วิธีตรวจสอบระดับวัสดุในถังเพื่อปรับปรุงการจัดการซัพพลายเชน

การตรวจจับและการวัดปริมาณของแข็ง ของไหล หรือวัสดุที่เป็นเม็ดที่เก็บไว้ในถังมีความสำคัญมากขึ้น เนื่องจากความท้าทายในซัพพลายเชนและความจำเป็นในการตรวจสอบระดับสินค้าคงคลัง รวมถึงการควบคุมกระบวนการผลิตอย่างใกล้ชิด ในบางการใช้งานเซ็นเซอร์วัดระดับอาจจำเป็นต้องปลอดภัยต่ออาหาร ทนต่อแรงดัน อุณหภูมิ หรือแรงสั่นสะเทือนสูง ใช้ในสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อนซึ่งมีความทนทานต่อกรดและด่างสูง และมีการแยกทางไฟฟ้าและความร้อนในระดับสูงเพื่อให้แน่ใจว่ามีการทำงานที่ปลอดภัย

แม้ว่าจะสามารถออกแบบเซ็นเซอร์วัดระดับได้ แต่ก็เป็นงานที่ซับซ้อนและเต็มไปด้วยความเสี่ยง กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยการจับคู่เทคโนโลยีการวัด เช่น การตรวจจับแบบคาปาซิทีฟ แม่เหล็ก อัลตราโซนิก หรือออปติคัล กับรูปแบบการใช้งาน ขั้นตอนต่อไปคือการเลือกตัวเรือน ส่วนประกอบ และวัสดุอื่นๆ เพื่อรองรับสภาพแวดล้อมการทำงาน บ่อยครั้งที่จำเป็นต้องได้รับการอนุมัติด้านความปลอดภัยและกฎระเบียบ และตรวจสอบให้แน่ใจว่าการออกแบบบรรลุระดับการป้องกันน้ำและฝุ่น (IP) ที่จำเป็น

นักออกแบบสามารถหันไปใช้โซลูชันการตรวจจับระดับที่ออกแบบไว้ล่วงหน้าซึ่งรับประกันการวัดที่แม่นยำและเชื่อถือได้ และเร่งเวลาออกสู่ตลาด บทความนี้เริ่มต้นด้วยการศึกษาการทำงานของเทคโนโลยีตรวจจับแบบคาปาซิทีฟ แม่เหล็ก อัลตราโซนิก และออปติคัล รวมถึงอุปกรณ์รูปแบบ A (ปกติเปิด) และรูปแบบ B (ปกติปิด) จากนั้นจะพิจารณาความเหมาะสมของวัสดุและระดับ IP และการใช้งานที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแต่ละเทคโนโลยี แล้วจึงแสดงตัวอย่างเซ็นเซอร์ระดับโดยใช้การตรวจจับด้วยแม่เหล็ก คาปาซิทีฟ อัลตราโซนิก และแสงจาก PIC, Carlo Gavazzi, และ TE Connectivity

เซ็นเซอร์วัดระดับของเหลวแบบแม่เหล็ก หรือที่เรียกว่าเซ็นเซอร์ลูกลอย ใช้รีดสวิตช์ในก้านที่ปิดสนิทพร้อมกับลูกลอยที่มีแม่เหล็กวงแหวน เมื่อระดับของเหลวเพิ่มขึ้นและลดลง แม่เหล็กก็จะลอยด้วยเช่นกัน เมื่อวงแหวนขึ้น (หรือลง) ถึงระดับหนึ่ง รีดสวิตช์ก็จะทำงาน (รูปที่ 1) การออกแบบเหล่านี้มีความน่าเชื่อถือสูงและสามารถการสั่งงานสวิตช์หลายล้านครั้งในการกำหนดค่า Formอิ A และ Form B มีตัวเลือกวัสดุตัวเรือน เช่น โพลีโพรพิลีน โพลีเอไมด์ และสเตนเลสสตีลที่เหมาะสำหรับของเหลวต่าง ๆ และบางชนิดปลอดภัยต่ออาหาร มีรุ่นสำหรับการติดตั้งด้านบน ด้านล่าง และด้านข้าง

