A tartályokban lévő anyagok szintjének figyelése az ellátási lánc irányításának javítása érdekében

A tartályokban tárolt szilárd, folyékony vagy szemcsés (granulált) anyagok mennyiségének érzékelése és mérése az ellátási lánc jelentette kihívások, valamint a készletek szoros nyomon követésének és a gyártási folyamatok ellenőrzésének szükségessége miatt egyre fontosabbá vált. A szintérzékelőknek felhasználási területtől függően meg kell felelniük az élelmiszer-biztonsági előírásoknak, ellen kell állniuk a nagy nyomásnak, magas hőmérsékletnek vagy erős rezgéseknek, korrozív környezetben használják őket, ahol nagy ellenállást kell tanúsítaniuk a savakkal és lúgokkal szemben, és a biztonságos működés érdekében erős villamos és hőszigeteléssel kell rendelkezniük.

Bár nem lehetetlen szintérzékelőket tervezni, ez bonyolult és kockázatos feladat. A folyamat a méréstechnika fajtája – például kapacitív, mágneses, ultrahangos vagy optikai érzékelés – és a felhasználási terület összehangolásával kezdődik. A következő lépés az adott működési környezetben való használatra alkalmas házanyagok, alkatrészek és egyéb anyagok kiválasztása. Gyakran van szükség biztonsági és jogszabályban előírt jóváhagyások megszerzésére is, valamint annak biztosítására, hogy a kialakítás elérje a szükséges behatolásvédelmi (IP) minősítést.

Ehelyett a tervezők használhatnak előre elkészített szintérzékelő megoldásokat, amelyek szavatolják a pontos és megbízható méréseket, és felgyorsítják a piacra kerülést. Ez a cikk a kapacitív, mágneses, ultrahangos és optikai érzékelőtechnikák működésének áttekintésével kezdődik, beleértve az A (alaphelyzetben nyitott érintkezőjű) és B (alaphelyzetben zárt érintkezőjű) típusú eszközöket. Ezután megvizsgálja az anyagok alkalmasságát és az IP-besorolást, és meghatározza az egyes technikákhoz legjobban illeszkedő eszközöket. Ezután a mágneses, kapacitív, ultrahangos és optikai érzékelési módot használó szintérzékelőkre mutat példákat a PIC, a Carlo Gavazzi és a TE Connectivity termékválasztékából.

A mágneses folyadékszint-érzékelők, más néven úszós érzékelők egy zárt csőben (szárban) lévő reed-kapcsolót használnak, amelyhez egy mágnesgyűrűt tartalmazó úszó tartozik. Ahogy a folyadékszint emelkedik vagy süllyed, úgy emelkedik vagy süllyed az úszó is a mágnessel. Amikor a gyűrű egy bizonyos szintre emelkedik (vagy süllyed), működteti a reed-kapcsolót (1. ábra). Ezek a szerkezetek rendkívül megbízhatóak, és több millió kapcsolási műveletre vannak méretezve A és B típusú kialakításban is. Különböző anyagú, például polipropilén, poliamid és rozsdamentes acél házzal kaphatóak. Ezek az anyagok különféle folyadékokhoz alkalmasak, és némelyikük megfelel az élelmiszer-biztonsági előírásoknak is. Kaphatóak felső, alsó és oldalsó beszerelésű változatban is.

1. ábra: Amikor a mágneses folyadékszint-érzékelő úszója adott szint fölé emelkedik (balra) vagy adott szint alá süllyed (jobbra), egy jelet küldő reed-kapcsolót működtet (kép: PIC)

Kapacitív érzékelők folyadékok és egyéb anyagok szintjének érzékeléséhez

A tartályokban lévő folyadékok szintjének érzékelése mellett a kapacitív szintérzékelők szilárd vagy szemcsés anyagok esetén is használhatók. A szonda a tartály falával együtt egy kondenzátort képez. A kapacitás a tartályban lévő anyag mennyiségétől függően változik. Általában minél több anyag van a tartályban, annál nagyobb a kapacitás. Ezek az érzékelők különböző anyagú házakkal kaphatóak. A kapacitív szintérzékelők lehetnek állítható érzékelési távolságúak, valamint beépített be- vagy kikapcsolási időkésleltetésűek, illetve anélküliek. Sokféle folyadékkal és szilárd anyaggal használhatók, és gyakran megtalálhatók ipari folyamatokban és mezőgazdasághoz kapcsolódó felhasználási területeken, például automatizált takarmányozórendszerekben és silókban (2. ábra).

