如何監測貯槽中的材料水位以增進供應鏈管理

礙於供應鏈困境，再加上密切監測庫存量並控制製程的需求，對貯槽中存放的固態、液態或粒狀材料，感測並測量其數量越來越重要。依應用的不同，液位感測器可能必須符合食品安全要求；要承受高壓、高溫或較大的振動；具有高抗酸鹼性，能在腐蝕性環境中使用；並具有高電氣隔離與熱隔離性，以確保運作安全。

要設計液位感測器不是不可能，但過程複雜，充滿風險。首先要找出可配合應用的量測技術，例如電容式、磁性、超音波或光學式感測技術。下一步是挑選外殼、元件和其他材料，以支援工作環境。通常也需要取得安全與法規許可，並確保設計達到所需的侵入防護 (IP) 等級。

設計人員可改用預先經過工程設計的液位感測解決骯按，以確保準確可靠的量測結果並加速上市時間。本文會先回顧電容式、磁性、超音波與光學式感測技術的運作方式，包括 A 型 (常開) 和 B 型 (常關) 裝置。接著會探討材料的適用性和 IP 防護等級，並指出每種技術最適合的應用。最後會介紹來自 PIC、Carlo Gavazzi 和 TE Connectivity 的液位感測器範例，其運用磁性、電容式、超音波與光學感測技術。

磁性液位感測器又稱為浮球感測器，採用密封柄式磁簧開關，浮球中含有環狀磁鐵。浮球和磁鐵會隨著液位一同升降。當環圈升降到某個高度，就會啟動磁簧開關 (圖 1)。這些設計相當可靠，無論是 A 型或 B 型配置，額定的切換致動皆可達到數百萬次。提供多種外殼材料選擇，如聚丙烯、聚醯胺與不鏽鋼，適用於多種液體，有些更符合食品安全。產品更可細分為頂部、底部與側面安裝款式。

圖 1：當磁性液位感測器的浮球升高 (左) 或下降 (右)，會啟動磁簧開關發出訊號。(圖片來源：PIC)

液體等物體的電容式感測

除了感測貯槽的液位，電容式液位感測器還能用於固體或粒狀材料。貯槽壁結合探針，形成電容。電容量會隨著貯槽中的材料量而變化。一般來說，貯槽內材料越多，電容量越高。這些感測器提供多種外殼材質選擇。電容式液位感測器具有可調整感測距離的功能，在設計上也可選擇是否內建開啟或關閉的時間延遲功能。可搭配多種液體及固體使用，且常用於工業製程及農業應用，例如自動化牲畜餵食系統與筒倉 (圖 2)。

圖 2：牲畜粒狀飼料測量等農業應用常使用電容式液位感測器。(圖片來源：Carlo Gavazzi)

超音波用於高壓和充氣液體

超音波液位感測器的工作頻率範圍通常為 40 kHz，遠超出人耳聽力範圍。超音波能量會以脈衝的方式越過間隙傳送。若有液體，超音波能量的傳輸會增強，如果只有空氣，能量就會衰減。這些間隙感測器可針對多種液體提供點液位感測，特別適用於難以用其他技術監測的充氣液體。這些密封感測器的典型設計能在高達 250 PSI 的加壓液體中運作，但特殊設計則可在高達 5,000 PSI 下運作 (圖 3)。

圖 3：超音波液位感測器能密封並在高壓下運作。(圖片來源：TE Connectivity)

使用光學感測器查看液位

光學液位感測器的運作，是以空氣與受監測液體之間不同的折射率為基礎。此類感測器的組成包括紅外線 (IR) 發光體 (發射器)、接收器、放大器和輸出開關。發光體通常是砷化鎵 (GaAs) 紅外線發光二極體。輸出可以採用電晶體提供 DC 輸出，也可以採用 SCR 提供 AC 輸出。感測器的圓錐型尖端與向下傳輸至尖端的紅外線脈衝形成一個稜柱，若沒有液體時，會在內部反射至接收器。當感測器的尖端浸沒時，液體和空氣的折射率會出現落差，光束就不會傳輸至接收器 (圖 4)。光學液位感測器的用途非常廣泛，可用於石油、廢水、酒精，以及食品溶液，像是啤酒、葡萄酒和沖煮的咖啡。

圖 4：光學液位感測器運用空氣 (左) 和液體 (右) 的不同折射率，來中斷朝向接收器的訊號傳輸。(圖片來源：Carlo Gavazzi)

外殼很重要

外殼材質是判斷各種液位感測器適合之用途時的關鍵考量。一些常見的外殼材質包括：

聚酯對許多化學品具有極佳的耐抗性，並具有高抗裂性。可用於 -70°C 至 +150°C 環境。

不鏽鋼可相容於多種化學品及食品。具有優異的生物清潔能力，常用於製藥與食品加工，以及醫療與工業應用。

聚醯胺 12 又稱為尼龍 12，具有高透明度、強韌性 (即便在低溫下)、尺寸穩定性與動態強度，而且密度低，因此重量很輕。工作溫度最高可達 80°C。

聚碸具有強度高、透明和用途廣泛的優點。聚碸尺寸穩定，當暴露在沸水或 150°C 蒸汽或空氣中時，尺寸變化率低於 0.1%。對於 pH 值 2 到 13 的電解質與酸鹼，具有高耐抗性。能耐抗氧化劑，因此能以漂白劑清潔。

