Hur man övervakar materialnivåer i tankar för att förbättra hanteringen av leveranskedjan

Att känna av och mäta mängden fasta, flytande eller granulerade material som lagras i tankar har blivit allt viktigare på grund av utmaningar i leveranskedjan och behovet av att övervaka lagernivåer och kontrollera tillverkningsprocesser noga. Beroende på tillämpningen kan det krävas att nivågivarna är livsmedelssäkra, tål höga tryck, temperaturer eller vibrationer, används i frätande miljöer med hög beständighet mot syror och baser och har en hög grad av elektrisk och termisk isolering för att garantera en säker drift.

Även om det är möjligt att konstruera nivåsensorer, så är det en komplicerad uppgift som är full av risker. Processen börjar med att matcha mättekniken, t.ex. kapacitiv, magnetisk, ultraljud eller optisk avkänning, med tillämpningen. Nästa steg är att välja hölje, komponenter och andra material för att stödja driftsmiljön. Det är också ofta nödvändigt att få säkerhets- och myndighetsgodkännanden samt att se till att konstruktionen uppfyller kraven på intrångsskydd (IP).

Konstruktörer kan istället använda sig av förtillverkade lösningar för nivåmätning som garanterar exakta och tillförlitliga mätningar och förkortar tiden till marknaden. Artikeln inleds med en genomgång av hur kapacitiva, magnetiska, ultraljuds- och optiska sensortekniker fungerar, inklusive enheter av typ A (normalt öppna) och typ B (normalt slutna). Därefter undersöks materialens lämplighet och IP-klassificering och man identifierar de lämpligaste tillämpningarna för respektive teknik. Därefter presenteras exempel på nivågivare som använder magnetisk, kapacitiv, ultraljuds och optisk avkänning från PIC, Carlo Gavazzi och TE Connectivity.

Magnetiska vätskenivågivare, även kallade flottörgivare, använder en reedbrytare i en förseglad stomme med en flottör som innehåller en ringmagnet. När vätskenivån stiger och sjunker, gör även flottören med magneten det. När ringen stiger (eller sjunker) till en viss nivå aktiveras reedbrytaren (figur 1). Dessa konstruktioner är mycket tillförlitliga och har kapacitet för miljontals kopplingsmanövrar i typ A och B-konfigurationer. De finns med olika material som polypropen, polyamid och rostfritt stål som lämpar sig för olika vätskor, och vissa är livsmedelssäkra. Modellerna finns för topp-, botten- och sidomontage.

Figur 1: När flottören i en magnetisk vätskenivågivare stiger (till vänster) eller sjunker (till höger) aktiveras en reedbrytare som sänder ut en signal. (Bildkälla: PIC)

Kapacitiv avkänning av vätskor med mera

Förutom att mäta vätskenivåer i tankar kan kapacitiva nivågivare även användas för fasta eller granulära material. Sonden förenas med tankväggen för att bilda en kondensator. Kapacitansen varierar med mängden material i tanken. Ju mer material i tanken, desto högre kapacitans. Sensorerna finns med höljen av olika material. Kapacitiva nivågivare kan ha justerbara avstånd och är utformade med eller utan inbyggd tidsfördröjning för att slå på eller av. De kan användas med ett stor mängd vätskor och fasta ämnen och är vanliga i industriella processer och jordbrukstillämpningar, som t.ex. automatiserade system för utfodring av boskap och silon (figur 2).

Figur 2: Jordbrukstillämpningar som mätning av granulatfoder för boskap använder ofta kapacitiva nivågivare. (Bildkälla: Carlo Gavazzi)

Ultraljud för höga tryck och luftiga vätskor

Ultraljudssensorer arbetar vanligtvis i intervallet 40 kHz, långt utanför det mänskliga örats räckvidd. De använder sig av ultraljud som sänds över ett mellanrum. När det finns en vätska förstärks överföringen av ultraljudsenergin, medan energin dämpas när det bara finns luft. Dessa mellanrumsgivare ger punktnivåmätning för olika vätskor och är särskilt lämpliga för användning med luftiga vätskor som kan vara svåra att övervaka med annan teknik. Typiska konstruktioner av dessa förseglade sensorer är avsedda för drift i trycksatta vätskor med ett tryck på upp till 250 pund per kvadrattum (PSI), men specialkonstruktioner kan arbeta upp till 5 000 PSI (figur 3).

