作者：Jeff Shepard

　　由于供应链挑战以及需要监控库存水平和密切控制制造过程，检测和测量储罐中储存的固体、流体或颗粒材料的数量变得越来越重要。根据应用的不同，液位传感器可以要求食品安全，承受高压、高温或振动，用于对酸和碱具有高耐受性的腐蚀性环境，并具有高度的电气和热隔离以确保安全运行。

　　虽然可以设计液位传感器，但这是一项充满风险的复杂任务。该过程首先将测量技术(如电容式、磁性、超声波或光学传感)与应用相匹配。下一步是选择外壳、组件和其他材料以支持操作环境。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防护等级(IP)。

　　相反，设计人员可以转向预先设计的液位传感解决方案，以确保准确可靠的测量并加快上市时间。本文首先回顾了电容式、磁性、超声波和光学传感技术的操作，包括形式A(常开)和形式B(常闭)器件。然后，它查看材料的适用性和IP等级，并确定每种技术的最佳应用。然后，它介绍了使用磁性、电容式、超声波和光学传感的液位传感器示例。 图片, 卡洛·加瓦齐， 和 TE 连接.

　　磁性液位传感器，也称为浮子传感器，在密封阀杆中使用簧片开关，带有包含环形磁铁的浮子。随着液位的上升和下降，磁铁的浮子也会上升和下降。当环上升(或下降)到一定水平时，它会激活簧片开关(图1)。这些设计非常可靠，适用于 A 型和 B 型配置中的数百万次开关致动器。它们提供各种外壳材料，如聚丙烯、聚酰胺和不锈钢，适用于各种液体，有些是食品安全的。型号可用于顶部、底部和侧面安装。

　　图 1：当磁性液位传感器中的浮子上升(左)或下降(右)时，它会激活发出信号的干簧开关。(图片来源：图片)

　　液体等的电容式传感

　　除了检测储罐中的液位外，电容式液位传感器还可用于固体或颗粒材料。探头与罐壁结合形成电容器。电容随罐中的材料量而变化。通常，罐中的材料越多，电容就越高。这些传感器可采用各种外壳材料。电容式液位传感器可以包括可调节的感应距离，并且设计有和没有内置的打开或关闭时间延迟。它们可以与各种液体和固体一起使用，常见于工业过程和农业应用，如自动牲畜饲喂系统和筒仓(图 2)。

　　图 2：测量颗粒牲畜饲料等农业应用通常使用电容式液位传感器。(图片来源：Carlo Gavazzi)

　　用于高压和充气液体的超声波

　　超声波液位传感器通常在40千赫兹(kHz)的范围内工作，远远超出了人耳的范围。它们使用穿过间隙的超声波能量爆发。当液体存在时，超声波能量的传输增强;当只有空气存在时，能量会衰减。这些间隙传感器为各种液体提供点水平传感，特别适用于使用其他技术进行监测可能具有挑战性的充气液体。这些密封传感器的典型设计额定工作在高达 250 磅/平方英寸 (PSI) 的加压液体中，但特殊设计可在高达 5，000 PSI 的液体中运行(图 3)。

　　图 3：超声波液位传感器可以在高压下密封和操作。(图片来源：TE Connectivity)

　　使用光学传感器查看液位

　　光学液位传感器基于空气和被监测液体之间的不同折射率运行。它们由红外 (IR) 发射器(发射器)、接收器、放大器和输出开关组成。发射器通常是砷化镓(GaAs)红外发射二极管。输出可以是用于直流 (DC) 输出的晶体管或用于交流 (AC) 输出的 SCR。传感器的锥形尖端形成棱镜，红外脉冲向下传输到尖端，当没有液体存在时，内部反射到接收器。当传感器的尖端浸入时，液体将具有与空气不同的折射率，并且光束不会传输到接收器(图 4)。光学液位传感器用途广泛，可用于油、废水和酒精，以及啤酒等食品解决方案， 葡萄酒和煮好的咖啡。

　　图 4：光学液位传感器使用空气(左)和液体的不同折射指数来中断信号到接收器(右)的传输。(图片来源：Carlo Gavazzi)

　　住房问题

　　外壳材料是决定各种液位传感器使用位置的关键因素。一些常见的外壳材料包括：

　　聚酯具有优异的耐化学性和高抗裂性。它们可在 -70°C 至 +150°C 的温度范围内使用。

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

　　聚酰胺12，也称为尼龙12，具有高透明度，即使在低温下也具有良好的韧性，尺寸稳定性和动态强度，并且由于其密度低而重量轻。它可以在高达80°C的温度下使用。

　　聚砜具有高强度、透明且用途广泛。它们具有高尺寸稳定性;暴露于沸水或150°C蒸汽或空气时，尺寸变化小于0.1%。它们对 pH 2 至 pH 13 的电解质、碱和酸具有很强的耐受性。对氧化剂的抵抗力意味着可以使用漂白剂进行清洁。

