8 phương pháp đo mức bằng cảm biến mức Level sensors phổ biến nhất đáng tin cậy và tiết kiệm

Hướng dẫn cho các ứng dụng đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí

Cảm biến mức đã là một phần của quá trình sản xuất trong nhiều thập kỷ, trong các ngành công nghiệp đa dạng như thực phẩm và đồ uống, chất bán dẫn và dược phẩm. Tuy nhiên, các nhà sản xuất thiết bị và người dùng có thể ngạc nhiên ở cả bề rộng và tinh tế của các lựa chọn thay thế mức độ hiện đang có sẵn.

Các phép đo và hành động được sử dụng để yêu cầu các thiết bị lớn, cơ khí và đắt tiền hiện nay có thể được thực hiện bằng các công nghệ tiên tiến, có tính linh hoạt cao cũng bền, chính xác và dễ thực hiện. Hơn nữa, một loạt các tùy chọn công nghệ cảm biến mức hoạt động tốt với những thứ truyền thống đã thách thức các chất như chất lỏng dính (ví dụ: mật đường, keo, mực) và bọt (bia, bột giấy, chất lỏng thủy lực, xà phòng).

Một số người dùng có thể đặt câu hỏi về nhu cầu về công nghệ đó - hoặc bất kỳ thiết bị cảm biến mức nào, cho vấn đề đó - cho rằng các phương pháp "đã thử và đúng" hiện có rất phù hợp với bản chất cơ bản của hầu hết các nhiệm vụ cảm biến mức. Nhưng môi trường sản xuất ngày nay hầu như không đơn giản. Do tính chất ngày càng cạnh tranh của thị trường, cộng với động lực liên tục để giảm thiểu sự thiếu hiệu quả và lãng phí, không có hoạt động nào có thể đủ khả năng cho các quy trình chỉ đơn thuần là “đủ gần.” Sự phụ thuộc cũng là tối quan trọng.

Nói cách khác, cảm biến mức giống như bất kỳ phần nào khác của quá trình sản xuất; nó phải chính xác, đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí.
 

Cảm biến mức 101 (Level sensing 101)

Để xác định cảm biến tốt nhất cho một ứng dụng cụ thể, điều quan trọng là trước tiên phải hiểu các tùy chọn công nghệ nào có sẵn, cũng như các ưu điểm và hạn chế của chúng. Sau đây là một số phương pháp cảm biến mức độ được sử dụng thường xuyên nhất hiện nay.

 Laser. Công nghệ này cung cấp sự sẵn có rộng rãi nhất của các dịch vụ, tính linh hoạt, dễ dàng thiết lập và căn chỉnh, và chi phí. Trong khi laser hoạt động tốt cho các ứng dụng số lượng lớn và lỏng, liên tục và chuyển mạch, nó không phù hợp với vật liệu rõ ràng, bọt (mất ánh sáng do phân tán) hoặc chất lỏng dính (ô nhiễm ống kính).

 Vi sóng Microwave. Do khả năng xuyên qua nhiệt độ và lớp hơi có thể gây ra vấn đề cho các kỹ thuật khác, công nghệ vi sóng định hướng (còn được gọi là radar có định hướng) so sánh tốt với laser vì chúng không cần hiệu chuẩn và có nhiều tùy chọn đầu ra.

Vi sóng Microwave có định hướng cũng là một trong số ít các công nghệ hoạt động tốt với bọt và vật liệu dính. Tuy nhiên, các cảm biến vi sóng có định hướng có phạm vi phát hiện giới hạn trong một số ứng dụng

 Điều chỉnh Tuning Fork. Công nghệ cảm biến rung kiểu này lý tưởng cho việc phát hiện rắn và lỏng, bao gồm các chất dính và bọt, cũng như bột số lượng lớn. Tuy nhiên, các dĩa điều chỉnh được giới hạn trong các ứng dụng phát hiện (ví dụ, chèn lấp và chạy khô), và không cung cấp phép đo quá trình liên tục. Vị trí lắp đặt của thiết bị cũng rất quan trọng.

 Siêu âm Ultrasonic. Các thiết bị này đo mức độ bằng cách đo thời lượng và cường độ của các tiếng vọng từ các cụm năng lượng ngắn, chia sẻ các khả năng tương tự như laser và cung cấp tính linh hoạt trong lắp đặt và đầu ra. Công nghệ này là lý tưởng cho nhiều loại chất lỏng, nhưng hiệu suất giảm xuống trong các ứng dụng liên quan đến bọt. Phạm vi hạn chế hơn so với các dịch vụ laser và sự liên kết của các thành phần phát / phát hiện và phản xạ cũng rất quan trọng.

