作者：Jeff Shepard

　　由于供應(yīng)鏈挑戰(zhàn)以及需要監(jiān)控庫存水平和密切控制制造過程，檢測和測量儲罐中儲存的固體、流體或顆粒材料的數(shù)量變得越來越重要。根據(jù)應(yīng)用的不同，液位傳感器可以要求食品安全，承受高壓、高溫或振動，用于對酸和堿具有高耐受性的腐蝕性環(huán)境，并具有高度的電氣和熱隔離以確保安全運(yùn)行。

　　雖然可以設(shè)計(jì)液位傳感器，但這是一項(xiàng)充滿風(fēng)險(xiǎn)的復(fù)雜任務(wù)。該過程首先將測量技術(shù)(如電容式、磁性、超聲波或光學(xué)傳感)與應(yīng)用相匹配。下一步是選擇外殼、組件和其他材料以支持操作環(huán)境。通常還需要獲得安全和監(jiān)管部門的批準(zhǔn)，并確保設(shè)計(jì)達(dá)到所需的防護(hù)等級(IP)。

　　相反，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向預(yù)先設(shè)計(jì)的液位傳感解決方案，以確保準(zhǔn)確可靠的測量并加快上市時(shí)間。本文首先回顧了電容式、磁性、超聲波和光學(xué)傳感技術(shù)的操作，包括形式A(常開)和形式B(常閉)器件。然后，它查看材料的適用性和IP等級，并確定每種技術(shù)的最佳應(yīng)用。然后，它介紹了使用磁性、電容式、超聲波和光學(xué)傳感的液位傳感器示例。 圖片, 卡洛·加瓦齊， 和 TE 連接.

　　磁性液位傳感器，也稱為浮子傳感器，在密封閥桿中使用簧片開關(guān)，帶有包含環(huán)形磁鐵的浮子。隨著液位的上升和下降，磁鐵的浮子也會上升和下降。當(dāng)環(huán)上升(或下降)到一定水平時(shí)，它會激活簧片開關(guān)(圖1)。這些設(shè)計(jì)非?？煽?，適用于 A 型和 B 型配置中的數(shù)百萬次開關(guān)致動器。它們提供各種外殼材料，如聚丙烯、聚酰胺和不銹鋼，適用于各種液體，有些是食品安全的。型號可用于頂部、底部和側(cè)面安裝。

　　圖 1：當(dāng)磁性液位傳感器中的浮子上升(左)或下降(右)時(shí)，它會激活發(fā)出信號的干簧開關(guān)。(圖片來源：圖片)

　　液體等的電容式傳感

　　除了檢測儲罐中的液位外，電容式液位傳感器還可用于固體或顆粒材料。探頭與罐壁結(jié)合形成電容器。電容隨罐中的材料量而變化。通常，罐中的材料越多，電容就越高。這些傳感器可采用各種外殼材料。電容式液位傳感器可以包括可調(diào)節(jié)的感應(yīng)距離，并且設(shè)計(jì)有和沒有內(nèi)置的打開或關(guān)閉時(shí)間延遲。它們可以與各種液體和固體一起使用，常見于工業(yè)過程和農(nóng)業(yè)應(yīng)用，如自動牲畜飼喂系統(tǒng)和筒倉(圖 2)。

　　圖 2：測量顆粒牲畜飼料等農(nóng)業(yè)應(yīng)用通常使用電容式液位傳感器。(圖片來源：Carlo Gavazzi)

　　用于高壓和充氣液體的超聲波

　　超聲波液位傳感器通常在40千赫茲(kHz)的范圍內(nèi)工作，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人耳的范圍。它們使用穿過間隙的超聲波能量爆發(fā)。當(dāng)液體存在時(shí)，超聲波能量的傳輸增強(qiáng);當(dāng)只有空氣存在時(shí)，能量會衰減。這些間隙傳感器為各種液體提供點(diǎn)水平傳感，特別適用于使用其他技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測可能具有挑戰(zhàn)性的充氣液體。這些密封傳感器的典型設(shè)計(jì)額定工作在高達(dá) 250 磅/平方英寸 (PSI) 的加壓液體中，但特殊設(shè)計(jì)可在高達(dá) 5，000 PSI 的液體中運(yùn)行(圖 3)。