2. ábra: A mezőgazdasághoz kapcsolódó felhasználási területeken, például a szemcsés takarmányok mérésére általában kapacitív szintérzékelőket használnak (kép: Carlo Gavazzi)

Ultrahangos érzékelés nagy nyomású és elnyelt gázokat tartalmazó folyadékokhoz

Az ultrahangos szintérzékelők jellemzően a 40 kHz-es tartományban működnek, amely jóval meghaladja az emberi fül frekvenciaérzékenységét. Ezek az érzékelők ultrahangos energiaimpulzusokat küldenek át egy résen. Ha folyadék van a tartályban, az ultrahangos energia átvitele javul, ha csak levegő van benne, az energia csillapítódik. Ezek a réselt érzékelők különböző folyadékok szintelérésének érzékelésére használhatók, és különösen alkalmasak olyan elnyelt gázokat tartalmazó folyadékok szintjének érzékelésére, amelyek esetében ez más módszerekkel komoly kihívást jelenthet. Ezeknek a légmentesen zárt érzékelőknek a jellegzetes változatai legfeljebb 250 psi (font/négyzethüvelyk) (17 bar) nyomású folyadékokban használhatóak, de az egyedi kialakításúak akár 5000 psi (345 bar) nyomásig is működhetnek (3. ábra).

3. ábra: Az ultrahangos szintérzékelők lehetnek hermetikusan zártak és nagy nyomáson működőképesek is (kép: TE Connectivity)

A szintek figyelése optikai érzékelőkkel

Az optikai szintérzékelők a levegő és a megfigyelt folyadék eltérő törésmutatója alapján működnek. Ezek az eszközök egy infravörös (IR) adóból, egy vevőből, egy erősítőből és egy kimenetkapcsolóból állnak. Az adó általában egy infravörös fényt kibocsátó gallium-arzenid (GaAs) világítódióda. A kimenet lehet tranzisztor az egyenáramú (DC) vagy tirisztor a váltakozó áramú (AC) kimenőjelek esetén. Az érzékelő kúpos csúcsa egy prizmát alkot, az infravörös impulzusok lefelé haladnak a csúcsig, és ha nincs folyadék, belül verődnek vissza a vevőbe. Amikor az érzékelő hegye folyadékba merül, mivel a folyadék törésmutatója eltér a levegőétől, a fénynyaláb nem verődik vissza a vevőbe (4. ábra). Az optikai szintérzékelők meglehetősen sokoldalúak, és olajban, szennyvízben és alkoholban, valamint élelmiszeripari területeken, például sörben, borban és lefőzött kávéban is használhatók.

4. ábra: Az optikai szintérzékelők a levegő (balra) és a folyadék eltérő törésmutatóját használják fel a jel vevőhöz való eljutásának megszakítására (jobbra) (kép: Carlo Gavazzi)

Házanyagok

A házak anyaga kulcsfontosságú, mert megszabja, hogy a különböző szintérzékelők hol használhatók. A leggyakoribb házanyagok:

A poliészterek kiválóan ellenállnak számos vegyi anyagnak, és nagymértékben repedésállóak. –70 °C és +150 °C között használhatóak.

A rozsdamentes acél összefér a különböző vegyi anyagokkal és az élelmiszerekkel. Kiváló biológiai tisztíthatóságú, és gyakran használják a gyógyszer- és az élelmiszeriparban, valamint a gyógyászati és ipari berendezésekben.

A poliamid 12, más néven nejlon 12 nagy átlátszóságú, még alacsony hőmérsékleten is meglehetősen szívós, jó méretstabilitású és dinamikus szilárdságú, valamint a kis sűrűsége miatt könnyű. 80 °C-ig használható.

A poliszulfonok nagy szilárdságúak, átlátszóak és sokoldalúak. Nagyfokú a méretstabilitásuk, 0,1% alatti a méretváltozásuk, ha forró víznek, illetve 150 °C-os gőznek vagy levegőnek teszik ki őket. Rendkívül ellenállóak a pH 2 és pH 13 közötti pH-értékű elektrolitokkal, lúgokkal és savakkal szemben. Az oxidálószerekkel szembeni ellenállóképességük azt jelenti, hogy fehérítőszerekkel tisztíthatóak.

A polipropilén ellenáll számos szerves oldószernek, savnak és lúgnak, de érzékeny az oxidáló savak, klórozott szénhidrogének és aromás anyagok támadására. Legnagyobb üzemi hőmérséklete 80 °C. Nagymértékben vízhatlan, így jól alkalmazható vízbe merülő eszközökhöz.

IP-besorolások

Az IP-besorolási kódokat az IEC 60529 szabvány határozza meg, és az Amerikai Egyesült Államokban az ANSI 60529, míg Európában az EN 60529 szabvány tartalmazza. A kódok két számból állnak, az első a szilárd tárgyak behatolásával szembeni ellenállást jelzi 0-tól 6-ig, a második pedig a folyadékokkal szembeni védelmet 0-tól 9K-ig terjedő skálán. Azokon a felhasználási területeken, ahol szintérzékelőket használnak, a kisebb IP-besorolási számok nem igazán játszanak szerepet. A szilárd tárgyak behatolásával szembeni védelem néhány magasabb szintje:

5 – Porálló. A por behatolása nincs teljesen megakadályozva, de a berendezésnek por jelenlétében is tovább kell működnie, még ha alacsonyabb teljesítményszinten is.

6 – Porvédett. A por nem tud bejutni az eszközbe.

A második, a folyadékok behatolására vonatkozó szám összetettebb. A magasabb védettségi kategóriák:

7 – Az 1 méterig (3 láb 3 hüvelyk), meghatározott nyomás mellett és időtartamra történő vízbe merítés nem eredményezi káros mennyiségű víz bejutását.