 Lăng kính quang học Optical Prism. Không tốn kém và đơn giản để thiết lập và hoạt động, cảm biến quang học phát hiện các biến thể trong ánh sáng phát ra. Tuy nhiên, lăng kính quang học chỉ hoạt động trong các chất lỏng trong suốt trong suốt, trong khi chức năng “bật / tắt” giới hạn của chúng cũng hạn chế việc sử dụng chúng để bảo vệ khỏi tràn và chạy khô.

 Áp suất Pressure. Được sử dụng cho nhiều loại chất lỏng, cảm biến áp suất đo áp suất thủy tĩnh của chất lỏng ở đáy bể đối với áp suất khí quyển để xác định mức chất lỏng. Mặc dù các yêu cầu thiết lập và hiệu chuẩn của cảm biến áp suất chính xác cao khiến chúng trở thành một giải pháp đặc biệt trong các tình huống mà tất cả các tùy chọn khác không thể thực hiện được do loại chất lỏng hoặc cấu hình của chính bể. Ví dụ, đáy bể có thể có hình dạng phễu hoặc hình nón, hoặc có thể có một môtơ hoặc bộ khuấy được đặt ở giữa ngăn cản chế độ xem thẳng.

 Điện dung Capacitance. Cảm biến mức điện dung hoạt động với nhiều loại chất rắn, chất lỏng và vật liệu hỗn hợp. Ngoài ra còn có một loạt các loại thiết bị, một số trong đó có thể được gắn bên ngoài tàu. Người dùng cần phải thận trọng khi lựa chọn thiết bị, vì không phải mọi senor điện dung đều hoạt động với mọi loại vật liệu hoặc tàu. Ngoài ra, một số đầu dò điện dung có thể cung cấp cho đầu ra liên tục nhiều cách lò vi sóng hướng dẫn hoặc đầu dò dẫn điện làm, nhưng cần phải được hiệu chỉnh cho vật liệu được đo. Và bởi vì đầu dò điện dung là một hệ thống đo lường tiếp xúc, công nghệ không phải lúc nào cũng phù hợp để sử dụng với chất lỏng dính.

 Phao nổi Floats. Công nghệ đo lường lâu đời nhất và đơn giản nhất vẫn có thể được tìm thấy trong các quy trình sản xuất tự động. Tuy nhiên, là một thiết bị cơ khí, phao nổi cung cấp một ít lợi thế khác cho người dùng cho tất cả các ứng dụng cơ bản nhất.
 

Thời điểm quyết định

Ở một số khía cạnh, việc kết hợp cảm biến mức với một ứng dụng cụ thể có thể có vẻ tương đối đơn giản.

Một câu hỏi - kết quả mong muốn, thường là vấn đề chuyển đổi / phát hiện để bảo vệ khô và tràn, hoặc theo dõi liên tục để quản lý quy trình.

Ở đây, sự liên tục từ hiệu suất cơ bản đến các cảm biến “thông minh” khá đơn giản. Dĩa điều chỉnh, lăng kính quang học và một số cảm biến điện dung bị hạn chế để chuyển đổi các ứng dụng. Các công nghệ khác hoạt động cho cả chuyển đổi và đo lường — laser, vi sóng có hướng dẫn, siêu âm, áp suất và phao.

Nhưng quan trọng khác xem xét - những gì đang được đo lường - không phải là quá đơn giản. Chất rắn và chất lỏng có nhiều kích thước và đặc điểm, bất kỳ một trong số đó có thể ảnh hưởng đến khả năng đo chính xác của nó.

Ví dụ, cả chất rắn và chất lỏng có thể trong, mờ hoặc đục. Các biến thể kết cấu phút của một số chất bột cũng có thể ảnh hưởng đến cách một cảm biến phản ứng, như độ nhớt và mật độ của chất lỏng.

Biến thể màu sắc cũng có thể là một vấn đề với một số loại cảm biến mức. Và, như đã nói ở trên, các ứng dụng đặc biệt đầy thách thức tiếp tục hạn chế phạm vi tùy chọn. Khi xử lý bọt, chất lỏng dính hoặc chất lỏng trong, ví dụ, các lò vi sóng có hướng dẫn và dĩa rung có thể là lựa chọn duy nhất.

