【導讀】由于現今的供應鏈面臨諸多挑戰，加上密切監測庫存水平和控制生產工藝的需求，感應和測量儲罐中固體、液體或顆粒狀材料的儲量就變得越來越重要。根據應用的不同，料位傳感器可能必須為食品安全型；能夠耐受高壓、高溫或振動；具有高酸堿耐受性，能夠在腐蝕性環境中使用；并具有高電氣隔離和熱隔離性，以確保安全運行。
雖然設計料位傳感器并非不可能，但這是一項充滿風險的復雜任務。首先要找出與應用相匹配的測量技術，如電容、磁性、超聲波或光學感測。然后選擇支持工作環境的外殼、元器件和其他材料。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侵入防護 (IP) 等級。
設計人員可以改用預先設計的料位傳感解決方案，以確保準確可靠的測量，同時加速產品上市時間。本文首先回顧了電容、磁性、超聲波和光學感測技術的工作方式，包括 A 型（常開）和 B 型（常閉）器件。隨后探討材料的適用性和 IP 防護等級，并確定每種技術最適合的應用。最后舉例介紹了PIC、Carlo Gavazzi和TE Connectivity采用磁性、電容、超聲波和光學感測技術的料位傳感器。
磁性料位傳感器又叫浮子傳感器，采用密封桿中的磁簧開關設計，浮子中包含環形磁鐵。帶有磁鐵的浮子會隨著液位一起上升和下降。當磁環上升（或下降）到某一水平時，就會激活磁簧開關（圖 1）。這種設計高度可靠，在 A 型和B 型配置中的額定開關操作次數可達數百萬次。外殼材料有多種材料可選，如聚丙烯、聚酰胺和不銹鋼，適用于各種液體，并且有些為食品安全型。款型分為頂部、底部和側面安裝式。
圖 1：當磁性料位傳感器中的浮子上升（左）或下降（右）時，會激活磁簧開關，發出信號。（圖片來源：PIC）
1 用于液體等物料的電容感測
除了感測儲罐中的液位外，電容式料位傳感器還可用于固體或顆粒狀材料。探針與罐壁結合，形成一個電容器。電容值隨儲罐內的材料量變化。通常，儲罐中的材料越多，電容就越大。這類傳感器有各種外殼材料可供選擇。電容式料位傳感器的感測距離可調節，并可設計配備或不配備內置的開啟或關閉時間延遲功能。這類傳感器可用于各種液體和固體，常見于工業過程和農業應用，如自動牲畜喂養系統和筒倉（圖 2）。
圖 2：農業應用（如測量顆粒狀牲畜飼料）通常使用電容式料位傳感器。（圖片來源：Carlo Gavazzi）
2 用于高壓和充氣液體的超聲波技術
超聲波料位傳感器工作范圍通常為 40 kHz，遠遠超出人耳聽力范圍。這類傳感器利用穿過間隙傳送的超聲波能量來工作。當有液體存在時，超聲波能量的傳輸將得到加強；當只有空氣時，能量會衰減。這些間隙傳感器為各種液體提供點液位感測，特別適合用于其他技術難以監測的充氣液體。這類密封傳感器的典型設計是在高達 250 PSI 的加壓液體中工作，但特殊設計工作壓力最高可達 5,000 PSI（圖 3）。
圖 3：超聲波料位傳感器可以密封并在高壓下工作。（圖片來源：TE Connectivity）
3 用光學傳感器感測料位
光學料位傳感器根據空氣與受監測液體之間的不同折射率來工作。這類傳感器由一個紅外 (IR) 發射器（發送器）、一個接收器、一個放大器和一個輸出開關組成。發射器通常是砷化鎵 (GaA) 紅外發射二極管。輸出可以是晶體管（DC 輸出），或者可控硅整流器（AC 輸出）。傳感器的錐形尖端形成一個棱鏡，紅外脈沖向下傳輸到尖端，當沒有液體時，經內部反射到接收器。當傳感器的尖端浸沒時，液體將具有與空氣不同的折射率，而光束將不會傳輸至接收器（圖 4）。光學料位傳感器的用途相當廣泛，可用于石油、廢水和酒精，以及啤酒、葡萄酒和沖泡咖啡等食品溶液。
圖 4：光學料位傳感器利用空氣（左）和液體（右）的不同折射率來中斷向接收器傳輸信號。（圖片來源：Carlo Gavazzi）
4 外殼方面
外殼材料對于決定各種料位傳感器的適用場合是關鍵因素。一些常見的外殼材料包括：
聚酯對許多化學品有很好的耐受性，且抗裂性強，可以在 -70°C 至 +150°C 溫度下使用。
不銹鋼與各種化學品和食品相容。其具有出色的生物清潔能力，常用于制藥和食品加工以及醫療和工業應用。
聚酰胺 12 又叫尼龍 12，具有高透明度、良好的低溫韌性、優異的尺寸穩定性和動態強度，并且因密度低而重量輕。使用溫度最高可達 80°C。
聚砜具有強度高、透明和用途廣泛的優點。這種材料有很高的尺寸穩定性；當暴露在沸水或 150°C 的蒸汽或空氣中時，尺寸變化低于 0.1%。對 pH 2 至 pH 13 的電解質、堿和酸具有很高的耐受性。耐受氧化劑意味著可以用漂白劑進行清洗。
