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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 TEConnectivity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）

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）

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）

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）

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。

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 1m (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。

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）

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。

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。

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。

小編的話

重要的東西往往低調。和大型產線設備系統比起來，料位傳感器小到可致忽略。然而，正如文章所言，料位傳感器不僅是生產過程中物料運行的保障，也是改善供應鏈管理的一個重要抓手。了解并準確選用合適的料位傳感器，對物料管理系統的重要性不言而喻。您的物料監測系統采用何種類型的料位傳感器？您對料位傳感器的選用有哪些經驗和建議？歡迎留言，分享討論！

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