รูปที่ 1: เมื่อลูกลอยในเซ็นเซอร์วัดระดับของเหลวแบบแม่เหล็กลอยสูงขึ้น (ซ้าย) หรือต่ำ (ขวา) จะเป็นการเปิดใช้งานรีดสวิตช์ที่ส่งสัญญาณออกมา (แหล่งที่มาภาพ: PIC)

การตรวจจับแบบคาปาซิทีฟสำหรับของเหลวและอื่นๆ

นอกจากการตรวจจับระดับของเหลวในถังแล้ว เซ็นเซอร์ตรวจับระดับแบบคาปาซิทีฟยังสามารถใช้กับวัสดุที่เป็นของแข็งหรือเป็นเม็ดได้ โพรบวัดติดกับตัวถังเพื่อสร้างตัวเก็บประจุ ความจุจะแปรผันตามปริมาณวัสดุในถัง โดยทั่วไป ยิ่งมีวัสดุในถังมากเท่าใดความจุก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น เซ็นเซอร์เหล่านี้มีวัสดุตัวเรือนให้เลือกมากมาย เซ็นเซอร์ตรวจจับระดับแบบคาปาซิทีฟมีระยะการตรวจจับที่ปรับได้ และได้รับการออกแบบให้มีหรือไม่มีการหน่วงเวลาในตัวสำหรับการเปิดหรือปิด สามารถใช้กับของเหลวและของแข็งได้หลากหลายประเภท และพบได้ทั่วไปในกระบวนการทางอุตสาหกรรมและการใช้งานด้านเกษตรกรรม เช่น ระบบให้อาหารปศุสัตว์อัตโนมัติและไซโล (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: การใช้งานด้านการเกษตร เช่น การวัดอาหารปศุสัตว์แบบละเอียด มักใช้เซ็นเซอร์ตรวจจับระดับแบบคาปาซิทีฟ (แหล่งที่มาภาพ: Carlo Gavazzi)

อัลตราโซนิกสำหรับแรงดันสูงและของเหลวอัดแก๊ส

เซ็นเซอร์วัดระดับแบบอัลตราโซนิกโดยทั่วไปจะทำงานในช่วง 40 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ซึ่งมีความถี่เกินกว่าระยะได้ยินมนุษย์ เซ็นเซอร์เหล่านั้นใช้พลังงานอัลตราโซนิกที่ส่งข้ามช่องว่าง การส่งผ่านพลังงานอัลตราโซนิกจะเพิ่มขึ้น เมื่อมีเพียงอากาศเท่านั้น เมื่อมีของเหลวอยู่ พลังงานจะถูกทำให้อ่อนลง เซ็นเซอร์ตรวจจับช่องว่างเหล่านี้ให้การตรวจจับระดับเฉพาะจุดสำหรับของเหลวต่าง ๆ และเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานกับของเหลวอัดแก๊สซึ่งอาจการตรวจสอบด้วยเทคโนโลยีอื่นๆ ได้ยาก การออกแบบโดยทั่วไปของเซ็นเซอร์แบบปิดผนึกเหล่านี้ได้รับการจัดอันดับสำหรับการทำงานในของเหลวที่มีความดันสูงถึง 250 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (PSI) แต่การออกแบบพิเศษสามารถทำงานได้ถึง 5,000 PSI (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: เซ็นเซอร์วัดระดับอัลตราโซนิกสามารถปิดผนึกและทำงานภายใต้แรงกดดันสูงได้ (แหล่งที่มาภาพ: TE Connectivity)

