产线能否持续运转？这个低调的器件说了算！
【导读】由于现今的供应链面临诸多挑战，加上密切监测库存水平和控制生产工艺的需求，感应和测量储罐中固体、液体或颗粒状材料的储量就变得越来越重要。根据应用的不同，料位传感器可能必须为食品安全型；能够耐受高压、高温或振动；具有高酸碱耐受性，能够在腐蚀性环境中使用；并具有高电气隔离和热隔离性，以确保安全运行。
虽然设计料位传感器并非不可能，但这是一项充满风险的复杂任务。首先要找出与应用相匹配的测量技术，如电容、磁性、超声波或光学感测。然后选择支持工作环境的外壳、元器件和其他材料。通常还需要获得安全和监管部门的批准，并确保设计达到所需的侵入防护 (IP) 等级。
设计人员可以改用预先设计的料位传感解决方案，以确保准确可靠的测量，同时加速产品上市时间。本文首先回顾了电容、磁性、超声波和光学感测技术的工作方式，包括 A 型（常开）和 B 型（常闭）器件。随后探讨材料的适用性和 IP 防护等级，并确定每种技术最适合的应用。最后举例介绍了PIC、Carlo Gavazzi和TE Connectivity采用磁性、电容、超声波和光学感测技术的料位传感器。
磁性料位传感器又叫浮子传感器，采用密封杆中的磁簧开关设计，浮子中包含环形磁铁。带有磁铁的浮子会随着液位一起上升和下降。当磁环上升（或下降）到某一水平时，就会激活磁簧开关（图 1）。这种设计高度可靠，在 A 型和B 型配置中的额定开关操作次数可达数百万次。外壳材料有多种材料可选，如聚丙烯、聚酰胺和不锈钢，适用于各种液体，并且有些为食品安全型。款型分为顶部、底部和侧面安装式。
图 1：当磁性料位传感器中的浮子上升（左）或下降（右）时，会激活磁簧开关，发出信号。（图片来源：PIC）
1 用于液体等物料的电容感测
除了感测储罐中的液位外，电容式料位传感器还可用于固体或颗粒状材料。探针与罐壁结合，形成一个电容器。电容值随储罐内的材料量变化。通常，储罐中的材料越多，电容就越大。这类传感器有各种外壳材料可供选择。电容式料位传感器的感测距离可调节，并可设计配备或不配备内置的开启或关闭时间延迟功能。这类传感器可用于各种液体和固体，常见于工业过程和农业应用，如自动牲畜喂养系统和筒仓（图 2）。
图 2：农业应用（如测量颗粒状牲畜饲料）通常使用电容式料位传感器。（图片来源：Carlo Gavazzi）
2 用于高压和充气液体的超声波技术
超声波料位传感器工作范围通常为 40 kHz，远远超出人耳听力范围。这类传感器利用穿过间隙传送的超声波能量来工作。当有液体存在时，超声波能量的传输将得到加强；当只有空气时，能量会衰减。这些间隙传感器为各种液体提供点液位感测，特别适合用于其他技术难以监测的充气液体。这类密封传感器的典型设计是在高达 250 PSI 的加压液体中工作，但特殊设计工作压力最高可达 5,000 PSI（图 3）。
图 3：超声波料位传感器可以密封并在高压下工作。（图片来源：TE Connectivity）
3 用光学传感器感测料位
光学料位传感器根据空气与受监测液体之间的不同折射率来工作。这类传感器由一个红外 (IR) 发射器（发送器）、一个接收器、一个放大器和一个输出开关组成。发射器通常是砷化镓 (GaA) 红外发射二极管。输出可以是晶体管（DC 输出），或者可控硅整流器（AC 输出）。传感器的锥形尖端形成一个棱镜，红外脉冲向下传输到尖端，当没有液体时，经内部反射到接收器。当传感器的尖端浸没时，液体将具有与空气不同的折射率，而光束将不会传输至接收器（图 4）。光学料位传感器的用途相当广泛，可用于石油、废水和酒精，以及啤酒、葡萄酒和冲泡咖啡等食品溶液。
图 4：光学料位传感器利用空气（左）和液体（右）的不同折射率来中断向接收器传输信号。（图片来源：Carlo Gavazzi）
4 外壳方面
外壳材料对于决定各种料位传感器的适用场合是关键因素。一些常见的外壳材料包括：
聚酯对许多化学品有很好的耐受性，且抗裂性强，可以在 -70°C 至 +150°C 温度下使用。
不锈钢与各种化学品和食品相容。其具有出色的生物清洁能力，常用于制药和食品加工以及医疗和工业应用。
聚酰胺 12 又叫尼龙 12，具有高透明度、良好的低温韧性、优异的尺寸稳定性和动态强度，并且因密度低而重量轻。使用温度最高可达 80°C。
聚砜具有强度高、透明和用途广泛的优点。这种材料有很高的尺寸稳定性；当暴露在沸水或 150°C 的蒸汽或空气中时，尺寸变化低于 0.1%。对 pH 2 至 pH 13 的电解质、碱和酸具有很高的耐受性。耐受氧化剂意味着可以用漂白剂进行清洗。
