Come monitorare i livelli di materiale nei serbatoi per migliorare la gestione della supply chain

Rilevare e misurare la quantità di materiali solidi, fluidi o granulari immagazzinati nei serbatoi è sempre più importante a causa delle sfide della supply chain e della necessità di monitorare i livelli di inventario e controllare da vicino i processi produttivi. A seconda dell'applicazione, i sensori di livello devono essere sicuri per i prodotti alimentari, resistere a pressioni, temperature o vibrazioni elevate, essere utilizzati in ambienti corrosivi con un'elevata resistenza ad acidi e basi e avere un elevato grado di isolamento elettrico e termico per il funzionamento sicuro.

Sebbene sia possibile progettare i sensori di livello, si tratta di un compito complesso e pieno di rischi. Il processo inizia con la scelta della tecnologia di misurazione, come il rilevamento capacitivo, magnetico, ultrasonico o ottico, adatta all'applicazione. Il passo successivo è la scelta dell'alloggiamento, dei componenti e degli altri materiali per supportare l'ambiente operativo. Spesso è anche necessario ottenere le approvazioni di sicurezza e normative e garantire che il progetto raggiunga il grado di protezione dalle infiltrazioni (IP) richiesto.

I progettisti possono invece rivolgersi a soluzioni di rilevamento di livello pre-ingegnerizzate che garantiscono misurazioni precise e affidabili e accelerano il time-to-market. Questo articolo inizia con una rassegna del funzionamento delle tecnologie di rilevamento capacitivo, magnetico, ultrasonico e ottico, compresi i dispositivi Form A (normalmente aperti) e Form B (normalmente chiusi). Esamina quindi l'idoneità dei materiali e i gradi di protezione IP e identifica le applicazioni più adatte per ciascuna tecnologia. Infine presenta esempi di sensori di livello che utilizzano sensori magnetici, capacitivi, ultrasonici e ottici di PIC, Carlo Gavazzi e TE Connectivity.

I sensori magnetici di livello per liquidi, detti anche sensori a galleggiante, utilizzano un interruttore reed in uno stelo sigillato con un galleggiante contenente un magnete ad anello. Quando il livello del liquido sale e scende, lo fa anche il galleggiante con il magnete. Quando l'anello sale (o scende) a un certo livello, attiva l'interruttore reed (Figura 1). Questi progetti sono molto affidabili e sono progettati per milioni di commutazioni nelle configurazioni Form A e Form B. Sono disponibili con diversi materiali per l'alloggiamento, come polipropilene, poliammide e acciaio inossidabile, adatti a vari liquidi, e alcuni sono sicuri per gli alimenti. I modelli sono disponibili per il montaggio in alto, in basso e laterale.

Figura 1: Quando il galleggiante di un sensore di livello magnetico per liquidi sale (a sinistra) o scende (a destra), attiva un interruttore reed che invia un segnale. (Immagine per gentile concessione di PIC)

Rilevamento capacitivo per liquidi e altro

Oltre a rilevare i livelli dei liquidi nei serbatoi, i sensori di livello capacitivi possono essere utilizzati con materiali solidi o granulari. La sonda si combina con la parete del serbatoio per formare un condensatore. La capacità varia in funzione della quantità di materiale presente nel serbatoio. In genere, maggiore è la quantità di materiale nel serbatoio, più alta è la capacità. Questi sensori sono disponibili in alloggiamenti di materiali diversi. I sensori di livello capacitivi possono includere distanze di rilevamento regolabili e sono progettati con o senza un meccanismo di ritardo per l'accensione o lo spegnimento. Possono essere utilizzati con un'ampia gamma di liquidi e solidi e si trovano comunemente nei processi industriali e nelle applicazioni agricole, come i sistemi automatizzati di erogazione del mangime per il bestiame e i silos (Figura 2).

Figura 2: Le applicazioni agricole, come la misurazione di mangimi granulari per il bestiame, utilizzano comunemente sensori di livello capacitivi. (Immagine per gentile concessione di Carlo Gavazzi)

Ultrasuoni per alte pressioni e liquidi aerati

I sensori di livello ultrasonici funzionano tipicamente nell'intervallo di 40 kHz, ben oltre la capacità dell'orecchio umano. Utilizzano raffiche di energia ultrasonica inviate attraverso uno spazio interelettrodico. In presenza di un liquido, la trasmissione dell'energia ultrasonica viene potenziata; in presenza di sola aria, l'energia viene attenuata. Questi sensori forniscono un rilevamento puntuale di vari liquidi e sono particolarmente adatti all'uso con liquidi aerati che possono essere difficili da monitorare con altre tecnologie. I modelli tipici di questi sensori sigillati sono progettati per funzionare con liquidi pressurizzati fino a 170 kPa, ma i modelli speciali possono funzionare fino a 35 MPa (Figura 3).

