Cum să monitorizați nivelurile de materiale din rezervoare pentru a îmbunătăți managementul lanțului de aprovizionare

Detectarea și măsurarea cantității de materiale solide, fluide sau granulate depozitate în rezervoare a devenit din ce în ce mai importantă din cauza provocărilor legate de lanțul de aprovizionare și a necesității de a monitoriza îndeaproape nivelurile stocurilor și de a controla procesele de fabricație. În funcție de aplicație, senzorii de nivel trebuie să fie siguri pentru alimente, să reziste la presiuni, temperaturi sau vibrații ridicate, să fie utilizați în medii corozive cu rezistență ridicată la acizi și baze și să aibă un grad ridicat de izolare electrică și termică pentru a asigura o funcționare sigură.

Deși proiectarea senzorilor de nivel este posibilă, aceasta este o sarcină complexă și plină de riscuri. Procesul începe cu potrivirea tehnologiei de măsurare, cum ar fi detecția capacitivă, magnetică, ultrasonică sau optică, cu aplicația. Următorul pas este selectarea carcasei, a componentelor și a altor materiale pentru a susține mediul de operare. De asemenea, deseori este necesar să se obțină aprobări de siguranță și de reglementare și să se asigure că proiectarea atinge gradul de protecție necesar împotriva infiltrării (IP).

În schimb, proiectanții pot apela la soluții de detectare a nivelului preproiectate care asigură măsurători precise și fiabile și accelerează timpul de lansare pe piață. Acest articol începe cu o trecere în revistă a funcționării tehnologiilor de detecție capacitivă, magnetică, ultrasonică și optică, inclusiv a dispozitivelor de formă A (normal deschis) și de formă B (normal închis). Apoi analizează cât de adecvate sunt materialele și ce clasificare IP au, și identifică aplicațiile cele mai potrivite pentru fiecare tehnologie. Apoi, se prezintă exemple de senzori de nivel care utilizează senzori magnetici, capacitivi, ultrasonici și optici de la PIC, Carlo Gavazzi și TE Connectivity.

Senzorii magnetici de nivel al lichidului, numiți și senzori cu flotor, utilizează un comutator cu lamelă într-o tijă sigilată cu un flotor care conține un magnet inelar. Pe măsură ce nivelul lichidului crește și scade, la fel se întâmplă și cu flotorul cu magnet. Atunci când inelul se ridică (sau coboară) la un anumit nivel, acesta activează comutatorul cu lamelă (Figura 1). Aceste modele sunt extrem de fiabile și au o capacitate nominală de milioane de acționări de comutare în configurații de forma A și forma B. Sunt disponibile cu diverse materiale pentru carcasă, cum ar fi polipropilena, poliamida și oțelul inoxidabil, potrivite pentru diverse lichide, iar unele sunt sigure pentru alimente. Modelele sunt disponibile pentru montare superioară, inferioară și laterală.

Figura 1: atunci când flotorul unui senzor magnetic de nivel al lichidului se ridică (stânga) sau coboară (dreapta), acesta activează un comutator cu lamelă care trimite un semnal. (Sursa imaginii: PIC)

Detecție capacitivă pentru lichide și nu numai

Pe lângă detectarea nivelurilor de lichid în rezervoare, senzorii capacitivi de nivel pot fi utilizați cu materiale solide sau granulare. Sonda se combină cu peretele rezervorului pentru a forma un condensator. Capacitatea variază în funcție de cantitatea de material din rezervor. În mod obișnuit, cu cât este mai mult material în rezervor, cu atât este mai mare capacitatea. Acești senzori sunt disponibili cu diferite materiale pentru carcasă. Senzorii de nivel capacitivi pot include distanțe de detecție reglabile și sunt proiectați cu sau fără o întârziere încorporată pentru pornire sau oprire. Aceștia pot fi utilizați cu o gamă largă de lichide și solide și sunt frecvent întâlniți în procesele industriale și în aplicațiile agricole, cum ar fi sistemele automate de hrănire a animalelor și silozurile (Figura 2).

Figura 2: aplicațiile agricole, cum ar fi măsurarea furajelor granulare pentru animale, utilizează de obicei senzori de nivel capacitivi. (Sursa imaginii: Carlo Gavazzi)

Ultrasunete pentru presiuni înalte și lichide aerate

Senzorii de nivel cu ultrasunete funcționează în mod obișnuit în gama de 40 kilohertzi (kHz), mult dincolo de raza de acțiune a urechilor umane. Aceștia utilizează rafale de energie ultrasonică trimise prin intermediul unui spațiu. Atunci când este prezent un lichid, transmiterea energiei ultrasonice este îmbunătățită; atunci când este prezent doar aerul, energia este atenuată. Acești senzori de decalaj oferă detectare la nivel punctual pentru diverse lichide și sunt deosebit de potriviți pentru utilizarea cu lichide aerate, care pot fi dificil de monitorizat cu alte tehnologii. Modelele tipice ale acestor senzori etanși sunt proiectate pentru funcționarea în lichide presurizate de până la 250 de livre pe inch pătrat (PSI), dar modelele speciale pot funcționa până la 5.000 PSI (Figura 3).