聚丙烯耐受许多有机溶剂、酸和碱，但易受氧化性酸、氯化碳氢化合物和芳香族化合物侵蚀。其最高工作温度为 80°C。由于高度不透水，因此非常适合于浸泡应用。
5 IP 防护等级
IP 防护等级代码在 IEC 60529 中设定，并纳入美国的 ANSI 60529 和欧洲的 EN 60529 标准中。等级由两个数字组成，第一个数字表示对固体物侵入的耐受性，范围为 0 至 6；第二个数字表示对液体的防护等级，范围为 0 至 9K。较低的 IP 防护等级一般不适合料位传感器的应用场合。一些较高的固体物侵入防护等级包括：
● 5 – 表示防尘。不能完全防止灰尘侵入。但是在有灰尘的情况下，设备应该能继续工作，只是性能水平较低。
● 6 – 表示尘密。完全防止灰尘侵入。
● 液体侵入的第二个数字更为复杂。性能较高的类别包括：
● 7 – 在规定的压力和时间内，浸入深达 1 m (3 ft 3 in) 的水中，侵入的水不会达到有害水量。
● 8 – 在制造商规定的条件下持续浸泡于深达1 m (3 ft 3 in) 或更深的水中。
● 9K – 提供近距离高压、高温喷淋防护。
6 经 FDA 批准的磁性料位传感器
对于需要美国食品药品监督管理局 (FDA) 批准的应用，设计人员可以选用 PIC 的聚丙烯外壳磁性料位传感器。PLS-020A-3PPI 是一款用于垂直测量的紧凑型传感器，而 PLS-092A-3PPH 专为水平感测设计（图 5）。这款料位传感器具有IP67 防护等级，A 型触点的最大额定值为 10 W、0.7 A、180 VDC 和 130 VAC。其工作温度范围为 -20 至 +80°C。
图 5：PLS-092A-3PPH是经 FDA 认证的水平磁性料位传感器。（图片来源：PIC）
7 电容传感器
Carlo Gavazzi 的电容传感器采用热塑性聚酯外壳，可调节感测距离，并可选择配备 (VC11RTM2410M) 或不配备 (VC12RNM24) 内置时间延迟功能。具有时间延迟功能的传感器，最多可让 A 型或 B 型动作延迟 10 分钟。这些传感器具有 4 至 12 mm 的可调感测距离，可用于监测各种固体、液体和颗粒状材料。单刀双掷 (SPDT) 继电器输出可以直接驱动负载，如螺线管和致动器。这类传感器的工作电压为20.4 至 255 VAC 或 VDC，额定温度为 -20°C 至 +70°C。
8 具有高重复性的料位传感器
TE Connectivity 的 LL01-1AA01 超声波料位传感器具有 2 mm 或更高的重复性，借助数字滤波器技术来提高性能。具有 A 型或 B 型单刀单掷 (SPST)继电器输出，这款传感器封装在不锈钢外壳中，额定输入电压为 5.5 VDC 至 30 VDC，可支持 100 VAC或 VDC 的峰值负载电压，在高达 +25°C 下，连续电流为 3.5 A，线性降额至 +100°C 下的 0.75 A。最高能承受 250 PSI 的压力。提供多种型号选择，包括：最高工作温度可选 80 或 100°C，安装方式可选?” NPT 或 ?” NPT，以及电缆长度可选 1、4、10 和 20 ft。
9 外壳材料可选的光学传感器
VP01/02 光学料位传感器与Carlo Gavazzi 的VP01EP 一样，采用聚砜外壳，可耐受大多数酸和碱。该公司的 VP03/04 传感器与 VP03EP 一样，采用聚酰胺 12 外壳，可耐受各种溶剂。这些 IP67 防护等级的传感器可以在环境光水平高达 100 lux 的情况下使用。A 型和 B 型输出可选择NPN/PNP 晶体管（DC 负载）或可控硅整流器（AC 负载）。直流供电的传感器光脉冲频率为 30 Hz，而交流供电的传感器脉冲频率为 5 Hz。直流供电的传感器工作电压为 10 VDC至 40 VDC，并设有LED，用于指示输出已开启。交流供电的传感器额定输入电压为 110 VAC 货 230 VAC。
图 6：这些光学料位传感器有聚砜和聚酰胺 12 外壳可供选择。（图片来源：Carlo Gavazzi）
总结
现今有各种传感技术（包括磁性、电容、光学和超声波）可用于监测储罐中的液体、颗粒和固体材料储量，以帮助监测库存水平并控制生产工艺。这些传感器有各种外壳材料可供选择，适合特定工作环境，包括高温、高压和灭菌程序。
作者：Jeff Shepard
来源：DigiKey
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