　　圖 3：超聲波液位傳感器可以在高壓下密封和操作。(圖片來源：TE Connectivity)

　　使用光學(xué)傳感器查看液位

　　光學(xué)液位傳感器基于空氣和被監(jiān)測液體之間的不同折射率運(yùn)行。它們由紅外 (IR) 發(fā)射器(發(fā)射器)、接收器、放大器和輸出開關(guān)組成。發(fā)射器通常是砷化鎵(GaAs)紅外發(fā)射二極管。輸出可以是用于直流 (DC) 輸出的晶體管或用于交流 (AC) 輸出的 SCR。傳感器的錐形尖端形成棱鏡，紅外脈沖向下傳輸?shù)郊舛耍?dāng)沒有液體存在時(shí)，內(nèi)部反射到接收器。當(dāng)傳感器的尖端浸入時(shí)，液體將具有與空氣不同的折射率，并且光束不會傳輸?shù)浇邮掌?圖 4)。光學(xué)液位傳感器用途廣泛，可用于油、廢水和酒精，以及啤酒等食品解決方案， 葡萄酒和煮好的咖啡。

　　圖 4：光學(xué)液位傳感器使用空氣(左)和液體的不同折射指數(shù)來中斷信號到接收器(右)的傳輸。(圖片來源：Carlo Gavazzi)

　　住房問題

　　外殼材料是決定各種液位傳感器使用位置的關(guān)鍵因素。一些常見的外殼材料包括：

　　聚酯具有優(yōu)異的耐化學(xué)性和高抗裂性。它們可在 -70°C 至 +150°C 的溫度范圍內(nèi)使用。

　　不銹鋼與各種化學(xué)品和食品相容。它具有出色的生物清潔性，通常用于制藥和食品加工以及醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用。

　　聚酰胺12，也稱為尼龍12，具有高透明度，即使在低溫下也具有良好的韌性，尺寸穩(wěn)定性和動態(tài)強(qiáng)度，并且由于其密度低而重量輕。它可以在高達(dá)80°C的溫度下使用。

　　聚砜具有高強(qiáng)度、透明且用途廣泛。它們具有高尺寸穩(wěn)定性;暴露于沸水或150°C蒸汽或空氣時(shí)，尺寸變化小于0.1%。它們對 pH 2 至 pH 13 的電解質(zhì)、堿和酸具有很強(qiáng)的耐受性。對氧化劑的抵抗力意味著可以使用漂白劑進(jìn)行清潔。

　　聚丙烯耐許多有機(jī)溶劑、酸和堿，但易受氧化性酸、氯化烴和芳烴的侵蝕。它的最高工作溫度為 80 °C。 它對水具有高度的不滲透性，非常適合浸入式應(yīng)用。

　　防護(hù)等級

　　IP 額定代碼在 IEC 60529 中設(shè)置，并包含在美國的 ANSI 60529 和歐洲的 EN 60529 中。它們由兩個(gè)數(shù)字組成，第一個(gè)數(shù)字表示對固體物體進(jìn)入的抵抗力，等級為 0 到 6，第二個(gè)表示對液體的保護(hù)范圍為 0 到 9K。較低的IP等級與發(fā)現(xiàn)液位傳感器的應(yīng)用并不特別相關(guān)。一些更高級別的固體物體入口包括：