8 – A gyártó által meghatározott feltételek mellett folyamatosan vízbe meríthető 1 méteres vagy nagyobb mélységig.

9K – Védett a közeli nagynyomású, magas hőmérsékletű vízsugarak ellen.

Az FDA által jóváhagyott mágneses szintérzékelők

Az Amerikai Egyesült Államok Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hatóságának (FDA, Food and Drug Administration) jóváhagyását igénylő berendezésekhez a tervezők használhatják a PIC polipropilén házba szerelt mágneses szintérzékelőit. A PLS-020A-3PPI egy kis méretű érzékelő függőleges mérésekhez, míg a PLS-092A-3PPH vízszintes mérésekhez készült (5. ábra). Ezek a szintérzékelők IP67-es védettségűek, és legfeljebb 10 W teljesítményű, 0,7 A áramfelvételű, 180 V egyenfeszültségre (V_DC) és 130 V váltakozó feszültségre (V_AC) méretezett A típusú érintkezőkkel vannak ellátva. Üzemi hőmérséklet-tartományuk –20 °C és +80 °C közötti.

5. ábra: A PLS-092A-3PPH egy FDA által jóváhagyott vízszintes mágneses szintérzékelő (kép: PIC)

Kapacitív érzékelők

A Carlo Gavazzi hőre lágyuló poliészter házba szerelt kapacitív érzékelői kaphatóak állítható érzékelési távolsággal és beépített időkésleltetéssel (VC11RTM2410M) vagy anélkül (VC12RNM24). Az időkésleltetéssel rendelkező érzékelők esetében a késleltetési idő legfeljebb 10 perc lehet az A és B típusú érzékelők esetében is. Ezeknek az érzékelőknek az érzékelési távolsága 4 mm és 12 mm között állítható, és számos szilárd, folyékony és szemcsés anyag ellenőrzésére használhatók. Az egypólusú, két áramkörös (SPDT) relékimenet közvetlenül vezérel olyan terheléseket, mint a mágnesszelepek és a működtetőelemek. Ezek az érzékelők 20,4 V és 255 V váltakozó vagy egyenfeszültség közötti tápfeszültséggel működnek, és –20 °C és +70 °C közötti a névleges üzemi hőmérsékletük.

Szintérzékelő nagy ismételhetőséggel

A TE Connectivity LL01-1AA01 ultrahangos szintérzékelőjének ismételhetősége 2 mm vagy jobb, és a teljesítmény javítása érdekében digitális szűrőtechnikát használ. Egypólusú, egy áramkörös (SPST), A vagy B típusú relékimenete van. A rozsdamentes acél házba szerelt érzékelő névleges bemenőfeszültsége 5,5 V – 30 V  egyenfeszültség, és 100 V váltakozó vagy egyenfeszültségnyi csúcsterhelést képes elviselni 3,5 A folyamatos áramerősség mellett +25 °C-ig, amely +100 °C-nál lineárisan 0,75 A-re csökken. Maximum 250 psi (17 bar) nyomásig használható. A termékválasztékban található 80 °C és 100 °C legnagyobb üzemi hőmérsékletű, ¼" NPT és ½" NPT rögzítésű, valamint 1, 4, 10 és 20 láb hosszúságú kábellel ellátott változat is.

Optikai érzékelők többféle anyagú házban

A Carlo Gavazzi cég VP01/02 optikai szintérzékelői – például a VP01EP – a legtöbb savnak és lúgnak ellenálló poliszulfon házzal kaphatóak. A cég VP03/04 érzékelői – például a VP03EP – poliamid 12-es (nejlon 12-es) házba vannak szerelve, amely sokféle oldószernek ellenáll. Ezek az IP67-besorolású érzékelők akár 100 lux környezeti fényerő mellett is használhatóak. Az A és B típusú kimeneti lehetőségek között szerepelnek az npn/pnp tranzisztorok egyenáramú terhelések, illetve tirisztorok váltakozó áramú terhelések esetén. Az egyenáramú érzékelők optikaiimpulzus-frekvenciája 30 Hz, míg a váltakozó áramú érzékelők impulzusfrekvenciája 5 Hz. Az egyenáramú érzékelők 10 V és 40 V  közötti egyenfeszültséggel működnek, és egy LED jelzi, ha a kimenet be van kapcsolva. A váltakozó áramú érzékelők névleges bemenőfeszültsége 110 V vagy 230 V váltakozó feszültség.

6. ábra: Ezek az optikai szintérzékelők poliszulfon vagy poliamid 12 házban kaphatóak (kép: Carlo Gavazzi)

Összegzés

A tartályokban tárolt folyadékok, granulált és szilárd anyagok mennyiségének ellenőrzésére, a készletek figyelésére és a gyártási folyamatok ellenőrzésére különböző – többek között mágneses, kapacitív, optikai és ultrahangos – érzékelési technikák állnak rendelkezésre. Ezek az érzékelők különböző speciális üzemi környezetekhez, például magas hőmérséklethez, nagy nyomáshoz és steril folyamatokhoz alkalmas házanyagokkal kaphatóak.