Säiliöiden materiaalitasojen valvonta toimitusketjujen hallinnan parantamiseksi

Säiliöissä varastoitavien kiinteiden, nestemäisten tai raemateriaalien määrän tunnistuksesta ja mittaamisesta on tullut yhä tärkeämpää. Tähän ovat vaikuttaneet toimitusketjun haasteet sekä se, että varastotasoja halutaan seurata ja valmistusprosesseja halutaan valvoa tarkasti. Tasoantureilta voidaan vaatia sovelluksesta riippuen elintarviketurvallisuutta, korkeiden paineiden, lämpötilojen tai tärinänkestävyyttä, käytettävyyttä syövyttävissä ympäristöissä (korkeaa hapon- ja emäksenkestävyyttä) sekä korkeatasoista sähkö- ja lämpöeristystä turvallisen toiminnan takaamiseksi.

Vaikka tasoantureiden suunnittelu on mahdollista, se on monimutkainen ja riskialtis tehtävä. Prosessi alkaa sovellukseen sopivan mittaustekniikan valinnasta, esimerkkeinä kapasitiivinen, magneettinen, ultraääni- tai optinen anturi. Seuraavaksi on valittava kotelo, komponentit ja muut materiaalit, jotka sopivat käyttöympäristöön. Usein on myös hankittava turvallisuus- ja viranomaishyväksynnät ja varmistettava, että ratkaisu täyttää vaaditun IP-suojausluokan.

Suunnittelijat voivat tämän sijaan käyttää valmiita tasonmittausratkaisuja, jotka takaavat tarkat ja luotettavat mittaukset ja nopeuttavat markkinoilletuontiaikaa. Tässä artikkelissa tarkastellaan ensiksi kapasitiivisten, magneettisten, ultraääni- ja optisten anturitekniikoiden toimintaa, kattaen A-muotoiset (normaalisti avoimet) ja B-muotoiset (normaalisti suljetut) laitteet. Sitten artikkelissa tarkastellaan materiaalien soveltuvuutta ja IP-luokituksia ja identifioidaan kullekin tekniikalle parhaiten soveltuvat käyttökohteet. Sen jälkeen artikkelissa esitellään esimerkkejä magneettista, kapasitiivista, ultraääni- ja optista tunnistusta käyttävistä tasoantureista valmistajilta PIC, Carlo Gavazzi ja TE Connectivity.

Magneettiset nestetasoanturit, joita kutsutaan myös uimuriantureiksi, käyttävät tiivistettyyn varteen sijoitettua reed-kytkintä sekä rengasmagneetin sisältävää uimuria. Kun nestepinta nousee ja laskee, myös magneetilla varustettu uimuri nousee ja laskee. Kun rengas nousee (tai laskee) tietylle tasolle, reed-kytkin aktivoituu (kuva 1). Nämä ratkaisut ovat erittäin luotettavia ja ne on luokiteltu miljoonille kytkentäkerroille A- ja B-muodon konfiguraatioissa. Niitä on saatavana erilaisille nesteille soveltuvilla erilaisilla kotelomateriaaleilla, kuten polypropeeni, polyamidi ja ruostumaton teräs. Jotkut niistä ovat elintarviketurvallisia. Malleja on saatavana ylä-, ala- ja sivuasennukseen.

Kuva 1: Magneettisen nestetasoanturin uimuri nouseminen (vasemmalla) tai laskeminen (oikealla) aktivoi reed-kytkimen, joka lähettää signaalin. (Kuvan lähde: PIC)

