Materiaalniveaus in tanks bewaken om het beheer van de toeleveringsketen te verbeteren

Het detecteren en meten van de hoeveelheid vaste, vloeibare of korrelvormige materialen die in tanks zijn opgeslagen, is steeds belangrijker geworden vanwege de uitdagingen in verband met de toeleveringsketen en de noodzaak om de voorraadniveaus te bewaken en de productieprocessen nauwgezet te controleren. Afhankelijk van de toepassing kunnen niveausensoren voedselveilig zijn, bestand zijn tegen hoge druk, temperaturen of trillingen, gebruikt worden in corrosieve omgevingen met een hoge weerstand tegen zuren en basen, en een hoge mate van elektrische en thermische isolatie hebben om een veilige werking te garanderen.

Hoewel het mogelijk is om sensors op niveau te ontwerpen, is het een ingewikkelde taak vol risico's. Het proces begint met het afstemmen van de meettechnologie, zoals capacitieve, magnetische, ultrasone of optische detectie, op de toepassing. De volgende stap is het selecteren van de behuizing, onderdelen en andere materialen om de bedrijfsomgeving te ondersteunen. Het is ook vaak nodig om veiligheids- en wettelijke goedkeuringen te verkrijgen en ervoor te zorgen dat het ontwerp de vereiste beschermingsgraad (IP) bereikt.

In plaats daarvan kunnen ontwerpers zich wenden tot kant-en-klare oplossingen voor niveaumeting die nauwkeurige en betrouwbare metingen garanderen en de time-to-market versnellen. Dit artikel begint met een overzicht van de werking van capacitieve, magnetische, ultrasone en optische sensortechnologieën, met inbegrip van apparaten met vorm A (normaal open) en vorm B (normaal gesloten). Vervolgens wordt gekeken naar de geschiktheid van materialen en IP-classificaties en worden de meest geschikte toepassingen voor elke technologie vastgesteld. Vervolgens worden voorbeelden gegeven van niveausensors die gebruik maken van magnetische, capacitieve, ultrasone en optische detectie van PIC, Carlo Gavazzi en TE Connectivity.

Magnetische vloeistofniveausensoren, ook wel vlottersensoren genoemd, maken gebruik van een reed-schakelaar in een afgesloten steel met een vlotter die een ringmagneet bevat. Als het vloeistofniveau stijgt en daalt, doet de vlotter met de magneet dat ook. Wanneer de ring tot een bepaald niveau stijgt (of daalt), wordt de reed-schakelaar geactiveerd (Afbeelding 1). Deze ontwerpen zijn uiterst betrouwbaar en berekend op miljoenen schakelhandelingen in A- en B-configuraties. Ze zijn verkrijgbaar met verschillende materialen zoals polypropyleen, polyamide en roestvrij staal, geschikt voor verschillende vloeistoffen, en sommige zijn voedselveilig. Modellen zijn verkrijgbaar voor boven-, onder- en zijmontage.

Afbeelding 1: Wanneer de vlotter in een magnetische vloeistofniveausensor stijgt (links) of daalt (rechts), activeert hij een reed-schakelaar die een signaal afgeeft. (Bron afbeelding: PIC)

Capacitieve detectie voor vloeistoffen en meer

Naast het meten van vloeistofniveaus in tanks kunnen capacitieve niveausensors ook worden gebruikt voor vaste stoffen of korrelige materialen. De sonde vormt samen met de tankwand een condensator. De capaciteit varieert met de hoeveelheid materiaal in de tank. Hoe meer materiaal in de tank, hoe hoger de capaciteit. Deze sensors zijn verkrijgbaar met verschillende behuizingsmaterialen. Capacitieve niveausensors kunnen instelbare detectieafstanden hebben en zijn ontworpen met en zonder ingebouwde tijdvertraging voor het in- of uitschakelen. Zij kunnen worden gebruikt voor een breed scala van vloeistoffen en vaste stoffen en worden vaak aangetroffen in industriële processen en landbouwtoepassingen zoals geautomatiseerde veevoersystemen en silo's (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Landbouwtoepassingen zoals het meten van korrelige veevoeders maken gewoonlijk gebruik van capacitieve niveausensors. (Bron afbeelding: Carlo Gavazzi)

Ultrasone techniek voor hoge druk en beluchte vloeistoffen

Ultrasone niveausensors werken meestal in het bereik van 40 kilohertz (kHz), ver buiten het bereik van menselijke oren. Ze gebruiken uitbarstingen van ultrasone energie die over een opening worden gestuurd. Wanneer een vloeistof aanwezig is, wordt de transmissie van de ultrasone energie versterkt; wanneer alleen lucht aanwezig is, wordt de energie verzwakt. Deze gapsensors bieden puntniveaudetectie voor diverse vloeistoffen en zijn bijzonder geschikt voor gebruik met beluchte vloeistoffen die moeilijk te controleren zijn met andere technologieën. Typische ontwerpen van deze verzegelde sensors zijn berekend op werking in vloeistoffen onder druk tot 250 pond per vierkante inch (PSI), maar speciale ontwerpen kunnen werken tot 5000 PSI (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Ultrasone niveausensors kunnen worden verzegeld en onder hoge druk werken. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