มองเห็นระดับด้วยเซ็นเซอร์แบบออปติคัล

เซ็นเซอร์วัดระดับแบบออปติคัลทำงานตามดัชนีการหักเหของแสงที่แตกต่างกันระหว่างอากาศและของเหลวที่กำลังตรวจสอบ เซ็นเซอร์ชนิดนี้ประกอบด้วยตัวปล่อยอินฟราเรด (IR) (ตัวส่ง) ตัวรับ ตัวขยายสัญญาณ และสวิตช์เอาต์พุต โดยทั่วไปแล้วตัวปล่อยจะเป็นไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) เอาต์พุตสามารถที่จะเป็นทรานซิสเตอร์สำหรับเอาต์พุตกระแสตรง (DC) หรือ SCR สำหรับเอาต์พุตกระแสสลับ (AC) ปลายรูปกรวยของเซ็นเซอร์เป็นปริซึมโดยมีพัลส์ IR ส่งลงไปที่ปลาย และเมื่อไม่มีของเหลวอยู่ ก็จะสะท้อนกลับภายในไปยังตัวรับ เมื่อจุ่มปลายเซ็นเซอร์ ของเหลวจะมีดัชนีการหักเหของแสงแตกต่างจากอากาศ และลำแสงจะไม่ถูกส่งไปยังตัวรับ (รูปที่ 4) เซ็นเซอร์วัดระดับแบบออปติคอลค่อนข้างอเนกประสงค์และสามารถใช้ได้ในน้ำมัน น้ำเสีย และแอลกอฮอล์ ตลอดจนสารละลายอาหาร เช่น เบียร์ ไวน์ และกาแฟ

รูปที่ 4: เซ็นเซอร์วัดระดับแบบออปติคอลใช้ดัชนีการหักเหของอากาศ (ซ้าย) และของเหลวที่แตกต่างกันเพื่อขัดขวางการส่งสัญญาณไปยังเครื่องรับ (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: Carlo Gavazzi)

เกี่ยวกับตัวเรือน

วัสดุตัวเรือนเป็นองค์ประกอบหลักที่กำหนดตำแหน่งที่สามารถใช้เซ็นเซอร์วัดระดับได้ วัสดุตัวเรือนทั่วไปบางส่วน ได้แก่ :

โพลีเอสเตอร์มีความทนทานต่อสารเคมีหลายชนิดและทนทานต่อการแตกร้าวสูง สามารถใช้งานได้ตั้งแต่ -70°C ถึง +150°C

สแตนเลสสตีลใช้ได้กับสารเคมีและผลิตภัณฑ์อาหารต่างๆ มีความสามารถในการทำความสะอาดทางชีวภาพได้ดีเยี่ยม และมักใช้ในการแปรรูปยาและอาหาร ตลอดจนการใช้งานทางการแพทย์และอุตสาหกรรม

โพลีเอไมด์ 12 หรือที่เรียกว่าไนลอน 12 มีความโปร่งใสสูง มีความเหนียวที่ดีแม้ในอุณหภูมิต่ำ ความสามารถในการคงขนาด และความแข็งแรงแบบไดนามิก และมีน้ำหนักเบาเนื่องจากมีความหนาแน่นต่ำ ใช้งานได้ถึง 80°C

โพลิซัลโฟนมีความแข็งแรงสูง โปร่งใส และใช้งานได้หลากหลาย มีความสามารถในการคงขนาดสูง การเปลี่ยนแปลงขนาดต่ำกว่า 0.1% เมื่อสัมผัสกับน้ำเดือดหรือไอน้ำหรืออากาศ 150 °C มีความทนทานสูงต่ออิเล็กโทรไลต์ กรดและด่างตั้งแต่ pH 2 ถึง pH 13 ความต้านทานต่อสารออกซิไดซ์หมายความว่าสามารถทำความสะอาดโดยใช้สารฟอกขาว

โพลีโพรพีลีนมีความทนทานต่อตัวทำละลายอินทรีย์ กรด และด่างหลายชนิด แต่ไวต่อกรดออกซิไดซ์ คลอรีนไฮโดรคาร์บอน และอะโรเมติกส์ มีอุณหภูมิในการทำงานสูงสุด 80 °C น้ำซึมผ่านไม่ได้ จึงเหมาะสำหรับการใช้งานในน้ำ

ระดับ IP

รหัสระดับ IP กำหนดไว้ใน IEC 60529 และอยู่ใน ANSI 60529 ในสหรัฐอเมริกาและ EN 60529 ในยุโรป ประกอบด้วยตัวเลขสองตัว โดยตัวแรกระบุถึงความต้านทานวัตถุที่เป็นของแข็งในระดับ 0 ถึง 6 และตัวเลขที่สองแสดงถึงการป้องกันจากของเหลวในระดับตั้งแต่ 0 ถึง 9K ระดับ IP ที่ต่ำกว่านั้นไม่เกี่ยวข้องกับการใช้งานของเซ็นเซอร์วัดระดับ ตัวเลขระดับต้านทานของแข็งระดับสูงบางระดับได้แก่ :

