Jak monitorovat úrovně materiálu v nádržích pro zlepšení řízení dodavatelského řetězce

Snímání a měření množství pevných, tekutých nebo granulovaných materiálů skladovaných v nádržích se stává stále důležitější kvůli požadavkům dodavatelského řetězce a potřebě monitorování úrovně zásob a pečlivé kontroly výrobních procesů. V závislosti na aplikaci může být požadováno, aby snímače hladiny byly bezpečné pro potraviny, odolávaly vysokým tlakům, teplotám nebo vibracím, měly vysokou odolnost vůči kyselinám a zásadám při provozu v korozivních prostředích a vysoký stupeň elektrické a tepelné izolace pro zajištění bezpečného provozu.

Ačkoli je návrh snímačů hladiny možný, jedná se o složitý a rizikový úkol. Proces začíná volbou technologie měření, jako je kapacitní, magnetické, ultrazvukové nebo optické snímání, podle dané aplikace. Dalším krokem je výběr tělesa, součástí a dalších materiálů na podporu pracovního prostředí. Často je také nutné získat bezpečnostní a regulační schválení a zajistit, aby návrh dosáhl požadovaného stupně ochrany proti vniknutí (IP).

Konstruktéři mohou namísto toho využívat předem navržená řešení snímání hladiny, která zajišťují přesná a spolehlivá měření a urychlují uvedení na trh. Tento článek začíná funkčním přehledem kapacitních, magnetických, ultrazvukových a optických snímacích technologií, včetně zařízení typu Form A (spínací kontakty) a Form B (rozpínací kontakty). Poté se zabývá vhodností materiálů, jejich klasifikací IP a identifikuje nejvhodnější aplikace pro každou technologii. Dále uvádí příklady hladinových snímačů využívajících magnetické, kapacitní, ultrazvukové a optické snímání od společností PIC ,Carlo Gavazzi, a TE Connectivity.

Magnetické snímače hladiny kapaliny, nazývané také plovákové snímače, používají jazýčkový spínač v utěsněném dříku s plovákem obsahujícím prstencový magnet. Pokud hladina kapaliny stoupá a klesá, stoupá a klesá také plovák s magnetem. Pokud kroužek stoupne (nebo klesne) na určitou úroveň, aktivuje jazýčkový spínač (obrázek 1). Tyto konstrukce jsou vysoce spolehlivé a dimenzované na milióny aplikací se spínacím ovládáním v konfiguracích Form A a Form B. Jsou k dispozici s různými materiály tělesa, jako je polypropylen, polyamid a nerezová ocel, které jsou vhodné pro různé kapaliny a z nichž některé jsou též bezpečné pro potraviny. K dispozici jsou modely pro horní, spodní a boční montáž.

Obrázek 1: pokud plovák v magnetickém snímači hladiny kapaliny stoupá (vlevo) nebo klesá (vpravo), aktivuje jazýčkový spínač, který vysílá signál. (Zdroj obrázku: PIC)

Kapacitní snímání kapalin a dalších látek

Kromě snímání hladiny kapalin v nádržích lze kapacitní snímače hladiny používat také pro pevné látky nebo granulované materiály. Sonda se spojí se stěnou nádrže a vytvoří kondenzátor. Kapacita se mění s množstvím materiálu v nádrži. Obvykle platí, že čím více materiálu v nádrži, tím vyšší kapacita. Tyto snímače jsou k dispozici s různými materiály pouzdra. Kapacitní snímače hladiny mohou zahrnovat nastavitelné snímací vzdálenosti a jsou navrženy s vestavěným časovým zpožděním zapínání a vypínání, nebo bez něj. Mohou být použity se širokou škálou kapalin a pevných látek a běžně se vyskytují v průmyslových procesech a zemědělských aplikacích, jako jsou automatizované systémy krmení hospodářských zvířat a sila (obrázek 2).

Obrázek 2: kapacitní snímače hladiny běžně využívají zemědělské aplikace, jako je měření granulovaných krmiv pro hospodářská zvířata. (Zdroj obrázku: Carlo Gavazzi)

Ultrazvuk pro vysoké tlaky a provzdušňované kapaliny

Ultrazvukové snímače hladiny obvykle pracují v pásmu 40 kHz, což je daleko nad rozsahem lidského sluchu. Pracují s dávkami ultrazvukové energie vysílanými přes vzduchovou mezeru. Je-li přítomna kapalina, přenos ultrazvukové energie je vyšší; je-li přítomen pouze vzduch, dojde k útlumu energie. Tyto senzory se vzduchovou mezerou poskytují bodové snímání hladiny různých kapalin a jsou zvláště vhodné pro použití s provzdušňovanými kapalinami, jejichž monitorování pomocí jiných technologií může být náročné. Typické konstrukce těchto utěsněných snímačů jsou určeny pro provoz v tlakových kapalinách do 250 liber na čtvereční palec (PSI), speciální konstrukce však mohou pracovat až do 5 000 PSI (obrázek 3).

