產(chǎn)線能否持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)?這個低調(diào)的器件說了算!|全球信息

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來源:電子產(chǎn)品世界

由于現(xiàn)今的供應(yīng)鏈面臨諸多挑戰(zhàn),加上密切監(jiān)測庫存水平和控制生產(chǎn)工藝的需求,感應(yīng)和測量儲罐中固體、液體或顆粒狀材料的儲量就變得越來越重要。根據(jù)應(yīng)用的不同,料位傳感器可能必須為食品安全型;能夠耐受高壓、高溫或振動;具有高酸堿耐受性,能夠在腐蝕性環(huán)境中使用;并具有高電氣隔離和熱隔離性,以確保安全運(yùn)行。


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雖然設(shè)計(jì)料位傳感器并非不可能,但這是一項(xiàng)充滿風(fēng)險的復(fù)雜任務(wù)。首先要找出與應(yīng)用相匹配的測量技術(shù),如電容、磁性、超聲波或光學(xué)感測。然后選擇支持工作環(huán)境的外殼、元器件和其他材料。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)到所需的侵入防護(hù)(IP)等級。

設(shè)計(jì)人員可以改用預(yù)先設(shè)計(jì)的料位傳感解決方案,以確保準(zhǔn)確可靠的測量,同時加速產(chǎn)品上市時間。本文首先回顧了電容、磁性、超聲波和光學(xué)感測技術(shù)的工作方式,包括 A 型(常開)和 B 型(常閉)器件。隨后探討材料的適用性和 IP 防護(hù)等級,并確定每種技術(shù)最適合的應(yīng)用。最后舉例介紹了PIC、Carlo Gavazzi和TE Connectivity采用磁性、電容、超聲波和光學(xué)感測技術(shù)的料位傳感器。

磁性料位傳感器又叫浮子傳感器,采用密封桿中的磁簧開關(guān)設(shè)計(jì),浮子中包含環(huán)形磁鐵。帶有磁鐵的浮子會隨著液位一起上升和下降。當(dāng)磁環(huán)上升(或下降)到某一水平時,就會激活磁簧開關(guān)(圖1)。這種設(shè)計(jì)高度可靠,在A型和B型配置中的額定開關(guān)操作次數(shù)可達(dá)數(shù)百萬次。外殼材料有多種材料可選,如聚丙烯、聚酰胺和不銹鋼,適用于各種液體,并且有些為食品安全型??钚头譃轫敳俊⒌撞亢蛡?cè)面安裝式。

圖 1:當(dāng)磁性料位傳感器中的浮子上升(左)或下降(右)時,會激活磁簧開關(guān),發(fā)出信號。(圖片來源:PIC)

1 用于液體等物料的電容感測

除了感測儲罐中的液位外,電容式料位傳感器還可用于固體或顆粒狀材料。探針與罐壁結(jié)合,形成一個電容器。電容值隨儲罐內(nèi)的材料量變化。通常,儲罐中的材料越多,電容就越大。這類傳感器有各種外殼材料可供選擇。電容式料位傳感器的感測距離可調(diào)節(jié),并可設(shè)計(jì)配備或不配備內(nèi)置的開啟或關(guān)閉時間延遲功能。這類傳感器可用于各種液體和固體,常見于工業(yè)過程和農(nóng)業(yè)應(yīng)用,如自動牲畜喂養(yǎng)系統(tǒng)和筒倉(圖 2)。

圖 2:農(nóng)業(yè)應(yīng)用(如測量顆粒狀牲畜飼料)通常使用電容式料位傳感器。(圖片來源:Carlo Gavazzi)

2 用于高壓和充氣液體的超聲波技術(shù)

超聲波料位傳感器工作范圍通常為 40 kHz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人耳聽力范圍。這類傳感器利用穿過間隙傳送的超聲波能量來工作。當(dāng)有液體存在時,超聲波能量的傳輸將得到加強(qiáng);當(dāng)只有空氣時,能量會衰減。這些間隙傳感器為各種液體提供點(diǎn)液位感測,特別適合用于其他技術(shù)難以監(jiān)測的充氣液體。這類密封傳感器的典型設(shè)計(jì)是在高達(dá) 250 PSI 的加壓液體中工作,但特殊設(shè)計(jì)工作壓力最高可達(dá) 5,000 PSI(圖 3)。