Figura 3: senzorii de nivel cu ultrasunete pot fi sigilați și pot funcționa sub presiuni ridicate. (Sursa imaginii: TE Connectivity)

Vederea nivelurilor cu ajutorul senzorilor optici

Senzorii de nivel optici funcționează pe baza unor indici de refracție diferiți între aer și lichidul monitorizat. Aceștia constau dintr-un emițător de infraroșu (IR) (transmițătorul), un receptor, un amplificator și un comutator de ieșire. De obicei, emițătorul este o diodă de emisie în infraroșu din arseniură de galiu (GaAs). Ieșirea poate fi un tranzistor pentru ieșirile de curent continuu (c.c.) sau un SCR pentru ieșirile de curent alternativ (c.a.). Vârful conic al senzorului formează o prismă, iar impulsurile IR sunt transmise către vârf și, atunci când nu este prezent niciun lichid, sunt reflectate intern către receptor. Atunci când vârful senzorului este scufundat, lichidul va avea un indice de refracție diferit de cel al aerului, iar fasciculul nu va fi transmis către receptor (Figura 4). Senzorii optici de nivel sunt destul de versatili și pot fi utilizați în ulei, ape reziduale și alcool, precum și în soluții alimentare precum berea, vinul și cafeaua preparată.

Figura 4: senzorii optici de nivel folosesc indicii diferiți de refracție ai aerului (stânga) și ai lichidului pentru a întrerupe transmiterea semnalului către receptor (dreapta). (Sursa imaginii: Carlo Gavazzi)

Aspecte legate de carcase

Materialul carcasei este un element cheie care determină unde pot fi utilizați diferiți senzori de nivel. Unele dintre materialele comune pentru locuințe includ:

Poliesterii au o rezistență excelentă la multe substanțe chimice și o rezistență ridicată la fisurare. Pot fi utilizați de la -70 °C la +150 °C.

Oțelul inoxidabil este compatibil cu diverse substanțe chimice și produse alimentare. Are o excelentă capacitate de curățenie biologică și este adesea utilizat în industria farmaceutică și alimentară, precum și în aplicațiile medicale și industriale.

Poliamida 12, denumită și nailon 12, are o transparență ridicată, o bună rezistență, chiar și la temperaturi scăzute, stabilitate dimensională și rezistență dinamică, și este ușoară datorită densității sale scăzute. Poate fi utilizată până la 80 °C.

Polisulfonele sunt foarte rezistente, transparente și versatile. Acestea au o stabilitate dimensională ridicată; modificarea dimensională este sub 0,1% atunci când sunt expuse la apă clocotită sau la abur sau aer la 150 °C. Sunt foarte rezistente la electroliți, baze și acizi cu pH de la 2 la 13. Rezistența lor la agenții oxidanți înseamnă că se pot curăța cu ajutorul înălbitorilor.

Polipropilena este rezistentă la mulți solvenți organici, acizi și baze, dar este sensibilă la atacul acizilor oxidanți, al hidrocarburilor clorurate și al substanțelor aromatice. Are o temperatură maximă de funcționare de 80 °C. Este foarte impermeabilă la apă, ceea ce o face potrivită pentru aplicațiile cu imersie.

Clasificări IP

Codurile de clasificare IP sunt stabilite în IEC 60529 și incluse în ANSI 60529 în SUA și EN 60529 în Europa. Acestea constau din două numere, primul indicând rezistența la pătrunderea obiectelor solide pe o scară de la 0 la 6, iar al doilea indicând protecția împotriva lichidelor pe o scară de la 0 la 9K. Valorile IP mai mici nu sunt deosebit de relevante pentru aplicațiile în care se găsesc senzori de nivel. Unele dintre nivelurile superioare de pătrundere a obiectelor solide includ:

5 - Indică protecția împotriva prafului. Intrarea prafului nu este împiedicată în totalitate. Totuși, echipamentul ar trebui să continue să funcționeze, chiar dacă la un nivel de performanță mai scăzut, în prezența prafului.

6 - Indică faptul că este etanș la praf. Pătrunderea prafului este eliminată.

Al doilea număr pentru pătrunderea lichidelor este mai complex. Categoriile cu performanțe superioare includ:

7 - Scufundarea, până la 1 metru (3 picioare, 3 inch) pentru o presiune și o durată definite nu va duce la pătrunderea apei într-o cantitate dăunătoare.

8 - Scufundare continuă la o adâncime de până la 1 metru (3 ft 3 in) sau mai mult, în condițiile specificate de producător.

