensorer, der anvender magnetisk, kapacitiv, ultralydsbaseret og optisk sensorer fra PIC, Carlo Gavazzi og TE Connectivity.

Magnetiske væskestandssensorer, også kaldet svømmersensorer, anvender en reedafbryder i en forseglet skaft med en svømmer, der indeholder en ringmagnet. Når væskeniveauet stiger og falder, gør flyderen med magneten det samme. Når ringen stiger (eller falder) til et bestemt niveau, aktiveres reedafbryderen (figur 1). Disse konstruktioner er meget pålidelige og er klassificeret til millioner af koblingsaktiveringer i form A og form B-konfigurationer. De er tilgængelig med forskellige materialer som polypropylen, polyamid og rustfrit stål, der er egnet til forskellige væsker, og nogle er fødevaresikre. Der findes modeller til montering øverst, nederst og i siden.

Figur 1: Når svømmeren i en magnetisk væskeniveauføler stiger (til venstre) eller falder (til højre), aktiveres en reedafbryder, der sender et signal. (Billedkilde: PIC)

Kapacitiv aftastning af væsker og meget mere

Ud over at registrere væskeniveauer i tanke kan kapacitive niveau-sensorer også bruges til faste stoffer eller granulerede materialer. Sonden kombinerer sig med tankvæggen og danner en kondensator. Kapacitansen varierer med mængden af materiale i tanken. Typisk er kapacitansen højere, jo mere materiale der er i tanken, jo højere er kapacitansen. Disse sensorer er tilgængelig med forskellige materialer til indkapsling. Kapacitive niveausensorer kan have justerbare måleafstande og er designet med og uden indbygget tidsforsinkelse til at tænde eller slukke. De kan anvendes til en lang række væsker og faste stoffer og findes almindeligvis i industrielle processer og landbrugsapplikationer som f.eks. automatiserede foderanlæg og siloer (figur 2).

Figur 2: Landbrugsapplikationer som f.eks. måling af granulært foder til husdyr bruger normalt kapacitive niveausensorer. (Billedkilde: Carlo Gavazzi)

Ultralyd til høje tryk og luftholdige væsker

Ultralydsniveausensorer arbejder typisk i området 40 kilohertz (kHz), hvilket er langt uden for det menneskelige øres rækkevidde. De anvender ultrasoniske energiudladninger, der sendes over en åbning. Når der er en væske til stede, forstærkes transmissionen af ultralydsenergien; når der kun er luft til stede, dæmpes energien. Disse spaltesensorer giver punktniveauaflæsning af forskellige væsker og er særligt velegnede til brug med luftholdige væsker, som det kan være vanskeligt at overvåge med andre teknologier. Typiske designs af disse forseglede sensorer er beregnet til drift i væsker med et tryk på op til 250 pund pr. kvadrattomme (PSI), men specielle designs kan fungere op til 5.000 PSI (Figur 3).

Figur 3: Ultralydsniveausensorer kan forsegles og fungere under højt tryk. (Billedkilde: TE Connectivity))

Se niveauer med optiske sensorer

Optiske niveausensorer fungerer på grundlag af forskellige brydningsindeks mellem luft og den væske, der overvåges. De består af en infrarød (IR)-sender (senderen), en modtager, en forstærker og en udgangskontakt. Emitteren er typisk en infrarød emitterende diode af galliumarsenid (GaAs). Udgangen kan være en transistor for jævnstrømsudgange (DC) eller en SCR for vekselstrømsudgange (AC). Sensorens koniske spids danner et prisme, hvor IR-impulserne transmitteres ned til spidsen og, når der ikke er væske til stede, reflekteres internt til modtageren. Når sensorens spids er nedsænket, har væsken et andet brydningsindeks end luften, og strålen sendes ikke til modtageren (figur 4). Optiske niveausensorer er ret alsidige og kan bruges i olie, spildevand og alkohol samt i fødevareløsninger som øl, vin og brygget kaffe.

Figur 4: Optiske niveausensorer bruger de forskellige brydningsindeks for luft (til venstre) og væske til at afbryde transmissionen af signalet til modtageren (til højre). (Billedkilde: Carlo Gavazzi)

Boligspørgsmål

Husmaterialet er et nøgleelement, der bestemmer, hvor forskellige niveausensorer kan anvendes. Nogle af de almindelige boligmaterialer omfatter:

Polyestere har en fremragende modstandsdygtighed over for mange kemikalier og en høj modstandsdygtighed over for revner. De kan anvendes fra -70 °C til +150 °C.

Rustfrit stål er kompatibelt med forskellige kemikalier og fødevarer. Det har en fremragende biologisk renseevne og anvendes ofte til farmaceutisk og fødevareforarbejdning samt til medicinske og industrielle anvendelser.

Polyamid 12, også kaldet Nylon 12, har høj gennemsigtighed, god sejhed, selv ved lave temperaturer, dimensionsstabilitet og dynamisk styrke, og er letvægtsmateriale på grund af sin lave massefylde. Den kan anvendes op til 80 °C.

Polysulfoner har høj styrke, er gennemsigtige og alsidige. De har en høj dimensionsstabilitet; størrelsesændringen er under 0,1 %, når de udsættes for kogende vand eller damp ved 150 °C eller luft. De er meget modstandsdygtige over for elektrolytter, alkalier og syrer fra pH 2 til pH 13. Modstandsdygtighed over for oxidationsmidler betyder, at det kan rengøres med blegemidler.

Polypropylen er modstandsdygtigt over for mange organiske opløsningsmidler, syrer og alkalier, men er modtageligt over for oxidationssyrer, klorerede kulbrinter og aromater. Den har en maksimal driftstemperatur på 80 °C. Det er meget uigennemtrængeligt for vand, hvilket gør det velegnet til nedsænkningsapplikationer.