Niveaus zien met optische sensors

Optische niveausensors werken op basis van verschillende brekingsindices tussen lucht en de gecontroleerde vloeistof. Zij bestaan uit een infrarood (IR)-zender (de zender), een ontvanger, een versterker en een uitgangsschakelaar. De emitter is gewoonlijk een galliumarsenide (GaAs) infrarood emitterende diode. De uitgang kan een transistor zijn voor gelijkstroomuitgangen (DC) of een SCR voor wisselstroomuitgangen (AC). De conische punt van de sensor vormt een prisma waarbij de IR-impulsen naar de punt worden overgebracht en, wanneer er geen vloeistof aanwezig is, intern naar de ontvanger worden gereflecteerd. Wanneer de punt van de sensor is ondergedompeld, heeft de vloeistof een andere brekingsindex dan de lucht, en wordt de straal niet naar de ontvanger gestuurd (Afbeelding 4). Optische niveausensors zijn zeer veelzijdig en kunnen worden gebruikt in olie, afvalwater en alcohol, maar ook in voedseloplossingen zoals bier, wijn en gebrouwen koffie.

Afbeelding 4: Optische niveausensors maken gebruik van de verschillende brekingsindices van lucht (links) en vloeistof om de transmissie van het signaal naar de ontvanger (rechts) te onderbreken. (Bron afbeelding: Carlo Gavazzi)

Behuizing is belangrijk

Het materiaal van de behuizing is een belangrijk element dat bepaalt waar verschillende niveausensoren kunnen worden gebruikt. Enkele van de gebruikelijke huisvestingsmaterialen zijn:

Polyesters zijn uitstekend bestand tegen vele chemicaliën en zijn goed bestand tegen scheuren. Ze kunnen worden gebruikt van -70 °C tot +150 °C.

Roestvrij staal is compatibel met diverse chemicaliën en voedingsmiddelen. Het heeft een uitstekende biologische reinigbaarheid en wordt vaak gebruikt in de farmaceutische en voedselverwerking, alsook in medische en industriële toepassingen.

Polyamide 12, ook Nylon 12 genoemd, heeft hoge transparantie, goede hardheid, zelfs bij lage temperaturen, dimensionale stabiliteit, en dynamische sterkte, en is lichtgewicht wegens zijn lage dichtheid. Het kan worden gebruikt tot 80 °C.

Polysulfonen zijn zeer sterk, transparant en veelzijdig. Zij zijn zeer dimensionaal stabiel; de maatverandering is minder dan 0,1% bij blootstelling aan kokend water of 150 °C stoom of lucht. Ze zijn zeer goed bestand tegen elektrolyten, alkaliën en zuren van pH 2 tot pH 13. De weerstand tegen oxidatiemiddelen betekent dat het kan worden gereinigd met bleekmiddelen.

Polypropyleen is bestand tegen vele organische oplosmiddelen, zuren en alkaliën, maar gevoelig voor aantasting door oxiderende zuren, gechloreerde koolwaterstoffen en aromaten. Hij heeft een maximale bedrijfstemperatuur van 80 °C. Het is zeer ondoordringbaar voor water, waardoor het zeer geschikt is voor onderdompelingstoepassingen.

IP-classificaties

IP-classificatiecodes zijn vastgelegd in IEC 60529 en opgenomen in ANSI 60529 in de VS en EN 60529 in Europa. Ze bestaan uit twee cijfers, waarvan het eerste de weerstand tegen het binnendringen van vaste voorwerpen aangeeft op een schaal van 0 tot 6 en het tweede de bescherming tegen vloeistoffen op een schaal van 0 tot 9K. Lagere IP-waarden zijn niet bijzonder relevant voor toepassingen waar niveausensors voorkomen. Enkele van de hogere niveaus van binnendringen van vaste voorwerpen zijn:

5 - geeft stofbescherming aan. Het binnendringen van stof wordt niet volledig voorkomen. Maar de apparatuur moet in aanwezigheid van stof blijven werken, zelfs op een lager prestatieniveau.

6 - duidt op stofdichtheid. Het binnendringen van stof wordt geëlimineerd.

Het tweede getal voor het binnendringen van vloeistoffen is complexer. De hogere prestatiecategorieën omvatten:

7 - Onderdompeling, tot 1 meter (3 voet, 3 inches) voor een bepaalde druk en duur zal niet leiden tot het binnendringen van water in een schadelijke hoeveelheid.

