כיצד לנטר רמות חומרים במיכלים כדי לשפר ניהול שרשרת אספקה

חישת ומדידת כמות החומרים המוצקים, הנוזלים או המגורענים המאוחסנים במיכלים הן בעלות חשיבות הולכת וגדלה בשל אתגרי שרשרת אספקה והצורך לנטר רמות מלאי ולבקר מקרוב תהליכי ייצור. בהתאם ליישום, חיישני רמה יכולים להידרש להיות בטוחים למזון (food-safe), לעמוד בלחצים גבוהים, טמפרטורות גבוהות או רעידות חזקות, לעבוד בסביבות קורוזיביות עם חסינות גבוהה לחומצות ובסיסים, ולהיות בעלי דרגה גבוהה של בידוד חשמלי ותרמי כדי להבטיח עבודה בטוחה.

בעוד שאפשר לתכנן חיישני רמה, זו משימה מורכבת הכרוכה בסיכון. התהליך מתחיל עם התאמת טכנולוגיית המדידה, כמו חישה קיבולית, מגנטית, אולטרסונית או אופטית עם היישום. הצעד הבא הוא בחירת בית החיישן, רכיבים וחומרים אחרים כדי לתמוך בסביבת העבודה. לעתים גם דרוש לקבל אישורים רגולטוריים ובטיחותיים ולהבטיח שהתכנון משיג את דרוג הגנת החדירות (IP) הדרוש.

במקום כל זה, מתכננים יכולים לפנות אל פתרונות חישת רמה מהונדסים-מראש המבטיחים מדידות מדויקות ואמינות וזמן יציאה לשוק מהיר. מאמר זה מתחיל עם סקירה של הפעלת טכנולוגיות החישה הקיבולית, המגנטית, האולטרסונית והאופטית, כולל התקני Form A‏ (פתוח-במצב-רגיל) ו-Form B‏ (סגור-במצב-רגיל). אחר כך המאמר מסתכל על התאמת חומרים ודרוגי IP‏ ומזהה את היישומים המתאימים ביותר עבור כל טכנולוגיה. אחר כך הוא מציג דוגמאות של חיישני רמה המשתמשים בחישה מגנטית, קיבולית, אולטרסונית ואופטית מ-PIC,‏ Carlo Gavazzi ו-TE Connectivity‏.

חיישני רמת נוזל מגנטיים, הנקראים גם חיישני ציפה, משתמשים במתג Reed‏ בקנה אטום עם מצוף‏ המכיל‏ מגנט טבעתי. עם עליה וירידה ברמת הנוזל, כך עולה ויורד המצוף עם המגנט. כשהטבעת עולה (או נופלת) לרמה‏ מסוימת, היא מפעילה את מתג ה-Reed‏ (איור 1‏). תכנים אלו הם אמינים ביותר ומדורגים עבור מיליוני הפעלות מיתוג בתצורות Form A‏ ו-Form B‏. הם זמינים עם חומרי בית חיישן שונים המתאימים עבור נוזלים שונים, כמו פוליפרופילן, פוליאמיד ופלדת אל-חלד, וחלקם בטוחים למזון. קיימים דגמים עבור הרכבה עילית, תחתית וצידית.

איור 1: כשהמצוף‏ בחיישן רמת נוזל מגנטי עולה (שמאל) או נופל (ימין), הוא מפעיל מתג Reed השולח אות. (מקור תמונה: PIC)

חישה קיבולית עבור נוזלים ועוד

בנוסף לחישת רמות נוזל במיכלים, חיישני רמה קיבוליים ניתנים לשימוש עם חומרים מוצקים או מגורענים. הבחון משתלב עם קירות המיכל כדי ליצור קבל. הקיבוליות משתנה עם כמות החומר במיכל‏. בדרך כלל, ככל שיש יותר חומר במיכל, כך גבוהה יותר הקיבוליות. חיישנים אלה זמינים עם חומרי בית חיישן שונים. חיישני רמה קיבוליים יכולים לכלול מרחקי חישה ניתנים לכוונון ומתוכננים עם וללא זמן השהיה עבור הפעלה והשבתה. הם ניתנים לשימוש עם‏ מגוון רחב של נוזלים ומוצקים ובדרך כלל מצויים בתהליכים תעשייתיים ויישומים חקלאיים כמו מערכות הזנת בעלי-חיים אוטומטיות וממגורות (איור 2‏).