Figur 3: Ultraljudsnivågivare kan förseglas och användas vid höga tryck. (Bildkälla: TE Connectivity)

Se nivåer med optiska sensorer

Optiska nivågivare fungerar på grundval av olika brytningsindex mellan luft och den vätska som övervakas. De består av en infraröd (IR) sändare (sändaren), en mottagare, en förstärkare och en utgångsbrytare. Emittern är vanligtvis en infraröd lysdiod av galliumarsenid (GaAs). Utgången kan vara en transistor för likströmsutgångar eller en SCR för växelströmsutgångar. Sensorns koniska spets bildar ett prisma där IR-impulserna sänds ner till spetsen och, när ingen vätska är närvarande, reflekteras internt till mottagaren. När sensorns spets är nedsänkt har vätskan ett annat brytningsindex än luften och strålen sänds inte till mottagaren (figur 4). Optiska nivågivare är ganska mångsidiga och kan användas i olja, avloppsvatten och alkohol samt i livsmedelslösningar som öl, vin och bryggt kaffe.

Figur 4: Optiska nivågivare använder luftens (till vänster) och vätskans olika brytningsindex för att avbryta överföringen av signalen till mottagaren (till höger). (Bildkälla: Carlo Gavazzi)

Höljet har betydelse

Materialet i höljet är en nyckelfaktor som avgör var olika nivågivare kan användas. Några av de vanligaste materialen för höljen är:

Polyestrar har utmärkt beständighet mot många kemikalier och hög tålighet mot sprickbildning. De kan användas från -70 °C till +150 °C.

Rostfritt stål är kompatibelt med olika kemikalier och livsmedelsprodukter. Det har en utmärkt biologisk rengöringsgrad och används ofta inom läkemedels- och livsmedelsindustrin samt inom medicinska och industriella tillämpningar.

Polyamid 12, även kallad Nylon 12, har hög transparens, god seghet, även vid låga temperaturer, dimensionsstabilitet och dynamisk styrka och är lätt på grund av sin låga densitet. De kan användas från -70 °C till 80 °C.

Polysulfoner är mycket starka, transparenta och mångsidiga. De har hög dimensionsstabilitet; storleksförändringen är mindre än 0,1 % när de utsätts för kokande vatten, ånga vid 150 °C eller luft. De är mycket motståndskraftiga mot elektrolyter, alkalier och syror från pH 2 till pH 13. Beständigheten mot oxidationsmedel innebär att den kan rengöras med blekmedel.

Polypropen är resistent mot många organiska lösningsmedel, syror och alkalier, men är känslig för angrepp från oxiderande syror, klorerade kolväten och aromater. Det har ett temperaturområde för omgivningstemperatur på 80 °C. Det är mycket ogenomträngligt för vatten, vilket gör det väl lämpat för nedsänkta tillämpningar.

IP-klassificering

Koder för IP-klassificering fastställs i IEC 60529 och ingår i ANSI 60529 i USA och EN 60529 i Europa. De består av två siffror, där den första anger motståndskraften mot inträngning av fasta föremål på en skala från 0 till 6 och den andra anger skyddet mot vätskor på en skala från 0 till 9K. Lägre IP-klassificeringar är inte särskilt relevanta för tillämpningar där det finns nivågivare. Några av de högre nivåerna av inträngning av fasta föremål är:

5 - anger dammskydd. Inträngning av damm är inte helt förhindrat. Men utrustningen bör fortsätta att fungera, även om den har lägre prestanda, i närvaro av damm.

6 - anger dammtät. Inträngning av damm är eliminerat.

Det andra numret för vätskeinträngning är mer komplicerat. De högre prestandakategorierna omfattar:

7 - Nedsänkning, upp till 1 meter (3 fot, 3 tum) vid ett definierat tryck och under en definierad tidsperiod kommer inte att leda till att vatten tränger in i en skadlig mängd.

8 - Kontinuerlig nedsänkning upp till 1 meter (3 fot, 3 tum) eller större djup under förhållanden som specificeras av tillverkaren.

