Slik overvåker du materialnivåer i tanker for å forbedre leveransestyring

Avlesing og måling av mengden faste, flytende eller granulerte materialer som er lagret i tanker, har blitt stadig viktigere på grunn av utfordringer i forsyningskjeden og behovet for å overvåke lagernivåer og nøye styre produksjonsprosesser. Avhengig av bruksområdet, kan det være nødvendig at nivåsensorer er regulert for matvarer (food-safe), tåler høye trykk, temperaturer eller vibrasjoner, brukes i korroderende miljøer med høy motstandsdyktighet mot syrer og baser, og har en høy grad av elektrisk og termisk isolasjon for å sikre trygg drift.

Selv om det er mulig å konstruere slike nivåsensorer, er dette en kompleks oppgave som innebærer mye risiko. Prosessen begynner med å samsvare måleteknologien, for eksempel kapasitiv, magnetisk, ultralyd eller optisk avlesing, med konstruksjonen. Det neste trinnet er å velge hus, komponenter og andre materialer som er egnet for driftsmiljøet. Det er også ofte nødvendig å få sikkerhets- og reguleringsgodkjenninger og sikre at konstruksjonen oppnår den nødvendige kapslingsgraden (IP – ingress protection).

I stedet kan konstruktører bruke forhåndskonstruerte løsninger for nivåavlesning som sikrer nøyaktige og pålitelige målinger og at produktet kommer raskere ut på markedet. Denne artikkelen begynner med en gjennomgang av hvordan kapasitive, magnetiske, ultralyd og optiske sensorteknologier fungerer, inkludert type A-enheter (normalt åpen) og type B-enheter (normalt lukket). Den ser deretter på materialenes egnethet og IP-klassifisering og identifiserer de mest egnede bruksområdene for hver teknologi. Deretter presenterer den eksempler på nivåsensorer som bruker magnetisk, kapasitiv, ultralyd og optisk avlesing fra PIC, Carlo Gavazzi og TE Connectivity.

Magnetiske væskenivåsensorer, også kalt flottørsensorer, bruker en reed-bryter i en forseglet stamme med en flottør som inneholder en ringmagnet. Når væskenivået stiger og faller, vil flottøren med magneten gjøre det samme. Når ringen stiger (eller faller) til et visst nivå, aktiveres reed-bryteren (figur 1). Disse konstruksjonene er svært pålitelige og er klassifisert for flere millioner aktiveringer i type A- og type B-konfigurasjoner. Husene er tilgjengelige i forskjellige materialer, for eksempel polypropylen, polyamid og rustfritt stål, som er egnet for ulike væsker, og noen er klassifisert for næringsmiddeltrygghet. Modeller er tilgjengelige for topp-, bunn- og sidemontering.

Figur 1: Når flottøren i en magnetisk væskenivåsensor stiger (venstre) eller faller (høyre), aktiverer den en reed-bryter som sender ut et signal. (Bildekilde: PIC)

Kapasitiv avlesing for væsker, med mer

I tillegg til å avlese væskenivåer i tanker, kan kapasitive nivåsensorer brukes med faste eller granulære materialer. Proben kombineres med tankveggen for å danne en kondensator. Kapasitansen varierer med mengden materiale som er i tanken. Vanligvis vil mer materiale i tanken føre til høyere kapasitans. Husene til disse sensorene er tilgjengelige i forskjellige materialer. Kapasitive nivåsensorer kan inkludere justerbare avlesingsavstander og kan være konstruert enten med eller uten innebygd tidsforsinkelse for på- eller avslåing. De kan brukes med et bredt spekter av væsker og faste stoffer og finnes vanligvis i industrielle prosesser og landbruksutstyr, for eksempel automatiserte systemer for husdyrfôr og siloer (figur 2).

Figur 2: Landbruksutstyr som måler granulær husdyrfôr bruker vanligvis kapasitive nivåsensorer. (Bildekilde: Carlo Gavazzi)

Ultralyd for høyt trykk og væsker med tilført luft (aerated)

Ultralydnivåsensorer fungerer vanligvis rundt 40 kilohertz (kHz), som ligger langt utenfor den menneskelige hørselen. De bruker utbrudd av ultralydenergi som sendes over et mellomrom. Når en væske er til stede, forsterkes overføringen av ultralydenergien. Når kun luft er til stede, dempes energien. Disse mellomrom-sensorene (gap sensor) gir punktnivåavlesing for forskjellige væsker, og er spesielt godt egnet for bruk med luftede (aerated) væsker som kan være utfordrende å overvåke med andre teknologier. Typiske konstruksjoner som har disse forseglede sensorene er klassifisert for drift i trykksatte væsker på opptil 250 PSI, men spesielle konstruksjoner kan fungere med trykk på opptil 5000 PSI (figur 3).