Obrázek 3: ultrazvukové snímače hladiny lze utěsnit a provozovat pod vysokým tlakem. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Snímání úrovní pomocí optických senzorů

Optické snímače hladiny pracují na základě různých indexů lomu mezi vzduchem a sledovanou kapalinou. Skládají se z infračerveného (IR) vysílače (vysílače), přijímače, zesilovače a výstupního spínače. Vysílačem je typicky infračervená dioda na bázi arsenidu galia (GaAs). Výstup může být stejnosměrný (DC) realizovaný tranzistorem nebo střídavý (AC) realizovaný SCR tyristorem. Kónický hrot snímače tvoří hranol, ve kterém jsou IR impulzy odesílány směrem dolů na špičku, a pokud není přítomna žádná kapalina, odrážejí se vnitřně do přijímače. Je-li hrot senzoru ponořen, kapalina bude mít index lomu odlišný od vzduchu a paprsek nebude přenášen do přijímače (obrázek 4). Optické snímače hladiny jsou poměrně univerzální a lze je používat v oleji, v odpadních vodách a alkoholu, stejně jako v potravinářských systémech, jako jsou výroba piva, vína a vařené kávy.

Obrázek 4: optické snímače hladiny používají různé indexy lomu vzduchu (vlevo) a kapaliny k přerušení přenosu signálu do přijímače (vpravo). (Zdroj obrázku: Carlo Gavazzi)

Na tělese záleží

Materiál tělesa je klíčovým prvkem určujícím, kde lze použít různé snímače hladiny. Některé z běžných materiálů tělesa zahrnují:

Polyestery mají vynikající odolnost vůči mnoha chemikáliím a vysokou odolnost proti praskání. Lze je používat v teplotním rozsahu -70 °C až +150 °C.

Nerezová ocel je kompatibilní s různými chemikáliemi a potravinářskými produkty. Má vynikající biologickou čistitelnost a často se používá ve farmaceutickém a potravinářském průmyslu, stejně jako v lékařských a průmyslových aplikacích.

Polyamid 12, nazývaný také Nylon 12, má vysokou průhlednost, dobrou houževnatost i při nízkých teplotách, rozměrovou stálost a dynamickou pevnost a je lehký díky své nízké hustotě. Lze jej používat do teploty 80 °C.

Polysulfony jsou vysoce pevné, průhledné a všestranné. Mají vysokou rozměrovou stálost; změna velikosti je pod 0,1 % při vystavení vroucí vodě nebo páře či vzduchu o teplotě 150 °C. Jsou vysoce odolné vůči elektrolytům, zásadám a kyselinám od pH 2 do pH 13. Odolnost vůči oxidačním činidlům znamená, že jej lze čistit pomocí bělidel.

Polypropylen je odolný vůči mnoha organickým rozpouštědlům, kyselinám a zásadám, ale také náchylný k napadení oxidujícími kyselinami, chlorovanými uhlovodíky a aromatickými látkami. Jeho maximální provozní teplota je 80 °C. Polypropylen vysoce nepropustný pro vodu a tedy vhodný pro ponorné aplikace.

Klasifikace IP

Stupně krytí IP jsou stanoveny v normě IEC 60529 a zahrnuty v normě ANSI 60529 v USA a EN 60529 v Evropě. Skládají se ze dvou čísel, přičemž první označuje odolnost proti vniknutí pevných předmětů na stupnici od 0 do 6 a druhé označuje ochranu před kapalinami na stupnici od 0 do 9K. Nižší hodnoty IP nejsou zvláště důležité pro aplikace, kde se nacházejí snímače hladiny. Některé z vyšších úrovní ochrany vniknutí pevných předmětů zahrnují:

5 - označuje ochranu proti prachu. Vnikání prachu není zcela zabráněno. Zařízení by však v přítomnosti prachu mělo pokračovat v provozu, i když s nižší úrovní výkonu.

6 - označuje prachotěsnost. Vnikání prachu je eliminováno.

Druhé číslo ochrany proti vnikání kapalin je složitější. K vyšším výkonnostním kategoriím patří:

7 - Ponoření do hloubky 1 m (3 stopy, 3 palce) při definovaném tlaku a po definovanou dobu nebude mít za následek vniknutí vody ve škodlivém množství.

8 - Trvalé ponoření do hloubky až 1 m (3 stopy 3 palce) nebo více za podmínek specifikovaných výrobcem.