　　聚丙烯耐许多有机溶剂、酸和碱，但易受氧化性酸、氯化烃和芳烃的侵蚀。它的最高工作温度为 80 °C。 它对水具有高度的不渗透性，非常适合浸入式应用。

　　防护等级

　　IP 额定代码在 IEC 60529 中设置，并包含在美国的 ANSI 60529 和欧洲的 EN 60529 中。它们由两个数字组成，第一个数字表示对固体物体进入的抵抗力，等级为 0 到 6，第二个表示对液体的保护范围为 0 到 9K。较低的IP等级与发现液位传感器的应用并不特别相关。一些更高级别的固体物体入口包括：

　　5 – 表示防尘。不能完全防止灰尘进入。但是设备应该在灰尘存在的情况下继续运行，即使性能水平较低。

　　6 – 表示防尘。消除了灰尘的进入。

　　液体进入的第二个数字更复杂。更高性能的类别包括：

　　7 – 浸入，在规定的压力和持续时间内浸入最多 1 米(3 英尺 3 英寸)不会导致有害量的水进入。

　　8 – 在制造商指定的条件下连续浸入 1 米(3 英尺 3 英寸)或更深的深度。

　　9K – 提供近距离高压、高温喷淋保护。

　　经 FDA 批准的磁性液位传感器

　　对于需要美国食品和药物管理局(FDA)批准的应用，设计人员可以使用PIC聚丙烯外壳中的磁性液位传感器。这 PLS-020A-3PPI 是用于垂直测量的紧凑型传感器，而 PLS-092A-3聚丙烯 专为水平感应而设计(图 5)。这些液位传感器具有 IP67 防护等级和 A 型触点，额定最大功率为 10 瓦 (W)、0.7 安培 (A)、180 伏直流电 (V直流)和 130 伏交流电 (V交流).它们的工作温度范围为 -20 至 +80 °C。

　　图 5：PLS-092A-3PPH 是一款获得 FDA 批准的水平磁性液位传感器。(图片来源：图片)

　　电容式传感器

　　Carlo Gavazzi 的电容式传感器采用热塑性聚酯外壳，具有可调节的感应距离和 (VC11RTM2410M) 或不带 (VC12RNM24) 内置时间延迟。对于具有时间延迟的传感器，对于表单 A 或表单 B 操作，延迟最长可达 10 分钟。这些传感器具有 4 至 12 mm 的可调感应距离，可用于监测各种固体、液体和颗粒材料。单刀双掷 (SPDT) 继电器输出可以直接驱动螺线管和执行器等负载。这些传感器的工作电源电压为 20.4 至 255 V交流 或 V直流 额定温度范围为 -20°C 至 +70°C

　　具有高重复精度的液位传感器

　　这 LL01-1AA01 TE Connectivity 的超声波液位传感器具有 2 mm 或更高的可重复性，采用数字滤波技术来提高性能。它具有 A 或 B 形式的单刀单掷 (SPST) 继电器输出。该传感器采用不锈钢外壳封装，额定电压为 5.5 V直流 至 30 V直流 输入，可支持 100 V 的峰值负载电压交流 或 V直流 连续电流为 3.5 A，最高 +25°C，线性降额至 0.75 A 至 +100°C。 它可以处理高达 250 PSI 的压力。选项包括最高工作温度为 80 或 100 °C，1/4“ NPT 或 1/2” NPT 安装，电缆长度为 1、4、10 和 20 英尺。

　　光学传感器，可选外壳材料

　　VP01/02 光学液位传感器，如 VP01EP 来自卡洛·加瓦齐，采用聚砜外壳，可耐受大多数酸和碱。该公司的VP03/04传感器，如 VP03EP， 采用耐各种溶剂的聚酰胺 12 外壳。这些 IP67 级传感器可用于高达 100 lux 的环境光水平。A 型和 B 型输出选择包括用于直流负载的 NPN/PNP 晶体管或用于交流负载的 SCR。直流供电传感器的光脉冲频率为 30 赫兹 (Hz)，而交流供电传感器的脉冲频率为 5 赫兹。直流供电传感器工作电压为 10 V直流 至 40 V直流 并具有指示输出打开的 LED。 交流供电传感器的额定电压为 110 V交流 或 230 V交流 标称输入。

　　图 6：这些光学液位传感器提供聚砜和聚酰胺 12 外壳选择。(图片来源：Carlo Gavazzi)

　　结论

　　各种传感技术，包括磁性、电容式、光学和超声波，可用于监测储罐中储存的流体、颗粒和固体材料的数量，帮助监控库存水平并控制制造过程。这些传感器采用适合特定操作环境的各种外壳材料，包括高温、高压和灭菌过程。