产线能否持续运转？这个低调的器件说了算！

由于现今的供应链面临诸多挑战，加上密切监测库存水平和控制生产工艺的需求，感应和测量储罐中固体、液体或颗粒状材料的储量就变得越来越重要。根据应用的不同，料位传感器可能必须为食品安全型；能够耐受高压、高温或振动；具有高酸碱耐受性，能够在腐蚀性环境中使用；并具有高电气隔离和热隔离性，以确保安全运行。

虽然设计料位传感器并非不可能，但这是一项充满风险的复杂任务。首先要找出与应用相匹配的测量技术，如电容、磁性、超声波或光学感测。然后选择支持工作环境的外壳、元器件和其他材料。通常还需要获得安全和监管部门的批准，并确保设计达到所需的侵入防护 (IP) 等级。

设计人员可以改用预先设计的料位传感解决方案，以确保准确可靠的测量，同时加速产品上市时间。本文首先回顾了电容、磁性、超声波和光学感测技术的工作方式，包括 A 型（常开）和 B 型（常闭）器件。随后探讨材料的适用性和 IP 防护等级，并确定每种技术最适合的应用。最后举例介绍了PIC、Carlo Gavazzi和TEConnectivity采用磁性、电容、超声波和光学感测技术的料位传感器。

磁性料位传感器又叫浮子传感器，采用密封杆中的磁簧开关设计，浮子中包含环形磁铁。带有磁铁的浮子会随着液位一起上升和下降。当磁环上升（或下降）到某一水平时，就会激活磁簧开关（图 1）。这种设计高度可靠，在 A 型和B 型配置中的额定开关操作次数可达数百万次。外壳材料有多种材料可选，如聚丙烯、聚酰胺和不锈钢，适用于各种液体，并且有些为食品安全型。款型分为顶部、底部和侧面安装式。

图 1：当磁性料位传感器中的浮子上升（左）或下降（右）时，会激活磁簧开关，发出信号。（图片来源：PIC）

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用于液体等物料的电容感测

除了感测储罐中的液位外，电容式料位传感器还可用于固体或颗粒状材料。探针与罐壁结合，形成一个电容器。电容值随储罐内的材料量变化。通常，储罐中的材料越多，电容就越大。这类传感器有各种外壳材料可供选择。电容式料位传感器的感测距离可调节，并可设计配备或不配备内置的开启或关闭时间延迟功能。这类传感器可用于各种液体和固体，常见于工业过程和农业应用，如自动牲畜喂养系统和筒仓（图 2）。 图 2：农业应用（如测量颗粒状牲畜饲料）通常使用电容式料位传感器。（图片来源：Carlo Gavazzi）

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用于高压和充气液体的超声波技术超声波料位传感器工作范围通常为 40 kHz，远远超出人耳听力范围。这类传感器利用穿过间隙传送的超声波能量来工作。当有液体存在时，超声波能量的传输将得到加强；当只有空气时，能量会衰减。这些间隙传感器为各种液体提供点液位感测，特别适合用于其他技术难以监测的充气液体。这类密封传感器的典型设计是在高达 250 PSI 的加压液体中工作，但特殊设计工作压力最高可达 5,000 PSI（图 3）。

图 3：超声波料位传感器可以密封并在高压下工作。（图片来源：TE Connectivity）

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用光学传感器感测料位

光学料位传感器根据空气与受监测液体之间的不同折射率来工作。这类传感器由一个红外 (IR) 发射器（发送器）、一个接收器、一个放大器和一个输出开关组成。发射器通常是砷化镓 (GaA) 红外发射二极管。输出可以是晶体管（DC 输出），或者可控硅整流器（AC 输出）。传感器的锥形尖端形成一个棱镜，红外脉冲向下传输到尖端，当没有液体时，经内部反射到接收器。当传感器的尖端浸没时，液体将具有与空气不同的折射率，而光束将不会传输至接收器（图 4）。光学料位传感器的用途相当广泛，可用于石油、废水和酒精，以及啤酒、葡萄酒和冲泡咖啡等食品溶液。

图 4：光学料位传感器利用空气（左）和液体（右）的不同折射率来中断向接收器传输信号。（图片来源：Carlo Gavazzi）

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外壳方面

外壳材料对于决定各种料位传感器的适用场合是关键因素。一些常见的外壳材料包括：

聚酯对许多化学品有很好的耐受性，且抗裂性强，可以在 -70°C 至 +150°C 温度下使用。

不锈钢与各种化学品和食品相容。其具有出色的生物清洁能力，常用于制药和食品加工以及医疗和工业应用。

聚酰胺 12 又叫尼龙 12，具有高透明度、良好的低温韧性、优异的尺寸稳定性和动态强度，并且因密度低而重量轻。使用温度最高可达 80°C。

聚砜具有强度高、透明和用途广泛的优点。这种材料有很高的尺寸稳定性；当暴露在沸水或 150°C 的蒸汽或空气中时，尺寸变化低于 0.1%。对 pH 2 至 pH 13 的电解质、碱和酸具有很高的耐受性。耐受氧化剂意味着可以用漂白剂进行清洗。

