Monitorowanie poziomów materiałów w zbiornikach w celu usprawnienia zarządzania łańcuchem dostaw

Wykrywanie i pomiar ilości materiałów stałych, płynnych lub granulowanych przechowywanych w zbiornikach staje się coraz ważniejsze ze względu na wyzwania związane z łańcuchem dostaw oraz potrzebę monitorowania poziomów zapasów i ścisłej kontroli procesów produkcyjnych. W zależności od zastosowania, od czujników poziomu można wymagać, aby były bezpieczne dla żywności, wytrzymywały wysokie ciśnienia, temperatury lub drgania, nadawały się do stosowania w środowiskach korodujących dzięki wysokiej odporności na kwasy i zasady oraz posiadały wysoki stopień izolacji elektrycznej i termicznej w celu zapewnienia bezpiecznej pracy.

Mimo iż czujniki poziomu można zaprojektować od podstaw, jest to skomplikowane zadanie obarczone ryzykiem. Proces rozpoczyna się od doboru technologii wykrywania, np. pojemnościowej, magnetycznej, ultradźwiękowej lub optycznej pod kątem konkretnego zastosowania. Kolejnym etapem jest dobór obudowy, komponentów i innych materiałów odpowiednich do danego środowiska pracy. Często konieczne jest również uzyskanie certyfikatów bezpieczeństwa oraz certyfikatów pozwalających spełnić przepisy prawa a także osiągnięcie w projekcie wymaganego stopnia ochrony (IP).

Zamiast tego projektanci mogą skorzystać z gotowych rozwiązań do pomiaru poziomu materiału, które zapewnią dokładne i niezawodne pomiary oraz skrócą czas wprowadzenia produktu na rynek. Niniejszy artykuł rozpoczyna się od przeglądu zasad działania czujników wykorzystujących różne technologie: pojemnościowych, magnetycznych, ultradźwiękowych i optycznych, w tym urządzeń zwiernych (Form A, NO) i rozwiernych (Form B, NC). W dalszej części przeprowadzono analizę adekwatności materiałów i stopnia ochrony IP oraz wskazano najlepsze zastosowania dla każdej technologii. Następnie przedstawiono przykłady czujników poziomu wykorzystujących detekcję magnetyczną, pojemnościową, ultradźwiękową i optyczną firm PIC, Carlo Gavazzi, i TE Connectivity.

Magnetyczne czujniki poziomu cieczy, zwane również pływakowymi, wykorzystują łącznik kontaktronowy w szczelnym trzpieniu z pływakiem zawierającym magnetyczny pierścień. W miarę podnoszenia się i opadania poziomu cieczy, to samo dzieje się z pływakiem z magnesem. Kiedy pierścień podnosi się (lub opada) do określonego poziomu, aktywuje on łącznik kontaktronowy (ilustracja 1). Konstrukcje te są wysoce niezawodne i przystosowane do milionów cykli łączeniowych w konfiguracjach zwiernych (Form A, NO) i rozwiernych (Form B, NC). Są one dostępne w obudowach z różnych materiałów, takich jak polipropylen, poliamid i stal nierdzewna, odpowiednich do różnych płynów. Niektóre z nich są bezpieczne dla produktów spożywczych. Dostępne są modele do montażu górnego, dolnego i bocznego.

Ilustracja 1: gdy pływak w magnetycznym czujniku poziomu cieczy podnosi się (po lewej) lub opada (po prawej), uruchamia on łącznik kontaktronowy, który wysyła sygnał. (Źródło ilustracji: PIC)

Wykrywanie pojemnościowe cieczy i wiele więcej

Pojemnościowe czujniki poziomu mogą być stosowane do wykrywania poziomu nie tylko cieczy, ale także materiałów stałych lub granulowanych w zbiornikach. Sonda jest połączona ze ścianą zbiornika, tworząc kondensator. Pojemność zmienia się w zależności od ilości materiału w zbiorniku. Zazwyczaj im więcej materiału w zbiorniku, tym większa pojemność. Czujniki te dostępne są w obudowach z różnych materiałów. Pojemnościowe czujniki poziomu mogą mieć regulowane odległości wykrywania oraz posiadać wbudowane opóźnienie czasowe włączenia lub wyłączenia. Mogą być używane z szeroką gamą cieczy i ciał stałych oraz są powszechnie spotykane w procesach przemysłowych i zastosowaniach rolniczych, takich jak zautomatyzowane systemy karmienia zwierząt i silosy (ilustracja 2).