圖 3:超聲波料位傳感器可以密封并在高壓下工作。(圖片來源:TE Connectivity)

3 用光學(xué)傳感器感測料位

光學(xué)料位傳感器根據(jù)空氣與受監(jiān)測液體之間的不同折射率來工作。這類傳感器由一個紅外 (IR) 發(fā)射器(發(fā)送器)、一個接收器、一個放大器和一個輸出開關(guān)組成。發(fā)射器通常是砷化鎵 (GaA) 紅外發(fā)射二極管。輸出可以是晶體管(DC 輸出),或者可控硅整流器(AC 輸出)。傳感器的錐形尖端形成一個棱鏡,紅外脈沖向下傳輸?shù)郊舛?,?dāng)沒有液體時,經(jīng)內(nèi)部反射到接收器。當(dāng)傳感器的尖端浸沒時,液體將具有與空氣不同的折射率,而光束將不會傳輸至接收器(圖 4)。光學(xué)料位傳感器的用途相當(dāng)廣泛,可用于石油、廢水和酒精,以及啤酒、葡萄酒和沖泡咖啡等食品溶液。

圖 4:光學(xué)料位傳感器利用空氣(左)和液體(右)的不同折射率來中斷向接收器傳輸信號。(圖片來源:Carlo Gavazzi)

4 外殼方面

外殼材料對于決定各種料位傳感器的適用場合是關(guān)鍵因素。一些常見的外殼材料包括:

聚酯對許多化學(xué)品有很好的耐受性,且抗裂性強(qiáng),可以在 -70°C 至 +150°C 溫度下使用。

不銹鋼與各種化學(xué)品和食品相容。其具有出色的生物清潔能力,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 又叫尼龍 12,具有高透明度、良好的低溫韌性、優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性和動態(tài)強(qiáng)度,并且因密度低而重量輕。使用溫度最高可達(dá) 80°C。

聚砜具有強(qiáng)度高、透明和用途廣泛的優(yōu)點(diǎn)。這種材料有很高的尺寸穩(wěn)定性;當(dāng)暴露在沸水或 150°C 的蒸汽或空氣中時,尺寸變化低于 0.1%。對 pH 2 至 pH 13 的電解質(zhì)、堿和酸具有很高的耐受性。耐受氧化劑意味著可以用漂白劑進(jìn)行清洗。

聚丙烯耐受許多有機(jī)溶劑、酸和堿,但易受氧化性酸、氯化碳?xì)浠衔锖头枷阕寤衔锴治g。其最高工作溫度為 80°C。由于高度不透水,因此非常適合于浸泡應(yīng)用。

5 IP 防護(hù)等級

IP 防護(hù)等級代碼在 IEC 60529 中設(shè)定,并納入美國的 ANSI 60529 和歐洲的 EN 60529 標(biāo)準(zhǔn)中。等級由兩個數(shù)字組成,第一個數(shù)字表示對固體物侵入的耐受性,范圍為 0 至 6;第二個數(shù)字表示對液體的防護(hù)等級,范圍為 0 至 9K。較低的 IP 防護(hù)等級一般不適合料位傳感器的應(yīng)用場合。一些較高的固體物侵入防護(hù)等級包括:

● 5 – 表示防塵。不能完全防止灰塵侵入。但是在有灰塵的情況下,設(shè)備應(yīng)該能繼續(xù)工作,只是性能水平較低。

● 6 – 表示塵密。完全防止灰塵侵入。

● 液體侵入的第二個數(shù)字更為復(fù)雜。性能較高的類別包括:

● 7 – 在規(guī)定的壓力和時間內(nèi),浸入深達(dá) 1 m (3 ft 3 in) 的水中,侵入的水不會達(dá)到有害水量。

● 8 – 在制造商規(guī)定的條件下持續(xù)浸泡于深達(dá)1 m (3 ft 3 in) 或更深的水中。

● 9K – 提供近距離高壓、高溫噴淋防護(hù)。

6 經(jīng) FDA 批準(zhǔn)的磁性料位傳感器

對于需要美國食品藥品監(jiān)督管理局 (FDA) 批準(zhǔn)的應(yīng)用,設(shè)計(jì)人員可以選用 PIC 的聚丙烯外殼磁性料位傳感器。PLS-020A-3PPI 是一款用于垂直測量的緊湊型傳感器,而 PLS-092A-3PPH 專為水平感測設(shè)計(jì)(圖 5)。這款料位傳感器具有IP67 防護(hù)等級,A 型觸點(diǎn)的最大額定值為 10 W、0.7 A、180 VDC 和 130 VAC。其工作溫度范圍為 -20 至 +80°C。

圖 5:PLS-092A-3PPH是經(jīng) FDA 認(rèn)證的水平磁性料位傳感器。(圖片來源:PIC)

7 電容傳感器

Carlo Gavazzi 的電容傳感器采用熱塑性聚酯外殼,可調(diào)節(jié)感測距離,并可選擇配備 (VC11RTM2410M) 或不配備 (VC12RNM24) 內(nèi)置時間延遲功能。具有時間延遲功能的傳感器,最多可讓 A 型或 B 型動作延遲 10 分鐘。這些傳感器具有 4 至 12 mm 的可調(diào)感測距離,可用于監(jiān)測各種固體、液體和顆粒狀材料。單刀雙擲 (SPDT) 繼電器輸出可以直接驅(qū)動負(fù)載,如螺線管和致動器。這類傳感器的工作電壓為20.4 至 255 VAC 或 VDC,額定溫度為 -20°C 至 +70°C。

8 具有高重復(fù)性的料位傳感器

TE Connectivity 的 LL01-1AA01 超聲波料位傳感器具有 2 mm 或更高的重復(fù)性,借助數(shù)字濾波器技術(shù)來提高性能。具有 A 型或 B 型單刀單擲 (SPST)繼電器輸出,這款傳感器封裝在不銹鋼外殼中,額定輸入電壓為 5.5 VDC 至 30 VDC,可支持 100 VAC或 VDC 的峰值負(fù)載電壓,在高達(dá) +25°C 下,連續(xù)電流為 3.5 A,線性降額至 +100°C 下的 0.75 A。最高能承受 250 PSI 的壓力。提供多種型號選擇,包括:最高工作溫度可選 80 或 100°C,安裝方式可選?” NPT 或 ?” NPT,以及電纜長度可選 1、4、10 和 20 ft。

9 外殼材料可選的光學(xué)傳感器

VP01/02 光學(xué)料位傳感器與Carlo Gavazzi 的VP01EP 一樣,采用聚砜外殼,可耐受大多數(shù)酸和堿。該公司的 VP03/04 傳感器與 VP03EP 一樣,采用聚酰胺 12 外殼,可耐受各種溶劑。這些 IP67 防護(hù)等級的傳感器可以在環(huán)境光水平高達(dá) 100 lux 的情況下使用。A 型和 B 型輸出可選擇NPN/PNP 晶體管(DC 負(fù)載)或可控硅整流器(AC 負(fù)載)。直流供電的傳感器光脈沖頻率為 30 Hz,而交流供電的傳感器脈沖頻率為 5 Hz。直流供電的傳感器工作電壓為 10 VDC至 40 VDC,并設(shè)有LED,用于指示輸出已開啟。交流供電的傳感器額定輸入電壓為 110 VAC 貨 230 VAC。

圖 6:這些光學(xué)料位傳感器有聚砜和聚酰胺 12 外殼可供選擇。(圖片來源:Carlo Gavazzi)

總結(jié)

現(xiàn)今有各種傳感技術(shù)(包括磁性、電容、光學(xué)和超聲波)可用于監(jiān)測儲罐中的液體、顆粒和固體材料儲量,以幫助監(jiān)測庫存水平并控制生產(chǎn)工藝。這些傳感器有各種外殼材料可供選擇,適合特定工作環(huán)境,包括高溫、高壓和滅菌程序。

作者:Jeff Shepard

來源:DigiKey

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