Kapasitiiviset anturit mm. nesteitä varten

Kapasitiivisia tasoantureita voidaan käyttää säiliöiden nestetasojen mittauksen lisäksi myös kiinteiden tai raemateriaalien mittaukseen. Mittapää muodostaa yhdessä säiliön seinämän kanssa kondensaattorin. Kapasitanssi vaihtelee säiliössä olevan materiaalin määrän mukaan. Kapasitanssi on normaalisti sitä suurempi, mitä enemmän säiliössä on materiaalia. Näitä antureita on saatavana erilaisilla kotelomateriaaleilla. Kapasitiiviset tasoanturit voivat tarjota säädettävän mittausetäisyyden. Niitä on saatavilla sekä sisäänrakennetulla aikaviiveellä päälle- ja poiskytkentää varten että ilman sitä. Näitä antureita voidaan käyttää monenlaisten nesteiden ja kiinteiden aineiden kanssa, ja niitä käytetään yleisesti teollisuusprosesseissa ja maataloussovelluksissa, kuten automaattisissa karjanruokintajärjestelmissä ja siiloissa (kuva 2).

Kuva 2: Maataloussovelluksissa, kuten raerehujen mittauksessa, käytetään yleisesti kapasitiivisia tasoantureita. (Kuvan lähde: Carlo Gavazzi)

Ultraääni korkeille paineille ja ilmastetuille nesteille

Ultraäänitasoanturit toimivat tyypillisesti 40 kilohertsin (kHz) alueella, joka on huomattavasti ihmiskorvan kuuloalueen ulkopuolella. Ne käyttävät ultraäänienergian purskeita, jotka lähetetään raon yli. Kun raossa on nestettä, ultraäänienergian siirtyminen tehostuu; kun raossa on vain ilmaa, energia vaimenee. Nämä rakoanturit mahdollistavat erilaisten nesteiden pistetason mittauksen, ja ne soveltuvat erityisen hyvin käytettäviksi ilmastettujen nesteiden kanssa, joiden mittaaminen voi olla muilla tekniikoilla haastavaa. Näiden tiivistettyjen antureiden tyypilliset mallit on luokiteltu käyttöön paineistetuissa nesteissä enintään 250 paunaa neliötuumaa kohti (PSI), mutta erikoismallit voivat toimia jopa 5 000 PSI:n paineessa (kuva 3).

Kuva 3: Ultraäänitasoanturit voidaan tiivistää ja niitä voidaan käyttää korkeissa paineissa. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Tasojen mittaus optisilla antureilla

Optiset tasoanturit toimivat ilman ja valvottavan nesteen erilaisten taitekerrointen perusteella. Ne koostuvat infrapunaemitteristä (lähettimestä), vastaanottimesta, vahvistimesta ja lähtökytkimestä. Lähetin on normaalisti galliumarsenidi-infrapunadiodi (GaAs). Lähtö voi olla transistori tasavirtalähdöille (DC) tai SCR vaihtovirtalähdöille (AC). Anturin kartionmuotoinen kärki muodostaa prisman. Infrapunapulssit lähetetään anturissa alas prisman kärkeen ja ne heijastuvat sisäisesti vastaanottimeen ellei kärjessä ole nestettä. Kun anturin kärki on upotettu nesteeseen, nesteen taitekerroin on erilainen kuin ilmalla, eikä säde välity vastaanottimeen (kuva 4). Optiset tasoanturit ovat varsin monipuolisia, ja niitä voidaan käyttää öljyssä, jätevedessä ja alkoholissa sekä elintarvikeliuoksissa, kuten oluessa, viinissä ja keitetyssä kahvissa.

Kuva 4: Optiset tasoanturit käyttävät ilman (vasemmalla) ja nesteen eri taitekertoimia, jolloin signaalin siirtyminen vastaanottimeen keskeytyy (oikealla). (Kuvan lähde: Carlo Gavazzi)

Kotelo on tärkeä

Kotelomateriaali on tärkeä elementti, joka määrää, missä eri tasoantureita voidaan käyttää. Yleisimpiin kotelomateriaaleihin kuuluvat:

Polyesterit kestävät erinomaisesti monia kemikaaleja ja eivätkä ne halkeile helposti. Niitä voidaan käyttää lämpötila-alueella −70 ...+150 °C.

Ruostumatonta terästä voidaan käyttää erilaisten kemikaalien ja elintarvikkeiden kanssa. Se on helppo puhdistaa biologista epäpuhtauksista ja sitä käytetään paljon lääke- ja elintarviketeollisuudessa sekä lääketieteellisissä ja teollisissa sovelluksissa.