Ilustracja 2: w zastosowaniach rolniczych, takich jak pomiar granulowanych pasz dla zwierząt, powszechnie wykorzystuje się pojemnościowe czujniki poziomu. (Źródło ilustracji: Carlo Gavazzi)

Technologia ultradźwiękowa do wysokich ciśnień i cieczy napowietrzonych

Ultradźwiękowe czujniki poziomu działają zwykle w zakresie 40kHz, znacznie przekraczającym czułość ludzkiego ucha. Wykorzystują one impulsy energii ultradźwiękowej wysyłane przez szczelinę. W obecności cieczy transmisja energii ultradźwiękowej jest lepsza, natomiast w obecności samego powietrza energia jest tłumiona. Omawiane czujniki szczelinowe zapewniają punktowe wykrywanie różnych cieczy i są szczególnie odpowiednie do stosowania w przypadku cieczy napowietrzonych, które mogą być trudne do monitorowania za pomocą innych technologii. Typowe konstrukcje tych uszczelnionych czujników są przystosowane do pracy w cieczach pod ciśnieniem do 250PSI, ale specjalne konstrukcje mogą pracować pod ciśnieniem do 5000PSI (ilustracja 3).

Ilustracja 3: ultradźwiękowe czujniki poziomu mogą być uszczelnione i pracować pod wysokim ciśnieniem. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Wykrywanie poziomu za pomocą czujników optycznych

Optyczne czujniki poziomu działają w oparciu o różne współczynniki załamania światła pomiędzy powietrzem a monitorowaną cieczą. Składają się one z emitera (nadajnika) podczerwieni (IR), odbiornika, wzmacniacza i łącznika wyjściowego. Emiterem jest zazwyczaj dioda z arsenku galu (GaAs) emitująca promieniowanie podczerwone. Wyjściem może być tranzystor dla wyjść prądu stałego (=) lub krzemowy prostownik sterowany (SCR) dla wyjść prądu zmiennego (~). Stożkowa końcówka czujnika tworzy pryzmat, w którym impulsy podczerwieni są wysyłane w dół do końcówki, a w przypadku braku cieczy są odbijane wewnątrz do odbiornika. Gdy końcówka czujnika zostanie zanurzona, ciecz będzie miała inny współczynnik załamania światła niż powietrze i wiązka nie zostanie przekazana do odbiornika (ilustracja 4). Optyczne czujniki poziomu są dość uniwersalne i mogą być stosowane w oleju, ściekach i alkoholu, a także w cieczach spożywczych, takich jak piwo, wino i zaparzona kawa.

Ilustracja 4: optyczne czujniki poziomu wykorzystują różne współczynniki załamania światła w powietrzu (po lewej) i cieczy do przerwania transmisji sygnału do odbiornika (po prawej). (Źródło ilustracji: Carlo Gavazzi)

Kwestie dotyczące obudowy

Materiał obudowy jest kluczowym elementem decydującym o tym, gdzie można stosować różne czujniki poziomu. Niektóre z popularnych materiałów obudów to:

Poliestry, które mają doskonałą odporność na wiele substancji chemicznych i wysoką odporność na pękanie. Mogą być stosowane w temperaturach od -70°C do +150°C.

Stal nierdzewna, która nadaje się do stosowania z różnymi chemikaliami i produktami spożywczymi. Posiada doskonałą czystość biologiczną i jest często stosowana w przetwórstwie farmaceutycznym i spożywczym, a także w zastosowaniach medycznych i przemysłowych.