8 - Continue onderdompeling tot 1 meter (3 ft 3 in) of meer diepte onder door de fabrikant gespecificeerde omstandigheden.

9K - Biedt bescherming tegen sproeien onder hoge druk en hoge temperatuur van dichtbij.

FDA-goedgekeurde magnetische niveausensors

Voor toepassingen waarvoor goedkeuring van de Amerikaanse Food and Drug Administration (FDA) nodig is, kunnen ontwerpers zich wenden tot magnetische niveausensors in polypropyleen behuizingen van PIC. De PLS-020A-3PPI is een compacte sensor voor verticale metingen, terwijl de PLS-092A-3PPH is ontworpen voor horizontale metingen (Afbeelding 5). Deze niveausensors hebben een IP67-classificatie en vorm A-contacten voor maximaal 10 watt (W), 0,7 ampère (A), 180 volt gelijkstroom (V_DC) en 130 volt wisselstroom (V_AC). Zij hebben een bedrijfstemperatuurbereik van -20 tot +80 °C.

Afbeelding 5: De PLS-092A-3PPH is een horizontale magnetische niveausensor met FDA-goedkeuring. (Bron afbeelding: PIC)

Capacitieve sensors

Capacitieve sensors van Carlo Gavazzi in thermoplastische polyester behuizing zijn verkrijgbaar met instelbare detectieafstanden en met (VC11RTM2410M) of zonder (VC12RNM24) ingebouwde tijdvertraging. Voor sensors met een tijdvertraging kan de vertraging maximaal 10 minuten bedragen voor acties van vorm A of vorm B. Deze sensors hebben een instelbare detectieafstand van 4 tot 12 mm en kunnen worden gebruikt voor de bewaking van uiteenlopende vaste, vloeibare en gegranuleerde materialen. De SPDT-relaisuitgang (single pole double throw) kan belastingen zoals solenoïden en actuators rechtstreeks aansturen. Deze sensors werken met een voedingsspanning van 20,4 tot 255 V_AC of V_DC en zijn geschikt voor temperaturen van -20 °C tot +70 °C.

Niveausensor met hoge herhaalbaarheid

De LL01-1AA01 ultrasone niveausensor van TE Connectivity heeft een herhaalbaarheid van 2 mm of beter en maakt gebruik van digitale filtertechnieken om de prestaties te verbeteren. Hij heeft een SPST-relaisuitgang (single pole single throw) in vorm A of B. Deze sensor, verpakt in een roestvrijstalen behuizing, is geschikt voor een ingang van 5,5 V_DC tot 30 V_DC en kan piekbelastingsspanningen van 100 V_AC of V_DC aan met een continue stroom van 3,5 A tot +25 °C, lineair afnemend tot 0,75 A bij +100 °C. Hij kan een druk aan tot 250 PSI. De opties omvatten een maximale bedrijfstemperatuur van 80 of 100 °C, ¼" NPT of ½" NPT montage, en kabellengtes van 1, 4, 10, en 20 voet.

Optische sensors in verschillende behuizingsmaterialen

De VP01/02 optische niveausensors zijn, net als de VP01EP van Carlo Gavazzi, uitgevoerd in een behuizing van polysulfon die bestand is tegen de meeste zuren en basen. De VP03/04-sensors van het bedrijf zitten, net als de VP03EP, in een behuizing van polyamide 12 die bestand is tegen diverse oplosmiddelen. Deze sensors met IP67-classificatie kunnen worden gebruikt bij omgevingslichtniveaus tot 100 lux. Vorm A en vorm B outputkeuzes omvatten NPN/PNP-transistors voor gelijkstroom belastingen of een SCR voor wisselstroombelastingen. DC-sensors hebben een optische pulsfrequentie van 30 Hertz (Hz), terwijl AC-sensoren een pulsfrequentie van 5 Hz hebben. DC-sensors werken van 10 V_DC tot 40 V_DC en hebben een LED die aangeeft dat de uitgang AAN is. AC-sensors zijn geschikt voor nominale ingangen van 110 V_AC of 230 V_AC.

Afbeelding 6: Deze optische niveausensors zijn verkrijgbaar in behuizingen van polysulfon en polyamide 12. (Bron afbeelding: Carlo Gavazzi)

Conclusie

Er zijn verschillende sensortechnologieën, waaronder magnetische, capacitieve, optische en ultrasone, beschikbaar om de hoeveelheid in tanks opgeslagen vloeistof, gegranuleerde en vaste materialen te bewaken, de voorraadniveaus te helpen bewaken en productieprocessen te controleren. Deze sensors zijn verkrijgbaar in verschillende behuizingsmaterialen die geschikt zijn voor specifieke gebruiksomgevingen, waaronder hoge temperaturen, hoge druk en sterilisatieprocessen.