【導讀】由於現今的供應鏈麵臨諸多挑戰，加上密切監測庫存水平和控製生產工藝的需求，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；並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並非不可能，但這是一項充滿風險的複雜任務。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。然後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
，並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。隨後探討材料的適用性和 IP 防護等級


，並確定每種技術最適合的應用。最後舉例介紹了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(ci)性(xing)料(liao)位(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)又(you)叫(jiao)浮(fu)子(zi)傳(chuan)感(gan)器(qi)，采(cai)用(yong)密(mi)封(feng)杆(gan)中(zhong)的(de)磁(ci)簧(huang)開(kai)關(guan)設(she)計(ji)，浮(fu)子(zi)中(zhong)包(bao)含(han)環(huan)形(xing)磁(ci)鐵(tie)。帶(dai)有(you)磁(ci)鐵(tie)的(de)浮(fu)子(zi)會(hui)隨(sui)著(zhe)液(ye)位(wei)一(yi)起(qi)上(shang)升(sheng)和(he)下(xia)降(jiang)。當(dang)磁(ci)環(huan)上(shang)升(sheng)（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、聚酰胺和不鏽鋼
，適用於各種液體

，並且有些為食品安全型。款型分為頂部、底部和側麵安裝式。

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 用於液體等物料的電容感測

除chu了le感gan測ce儲chu罐guan中zhong的de液ye位wei外wai，電dian容rong式shi料liao位wei傳chuan感gan器qi還hai可ke用yong於yu固gu體ti或huo顆ke粒li狀zhuang材cai料liao。探tan針zhen與yu罐guan壁bi結jie合he，形xing成cheng一yi個ge電dian容rong器qi。電dian容rong值zhi隨sui儲chu罐guan內nei的de材cai料liao量liang變bian化hua。通tong常chang，儲chu罐guan中zhong的de材cai料liao越yue多duo
，電dian容rong就jiu越yue大da。這zhe類lei傳chuan感gan器qi有you各ge種zhong外wai殼ke材cai料liao可ke供gong選xuan擇ze。電dian容rong式shi料liao位wei傳chuan感gan器qi的de感gan測ce距ju離li可ke調tiao節jie，並bing可ke設she計ji配pei備bei或huo不bu配pei備bei內nei置zhi的de開kai啟qi或huo關guan閉bi時shi間jian延yan遲chi功gong能neng。這zhe類lei傳chuan感gan器qi可ke用yong於yu各ge種zhong液ye體ti和he固gu體ti，常chang見jian於yu工gong業ye過guo程cheng和he農nong業ye應ying用yong，如ru自zi動dong牲sheng畜chu喂wei養yang係xi統tong和he筒tong倉cang（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 用於高壓和充氣液體的超聲波技術

超聲波料位傳感器工作範圍通常為 40 kHz
，遠遠超出人耳聽力範圍。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dang隻zhi有you空kong氣qi時shi
，能neng量liang會hui衰shuai減jian。這zhe些xie間jian隙xi傳chuan感gan器qi為wei各ge種zhong液ye體ti提ti供gong點dian液ye位wei感gan測ce，特te別bie適shi合he用yong於yu其qi他ta技ji術shu難nan以yi監jian測ce的de充chong氣qi液ye體ti。這zhe類lei密mi封feng傳chuan感gan器qi的de典dian型xing設she計ji是shi在zai高gao達da 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並在高壓下工作。（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。發射器通常是砷化镓 (GaA) 紅外發射二極管。輸出可以是晶體管（DC 輸出）
，或者可控矽整流器（AC 輸出）。傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)錐(zhui)形(xing)尖(jian)端(duan)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)棱(leng)鏡(jing)
，紅(hong)外(wai)脈(mai)衝(chong)向(xiang)下(xia)傳(chuan)輸(shu)到(dao)尖(jian)端(duan)，當(dang)沒(mei)有(you)液(ye)體(ti)時(shi)，經(jing)內(nei)部(bu)反(fan)射(she)到(dao)接(jie)收(shou)器(qi)。當(dang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)尖(jian)端(duan)浸(jin)沒(mei)時(shi)，液(ye)體(ti)將(jiang)具(ju)有(you)與(yu)空(kong)氣(qi)不(bu)同(tong)的(de)折(zhe)射(she)率(lv)，而(er)光(guang)束(shu)將(jiang)不(bu)會(hui)傳(chuan)輸(shu)至(zhi)接(jie)收(shou)器(qi)（圖 4）。光學料位傳感器的用途相當廣泛
，可用於石油


、廢水和酒精，以及啤酒、葡萄酒和衝泡咖啡等食品溶液。

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 外殼方麵

外殼材料對於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。

不鏽鋼與各種化學品和食品相容。其具有出色的生物清潔能力，常用於製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
，並且因密度低而重量輕。使用溫度最高可達 80°C。

聚碸具有強度高、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，尺寸變化低於 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。由於高度不透水
，因此非常適合於浸泡應用。

5 IP 防護等級

IP 防護等級代碼在 IEC 60529 中設定

，並納入美國的 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，範圍為 0 至 6；第二個數字表示對液體的防護等級，範圍為 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
，隻是性能水平較低。

●   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複雜。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 – 在製造商規定的條件下持續浸泡於深達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

對於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 是一款用於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。其工作溫度範圍為 -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，並可選擇配備 (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 分鍾。這些傳感器具有 4 至 12 mm 的可調感測距離
，可用於監測各種固體、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 具有高重複性的料位傳感器

TE Connectivity 的 LL01-1AA01 超聲波料位傳感器具有 2 mm 或更高的重複性
，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鏽鋼外殼中，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¼” NPT 或 ½” 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
，采用聚碸外殼
，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）或可控矽整流器（AC 負載）。直流供電的傳感器光脈衝頻率為 30 Hz，而交流供電的傳感器脈衝頻率為 5 Hz。直流供電的傳感器工作電壓為 10 VDC至 40 VDC，並設有LED
，用於指示輸出已開啟。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碸和聚酰胺 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）可用於監測儲罐中的液體、顆粒和固體材料儲量，以幫助監測庫存水平並控製生產工藝。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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