作者：Jeff Shepard

　　由于供應鏈挑戰以及需要監控庫存水平和密切控制制造過程，檢測和測量儲罐中儲存的固體、流體或顆粒材料的數量變得越來越重要。根據應用的不同，液位傳感器可以要求食品安全，承受高壓、高溫或振動，用于對酸和堿具有高耐受性的腐蝕性環境，并具有高度的電氣和熱隔離以確保安全運行。

　　雖然可以設計液位傳感器，但這是一項充滿風險的復雜任務。該過程首先將測量技術(如電容式、磁性、超聲波或光學傳感)與應用相匹配。下一步是選擇外殼、組件和其他材料以支持操作環境。通常還需要獲得安全和監管部門的批準，并確保設計達到所需的防護等級(IP)。

　　相反，設計人員可以轉向預先設計的液位傳感解決方案，以確保準確可靠的測量并加快上市時間。本文首先回顧了電容式、磁性、超聲波和光學傳感技術的操作，包括形式A(常開)和形式B(常閉)器件。然后，它查看材料的適用性和IP等級，并確定每種技術的最佳應用。然后，它介紹了使用磁性、電容式、超聲波和光學傳感的液位傳感器示例。 圖片, 卡洛·加瓦齊， 和 TE 連接.

　　磁性液位傳感器，也稱為浮子傳感器，在密封閥桿中使用簧片開關，帶有包含環形磁鐵的浮子。隨著液位的上升和下降，磁鐵的浮子也會上升和下降。當環上升(或下降)到一定水平時，它會激活簧片開關(圖1)。這些設計非常可靠，適用于 A 型和 B 型配置中的數百萬次開關致動器。它們提供各種外殼材料，如聚丙烯、聚酰胺和不銹鋼，適用于各種液體，有些是食品安全的。型號可用于頂部、底部和側面安裝。

　　圖 1：當磁性液位傳感器中的浮子上升(左)或下降(右)時，它會激活發出信號的干簧開關。(圖片來源：圖片)

　　液體等的電容式傳感

　　除了檢測儲罐中的液位外，電容式液位傳感器還可用于固體或顆粒材料。探頭與罐壁結合形成電容器。電容隨罐中的材料量而變化。通常，罐中的材料越多，電容就越高。這些傳感器可采用各種外殼材料。電容式液位傳感器可以包括可調節的感應距離，并且設計有和沒有內置的打開或關閉時間延遲。它們可以與各種液體和固體一起使用，常見于工業過程和農業應用，如自動牲畜飼喂系統和筒倉(圖 2)。

　　圖 2：測量顆粒牲畜飼料等農業應用通常使用電容式液位傳感器。(圖片來源：Carlo Gavazzi)

　　用于高壓和充氣液體的超聲波

　　超聲波液位傳感器通常在40千赫茲(kHz)的范圍內工作，遠遠超出了人耳的范圍。它們使用穿過間隙的超聲波能量爆發。當液體存在時，超聲波能量的傳輸增強;當只有空氣存在時，能量會衰減。這些間隙傳感器為各種液體提供點水平傳感，特別適用于使用其他技術進行監測可能具有挑戰性的充氣液體。這些密封傳感器的典型設計額定工作在高達 250 磅/平方英寸 (PSI) 的加壓液體中，但特殊設計可在高達 5，000 PSI 的液體中運行(圖 3)。

　　圖 3：超聲波液位傳感器可以在高壓下密封和操作。(圖片來源：TE Connectivity)

　　使用光學傳感器查看液位

　　光學液位傳感器基于空氣和被監測液體之間的不同折射率運行。它們由紅外 (IR) 發射器(發射器)、接收器、放大器和輸出開關組成。發射器通常是砷化鎵(GaAs)紅外發射二極管。輸出可以是用于直流 (DC) 輸出的晶體管或用于交流 (AC) 輸出的 SCR。傳感器的錐形尖端形成棱鏡，紅外脈沖向下傳輸到尖端，當沒有液體存在時，內部反射到接收器。當傳感器的尖端浸入時，液體將具有與空氣不同的折射率，并且光束不會傳輸到接收器(圖 4)。光學液位傳感器用途廣泛，可用于油、廢水和酒精，以及啤酒等食品解決方案， 葡萄酒和煮好的咖啡。

　　圖 4：光學液位傳感器使用空氣(左)和液體的不同折射指數來中斷信號到接收器(右)的傳輸。(圖片來源：Carlo Gavazzi)

　　住房問題

　　外殼材料是決定各種液位傳感器使用位置的關鍵因素。一些常見的外殼材料包括：

　　聚酯具有優異的耐化學性和高抗裂性。它們可在 -70°C 至 +150°C 的溫度范圍內使用。

　　不銹鋼與各種化學品和食品相容。它具有出色的生物清潔性，通常用于制藥和食品加工以及醫療和工業應用。

　　聚酰胺12，也稱為尼龍12，具有高透明度，即使在低溫下也具有良好的韌性，尺寸穩定性和動態強度，并且由于其密度低而重量輕。它可以在高達80°C的溫度下使用。

　　聚砜具有高強度、透明且用途廣泛。它們具有高尺寸穩定性;暴露于沸水或150°C蒸汽或空氣時，尺寸變化小于0.1%。它們對 pH 2 至 pH 13 的電解質、堿和酸具有很強的耐受性。對氧化劑的抵抗力意味著可以使用漂白劑進行清潔。