Figura 3: I sensori di livello ultrasonici possono essere sigillati e funzionare a pressioni elevate. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Vedere i livelli con i sensori ottici

I sensori di livello ottici funzionano in base ai diversi indici di rifrazione tra l'aria e il liquido da monitorare. Sono costituiti da un emettitore a infrarossi (IR) (il trasmettitore), un ricevitore, un amplificatore e un interruttore di uscita. L'emettitore è tipicamente un diodo emettitore nell'infrarosso all'arseniuro di gallio (GaAs). L'uscita può essere un transistor per le uscite in c.c. o un SCR per le uscite in c.a. La punta conica del sensore forma un prisma con gli impulsi IR trasmessi verso la punta e, in assenza di liquido, riflessi internamente verso il ricevitore. Quando la punta del sensore è immersa, il liquido ha un indice di rifrazione diverso da quello dell'aria e il raggio non viene trasmesso al ricevitore (Figura 4). I sensori di livello ottici sono molto versatili e possono essere utilizzati per olio, acque reflue e alcol, oltre che per soluzioni alimentari come birra, vino e caffè.

Figura 4: I sensori di livello ottici sfruttano i diversi indici di rifrazione dell'aria (a sinistra) e del liquido per interrompere la trasmissione del segnale al ricevitore (a destra). (Immagine per gentile concessione di Carlo Gavazzi)

Questioni di alloggiamento

Il materiale dell'alloggiamento è un elemento chiave che determina l'impiego dei vari sensori di livello. Alcuni dei materiali più comuni sono:

I poliesteri hanno un'eccellente resistenza a molte sostanze chimiche e un'elevata resistenza alla fessurazione. Possono essere utilizzati da -70 a +150 °C.

L'acciaio inossidabile è compatibile con diversi prodotti chimici e alimentari. Ha un'eccellente indice di pulizia biologica e viene spesso utilizzato nella lavorazione di prodotti farmaceutici e alimentari, nonché in applicazioni mediche e industriali.

Il poliammide 12, detto anche nylon 12, ha un'elevata trasparenza, una buona tenacità anche a basse temperature, stabilità dimensionale e resistenza dinamica, ed è leggero grazie alla sua bassa densità. Può essere utilizzato fino a 80 °C.

I polisulfoni sono altamente resistenti, trasparenti e versatili. Hanno un'elevata stabilità dimensionale; la variazione dimensionale è inferiore allo 0,1% se esposti ad acqua bollente, vapore o aria a 150 °C. Sono altamente resistenti agli elettroliti, agli alcali e agli acidi da pH 2 a pH 13. La resistenza agli agenti ossidanti ne consente la pulizia con i candeggianti.

Il polipropilene è resistente a molti solventi organici, acidi e alcali, ma è suscettibile all'attacco di acidi ossidanti, idrocarburi clorurati e aromatici. Ha una temperatura massima di funzionamento di 80 °C. È altamente impermeabile all'acqua, il che lo rende adatto alle applicazioni a immersione.

Gradi di protezione IP

I codici IP sono stabiliti dalla norma IEC 60529 e inclusi nella norma ANSI 60529 negli Stati Uniti e nella norma EN 60529 in Europa. Sono costituiti da due numeri: il primo indica la resistenza all'ingresso di oggetti solidi su una scala da 0 a 6 e il secondo la protezione dai liquidi su una scala da 0 a 9K. I gradi di protezione IP inferiori non sono particolarmente rilevanti per le applicazioni che utilizzano i sensori di livello. Alcuni dei livelli più elevati di ingresso di oggetti solidi includono:

5 - indica la protezione contro la polvere. L'infiltrazione di polvere non è del tutto impedita. Ma l'apparecchiatura dovrebbe continuare a funzionare, anche se a un livello di prestazioni inferiore, in presenza di polvere.

6 - indica la tenuta di polvere. L'infiltrazione di polvere è eliminata del tutto.

Il secondo numero per la penetrazione di liquidi è più complesso. Le categorie di prestazioni più elevate comprendono:

7 - L'immersione fino a 1 metro per una pressione e una durata definite non comporta la penetrazione di acqua in quantità dannosa.

8 - Immersione continua fino a 1 metro o più di profondità nelle condizioni specificate dal produttore.