聚丙烯耐受許多有機溶劑、酸和堿，但易受氧化性酸、氯化碳氫化合物和芳香族化合物侵蝕。其最高工作溫度為 80°C。由于高度不透水，因此非常適合于浸泡應用。
5 IP 防護等級
IP 防護等級代碼在 IEC 60529 中設定，并納入美國的 ANSI 60529 和歐洲的 EN 60529 標準中。等級由兩個數字組成，第一個數字表示對固體物侵入的耐受性，范圍為 0 至 6；第二個數字表示對液體的防護等級，范圍為 0 至 9K。較低的 IP 防護等級一般不適合料位傳感器的應用場合。一些較高的固體物侵入防護等級包括：
● 5 – 表示防塵。不能完全防止灰塵侵入。但是在有灰塵的情況下，設備應該能繼續工作，只是性能水平較低。
● 6 – 表示塵密。完全防止灰塵侵入。
● 液體侵入的第二個數字更為復雜。性能較高的類別包括：
● 7 – 在規定的壓力和時間內，浸入深達 1 m (3 ft 3 in) 的水中，侵入的水不會達到有害水量。
● 8 – 在制造商規定的條件下持續浸泡于深達1 m (3 ft 3 in) 或更深的水中。
● 9K – 提供近距離高壓、高溫噴淋防護。
6 經 FDA 批準的磁性料位傳感器
對于需要美國食品藥品監督管理局 (FDA) 批準的應用，設計人員可以選用 PIC 的聚丙烯外殼磁性料位傳感器。PLS-020A-3PPI 是一款用于垂直測量的緊湊型傳感器，而 PLS-092A-3PPH 專為水平感測設計（圖 5）。這款料位傳感器具有IP67 防護等級，A 型觸點的最大額定值為 10 W、0.7 A、180 VDC 和 130 VAC。其工作溫度范圍為 -20 至 +80°C。
圖 5：PLS-092A-3PPH是經 FDA 認證的水平磁性料位傳感器。（圖片來源：PIC）
7 電容傳感器
Carlo Gavazzi 的電容傳感器采用熱塑性聚酯外殼，可調節感測距離，并可選擇配備 (VC11RTM2410M) 或不配備 (VC12RNM24) 內置時間延遲功能。具有時間延遲功能的傳感器，最多可讓 A 型或 B 型動作延遲 10 分鐘。這些傳感器具有 4 至 12 mm 的可調感測距離，可用于監測各種固體、液體和顆粒狀材料。單刀雙擲 (SPDT) 繼電器輸出可以直接驅動負載，如螺線管和致動器。這類傳感器的工作電壓為20.4 至 255 VAC 或 VDC，額定溫度為 -20°C 至 +70°C。
8 具有高重復性的料位傳感器
TE Connectivity 的 LL01-1AA01 超聲波料位傳感器具有 2 mm 或更高的重復性，借助數字濾波器技術來提高性能。具有 A 型或 B 型單刀單擲 (SPST)繼電器輸出，這款傳感器封裝在不銹鋼外殼中，額定輸入電壓為 5.5 VDC 至 30 VDC，可支持 100 VAC或 VDC 的峰值負載電壓，在高達 +25°C 下，連續電流為 3.5 A，線性降額至 +100°C 下的 0.75 A。最高能承受 250 PSI 的壓力。提供多種型號選擇，包括：最高工作溫度可選 80 或 100°C，安裝方式可選?” NPT 或 ?” NPT，以及電纜長度可選 1、4、10 和 20 ft。
9 外殼材料可選的光學傳感器
VP01/02 光學料位傳感器與Carlo Gavazzi 的VP01EP 一樣，采用聚砜外殼，可耐受大多數酸和堿。該公司的 VP03/04 傳感器與 VP03EP 一樣，采用聚酰胺 12 外殼，可耐受各種溶劑。這些 IP67 防護等級的傳感器可以在環境光水平高達 100 lux 的情況下使用。A 型和 B 型輸出可選擇NPN/PNP 晶體管（DC 負載）或可控硅整流器（AC 負載）。直流供電的傳感器光脈沖頻率為 30 Hz，而交流供電的傳感器脈沖頻率為 5 Hz。直流供電的傳感器工作電壓為 10 VDC至 40 VDC，并設有LED，用于指示輸出已開啟。交流供電的傳感器額定輸入電壓為 110 VAC 貨 230 VAC。
圖 6：這些光學料位傳感器有聚砜和聚酰胺 12 外殼可供選擇。（圖片來源：Carlo Gavazzi）
總結
現今有各種傳感技術（包括磁性、電容、光學和超聲波）可用于監測儲罐中的液體、顆粒和固體材料儲量，以幫助監測庫存水平并控制生產工藝。這些傳感器有各種外殼材料可供選擇，適合特定工作環境，包括高溫、高壓和滅菌程序。
作者：Jeff Shepard
來源：DigiKey
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