Bảng bên dưới có thể phục vụ như là một điểm khởi đầu hữu ích để tìm công nghệ cảm biến mức tốt nhất cho một ứng dụng cụ thể. Khi thực hiện các đánh giá này, người dùng và nhà sản xuất thiết bị cũng nên hỏi các câu hỏi liên quan đến hoạt động.
 

Liquids	Solids	Clear	Opaque	Sticky	Fluids/Foam
Laser	Yes	Yes	No	Yes	Material dependant
Microwave	Yes	No	Yes	Yes	Yes
Tuning Fork	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes
Ultrasonic	Yes	Yes	Yes	Yes	No
Optical Prism	Yes	No	Yes	No	No
Pressure	Yes	No	Yes	Yes	No
Capacitance	Yes	Meterial dependant	Yes	Yes	No
Float	Yes	No	Yes	Yes	Material dependant

Ví dụ, các loại cảm biến có khả năng điều khiển nào, và đào tạo nhà điều hành đào tạo là gì. Liệu vật liệu được đo có ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến theo thời gian, đòi hỏi phải bảo trì để làm sạch và / hoặc thay thế? Nếu vậy, tần suất công việc dự phòng sẽ được lên kế hoạch như thế nào và tác động của thời gian chết là gì? Tuổi thọ dự kiến ​​của một cảm biến cụ thể là gì? Và nếu quá trình này liên quan đến nhiều loại vật liệu với các đặc điểm khác nhau, liệu sự thay đổi có phải là một vấn đề không?

Các thông tin trên được thiết kế để cung cấp một hướng dẫn cơ bản cho phạm vi ngày càng tăng của công nghệ cảm biến mức. Bởi vì hầu hết các cách tiếp cận này tiếp tục phát triển với việc giới thiệu các sản phẩm mới và nâng cao, cách tốt nhất để đảm bảo đánh giá đầy đủ các tùy chọn có sẵn - đặc biệt cho các ứng dụng độc đáo hoặc thách thức — thông qua sự cộng tác liên quan đến chủ sở hữu hệ thống sản xuất, nhà chế tạo máy và nhà cung cấp công nghệ. Việc đánh giá kỹ lưỡng và chu đáo các công nghệ cảm biến sẽ dẫn đến các quyết định tốt hơn, dẫn đến chất lượng sản phẩm tốt hơn và tối ưu hóa hiệu quả sản xuất.



English Edition

8 Most Common Level Sensing Methods: A Guide for Reliable & Cost-effective Applications

Level sensors have been a part of manufacturing processes for several decades, in industries as diverse as food and beverage, semiconductors, and pharmaceutical. However, equipment manufacturers and users may be surprised at both the breadth and sophistication of level sensing alternatives currently available.

Measurements and actions that used to require large, mechanical, and expensive devices can now be performed using advanced, highly versatile technologies that are also durable, precise, and easy to implement. What’s more, a variety of level sensing technology options work well with what have traditionally been challenging substances such as sticky fluids (e.g., molasses, glue, ink) and foam (beer, pulp, hydraulic fluid, soap).

Some users may question the need for such technology—or any level sensing device, for that matter— arguing that existing, “tried-and-true” methods are well-suited for the basic nature of most level sensing tasks. But today’s manufacturing environment is hardly that simple. Given the increasingly competitive nature of the marketplace, plus the ongoing drive to minimize inefficiencies and waste, no operation can afford processes that are merely “close enough.” Dependability is also paramount if caustic or otherwise hazardous materials are involved.

In other words, level sensing is like any other part of the manufacturing process; it has to be precise, reliable, and cost-effective.
 

Level sensing 101

To determine the best sensor for a particular application, it’s important to first understand what technology options are available, as well as their advantages and limitations. Following are some of today’s most frequently used level sensing methods.

 Laser. This technology offers the broadest availability of offerings, flexibility, ease of set-up and alignment, and cost. While lasers work well for bulk and liquid, continuous, and switching applications, it’s not as well-suited for clear materials, foam (light loss due to dispersion), or sticky fluids (lens contamination).

 Microwave. Because of its ability to penetrate temperature and vapor layers that may cause problems for other techniques, guided microwave technology (also known as guided radar) compares well with lasers as they don’t need calibration and have multiple output options.