聚丙烯能耐受許多有機溶劑與酸鹼，但容易受到氧化酸類、氯化烴和芳族化合物的侵蝕。最高工作溫度為 80 °C。防水性極高，非常適合浸沒式應用。

IP 防護等級

IP 防護等級代碼由 IEC 60529 制訂，美國將其納入 ANSI 60529，歐洲則納入 EN 60529。代碼由兩個數字組成，第一個數字表示防止固體物侵入的能力，數值介於 0 至 6，第二個數字表示對液體的防護力，數值介於 0 到 9K。較低的 IP 防護等級，較少見於採用液位感測器的應用。較高的固體物侵入防護等級包括：

5 – 表示灰塵防護。無法完全避免灰塵侵入。但有灰塵時，設備即使效能較低，應可繼續運作。

6 – 表示完全防塵。可完全避免灰塵侵入。

表示液體侵入的第二個數字比較複雜。較高的效能類別包括：

7 – 在指定的壓力和持續時間下可浸泡達 1 公尺 (3 呎 3 吋)，且滲入的水不會達到有害水量。

8 – 在製造商指定的條件下持續浸泡深達 1 公尺 (3 呎 3 吋) 或更深。

9K – 即使在近距離的高壓高溫噴灑下，仍可受到保護。

FDA 核准的磁性液位感測器

對於需通過美國食品藥物管制局 (FDA) 核准的應用，設計人員可改用 PIC 推出的聚丙烯外殼磁性液位感測器。PLS-020A-3PPI 是一款緊湊的垂直量測型感測器，PLS-092A-3PPH 則專為水平感測而設計 (圖 5)。這些液位感測器具有 IP67 防護等級與 A 型觸點，最大額定值為 10 W、0.7 A、180 V_DC 和 130 V_AC。工作溫度範圍介於 -20 至 +80°C。

圖 5：PLS-092A-3PPH 是一款 FDA 核准的水平磁性液位感測器。(圖片來源：PIC)

電容式感測器

Carlo Gavazzi 的熱塑性聚酯外殼電容式感測器，可調整感測距離，並可選擇是否內建時間延遲功能，VC11RTM2410M 有內建，VC12RNM24 則沒有。具有延時功能的感測器，最多能針對 A 型或 B 型動作延遲 10 分鐘。這些感測器的感測距離可調整，調整範圍介於 4 到 12 mm，可用於監測多種固態、液態與粒狀材料。單極雙擲 (SPDT) 繼電器輸出能直接驅動螺線管和致動器等負載。這些感測器的可在 20.4 至 255 V_AC 或 V_DC 電源電壓下運作，額定溫度為 -20°C 至 +70°C

結果可重複再現的液位感測器

TE Connectivity 的 LL01-1AA01 超音波液位感測器能使用數位篩選技術，重現 2 mm 或更高準確度的結果，藉此提升效能。這款感測器具有 A 型或 B 型單極單擲 (SPST) 繼電器輸出。感測器採用不鏽鋼外殼封裝，額定輸入為 5.5 V_DC 至 30 V_DC，並可支援 100 V_AC 或 V_DC 峰值負載電壓，在高達 +25°C 下，連續電流為 3.5 A，在 +100°C 下，會線性降額至 0.75 A。最高能承受 250 PSI 的壓力。選項眾多，包括最高工作溫度 80 或 100 °C；安裝方式 ¼” NPT 或 ½” NPT；纜線長度 1、4、10 或 20 呎。

光學感測器提供多種外殼材質選擇

Carlo Gavazzi 的 VP01EP 等 VP01/02 光學液位感測器，就採用可 採用承受多數酸鹼的聚碸外殼。該公司的 VP03/04 感測器，如 VP03EP，就採用能承受多種溶劑的聚醯胺 12 外殼。這些 IP67 等級感測器可在最高 100 lux 的環境光下使用。A 型和 B 型輸出選擇包括 NPN/PNP 電晶體 (DC 負載) 或 SCR (AC 負載)。DC 供電式感測器的光學脈衝頻率為 30 Hz，AC 供電式感測器的脈衝頻率為 5 Hz。DC 供電式感測器的工作電壓介於 10 V_DC 至 40 V_DC，並具備 LED 燈，能指出輸出已開啟。AC 供電式感測器的標稱輸入為 110 V_AC 或 230 V_AC。

圖 6：這些光學液位感測器提供多種聚碸和聚醯胺 12 材質的選擇。(圖片來源：Carlo Gavazzi)

結論

如今有許多感測技術能針對貯槽中的液態、固態或粒狀材料進行數量監測，包括磁性、電容式、光學和超音波感測技術，有助於監測存貨量並控制製程。這些感測器的外殼材質選擇眾多，適用於特定的工作環境，包括高溫、高壓和滅菌流程。