9K - Asigură protecție împotriva pulverizărilor de înaltă presiune și temperatură ridicată la distanță apropiată.

Senzori magnetici de nivel omologați de FDA

Pentru aplicațiile care necesită aprobarea US Food and Drug Administration (FDA), proiectanții pot utiliza senzorii magnetici de nivel în carcase de polipropilenă de la PIC. PLS-020A-3PPI este un senzor compact pentru măsurători verticale, în timp ce PLS-092A-3PPH este proiectat pentru detectarea pe orizontală (Figura 5). Acești senzori de nivel au un grad de protecție IP67 și contacte de formă A, cu o putere maximă de 10 wați (W), 0,7 amperi (A), 180 de volți curent continuu (V_c.c.) și 130 de volți curent alternativ (V_c.a.). Au un interval de temperatură de funcționare de la -20 la +80 °C.

Figura 5: PLS-092A-3PPH este un senzor de nivel magnetic orizontal cu aprobare FDA. (Sursa imaginii: PIC)

Senzori capacitivi

Senzorii capacitivi de la Carlo Gavazzi cu carcasă din poliester termoplastic sunt disponibili cu distanțe de detecție reglabile și cu (VC11RTM2410M) sau fără (VC12RNM24) o temporizare încorporată. În cazul senzorilor cu temporizare, întârzierea poate fi de până la 10 minute pentru acțiunile de formă A sau de formă B. Acești senzori au o distanță de detectare reglabilă, de la 4 la 12 mm și pot fi utilizați pentru monitorizarea unei varietăți de materiale solide, lichide și granulate. Ieșirea releului monopolar pentru două circuite (SPDT) poate acționa direct sarcini precum solenoizi și actuatoare. Acești senzori funcționează cu tensiuni de alimentare de la 20,4 la 255 V_c.a. sau V_c.c. și sunt dimensionați pentru temperaturi cuprinse între -20 °C și +70 °C.

Senzor de nivel cu repetabilitate ridicată

Senzorul de nivel cu ultrasunete LL01-1AA01 de la TE Connectivity are o repetabilitate de 2 mm sau mai bună, utilizând tehnici de filtrare digitală pentru a îmbunătăți performanța. Are o ieșire de releu monopolar cu o singură direcție (SPST) în forma A sau B. Ambalat într-o carcasă din oțel inoxidabil, acest senzor este evaluat pentru o intrare de la 5,5 V_c.c. la 30V_c.c. și poate suporta tensiuni de sarcină de vârf de 100 V_c.a. sau V_c.c. cu un curent continuu de 3,5 A până la +25 °C, reducându-se liniar la 0,75 A la +100 °C. Acesta poate suporta presiuni de până la 250 PSI. Opțiunile includ o temperatură maximă de funcționare de 80 sau 100 °C, montaj ¼" NPT sau ½" NPT și lungimi de cablu de 1, 4, 10 și 20 de picioare (30,4, 121, 304 și 609 cm).

Senzori optici într-o gamă variată de materiale pentru carcasă

Senzorii optici de nivel VP01/02, la fel ca VP01EP de la Carlo Gavazzi, au o carcasă din polisulfonă rezistentă la majoritatea acizilor și bazelor. Senzorii VP03/04 ai companiei, la fel ca și VP03EP, se află într-o carcasă din poliamidă 12 rezistentă la diverși solvenți. Acești senzori cu grad de protecție IP67 pot fi utilizați în condiții de lumină ambientală de până la 100 lucși. Opțiunile de ieșire de formă A și de formă B includ tranzistoare NPN/PNP pentru sarcini de curent continuu sau un SCR pentru sarcini de curent alternativ. Senzorii alimentați în curent continuu au o frecvență a impulsurilor optice de 30 Hertz (Hz), în timp ce senzorii alimentați în curent alternativ au o frecvență a impulsurilor de 5 Hz. Senzorii alimentați cu curent continuu funcționează de la 10 V_c.c. la 40 V_c.c. și au un led care indică faptul că ieșirea este activată. Senzorii alimentați cu curent alternativ sunt dimensionați pentru intrări nominale de 110 V_c.a. sau 230 V_c.a.

Figura 6: acești senzori optici de nivel sunt disponibili într-o varietate de carcase din polisulfonă și poliamidă 12. (Sursa imaginii: Carlo Gavazzi)

Concluzie

Există diverse tehnologii de detectare, inclusiv magnetice, capacitive, optice și ultrasonice, pentru monitorizarea cantității de fluid, granule și materiale solide stocate în rezervoare, pentru a ajuta la monitorizarea nivelurilor de inventar și pentru a controla procesele de fabricație. Acești senzori sunt disponibili cu diverse materiale de carcasă adaptate la medii de operare specifice, inclusiv temperaturi ridicate, presiuni ridicate și procese de sterilizare.