5 – หมายถึงการป้องกันฝุ่น ไม่สามารถป้องกันฝุ่นเข้าได้ทั้งหมด แต่อุปกรณ์ควรสามารภถทำงานต่อไปได้ในที่ที่มีฝุ่น แม้ว่าจะมีระดับประสิทธิภาพที่ต่ำกว่า

6 – หมายถึงป้องกันฝุ่นได้อย่างสมบูรณ์  กำจัดฝุ่นเข้า

หมายเลขหลักที่สองสำหรับความต้านทานของเหลวนั้นมีความซับซ้อนมากกว่า ตัวเลขที่มีค่าการป้องกันสูงได้แก่:

7 – การแช่น้ำลึกถึง 1 เมตร (3 ฟุต 3 นิ้ว) ภายใต้แรงดันและระยะเวลาที่กำหนดจะไม่ส่งผลให้น้ำเข้าในปริมาณที่เป็นอันตราย

8 – การแช่น้ำต่อเนื่องลึกถึง 1 เมตร (3 ฟุต 3 นิ้ว) หรือลึกกว่านั้นภายใต้เงื่อนไขที่กำหนดโดยผู้ผลิต

9K – ให้การป้องกันจากแรงดันสูงในระยะประชิด ละอองน้ำที่อุณหภูมิสูง

เซ็นเซอร์วัดระดับแบบแม่เหล็กที่ผ่านการรับรองจาก FDA

สำหรับการใช้งานที่ต้องได้รับการอนุมัติจากสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาของสหรัฐอเมริกา (FDA) นักออกแบบสามารถหันไปใช้เซ็นเซอร์วัดระดับแบบแม่เหล็กในตัวเรือนโพลีโพรพิลีนจาก PIC PLS-020A-3PPI เป็นเซ็นเซอร์ขนาดกะทัดรัดสำหรับการวัดในแนวตั้งในขณะที่ PLS-092A-3PPH ได้รับการออกแบบมาสำหรับการวัดในแนวนอน (รูปที่ 5) เซ็นเซอร์วัดระดับเหล่านี้มีระดับ IP67 และหน้าสัมผัส Form A สูงสุด 10 วัตต์ (W), 0.7 แอมแปร์ (A), กระแสตรง 180 โวลต์ (V_DC ) และไฟฟ้ากระแสสลับ 130 โวลต์ (V_AC) มีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ -20 ถึง +80 °C

รูปที่ 5: PLS-092A-3PPH เป็นเซ็นเซอร์ระดับแม่เหล็กแนวนอนที่ได้รับการรับรองจาก FDA (แหล่งที่มาภาพ: PIC)

เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟ

เซ็นเซอร์แบบคาปาซิทีฟจาก Carlo Gavazzi ในตัวเครื่องเทอร์โมพลาสติกโพลีเอสเตอร์มีระยะการตรวจจับที่ปรับได้และมี (VC11RTM2410M ) หรือไม่มี (VC12RNM24 ) การหน่วงเวลาในตัว สำหรับเซ็นเซอร์ที่มีการหน่วงเวลา การหน่วงเวลาอาจนานถึง 10 นาทีสำหรับการทำงานของรูปแบบ A หรือรูปแบบ B เซ็นเซอร์เหล่านี้มีระยะการตรวจจับที่ปรับได้ตั้งแต่ 4 ถึง 12 มม. และสามารถใช้ตรวจสอบวัสดุประเภทของแข็ง ของเหลว และเม็ดได้หลายชนิด เอาต์พุตรีเลย์แบบสวิตช์แบบหนึ่งขั้วสองทาง (SPDT) สามารถขับโหลดได้โดยตรง เช่น โซลินอยด์และแอคทูเอเตอร์ เซ็นเซอร์เหล่านี้ทำงานด้วยแรงดันไฟฟ้า 20.4 ถึง 255 V_AC หรือ V_DC และสามารถทำงานได้ในอุณหภูมิตั้งแต่ -20°C ถึง +70°C