Guided microwave is also among the handful of technologies that works well with foam and sticky materials. However, guided microwave sensors do have a limited detection range in some applications

 Tuning Fork. This vibrating-style sensor technology is ideal for solid and liquid detection, including sticky substances and foam, as well as bulk powders. However, tuning forks are limited to detection applications (i.e., overfill and dry run), and do not provide continuous process measurement. The mounting position of the devices is also critical.

 Ultrasonic. These devices, which gauge levels by measuring the duration and intensity of echoes from short bursts of energy, share the same capabilities as lasers and offer flexibility in mounting and outputs. The technology is ideal for many types of liquids, but performance drops off in applications involving foam. Range is more limited than laser offerings and alignment of the emitting/detection and reflection components is also critical.

 Optical Prism. Inexpensive and simple to set-up and operate, optical sensors detect variations in emitted light. However, optical prisms work only in clean translucent to transparent liquids, while their limited “on/off” functionality also restricts their use to protecting from overflows and dry runs.

 Pressure. Used for a variety of liquids, pressure sensors measure the hydrostatic pressure of the liquid at the bottom of the tank with respect to atmospheric pressure to determine the level of the liquid. Though highly accurate, pressure sensors’ setup and calibration requirements make them more of a specialty solution in situations where all other options are not viable due to the type of liquid, or configuration of the tank itself. For example, the tank bottom may have a funnel or cone shape, or there may be a motor or agitator positioned in the middle that prevents a straight-down view.

 Capacitance. Capacitance level sensors operate with a variety of solids, liquids, and mixed materials. There are also a wide range of device types, some of which can be attached outside the vessel. Users need to be cautious when selecting a device, as not every capacitance senor works with every type of material or vessel. In addition, some capacitive probes can give continuous output much the way guided microwaves or conductive probes do, but need to be calibrated to the material being measured. And because capacitance probes are a contactbased measurement system, the technology is not always suitable for use with sticky fluids.

 Floats. The oldest and simplest measuring technology can still be found in automated manufacturing processes. Being a mechanical device, however, floats offer little other advantage to users for all but the most basic applications.
 

Decision time

In some respects, matching a level sensor with a particular application may seem relatively simple.

One question—the desired result, is usually a matter of either switching/detection
for dry-run and overflow protection, or continuous monitoring for process management.

Here, the continuum from basic performance to “smart” sensors is rather straightforward. Tuning forks, optical prisms, and some capacitance sensors are restricted to switching applications. Other technologies work for both switching and
measurement—laser, guided microwaves, ultrasonic, pressure, and float.

But the other key consideration—what is being measured—is not so simple. Solids
and liquids have multiple dimensions and characteristics, any one of which can influence its ability to be accurately measured.

For example, both solids and liquids can be clear, translucent, or opaque. Minute texture variations of some powdery substances may also affect how a sensor reacts, as can a liquid’s viscosity and density.

Color variations may also be an issue with some types of level sensors. And, as noted earlier, particularly challenging applications further restrict the range of options. When dealing with foam, sticky liquids, or clear liquids, for example, guided microwaves and vibrating forks may well be the only option.

The table below can serve as a helpful starting point to find the best level sensor technology for a particular application. In making these evaluations, users and equipment manufactures should also ask operations-related questions.
 

Liquids	Solids	Clear	Opaque	Sticky	Fluids/Foam
Laser	Yes	Yes	No	Yes	Material dependant
Microwave	Yes	No	Yes	Yes	Yes
Tuning Fork	Yes	Yes	Yes	Yes	Yes
Ultrasonic	Yes	Yes	Yes	Yes	No
Optical Prism	Yes	No	Yes	No	No
Pressure	Yes	No	Yes	Yes	No
Capacitance	Yes	Meterial dependant	Yes	Yes	No
Float	Yes	No	Yes	Yes	Material dependant

For example, what kind of control capabilities do the sensors have, and what training operator training is required. Will the material being measured affect the sensor’s performance over time, requiring maintenance for cleaning and/or replacement? If so, how often should preventative work be scheduled, and what are the downtime implications? What is the expected life of a particular sensor? And if the process involves multiple types of materials with varying characteristics, will changeovers be an issue?

The above information is designed to provide a basic guide to the growing range of level sensing technology. Because most of these approaches continue to evolve with the introduction of new and enhanced products, the best way to ensure a full evaluation of available options—especially for unique or challenging applications—is via a collaboration involving the manufacturing system owner, machine builders, and technology suppliers. Thorough and thoughtful assessments of sensor technologies will lead to better decisions, resulting in better product quality and optimized production efficiency.