　　5 – 表示防塵。不能完全防止灰塵進(jìn)入。但是設(shè)備應(yīng)該在灰塵存在的情況下繼續(xù)運(yùn)行，即使性能水平較低。

　　6 – 表示防塵。消除了灰塵的進(jìn)入。

　　液體進(jìn)入的第二個(gè)數(shù)字更復(fù)雜。更高性能的類別包括：

　　7 – 浸入，在規(guī)定的壓力和持續(xù)時(shí)間內(nèi)浸入最多 1 米(3 英尺 3 英寸)不會導(dǎo)致有害量的水進(jìn)入。

　　8 – 在制造商指定的條件下連續(xù)浸入 1 米(3 英尺 3 英寸)或更深的深度。

　　9K – 提供近距離高壓、高溫噴淋保護(hù)。

　　經(jīng) FDA 批準(zhǔn)的磁性液位傳感器

　　對于需要美國食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以使用PIC聚丙烯外殼中的磁性液位傳感器。這 PLS-020A-3PPI 是用于垂直測量的緊湊型傳感器，而 PLS-092A-3聚丙烯 專為水平感應(yīng)而設(shè)計(jì)(圖 5)。這些液位傳感器具有 IP67 防護(hù)等級和 A 型觸點(diǎn)，額定最大功率為 10 瓦 (W)、0.7 安培 (A)、180 伏直流電 (V直流)和 130 伏交流電 (V交流).它們的工作溫度范圍為 -20 至 +80 °C。

　　圖 5：PLS-092A-3PPH 是一款獲得 FDA 批準(zhǔn)的水平磁性液位傳感器。(圖片來源：圖片)

　　電容式傳感器

　　Carlo Gavazzi 的電容式傳感器采用熱塑性聚酯外殼，具有可調(diào)節(jié)的感應(yīng)距離和 (VC11RTM2410M) 或不帶 (VC12RNM24) 內(nèi)置時(shí)間延遲。對于具有時(shí)間延遲的傳感器，對于表單 A 或表單 B 操作，延遲最長可達(dá) 10 分鐘。這些傳感器具有 4 至 12 mm 的可調(diào)感應(yīng)距離，可用于監(jiān)測各種固體、液體和顆粒材料。單刀雙擲 (SPDT) 繼電器輸出可以直接驅(qū)動螺線管和執(zhí)行器等負(fù)載。這些傳感器的工作電源電壓為 20.4 至 255 V交流 或 V直流 額定溫度范圍為 -20°C 至 +70°C

　　具有高重復(fù)精度的液位傳感器

　　這 LL01-1AA01 TE Connectivity 的超聲波液位傳感器具有 2 mm 或更高的可重復(fù)性，采用數(shù)字濾波技術(shù)來提高性能。它具有 A 或 B 形式的單刀單擲 (SPST) 繼電器輸出。該傳感器采用不銹鋼外殼封裝，額定電壓為 5.5 V直流 至 30 V直流 輸入，可支持 100 V 的峰值負(fù)載電壓交流 或 V直流 連續(xù)電流為 3.5 A，最高 +25°C，線性降額至 0.75 A 至 +100°C。 它可以處理高達(dá) 250 PSI 的壓力。選項(xiàng)包括最高工作溫度為 80 或 100 °C，1/4“ NPT 或 1/2” NPT 安裝，電纜長度為 1、4、10 和 20 英尺。

　　光學(xué)傳感器，可選外殼材料

　　VP01/02 光學(xué)液位傳感器，如 VP01EP 來自卡洛·加瓦齊，采用聚砜外殼，可耐受大多數(shù)酸和堿。該公司的VP03/04傳感器，如 VP03EP， 采用耐各種溶劑的聚酰胺 12 外殼。這些 IP67 級傳感器可用于高達(dá) 100 lux 的環(huán)境光水平。A 型和 B 型輸出選擇包括用于直流負(fù)載的 NPN/PNP 晶體管或用于交流負(fù)載的 SCR。直流供電傳感器的光脈沖頻率為 30 赫茲 (Hz)，而交流供電傳感器的脈沖頻率為 5 赫茲。直流供電傳感器工作電壓為 10 V直流 至 40 V直流 并具有指示輸出打開的 LED。 交流供電傳感器的額定電壓為 110 V交流 或 230 V交流 標(biāo)稱輸入。

　　圖 6：這些光學(xué)液位傳感器提供聚砜和聚酰胺 12 外殼選擇。(圖片來源：Carlo Gavazzi)

　　結(jié)論

　　各種傳感技術(shù)，包括磁性、電容式、光學(xué)和超聲波，可用于監(jiān)測儲罐中儲存的流體、顆粒和固體材料的數(shù)量，幫助監(jiān)控庫存水平并控制制造過程。這些傳感器采用適合特定操作環(huán)境的各種外殼材料，包括高溫、高壓和滅菌過程。