9K - Fornisce protezione contro gli spruzzi ad alta pressione e ad alta temperatura a distanza ravvicinata.

Sensori di livello magnetici approvati FDA

Per le applicazioni che richiedono l'approvazione della Food and Drug Administration (FDA) statunitense, i progettisti possono rivolgersi ai sensori di livello magnetici in alloggiamenti in polipropilene di PIC. PLS-020A-3PPI è un sensore compatto per misurazioni in verticale, mentre PLS-092A-3PPH è progettato per il rilevamento in orizzontale (Figura 5). Questi sensori di livello hanno un grado di protezione IP67 e contatti Form A con una potenza massima di 10 W, 0,7 A, 180 V_c.c. e 130 V_c.a.. Vantano un intervallo della temperatura di funzionamento da -20 a +80 °C.

Figura 5: PLS-092A-3PPH è un sensore di livello magnetico orizzontale con approvazione FDA. (Immagine per gentile concessione di PIC)

Sensori capacitivi

I sensori capacitivi di Carlo Gavazzi con custodia in poliestere termoplastico sono disponibili con distanze di rilevamento regolabili e con (VC11RTM2410M) o senza (VC12RNM24) un meccanismo di ritardo incorporato. Per i sensori ritardati, il ritardo può essere fino a 10 minuti per le azioni Form A o Form B. Questi sensori hanno una distanza di rilevamento regolabile da 4 a 12 mm e possono essere utilizzati per monitorare una varietà di materiali solidi, liquidi e granulari. L'uscita a relè unipolare a due vie (SPDT) può pilotare direttamente carichi come solenoidi e attuatori. Questi sensori funzionano con tensioni di alimentazione da 20,4 a 255 V_c.a. o V_c.c. e sono adatti a temperature da -20 a +70 °C.

Sensore di livello ad alta ripetibilità

Il sensore di livello ultrasonico LL01-1AA01 di TE Connectivity è caratterizzato da una ripetibilità minima di 2 mm e utilizza tecniche di filtraggio digitale per migliorare le prestazioni. È dotato di un'uscita a relè unipolare a una via (SPST) Form A o B. Confezionato in un alloggiamento in acciaio inossidabile, questo sensore è classificato per un ingresso da 5,5 V_c.c. a 30 V_c.c. e può supportare tensioni di carico di picco di 100 V_c.a. o V_c.c. con una corrente continua di 3,5 A fino a +25 °C e un declassamento lineare a 0,75 A a +100 °C. Può gestire pressioni fino a 1,7 MPa. Le opzioni includono una temperatura massima di funzionamento di 80 o 100 °C, montaggio ¼" NPT o ½" NPT e cavi di lunghezza pari a 30 cm, 1,2, 3 e 6 m.

Sensori ottici in un'ampia scelta di materiali di alloggiamento

I sensori di livello ottici VP01/02, come VP01EP di Carlo Gavazzi, hanno un alloggiamento in polisolfone resistente alla maggior parte degli acidi e delle basi. I sensori VP03/04 dell'azienda, come VP03EP, sono contenuti in un alloggiamento in poliammide 12 resistente a vari solventi. Questi sensori, con grado di protezione IP67, possono essere utilizzati con livelli di luce ambiente fino a 100 lux. Le uscite Form A e B comprendono transistor NPN/PNP per carichi in corrente continua o un SCR per carichi in corrente alternata. I sensori alimentati a corrente continua hanno una frequenza di impulso ottico di 30 Hz, mentre quelli alimentati a corrente alternata hanno una frequenza di impulso di 5 Hz. I sensori alimentati in c.c. funzionano da 10 V_c.c. a 40 V_c.c. e sono dotati di un LED che indica quando l'uscita è attiva. I sensori alimentati in c.a. sono previsti per ingressi nominali a 110 V_c.a. o 230 V_c.a..

Figura 6: Questi sensori di livello ottici sono disponibili in una scelta di alloggiamenti in polisolfone e poliammide 12. (Immagine per gentile concessione di Carlo Gavazzi)

Conclusione

Sono disponibili diverse tecnologie di rilevamento, tra cui quelle magnetiche, capacitive, ottiche e ultrasoniche, per monitorare la quantità di materiali fluidi, granulati e solidi immagazzinati nei serbatoi, aiutare a monitorare i livelli di inventario e controllare i processi di produzione. Questi sensori sono disponibili in alloggiamenti di vari materiali adatti a specifici ambienti operativi, tra cui alte temperature, alte pressioni e processi di sterilizzazione.