IP-klassificeringer

IP-klassificeringskoder er fastsat i IEC 60529 og indgår i ANSI 60529 i USA og EN 60529 i Europa. De består af to tal, hvor det første angiver modstandsdygtigheden mod indtrængen af faste genstande på en skala fra 0 til 6 og det andet angiver beskyttelse mod væsker på en skala fra 0 til 9K. Lavere IP-klassificeringer er ikke særlig relevante for anvendelser, hvor der findes niveausensorer. Nogle af de højere niveauer af indtrængen af faste genstande omfatter:

5 - angiver støvbeskyttelse. Indtrængen af støv er ikke helt forhindret. Men udstyret bør fortsat fungere, selv om det har et lavere præstationsniveau, når der er støv til stede.

6 - angiver støvtæt. Indtrængen af støv er elimineret.

Det andet tal for indtrængen af væsker er mere komplekst. De højere præstationskategorier omfatter:

7 - Neddykning op til 1 meter (3 fod, 3 tommer) ved et bestemt tryk og i en bestemt periode vil ikke medføre, at der trænger vand ind i en skadelig mængde.

8 - Kontinuerlig nedsænkning i op til 1 meter (3 ft 3 in) eller mere dybde under betingelser, der er specificeret af producenten.

9K - Giver beskyttelse mod tæt på højtryks- og højtemperatursprøjtning på tæt hold.

FDA-godkendte magnetiske niveausensorer

Til applikationer, der skal godkendes af den amerikanske Food and Drug Administration (FDA), kan designere henvende sig til magnetiske niveausensorer i polypropylenhuse fra PIC. PLS-020A-3PPI er en kompakt sensor til vertikale målinger, mens PLS-092A-3PPH er designet til horisontale målinger (Figur 5). Disse niveausensorer har en IP67-klassificering og form A-kontakter, der er beregnet til maksimalt 10 watt (W), 0,7 ampere (A), 180 volt jævnstrøm (V_DC) og 130 volt vekselstrøm (V_AC). De har et driftstemperaturområde fra -20 til +80 °C.

Figur 5: PLS-092A-3PPH er en horisontal magnetisk niveausensor med FDA-godkendelse. (Billedkilde: PIC)

Kapacitive sensorer

Kapacitive sensorer fra Carlo Gavazzi i termoplastisk polyesterhus er tilgængelig med justerbare tasteafstande og med(VC11RTM2410M) eller uden(VC12RNM24) indbygget tidsforsinkelse. For sensorer med tidsforsinkelse kan forsinkelsen være op til 10 minutter for form A eller form B handlinger. Disse sensorer har en justerbar tasteafstand på 4 til 12 mm og kan bruges til overvågning af en række forskellige faste, flydende og granulerede materialer. SPDT-relæudgangen (single pole double throw) kan direkte drive belastninger som f.eks. solenoider og aktuatorer. Disse sensorer fungerer med en forsyningsspænding på 20,4 til 255 V_AC eller V_DC og er beregnet til temperaturer fra -20 °C til +70 °C.

Niveausensor med høj repeterbarhed

LL01-1AA01 ultralydsniveausensoren fra TE Connectivity har en repeterbarhed på 2 mm eller bedre ved hjælp af digitale filterteknikker for at forbedre ydeevnen. Den har en SPST-relæudgang (single pole single throw) i enten form A eller B. Denne sensor er pakket i et hus af rustfrit stål og er beregnet til 5,5 V_DC til 30 V_DC input og kan klare spidsbelastningsspændinger på 100 V_AC eller V_DC med en kontinuerlig strøm på 3,5 A op til +25 °C, der reduceres lineært til 0,75 A ved +100 °C. Den kan klare tryk på op til 250 PSI. Valgmulighederne omfatter en maksimal driftstemperatur på 80 eller 100 °C, ¼" NPT- eller ½" NPT-montering og kabellængder på 1, 4, 10 og 20 fod.

Optiske sensorer i et udvalg af indkapslingsmaterialer

De optiske VP01/02-niveausensorer er ligesom VP01EP fra Carlo Gavazzi indbygget i et polysulfonhus, der er modstandsdygtigt over for de fleste syrer og baser. Virksomhedens VP03/04-sensorer er ligesom VP03EP i et polyamid 12-hus, der er modstandsdygtigt over for forskellige opløsningsmidler. Disse IP67-klassificerede sensorer kan bruges i omgivelseslys på op til 100 lux. Udgangene i form A og form B omfatter NPN/PNP-transistorer til jævnstrømsbelastninger eller en SCR til vekselstrømsbelastninger. DC-drevne sensorer har en optisk pulsfrekvens på 30 Hertz (Hz), mens AC-drevne sensorer har en pulsfrekvens på 5 Hz. DC-drevne sensorer fungerer fra 10 V_DC til 40 V_DC og har en LED, der viser, at udgangen er tændt. AC-drevne sensorer er beregnet til 110 V_AC eller 230 V_AC nominelle indgange.

Figur 6: Disse optiske niveausensorer er tilgængelig i et udvalg af polysulfon- og polyamid 12-huse. (Billedkilde: Carlo Gavazzi)

Konklusion

Der findes forskellige sensorteknologier, herunder magnetisk, kapacitiv, optisk og ultralyd, til at overvåge mængden af flydende, granulerede og faste materialer, der opbevares i tanke, hjælpe med at overvåge lagerniveauer og styre fremstillingsprocesser. Disse sensorer er tilgængelig i forskellige materialer, der er egnet til specifikke driftsmiljøer, herunder høje temperaturer, højt tryk og steriliseringsprocesser.