איור 2‏: יישומים חקלאיים כמו מדידת מזון גרנולרי של בעלי חיים משתמשים בדרך כלל בחיישני רמה קיבוליים. (מקור תמונה: Carlo Gavazzi)

אולטרסוניקה עבור לחצים גבוהים ונוזלים אווריריים

חיישני רמה אולטרסוניים עובדים בדרך כלל בתחום של 40 קילו-הרץ (kHz‏‏), הרבה מעבר לטווח אוזן האדם. הם משתמשים בפרצי אנרגיה אולטרסונית הנשלחים דרך מרווח. כשנוכח נוזל, שידור האנרגיה האולטרסונית מוגבר; כשנוכח רק אוויר, האנרגיה מונחתת. חיישני מרווח אלה מספקים חישה ברמת נקודה עבור נוזלים שונים ומתאימים במיוחד לשימוש עם נוזלים אווריריים, שיכולים להיות קשים לניטור באמצעים אחרים. תכנים אופייניים של חיישנים אטומים אלה מדורגים לעבודה בנוזלים בלחץ של עד 250 פאונד לאינץ' מרובע (PSI‏), אך תכנים מיוחדים יכולים לעבוד עד 5,000‎ PSI‏ (איור 3‏).

איור 3‏: חיישני רמה אולטרסוניים יכולים להיות אטומים ומופעלים תחת לחצים גבוהים. (מקור תמונה: TE Connectivity)

רמות נראות עם חיישנים אופטיים

חיישני רמה אופטיים עובדים על בסיס מקדמי שבירה שונים בין אוויר והנוזל המנוטר. הם מורכבים מפולט (emitter)‏ אינפרה-אדום (IR) (המשדר), מקלט, מגבר ומתג יציאה. הפולט הוא בדרך כלל דיודה פולטת אינפרה-אדום גליום ארסניד (GaAs‏). היציאה יכולה להיות‏ טרנזיסטור עבור יציאות זרם ישר (DC) או SCR‏ עבור יציאות זרם חילופין (AC). החוד הקוני של החיישן יוצר‏ פריזמה עם פולסי ה-IR המשודרים מטה אל החוד, וכשאין נוכחות נוזל, מוחזרים פנימית אל המקלט. כשחוד החיישן טבול, לנוזל יהיה מקדם שבירה שונה מלאוויר והקרן לא תשודר אל המקלט (איור 4‏). חיישני רמה אופטיים הם רב-תכליתיים למדי וניתנים לשימוש בשמנים, מי שופכין ואלכוהול, כמו גם תמיסות מזון כמו בירה, יין וקפה מבושל.

איור 4: חיישני רמה אופטיים משתמשים במקדמי השבירה השונים של אוויר (שמאל) ונוזל כדי לקטוע את שידור האות למקלט (ימין). (מקור תמונה: Carlo Gavazzi)

ענייני בית חיישן

חומר החיישן‏ הוא אלמנט מפתח בקביעה היכן חיישני רמה שונים ניתנים לשימוש. חלק המחומרים הנפוצים של בית חיישן כוללים:

חומרי פוליאסטר הם בעלי חסינות מצוינת לכימיקלים רבים והתנגדות גבוהה להיסדקות. הם ניתנים לשימוש מ-70°C- עד ‎150°C+.

פלדת אל-חלד היא תואמת עם כימיקלים ומוצרי מזון שונים. היא בעלת יכולת ניקיון ביולוגי (biological cleanability) מעולה ומשמשת לרוב בעיבוד תרופות ומזון כמו גם ביישומים רפואיים ותעשייתיים.

פוליאמיד 12‏, גם נקרא ניילון 12‏, בעל שקיפות גבוהה, קשיחות טובה, אפילו בטמפרטורות נמוכות, יציבות ממדית וחוזק דינמי, והוא קל משקל הודות לצפיפותו הנמוכה. ניתן להשתמש בו עד ‎80°C.