　　聚丙烯耐許多有機溶劑、酸和堿，但易受氧化性酸、氯化烴和芳烴的侵蝕。它的最高工作溫度為 80 °C。 它對水具有高度的不滲透性，非常適合浸入式應用。

　　防護等級

　　IP 額定代碼在 IEC 60529 中設置，并包含在美國的 ANSI 60529 和歐洲的 EN 60529 中。它們由兩個數字組成，第一個數字表示對固體物體進入的抵抗力，等級為 0 到 6，第二個表示對液體的保護范圍為 0 到 9K。較低的IP等級與發現液位傳感器的應用并不特別相關。一些更高級別的固體物體入口包括：

　　5 – 表示防塵。不能完全防止灰塵進入。但是設備應該在灰塵存在的情況下繼續運行，即使性能水平較低。

　　6 – 表示防塵。消除了灰塵的進入。

　　液體進入的第二個數字更復雜。更高性能的類別包括：

　　7 – 浸入，在規定的壓力和持續時間內浸入最多 1 米(3 英尺 3 英寸)不會導致有害量的水進入。

　　8 – 在制造商指定的條件下連續浸入 1 米(3 英尺 3 英寸)或更深的深度。

　　9K – 提供近距離高壓、高溫噴淋保護。

　　經 FDA 批準的磁性液位傳感器

　　對于需要美國食品和藥物管理局(FDA)批準的應用，設計人員可以使用PIC聚丙烯外殼中的磁性液位傳感器。這 PLS-020A-3PPI 是用于垂直測量的緊湊型傳感器，而 PLS-092A-3聚丙烯 專為水平感應而設計(圖 5)。這些液位傳感器具有 IP67 防護等級和 A 型觸點，額定最大功率為 10 瓦 (W)、0.7 安培 (A)、180 伏直流電 (V直流)和 130 伏交流電 (V交流).它們的工作溫度范圍為 -20 至 +80 °C。

　　圖 5：PLS-092A-3PPH 是一款獲得 FDA 批準的水平磁性液位傳感器。(圖片來源：圖片)

　　電容式傳感器

　　Carlo Gavazzi 的電容式傳感器采用熱塑性聚酯外殼，具有可調節的感應距離和 (VC11RTM2410M) 或不帶 (VC12RNM24) 內置時間延遲。對于具有時間延遲的傳感器，對于表單 A 或表單 B 操作，延遲最長可達 10 分鐘。這些傳感器具有 4 至 12 mm 的可調感應距離，可用于監測各種固體、液體和顆粒材料。單刀雙擲 (SPDT) 繼電器輸出可以直接驅動螺線管和執行器等負載。這些傳感器的工作電源電壓為 20.4 至 255 V交流 或 V直流 額定溫度范圍為 -20°C 至 +70°C

　　具有高重復精度的液位傳感器

　　這 LL01-1AA01 TE Connectivity 的超聲波液位傳感器具有 2 mm 或更高的可重復性，采用數字濾波技術來提高性能。它具有 A 或 B 形式的單刀單擲 (SPST) 繼電器輸出。該傳感器采用不銹鋼外殼封裝，額定電壓為 5.5 V直流 至 30 V直流 輸入，可支持 100 V 的峰值負載電壓交流 或 V直流 連續電流為 3.5 A，最高 +25°C，線性降額至 0.75 A 至 +100°C。 它可以處理高達 250 PSI 的壓力。選項包括最高工作溫度為 80 或 100 °C，1/4“ NPT 或 1/2” NPT 安裝，電纜長度為 1、4、10 和 20 英尺。

　　光學傳感器，可選外殼材料

　　VP01/02 光學液位傳感器，如 VP01EP 來自卡洛·加瓦齊，采用聚砜外殼，可耐受大多數酸和堿。該公司的VP03/04傳感器，如 VP03EP， 采用耐各種溶劑的聚酰胺 12 外殼。這些 IP67 級傳感器可用于高達 100 lux 的環境光水平。A 型和 B 型輸出選擇包括用于直流負載的 NPN/PNP 晶體管或用于交流負載的 SCR。直流供電傳感器的光脈沖頻率為 30 赫茲 (Hz)，而交流供電傳感器的脈沖頻率為 5 赫茲。直流供電傳感器工作電壓為 10 V直流 至 40 V直流 并具有指示輸出打開的 LED。 交流供電傳感器的額定電壓為 110 V交流 或 230 V交流 標稱輸入。

　　圖 6：這些光學液位傳感器提供聚砜和聚酰胺 12 外殼選擇。(圖片來源：Carlo Gavazzi)

　　結論

　　各種傳感技術，包括磁性、電容式、光學和超聲波，可用于監測儲罐中儲存的流體、顆粒和固體材料的數量，幫助監控庫存水平并控制制造過程。這些傳感器采用適合特定操作環境的各種外殼材料，包括高溫、高壓和滅菌過程。