เซ็นเซอร์ระดับที่มีความสามารถในการทำซ้ำได้สูง

เซ็นเซอร์วัดระดับอัลตราโซนิก LL01-1AA01 จาก TE Connectivity มีความสามารถในการทำซ้ำได้ตั้งแต่ 2 มม. หรือดีกว่าโดยใช้เทคนิคตัวกรองดิจิทัลเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ มีเอาต์พุตรีเลย์แบบหนึ่งขั้วหนึ่งทาง (SPST) ใน Form A หรือ B บรรจุในตัวเรือนสเตนเลสสตีล เซ็นเซอร์นี้มีพิกัด 5.5 V_DC ถึง 30 V_DC อินพุตและสามารถรองรับแรงดันโหลดสูงสุดที่ 100 V_AC หรือ V_DC ด้วยกระแสต่อเนื่อง 3.5 A ถึง +25°C ลดค่าเชิงเส้นเป็น 0.75 A ที่ +100°C สามารถรองรับแรงดันได้ถึง 250 PSI ตัวเลือกประกอบด้วยอุณหภูมิการทำงานสูงสุด 80 หรือ 100 °C, การติดตั้ง NPT ¼” หรือ ½” NPT และความยาวสายเคเบิล 1, 4, 10 และ 20 ฟุต

เซ็นเซอร์แบบออปติคัลในวัสดุตัวเรือนที่เลือกได้

เซ็นเซอร์แบบออปติคัล VP01/02 เช่น VP01EP จาก Carlo Gavazzi อยู่ในตัวเรือนโพลีซัลโฟนที่ทนทานต่อกรดและด่างส่วนใหญ่ เซ็นเซอร์ VP03/04 ของบริษัท เช่น VP03EP อยู่ในตัวเรือนโพลีเอไมด์ 12 ที่ทนทานต่อตัวทำละลายต่างๆ เซ็นเซอร์ที่มีระดับการป้องกัน IP67 นี้สามารถใช้ในสภาพแวดล้อมที่มีแสงได้ถึง 100 ลักซ์ ตัวเลือกเอาต์พุตรูปแบบ A และรูปแบบ B รวมถึงทรานซิสเตอร์ NPN/PNP สำหรับโหลด DC หรือ SCR สำหรับโหลด AC เซ็นเซอร์ที่ใช้ไฟ DC มีความถี่พัลส์แบบออปติคัลที่ 30 เฮิรตซ์ (Hz) ในขณะที่เซ็นเซอร์ที่ใช้ไฟ AC มีความถี่พัลส์ 5 Hz เซ็นเซอร์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้ากระแสตรงทำงานตั้งแต่ 10 V_DC ถึง 40 V_DC และมีไฟ LED ที่แสดงว่าเอาต์พุต ON อยู่ เซ็นเซอร์ที่ใช้พลังงานไฟฟ้ากระแสสลับทำงานตั้งแต่ 110 V_AC หรือ 230 V_AC

รูปที่ 6: เซนเซอร์วัดระดับแบบออปติคัลเหล่านี้มีให้เลือกในตัวเรือนโพลีซัลโฟนและโพลีเอไมด์ 12 (แหล่งที่มาภาพ: Carlo Gavazzi)

สรุป

เทคโนโลยีการตรวจจับต่างๆ รวมถึงแบบแม่เหล็ก คาปาซิทีฟ ออปติคัล และอัลตราโซนิก พร้อมใช้งานเพื่อตรวจสอบปริมาณของไหล วัสดุที่เป็นเม็ด และของแข็งที่เก็บไว้ในถัง ช่วยตรวจสอบระดับสินค้าคงคลัง และควบคุมกระบวนการผลิต เซ็นเซอร์เหล่านี้มีตัวเลือกวัสดุตัวเรือนต่างๆ ที่เหมาะกับสภาพแวดล้อมการทำงานเฉพาะ รวมถึงกระบวนการที่มีอุณหภูมิสูง ความดันสูง และปลอดเชื้อ