9K - Ger skydd mot sprutning med högt tryck och hög temperatur på nära håll.

FDA-godkända magnetiska nivågivare

För tillämpningar som behöver godkännas av den amerikanska livsmedels- och läkemedelsmyndigheten (FDA) kan konstruktörer vända sig till magnetiska nivågivare i polypropylenhöljen från PIC. PLS-020A-3PPI är en kompakt givare för vertikala mätningar, medan PLS-092A-3PPH är utformad för horisontella mätningar (figur 5). Dessa nivågivare har en IP67-klassificering och typ A-kontakter för högst 10 W, 0,7 A, 180 V_DC) och 130 V_AC). Den har ett drifttemperaturområde på -20 till +80 °C.

Figur 5: PLS-092A-3PPH är en horisontell magnetisk nivågivare med FDA-godkännande. (Bildkälla: PIC)

Kapacitiva givare

Kapacitiva givare från Carlo Gavazzi i termoplastiskt polyesterhölje finns med justerbara avkänningsavstånd och med(VC11RTM2410M) eller utan(VC12RNM24) inbyggd tidsfördröjning. För givare med tidsfördröjning kan fördröjningen vara upp till 10 minuter för åtgärder av typ A eller typ B. Givarna har ett justerbart avkänningsavstånd på 4 till 12 mm och kan användas för övervakning av en mängd olika fasta, flytande och granulerade material. Den enpoliga, tvåvägsreläutgången (SPDT) kan direkt driva belastningar som solenoider och ställdon. Givarna arbetar med matningsspänningar på 20,4 till 255 V_AC eller V_DC och är avsedda för temperaturer från -20 °C till +70 °C.

Nivågivare med hög repeterbarhet

Ultraljudsnivågivaren LL01-1AA01 från TE Connectivity har en repeterbarhet på 2 mm eller bättre med hjälp av digitala filtertekniker för att förbättra prestandan. Den har en enpolig, envägsreläutgång (single pole single throw) i antingen typ A eller B. Givaren är inkapslad i ett hölje av rostfritt stål och är dimensionerad för inspänningar på 5,5 V_DC till 30 V_DC och klarar toppbelastningsspänningar på 100 V_AC eller V_DC med en kontinuerlig ström på 3,5 A upp till +25 °C, med en linjär nedtrappning till 0,75 A vid +100 °C. Det kan hantera tryck upp till 250 PSI. Tillvalen omfattar en maximal driftstemperatur på 80 eller 100 °C, ¼" NPT- eller ½" NPT-montering och kabellängder på 0,3, 1,2, 3 och 6 m.

Optiska givare i ett urval av olika material för höljen

De optiska nivågivarna VP01/02, liksom VP01EP från Carlo Gavazzi, har ett hölje av polysulfon som är beständigt mot de flesta syror och baser. Företagets givare VP03/04, liksom VP03EP, har ett hölje av polyamid 12 som är beständigt mot olika lösningsmedel. Dessa IP67-klassificerade givare kan användas i omgivande ljusnivåer på upp till 100 lux. Valmöjligheterna för typ A och typ B-utgångar inkluderar NPN-/PNP-transistorer för likströmsbelastningar eller en SCR för växelströmsbelastningar. Likströmsdrivna givare har en optisk pulsfrekvens på 30 Hz, medan växelströmsdrivna givare har en pulsfrekvens på 5 Hz. Likströmsdrivna givare arbetar från 10 V_DC till 40 V_DC och har en lysdiod som visar att utgången är PÅ. Växelströmsdrivna givare är dimensionerade för nominella ingångar på 110 V_AC eller 230 V_AC.

Figur 6: Dessa optiska nivågivare finns i ett urval av polysulfon- och polyamid 12-höljen. (Bildkälla: Carlo Gavazzi)

Sammanfattning

Det finns olika typer av avkänningsteknik, inklusive magnetisk, kapacitiv, optisk och ultraljud, för att övervaka mängden flytande, granulerade och fasta material som lagras i tankar, hjälpa till att övervaka lagernivåer och styra tillverkningsprocesser. Givarna finns i olika material som är anpassade till specifika driftsmiljöer, inklusive höga temperaturer, höga tryck och steriliseringsprocesser.