Figur 3: Ultralydnivåsensorer kan være forseglet og betjenes under høyt trykk. (Bildekilde: TE Connectivity)

Se nivåer med optiske sensorer

Optiske nivåsensorer fungerer basert på forskjellige brytningsindekser mellom luft og væsken som overvåkes. De består av en infrarød (IR) emitter (senderen), en mottaker, en forsterker og en utgangsbryter. Emitteren er vanligvis en infrarød-emitterende diode av galliumarsenid (GaAs). Utgangen kan være en transistor for likestrømsutganger (DC) eller en SCR for vekselstrømsutganger (AC). Den koniske spissen til sensoren danner en prisme med IR-pulsene som sendes ned til spissen og, når det ikke eksisterer noen væske, internt reflekteres til mottakeren. Når sensorspissen er nedsenket, vil væsken ha en brytningsindeks som er forskjellig fra luften, og strålen vil ikke overføres til mottakeren (figur 4). Optiske nivåsensorer er ganske allsidige og kan brukes i olje, avløpsvann og alkohol, samt næringsmiddelløsninger som øl, vin og brygget kaffe.

Figur 4: Optiske nivåsensorer bruker de forskjellige brytningsindeksene til luft (venstre) og væske for å avbryte overføringen av signalet til mottakeren (høyre). (Bildekilde: Carlo Gavazzi)

Hus er en viktig faktor

Materialet til huset er et viktig element som fastsetter hvor forskjellige nivåsensorer kan brukes. Noen av de vanlige husmaterialene omfatter:

Polyester har utmerket bestandighet mot mange kjemikalier og høy bestandighet mot sprekker. De kan brukes fra –70 °C til +150 °C.

Rustfritt stål er kompatibelt med ulike kjemikalier og matvarer. Det har utmerket biologisk rengjørbarhet og brukes ofte i farmasøytiske miljøer og i næringsmiddelindustrien, samt for medisinske og industrielle bruksområder.

Polyamid 12, også kalt nylon 12, har høy gjennomsiktighet, god hardførhet, selv ved lave temperaturer, dimensjonsstabilitet og dynamisk styrke, og har lett vekt takket være dens lave densitet. Den kan brukes i temperaturer på opptil 80 °C.

Polysulfoner er gjennomsiktige og allsidige, med høy styrke. De har høy dimensjonell stabilitet, der størrelsesendringen er under 0,1 % når de utsettes for kokende vann eller damp eller luft på 150 °C. De er svært motstandsdyktige mot elektrolytter, alkalier og syrer fra pH 2 til pH 13. Motstandsdyktighet mot oksidasjonsmidler betyr at de kan rengjøres ved hjelp av blekemidler.

Polypropylen er motstandsdyktig mot mange organiske løsemidler, syrer og alkalier, men er påvirkelig for angrep fra oksiderende syrer, klorerte hydrokarboner og aromater. Den har en maksimal driftstemperatur på 80 °C. Den er svært ugjennomtrengelig for vann, noe som gjør den godt egnet for konstruksjoner som nedsenkes i en væske.

IP-klassifiseringer

IP-klassifiseringskoder er angitt i IEC 60529, og er inkludert i ANSI 60529 i USA og EN 60529 i Europa. De består av to tall, der det første angir motstandsdyktigheten mot inntrengning av faste gjenstander på en skala fra 0 til 6 og det andre angir beskyttelse mot væsker på en skala fra 0 til 9K. Lavere IP-klassifiseringer er ikke spesielt relevante for konstruksjoner med nivåsensorer. Noen av de høyere nivåene for inntrengningsbeskyttelse for faste gjenstander, omfatter:

5 – gir uttrykk for støvbeskyttelse. Inntrengning av støv er ikke mulig å fullstendig forhindre. Utstyret må imidlertid kunne fortsette å fungere, selv om det er på et lavere ytelsesnivå, i nærvær av støv.

6 – gir uttrykk for fullstendig støvbeskyttelse. Inntrengning av støv er eliminert.

Det andre tallet for inntrengning av væsker er mer komplisert. De høyere ytelseskategoriene omfatter:

7 – Nedsenking, opptil 1 meter for et definert trykk og en definert varighet, vil ikke resultere i inntrengning av vann i noen skadelig mengde.