Polyamidi 12, jota kutsutaan myös nimellä nylon 12, on läpinäkyvää, hyvin kestävää myös alhaisissa lämpötiloissa, säilyttää mittansa ja on dynaamisesti lujaa sekä kevyttä pienen tiheytensä ansiosta. Sitä voidaan käyttää aina 80 °C:n lämpötilaan asti.

Polysulfonit ovat erittäin lujia, läpinäkyviä ja monikäyttöisiä. Ne säilyttävät hyvin mittansa; koonmuutos on alle 0,1 % kun kappale altistuu kiehuvalle vedelle tai 150 asteen höyrylle tai ilmalle. Ne kestävät hyvin elektrolyyttejä, emäksiä ja happoja välillä pH 2–13. Koska materiaali kestää hapettavia aineita, se voidaan puhdistaa valkaisuaineilla.

Polypropeeni kestää monia orgaanisia liuottimia, happoja ja emäksiä, mutta on altis hapettavien happojen, kloorattujen hiilivetyjen ja aromaattisten liottimien vaikutuksille. Sen maksimi käyttölämpötila on 80 °C. Se on hyvin vedenpitävää, joten se soveltuu hyvin upotussovelluksiin.

IP-luokitukset

IP-luokituskoodit on määritelty standardissa IEC 60529, ja ne sisältyvät Yhdysvalloissa standardiin ANSI 60529 ja Euroopassa standardiin EN 60529. Ne koostuvat kahdesta numerosta, joista ensimmäinen kuvaa kestävyyttä kappaleiden sisäänpääsyä vastaan asteikolla 0–6 ja toinen suojausta nesteitä vastaan asteikolla 0–9 K. Alhaiset IP-luokitukset eivät ole erityisen olennaisia tasoantureiden käyttösovelluksissa. Kiinteiden kappaleiden sisäänpääsyä kuvaavia korkeampia tasoja ovat mm. seuraavat:

5 – Ilmaisee pölysuojausta. Suojattu pölyltä, mutta ei täydellisesti. Laitteen pitäisi kuitenkin jatkaa toimintaansa pölystä huolimatta, vaikkakin alhaisemmalla suorituskykytasolla.

6 – Ilmaisee pölytiiviyttä. Täydellisesti pölyltä suojattu.

Toinen numero nesteiden sisäänpääsyä vastaan on kompleksisempi. Korkeampia suorituskykyluokkia ovat mm.:

7 - Upotus enintään 1 metriin (3 jalkaa, 3 tuumaa) tiettyyn paineeseen ja tietyksi aikaa ei aiheuta veden sisäänpääsyä haitallisessa määrin.

8 - Kestää jatkuvan upotuksen 1 metriin (3 jalkaa 3 tuumaa) tai sitä syvemmälle valmistajan määrittelemissä olosuhteissa.

9K - Kestää suurella paineella läheltä ruiskutettua kuumaa vettä ja höyryä.

FDA:n hyväksymät magneettiset tasoanturit

Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkeviraston (FDA) hyväksyntää edellyttävissä sovelluksissa suunnittelijat voivat käyttää PIC-yrityksen magneettisia tasoantureita polypropeenikoteloissa. PLS-020A-3PPI on kompakti anturi pystysuoriin mittauksiin, kun taas PLS-092A-3PPH on suunniteltu vaakasuoraan mittaukseen (kuva 5). Näillä tasoantureilla on IP67-luokitus ja A-muodon koskettimet, jotka on luokiteltu jopa 10 watille (W), 0,7 ampeerille (A), 180 voltin tasavirralle (V_DC) ja 130 voltin vaihtovirralle (V_AC). Niiden käyttölämpötila-alue on −20 ... +80 °C.