9K - Ochrana proti vysokotlaké stříkající vodě o vysoké teplotě z blízkosti.

Magnetické snímače hladiny schválené úřadem FDA

Pro aplikace vyžadující schválení amerického Úřadu pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) mohou konstruktéři využívat magnetické snímače hladiny v polypropylenových pouzdrech od společnosti PIC. Model PLS-020A-3PPI je kompaktní snímač pro vertikální měření, přičemž model PLS-092A-3PPH je určen pro horizontální snímání (obrázek 5). Tyto snímače hladiny mají krytí IP67, kontakty typu Form A jsou dimenzovány na max. zatížení10 W, 0,7 A, 180 V_DC nebo 130 V_AC. Pracují v teplotním rozsahu -20 až +80 °C.

Obrázek 5: PLS-092A-3PPH je horizontální magnetický snímač hladiny se schválením FDA. (Zdroj obrázku: PIC)

Kapacitní snímače

Kapacitní snímače od společnosti Carlo Gavazzi v tělese z termoplastového polyesteru jsou k dispozici s nastavitelnou snímací vzdáleností a s vestavěným časovým zpožděním (VC11RTM2410M ) nebo bez něj (VC12RNM24). U senzorů s časovým zpožděním může být zpoždění až 10 minut pro spínání typu Form A nebo Form B. Tyto senzory mají nastavitelnou snímací vzdálenost 4 až 12 mm a lze je používat k monitorování různých pevných, kapalných a granulovaných materiálů. Reléový výstup s jednopólovým dvoucestným (SPDT) přepínačem může přímo ovládat zátěže, jako jsou elektromagnety a aktuátory. Tyto snímače pracují s napájecím napětím 20,4 V až 255 V_AC nebo V_DC a jsou dimenzovány na provoz v teplotním rozsahu -20 °C až +70 °C.

Snímač hladiny s vysokou opakovatelností

Ultrazvukový snímač hladiny LL01-1AA01 od společnosti TE Connectivity se vyznačuje opakovatelností 2 mm nebo lepší při použití technik digitálního filtru pro zlepšení výkonu. Senzor je opatřen reléovým výstupem (SPST) s jednopólovým jednocestným spínačem typu Form A nebo Form B. Tento senzor umístěný v tělese z nerezové oceli je dimenzován na vstupní napětí 5,5 V_DC až 30 V_DC a je schopen podporovat zátěžná napětí ve špičce 100 V_AC nebo V_DC s trvalým proudem 3,5 A do teplot +25 °C s lineárním poklesem na 0,75 A při +100°C. Senzor odolává tlakům až 250 PSI. Volitelné možnosti provedení zahrnují maximální provozní teplotu 80 nebo 100 °C, montáž ¼” NPT nebo ½” NPT a kabely v délce 1, 4, 10 a 20 stop.

Optické snímače s různými materiály tělesa

Optické snímače hladiny VP01/02, například model VP01EP od společnosti Carlo Gavazzi, jsou umístěny v polysulfonovém tělese odolném proti většině kyselin a zásad. Snímače VP03/04 od této společnosti, například model VP03EP, jsou umístěny v tělese z polyamidu 12 odolného vůči různým rozpouštědlům. Tyto senzory s krytím IP67 lze používat při úrovních okolního osvětlení až do 100 luxů. Výstupy typu Form A a Form B mohou být s NPN/PNP tranzistory pro stejnosměrné zátěže nebo s tyristory SCR pro střídavé zátěže. Senzory napájené stejnosměrným napětím mají optickou pulzní frekvenci 30 Hz, zatímco senzory napájené střídavým napětím mají pulzní frekvence 5 Hz. Senzory napájené stejnosměrným napětím pracují v rozsahu 10 V_DC až 40 V_DC a jsou opatřeny LED diodou, která indikuje zapnutí výstupu. Senzory napájené střídavým napětím jsou dimenzovány na jmenovité vstupní napětí 110 V_AC nebo 230 V_AC.

Obrázek 6: tyto optické snímače hladiny jsou k dispozici v různých tělesech z polysulfonu a polyamidu 12. (Zdroj obrázku: Carlo Gavazzi)

Závěr

K dispozici jsou různé snímací technologie, včetně magnetických, kapacitních, optických a ultrazvukových, které monitorují množství tekutých, granulovaných a pevných materiálů uložených v nádržích, pomáhají sledovat stav zásob a řídit výrobní procesy. Tyto senzory jsou k dispozici v různých materiálech tělesa vhodných pro konkrétní provozní prostředí, včetně vysokých teplot, vysokých tlaků a sterilizačních procesů.