חומרי פוליסולפון הם בעלי חוזק גבוה, שקופים ורב-תכליתיים. הם בעלי יציבות ממדית גבוהה; השינוי בגודל הוא מתחת ל-%‏0.1‏ כשנחשפים למים רותחים או לקיטור או אוויר ב-150°C. הם בעלי חסינות גבוהה לאלקטרוליטים, חומרים אלקליים וחומצות מ-pH 2 עד pH 13. חסינות מפני חומרים מחמצנים משמעותה שניתן לנקותם תוך שימוש בחומרים מלבינים.

פוליפרופילן הוא חסין לממיסים אורגניים רבים, חומצות וחומרים אלקליים אך פגיעים להתקפות של חומצות מחמצנות, פחמימנים כלוריים ותרכובות ארומתיות. הוא בעל טמפרטורת עבודה מקסימלית של 80°C. הוא במידה רבה בלתי חדיר למים, דבר ההופך אותו למתאים ביותר ליישומי הטבלה.

דרוגי IP

קודים של דרוגי IP‏ מוגדרים ב-IEC 60529‏ וכלולים ב-ANSI 60529 בארה"ב ו-EN 60529 באירופה. הם מורכבים משני מספרים, עם הראשון המציין את החסינות לחדירה של אובייקטים מוצקים על סקלה בין 0 עד 6, והשני המציין הגנה מפני נוזלים על סקלה מ-0 עד 9K. דרוגי IP נמוכים יותר אינם רלוונטיים במיוחד ביישומים בהם ניתן למצוא חיישני רמה. חלק מהרמות הגבוהות יותר של חדירות אובייקטים מוצקים כוללות:

‏5‏ – מצביע על הגנה מפני אבק. חדירות של אבק אינה נמנעת במלואה. אך על הציוד להמשיך לפעול בנוכחות של אבק, אפילו אם ברמת ‏ביצועים נמוכה יותר.

‏6‏ – מצביע על אטימות לאבק. נמנעת חדירות אבק.

המספר השני לחדירות של נוזלים הוא מורכב יותר. קטגוריות הביצועים הגבוהות יותר כוללות:

‏7 – הטבלה, עד 1 מטר (3‏ רגל ו-3‏ אינץ') עבור לחץ‏ ומשך זמן מוגדרים בהם לא תקרה חדירת מים בכמות מזיקה.

8 – הטבלה רציפה, עד 1 מטר (3‏ רגל ו-3‏ אינץ') או עומק רב יותר, תחת תנאים מצויינים על ידי היצרן.

9K‏ – מספק הגנה מפני ריסוס בלחץ גבוה, טמפרטורה גבוהה, מטווח קרוב.

חיישני רמה מגנטיים מאושרים FDA‏

עבור יישומים הדורשים אישור של מינהל המזון והתרופות האמריקאי (FDA), מתכננים יכולים לפנות אל חיישני רמה מגנטיים בבתי חיישן פוליפרופילן מבית PIC. ה-PLS-020A-3PPI‏ הוא חיישן קומפקטי עבור מדידות אנכיות, בעוד ה-PLS-092A-3PPH מתוכנן עבור חישה אופקית (איור 5‏). חיישני רמה אלה הם בעלי דרוג‏ IP67‏ ומגעי Form A‏ מדורגים עבור‏ מקסימום של ‏10 ואט‏ (W),‏ 0.7 אמפר (A‏), 180 וולט זרם-ישר (V_DC) ו-130 וולט זרם-חילופין (V_AC). הם בעלי תחום טמפרטורות עבודה של 20- עד 80°C+.