Poliamid 12, zwany również nylonem 12, charakteryzuje się wysoką przezroczystością, dobrą wytrzymałością, nawet w niskich temperaturach, stabilnością wymiarową i wytrzymałością dynamiczną, a dzięki niskiej gęstości jest lekki. Można go stosować w temperaturach do 80°C.

Polisulfony, które są bardzo wytrzymałe, przezroczyste i wszechstronne. Mają wysoką stabilność wymiarową. Zmiana rozmiaru przy ekspozycji na działanie wrzącej wody lub pary wodnej lub powietrza o temperaturze 150°C wynosi poniżej 0,1%. Są bardzo odporne na działanie elektrolitów, zasad i kwasów o pH od 2 do 13. Odporność na czynniki utleniające oznacza, że można je czyścić przy użyciu wybielaczy.

Polipropylen, który jest odporny na wiele rozpuszczalników organicznych, kwasów i zasad, ale jest podatny na działanie kwasów utleniających, chlorowanych węglowodorów i aromatów. Jego maksymalna temperatura pracy wynosi 80°C. Charakteryzuje się bardzo niską przepuszczalnością wody, dzięki czemu dobrze nadaje się do zastosowań zanurzeniowych.

Stopnie ochrony IP

Kody stopni ochrony IP są określone w normie IEC 60529 oraz podane w normach ANSI 60529 w USA i EN 60529 w Europie. Składają się one z dwóch cyfr, przy czym pierwsza oznacza odporność na przenikanie ciał stałych w skali od 0 do 6, a druga ochronę przed cieczami w skali od 0 do 9K. Niższe stopnie ochrony IP nie są szczególnie adekwatne dla zastosowań, w których występują czujniki poziomu. Przykłady wyższych poziomów ochrony przed wnikaniem ciał stałych:

5 - oznacza ochronę przed pyłem. Wnikanie pyłu nie jest całkowicie wykluczone. Jednak w obecności pyłu sprzęt powinien nadal działać, nawet jeśli kosztem niższych parametrów pracy.

6 - oznacza pyłoszczelność. Wnikanie pyłu jest wyeliminowane.

Druga cyfra dotycząca wnikania cieczy jest bardziej złożona. Przykłady stopni ochrony dla urządzeń o wyższych parametrach:

7 - zanurzenie, do 1 metra (3 stopy, 3 cale) dla określonego ciśnienia i czasu trwania nie spowoduje wniknięcia wody w szkodliwej ilości.

8 - ciągłe zanurzenie na głębokość do 1 metra (3 stopy, 3 cale) lub większą w warunkach określonych przez producenta.

9K - zapewnia ochronę przed bliskim oddziaływaniem strumieni wysokiego ciśnienia i wysokiej temperatury.

Magnetyczne czujniki poziomu zatwierdzone przez agencję FDA

W przypadku zastosowań wymagających zatwierdzenia przez amerykańską Agencję Żywności i Leków (FDA), projektanci mogą sięgnąć po magnetyczne czujniki poziomu w obudowach polipropylenowych firmy PIC. PLS-020A-3PPI to kompaktowy czujnik do pomiarów pionowych, natomiast PLS-092A-3PPH przeznaczony jest do pomiarów poziomych (ilustracja 5). Te czujniki poziomu mają stopień ochrony IP67 i styki zwierne (Form A) o następujących parametrach znamionowych: moc maksymalna 10W, natężenie 0,7A, napięcie 180V prądu stałego (₌) i 130V prądu zmiennego (_~). Ich zakres temperatur roboczych wynosi od -20 do +80 °C.