8 – Kontinuerlig nedsenking opptil 1 meter, eller dypere under forhold som er spesifisert av produsenten.

9K – Gir beskyttelse mot høytrykksspyling med høy temperatur fra kort hold.

FDA-godkjente magnetiske nivåsensorer

For bruksområder som trenger godkjenning fra FDA (US Food and Drug Administration), kan konstruktører bruke magnetiske nivåsensorer i polypropylenhus fra PIC. PLS-020A-3PPI er en kompakt sensor for vertikale målinger, mens PLS-092A-3PPH er konstruert for horisontal avlesing (figur 5). Disse nivåsensorene har IP67-klassifisering og type A-kontakter som er klassifisert for maksimalt 10 watt (W), 0,7 ampere (A), 180 volt likestrøm (V_DC) og 130 volt vekselstrøm (V_AC). De har et driftstemperaturområde fra –20 °C til +80 °C.

Figur 5: PLS-092A-3PPH er en horisontal magnetisk nivåsensor med FDA-godkjenning. (Bildekilde: PIC)

Kapasitive sensorer

Kapasitive sensorer fra Carlo Gavazzi i hus av termoplastisk polyester, er tilgjengelige med justerbare avlesingsavstander og med (VC11RTM2410M) eller uten (VC12RNM24) innebygd tidsforsinkelse. For sensorer med tidsforsinkelse, kan forsinkelsen være opptil 10 minutter for type A- eller type B-handlinger. Disse sensorene har en justerbar avlesningsavstand på 4 til 12 mm og kan brukes til å overvåke en rekke faste, flytende og granulerte materialer. Enpolet toveis-reléutgang (SPDT – single pole double throw) kan direkte drive last som solenoider og aktuatorer. Disse sensorene fungerer med forsyningsspenninger på 20,4 til 255 V_AC eller V_DC, og de er klassifisert for temperaturer fra –20 °C til +70 °C

Nivåsensor med høy repeterbarhet

LL01-1AA01-ultralydnivåsensor fra TE Connectivity har repeterbarhet på 2 mm eller bedre ved å bruke digitale filterteknikker til å forbedre ytelsen. Den har en enpolet enveis-reléutgang (SPST) i enten type A eller B. Sensoren er innkapslet i et hus av rustfritt stål, og den er klassifisert for inngangsspenning på 5,5 V_DC til 30 V_DC og kan støtte spisslastspenninger på 100 V_AC eller V_DC, med en kontinuerlig strøm på 3,5 A ved opptil +25 °C, noe som reduserer lasten lineært til 0,75 A ved +100 °C. Den kan håndtere trykk på opptil 250 PSI. Alternativene inkluderer en maksimal driftstemperatur på 80 eller 100 °C, gjenger på ¼ tommer NPT eller ½ tommer NPT og kabellengder på 31; 122, 305 og 610 cm (1, 4, 10 og 20 fot).

Optiske sensorer i et utvalg av husmaterialer

VP01/02 optiske nivåsensorer, for eksempel VP01EP fra Carlo Gavazzi, kommer i et polysulfonhus som er motstandsdyktig mot de fleste syrer og baser. Selskapets VP03/04-sensorer, for eksempel VP03EP, kommer i et polyamid 12-hus som er motstandsdyktig mot diverse løsemidler. Disse IP67-klassifiserte sensorene kan brukes i omgivelseslysnivåer på opptil 100 lux. Type A- og type B-utgangsvalg omfatter NPN/PNP-transistorer for DC-laster eller en SCR for AC-laster. DC-drevne sensorer har en optisk pulsfrekvens på 30 Hertz (Hz), mens AC-drevne sensorer har en pulsfrekvens på 5 Hz. DC-drevne sensorer er virksomme fra 10 V_DC til 40 V_DC og har en lysdiode som indikerer at utgangen er PÅ. AC-drevne sensorer er klassifisert for nominelle innganger på 110 V_AC eller 230 V_AC.

Figur 6: Disse optiske nivåsensorene er tilgjengelige i et utvalg av polysulfon- og polyamid 12-hus. (Bildekilde: Carlo Gavazzi)

Konklusjon

Ulike sensorteknologier – som omfatter magnetisk, kapasitiv, optisk og ultralyd er tilgjengelige for å overvåke væskemengden og mengden granulert og fast materiale som er lagret i tanker – bidrar til å overvåke lagerhusnivåer og styre produksjonsprosesser. Disse sensorene er tilgjengelige i forskjellige husmaterialer som er egnet for spesifikke driftsmiljøer, inkludert høye temperaturer, høye trykk og steriliseringsprosesser.