Kuva 5: PLS-092A-3PPH on horisontaalinen magneettinen tasoanturi, jolla on FDA:n hyväksyntä. (Kuvan lähde: PIC)

Kapasitiiviset anturit

Carlo Gavazzin kestomuovisessa polyesterikotelossa olevia kapasitiivisia antureita on saatavana säädettävillä mittausetäisyyksillä ja sisäänrakennetulla aikaviiveellä (VC11RTM2410M) tai ilman sitä (VC12RNM24). Aikaviivetoiminnolla varustetuissa antureissa viive voi olla jopa 10 minuuttia A- tai B-muodon toimenpiteissä. Näiden antureiden mittausetäisyys on säädettävissä 4–12 mm, ja niitä voidaan käyttää erilaisten kiinteiden, nestemäisten ja raemateriaalien monitorointiin. Yhden navan kahden kytkentäpisteen (SPDT) relelähtö voi ohjata suoraan kuormia, kuten solenoideja ja aktuaattoreita. Nämä anturit toimivat syöttöjännitteillä 20,4–255 V_AC tai V_DC, ja niiden lämpötilaluokitus on −20 ...+70 °C.

Tasoanturi korkealla toistettavuudella

TE Connectivityn ultraäänitasoanturin LL01-1AA01 toistettavuus on 2 mm tai parempi. Se käyttää digitaalisia suodatustekniikoita suorituskyvyn parantamiseksi. Se sisältää yhden navan ja yhden kytkentäpisteen (SPST) relelähdön joko A- tai B-muodossa. Tämän ruostumattomasta teräksestä valmistettua koteloa käyttävän anturin jännitealue on 5,5 V_DC–30 V_DC, ja se tukee huippukuormitusjännitteitä 100 V_AC tai V_DC 3,5 A:n jatkuvalla virralla lämpötilassa +25 °C. Teho laskee lineaarisesti 0,75 ampeeriin lämpötilassa +100 °C. Se soveltuu jopa 250 PSI:n paineille. Vaihtoehtoihin kuuluvat enimmäiskäyttölämpötila 80 tai 100 °C , ¼” NPT- tai ½” NPT-kiinnitys ja kaapelipituudet 1, 4, 10 ja 20 jalkaa.

Optiset anturit saatavilla eri kotelomateriaaleissa

Optiset VP01/02-tasoanturit, kuten Carlo Gavazzin VP01EP, on sijoitettu polysulfonikoteloon, joka kestää useimpia happoja ja emäksiä. Yrityksen VP03/04-anturit, kuten VP03EP, käyttävät polyamidi 12 -koteloa, joka kestää erilaisia liuottimia. Näitä IP67-luokiteltuja antureita voidaan käyttää jopa 100 luxin ympäristövalaistustasossa. A- ja B-muodon lähtöihin on valittavana NPN/PNP-transistorit DC-kuormia varten tai SCR AC-kuormia varten. Tasavirtaa käyttävien antureiden optinen pulssitaajuus on 30 hertsiä (Hz), kun taas vaihtovirtaa käyttävien antureiden pulssitaajuus on 5 Hz. Tasavirtaa käyttävät anturit toimivat jännitealueella 10 V_DC – 40 V_DC, ja ne sisältävät ledin, joka ilmaisee lähdön olevan päällä. Vaihtovirtaa käyttävien anturien jänniteluokitus on 110 V_AC tai 230 V_AC.

Kuva 6: Näitä optisia tasoantureita on saatavana polysulfoni- ja polyamidi 12 -koteloissa. (Kuvan lähde: Carlo Gavazzi)

Yhteenveto

Erilaisia anturitekniikoita, kuten magneettisia, kapasitiivisia, optisia ja ultraäänitekniikoita, on saatavilla säiliöihin varastoitavien nestemäisten, rakeisten ja kiinteiden materiaalien määrän monitorointiin, varastotasojen seurantaan ja valmistusprosessien valvontaan. Näitä antureita on saatavana erilaisilla tiettyihin käyttöympäristöihin soveltuvilla kotelomateriaaleilla, esimerkkeinä korkea lämpötila, korkea paine ja sterilointiprosessit.