Ilustracja 5: PLS-092A-3PPH to poziomy magnetyczny czujnik poziomu zatwierdzony przez agencję FDA. (Źródło ilustracji: PIC)

Czujniki pojemnościowe

Czujniki pojemnościowe firmy Carlo Gavazzi w obudowach z termoplastycznego poliestru dostępne są z regulacją odległości wykrywania oraz z wbudowanym opóźnieniem czasowym (VC11RTM2410M) lub bez niego (VC12RNM24). Opóźnienie czasowe w przypadku czujników wyposażonych w tę funkcję może wynosić do 10 minut dla zwierania (Form A) lub rozwierania (Form B). Czujniki te mają regulowaną odległość wykrywania w zakresie od 4 do 12mm i mogą być stosowane do monitorowania różnych materiałów stałych, płynnych i granulowanych. Bezpośrednie sterowanie odbiornikami takimi jak cewki i siłowniki jest możliwe za pomocą wyjścia przekaźnikowego jednobiegunowego ze stykiem przełączanym (SPDT). Czujniki te pracują z napięciami zasilania od 20,4 do 255V_~ lub V₌ i są przeznaczone do pracy w temperaturach od -20°C do +70°C

Czujnik poziomu o wysokiej powtarzalności

Ultradźwiękowy czujnik poziomu LL01-1AA01 firmy TE Connectivity charakteryzuje się powtarzalnością 2mm lub lepszą przy zastosowaniu technik filtrów cyfrowych do poprawy parametrów działania. Posiada on wyjście przekaźnikowe jednobiegunowe ze stykiem zwierno-rozwiernym (SPST). Czujnik wykonany w obudowie ze stali nierdzewnej jest przystosowany do pracy z napięciem wejściowym od 5,5V₌ do 30V₌ i może obsługiwać napięcie szczytowe obciążenia 100V prądu zmiennego (_~) lub stałego (₌) przy prądzie ciągłym 3,5A w temperaturze do +25°C, obniżając liniowo wartość do 0,75A w temperaturze +100°C. Obsługuje ciśnienie do 250PSI. Dostępne warianty: do maksymalnej temperatury pracy 80 lub 100°C, mocowanie ¼" NPT lub ½" NPT oraz z kablami o długości 1, 4, 10 i 20 stóp.

Czujniki optyczne w obudowach z różnych materiałów

Optyczne czujniki poziomu VP01/02, podobnie jak czujnik VP01EP firmy Carlo Gavazzi, zamknięto w obudowie z polisulfonu odpornej na większość kwasów i zasad. Czujniki VP03/04 tej samej firmy, podobnie jak VP03EP, zamknięto w obudowie z poliamidu 12 odpornej na działanie różnych rozpuszczalników. Te czujniki o stopniu ochrony IP67 mogą być stosowane przy poziomach światła z otoczenia do 100lx. Opcje wyjść zwiernych (Form A, NO) i rozwiernych (Form B, NC) obejmują tranzystory NPN/PNP dla odbiorników prądu stałego lub krzemowe prostowniki sterowane (SCR) dla odbiorników prądu zmiennego. Częstotliwość impulsów optycznych dla czujników zasilanych prądem stałym wynosi 30Hz, natomiast dla czujników zasilanych prądem zmiennym jest to 5Hz. Napięcie znamionowe czujników zasilanych prądem stałym wynosi od 10V₌ do 40V₌. Omawiane czujniki posiadają też diodę LED, która sygnalizuje, że wyjście jest WŁĄCZONE. Czujniki zasilane prądem zmiennym są przystosowane do współpracy z wejściami o napięciu znamionowym 110V_~ lub 230 V_~.

Ilustracja 6: optyczne czujniki poziomu są dostępne w obudowach z polisulfonu i poliamidu 12. (Źródło ilustracji: Carlo Gavazzi)

Podsumowanie

Do monitorowania ilości materiałów płynnych, granulowanych i stałych przechowywanych w zbiornikach stosowane są czujniki wykorzystujące różne technologie, w tym czujniki magnetyczne, pojemnościowe, optyczne i ultradźwiękowe. Pomagają one monitorować poziomy zapasów i kontrolować procesy produkcyjne. Omawiane czujniki są dostępne w obudowach z różnych materiałów, dostosowanych do określonych środowisk pracy, w tym wysokich temperatur, wysokich ciśnień i procesów sterylizacji.