איור 5: ה-PLS-092A-3PPH‏ הוא חיישן רמה מגנטי אופקי עם אישור FDA. (מקור תמונה: PIC)

חיישנים קיבוליים

חיישנים קיבוליים מבית Carlo Gavazzi בבית חיישן פוליאסטר תרמופלסטי זמינים עם מרחקי חישה ניתנים לכוונון ועם (VC11RTM2410M) או ללא (VC12RNM24)‏ זמן השהיה מובנה. עבור חיישנים עם‏ זמן השהיה, ההשהיה יכולה להיות עד ‏10 דקות עבור פעולות Form A‏ או Form B. חיישנים אלה הם בעלי חישת מרחק‏ ניתנת לכוונון של 4 עד 12‏ מ"מ וניתנים לשימוש עבור ניטור של‏ מגוון חומרים מוצקים, נוזלים ומגורענים. יציאת ממסר הקוטב-יחיד השלכה-כפולה (SPDT‏) יכולה לדחוף ישירות עומסים כמו סולנואידים ומפעילים (Actuators‏). חיישנים אלה עובדים עם מתחי אספקה של 20.4 עד 255‎ V_AC או V_DC ומדורגים עבור טמפרטורות מ-20°C- עד ‎70°C+.

חיישן רמה עם עקביות תוצאות גבוהה

חיישן הרמה האולטרה-סוני LL01-1AA01 מבית TE Connectivity‏ מתאפיין בעקביות תוצאות של 2 מ"מ או טובה יותר תוך שימוש בטכניקות סינון דיגיטליות כדי לשפר ביצועים. הוא בעל יציאת ממסר קוטב-יחיד השלכה-יחידה (SPST‏) ב-Form A‏ או B‏. ארוז בבית חיישן מפלדת אל-חלד, חיישן זה מדורג ‎5.5 V_DC עד 30‎ V_DC כניסה ויכול לתמוך במתחי עומס שיא של 100‎ V_AC או V_DC עם זרם רציף של ‎3.5 A עד ‎25°C+, עם ירידת ביצועים ליניארית ל-‎0.75 A‏ ב-100‎°C+. הוא יכול לטפל בלחצים של עד ‎250 PSI. האפשרויות כוללות טמפרטורת‏ עבודה מקסימלית של 80 או ‎100°C,‏ הרכבה ‎” NPT¼ או ‎” NPT‏½, ואורכי כבל של 1, 4, ‏10 ו-‏20‏ רגל.

חיישנים אופטיים במבחר חומרי בית חיישן

חיישני הרמה האופטיים VP01/02, כמו ה-VP01EP מבית Carlo Gavazzi, נתונים בבית חיישן פוליסולפון החסין למרבית החומצות והבסיסים. חיישני ה-VP03/04 של החברה, כמו ה-VP03EP, נתונים‏ בבית חיישן פוליאמיד 12‏ החסין לממיסים שונים. חיישנים מדורגים IP67‏ אלה ניתנים לשימוש ברמות אור סביבה של עד 100 לוקס‏. אפשרויות יציאה Form A‏ ו-Form B‏ כוללות טרנזיסטורי NPN/PNP עבור עומסי DC‏ או SCR‏ עבור עומסי AC. חיישנים מוזני-DC‏ הם בעלי תדר פולס‏ אופטי של 30 הרץ (Hz‏), בעוד חיישנים מוזני-AC‏ הם בעלי תדר פולס של‏ ‏‎5 Hz. חיישנים מוזני-DC‏ עובדים מ-‎10 V_DC עד ‎40 V_DC והם בעלי LED המציין שהיציאה מופעלת (מצב ON). חיישנים מוזני-AC מדורגים עבור כניסות נומינליות של 110‎ V_AC או ‎230 V_AC.

איור 6‏: חיישני רמה אופטיים אלה זמינים במבחר בתי חיישן של פוליסולפון ופוליאמיד 12. (מקור תמונה: Carlo Gavazzi)

מסקנה

קיימות טכנולוגיות חישה שונות, כולל מגנטית, קיבולית, אופטית ואולטרסונית, כדי לנטר את כמות חומר הנוזל, המגורען והמוצק במיכלים, לסייע לנטר רמות מלאי ולבקר תהליכי ייצור. חיישנים אלה זמינים בחומרי בית חיישן שונים המתאימים לסביבות עבודה ספציפיות, כולל טמפרטורות גבוהות, לחצים גבוהים ותהליכי סטריליזציה.