聚丙烯耐受许多有机溶剂、酸和碱，但易受氧化性酸、氯化碳氢化合物和芳香族化合物侵蚀。其最高工作温度为 80°C。由于高度不透水，因此非常适合于浸泡应用。

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IP 防护等级

IP 防护等级代码在 IEC 60529 中设定，并纳入美国的 ANSI 60529 和欧洲的 EN 60529 标准中。等级由两个数字组成，第一个数字表示对固体物侵入的耐受性，范围为 0 至 6；第二个数字表示对液体的防护等级，范围为 0 至 9K。较低的 IP 防护等级一般不适合料位传感器的应用场合。一些较高的固体物侵入防护等级包括：

• 5 – 表示防尘。不能完全防止灰尘侵入。但是在有灰尘的情况下，设备应该能继续工作，只是性能水平较低。

• 6 – 表示尘密。完全防止灰尘侵入。

• 液体侵入的第二个数字更为复杂。性能较高的类别包括：

• 7 – 在规定的压力和时间内，浸入深达 1m (3 ft 3 in) 的水中，侵入的水不会达到有害水量。

• 8 – 在制造商规定的条件下持续浸泡于深达1 m (3 ft 3 in) 或更深的水中。

• 9K – 提供近距离高压、高温喷淋防护。

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经 FDA 批准的磁性料位传感器

对于需要美国食品药品监督管理局 (FDA) 批准的应用，设计人员可以选用 PIC 的聚丙烯外壳磁性料位传感器。PLS-020A-3PPI是一款用于垂直测量的紧凑型传感器，而PLS-092A-3PPH专为水平感测设计（图 5）。这款料位传感器具有IP67 防护等级，A 型触点的最大额定值为 10 W、0.7 A、180 VDC和 130 VAC。其工作温度范围为 -20 至 +80°C。

图 5：PLS-092A-3PPH是经 FDA 认证的水平磁性料位传感器。（图片来源：PIC）

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电容传感器

Carlo Gavazzi 的电容传感器采用热塑性聚酯外壳，可调节感测距离，并可选择配备(VC11RTM2410M) 或不配备(VC12RNM24) 内置时间延迟功能。具有时间延迟功能的传感器，最多可让 A 型或 B 型动作延迟 10 分钟。这些传感器具有 4 至 12 mm 的可调感测距离，可用于监测各种固体、液体和颗粒状材料。单刀双掷 (SPDT) 继电器输出可以直接驱动负载，如螺线管和致动器。这类传感器的工作电压为20.4 至 255 VAC或 VDC，额定温度为 -20°C 至 +70°C。

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具有高重复性的料位传感器

TE Connectivity 的LL01-1AA01超声波料位传感器具有 2 mm 或更高的重复性，借助数字滤波器技术来提高性能。具有 A 型或 B 型单刀单掷 (SPST)继电器输出，这款传感器封装在不锈钢外壳中，额定输入电压为 5.5 VDC至 30 VDC，可支持 100 VAC或 VDC的峰值负载电压，在高达 +25°C 下，连续电流为 3.5 A，线性降额至 +100°C 下的 0.75 A。最高能承受 250 PSI 的压力。提供多种型号选择，包括：最高工作温度可选 80 或 100°C，安装方式可选¼” NPT 或 ½” NPT，以及电缆长度可选 1、4、10 和 20 ft。

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外壳材料可选的光学传感器

VP01/02 光学料位传感器与Carlo Gavazzi 的VP01EP一样，采用聚砜外壳，可耐受大多数酸和碱。该公司的 VP03/04 传感器与VP03EP一样，采用聚酰胺 12 外壳，可耐受各种溶剂。这些 IP67 防护等级的传感器可以在环境光水平高达 100 lux 的情况下使用。A 型和 B 型输出可选择NPN/PNP 晶体管（DC 负载）或可控硅整流器（AC 负载）。直流供电的传感器光脉冲频率为 30 Hz，而交流供电的传感器脉冲频率为 5 Hz。直流供电的传感器工作电压为 10 VDC至 40 VDC，并设有LED，用于指示输出已开启。交流供电的传感器额定输入电压为 110 VAC货 230 VAC。

图 6：这些光学料位传感器有聚砜和聚酰胺 12 外壳可供选择。（图片来源：Carlo Gavazzi）

总结

现今有各种传感技术（包括磁性、电容、光学和超声波）可用于监测储罐中的液体、颗粒和固体材料储量，以帮助监测库存水平并控制生产工艺。这些传感器有各种外壳材料可供选择，适合特定工作环境，包括高温、高压和灭菌程序。

小编的话

重要的东西往往低调。和大型产线设备系统比起来，料位传感器小到可致忽略。然而，正如文章所言，料位传感器不仅是生产过程中物料运行的保障，也是改善供应链管理的一个重要抓手。了解并准确选用合适的料位传感器，对物料管理系统的重要性不言而喻。您的物料监测系统采用何种类型的料位传感器？您对料位传感器的选用有哪些经验和建议？欢迎留言，分享讨论！

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