圖1 利用電磁波進(jìn)行探測的FlexLevel Switch極限開關(guān)對充填介質(zhì)中的泡沫“視而不見”

　　喜歡焦糖瑪奇朵的人們大都認(rèn)為是濃重的奶油泡沫使得這種熱咖啡成為咖啡中的王冠。而在許多食品生產(chǎn)企業(yè)中，發(fā)泡則是生產(chǎn)過程中一種非常令人討厭的伴隨現(xiàn)象，是一種極有可能影響充填量檢測結(jié)果的不良現(xiàn)象。理想的情況是傳感器對膨起的泡沫“視而不見”。

　　在許多日常生活中是需要泡沫的，例如具有醫(yī)療作用的泡沫浴或者一杯剛剛扎出來的新鮮啤酒。然而在工業(yè)領(lǐng)域中，例如在釀造工業(yè)、果汁生產(chǎn)或是在奶制品生產(chǎn)加工中，泡沫往往是一個(gè)令人頭痛的問題。在這類流程工業(yè)企業(yè)中，應(yīng)用多的是液位的檢測和監(jiān)控。液位是指密封容器（池子）或開口容器（池子）中液位的高低。這里，人們有多種多樣的、基于不同檢測原理的液位極限開關(guān)可供選用。哪一種檢測技術(shù)則取決于其應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是在醫(yī)藥、食品和飲料生產(chǎn)領(lǐng)域中，這些液位極限開關(guān)需滿足極高的衛(wèi)生消毒標(biāo)準(zhǔn)要求。其中就包括多種不同的、許可；例如3A、EHEDG和FDA等有關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、原材料和生產(chǎn)過程衛(wèi)生條件的。

　　美國食品和藥物管理局（Food and Drug Administration）簡稱FDA，F(xiàn)DA 是美國政府在健康與人類服務(wù)部 （DHHS） 和公共衛(wèi)生部 （PHS） 中設(shè)立的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一。作為一家科學(xué)管理機(jī)構(gòu)，F(xiàn)DA 的職責(zé)是確保美國本國生產(chǎn)或進(jìn)口的食品、化妝品、藥物、生物制劑、醫(yī)療設(shè)備和放射產(chǎn)品的安全。它是早以保護(hù)消費(fèi)者為主要職能的聯(lián)邦機(jī)構(gòu)之一。

　　在生產(chǎn)領(lǐng)域，許多生產(chǎn)過程中都會(huì)在液體產(chǎn)品的表面產(chǎn)生泡沫，對正確的判斷液體產(chǎn)品的液位產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致在達(dá)到正確的液位之前充填控制開關(guān)就做出了動(dòng)作，使泡沫消失后的灌裝液位高度不準(zhǔn)確。Baumer公司專門為有衛(wèi)生消毒要求的這一應(yīng)用領(lǐng)域提供了專用的FlexLevel Switch極限開關(guān)。利用軟件工具Flex-Progemmer 9701使得這一極限開關(guān)能夠?qū)ζ潇`敏度和反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。從而能夠使流程工藝師們，例如釀造業(yè)中的釀造師們能夠簡單、方便的戰(zhàn)勝泡沫帶來的麻煩。這種極限開關(guān)對液體表面的泡沫“視而不見”，只有在真正到達(dá)規(guī)定的液位高度時(shí)，傳感器才發(fā)出信號。從而可以很好的避免發(fā)出錯(cuò)誤信號，避免超過、液位的誤操作，縮短了流程設(shè)備不必要的停機(jī)時(shí)間，終提高流程設(shè)備的生產(chǎn)能力。

　　工作原理：電磁波檢測

　　電磁波又稱電磁輻射，是由同相振蕩且互相垂直的電場與磁場在空間中以波的形式移動(dòng)，其傳播方向垂直于電場與磁場構(gòu)成的平面，有效的傳遞能量和動(dòng)量。電磁輻射可以按照頻率分類，從低頻率到高頻率，包括有無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外光、X-射線和伽馬射線等等。這種極限開關(guān)利用的是高頻電磁信號進(jìn)行液位檢測。被測介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)虛擬的電容器，與傳感器頭部的線圈構(gòu)成了一個(gè)完整的、發(fā)出開關(guān)控制信號的控制電路。虛擬電容的電容量與大多數(shù)被測介質(zhì)不同的絕緣電阻值有關(guān)。其開關(guān)控制功能，即觸點(diǎn)的斷開與閉合，可以通過改變連接方式或者利用FlexProgrammer 9701軟件工具進(jìn)行設(shè)置。利用編程器可以選擇不同的輸出信號方式如：PNP、NPN和數(shù)字信號。當(dāng)被測介質(zhì)的液位高低發(fā)生變化時(shí)，例如在向容器中添加液體介質(zhì)時(shí)，輸出信號將變?nèi)酢＿@一檢測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：只有一個(gè)很小的錐形接頭進(jìn)入被測液體之中，而其他檢測技術(shù)則需要較大的接頭進(jìn)入被測液體中，粘稠的、或者附著性很強(qiáng)的介質(zhì)很容易粘附在檢測探頭上，從而影響傳感器的正常工作、發(fā)出錯(cuò)誤的信號。

圖2 極限開關(guān)的工作原理

　　檢測儀器設(shè)備的3A只有結(jié)合3A零部件才是有意義的，這里使用的3A零部件是一個(gè)保證安裝位置更加有利的焊接式螺紋接頭。傳感器所有與被測介質(zhì)接觸的部分都是由耐酸不銹鋼或者PEEK（聚醚醚酮樹脂是一種性能優(yōu)異的特種工程塑料，與其他特種工程塑料相比具有諸多顯著優(yōu)勢，耐高溫、機(jī)械性能優(yōu)異、自潤滑性好、耐化學(xué)品腐蝕、阻燃、耐剝離性、）塑料制成的，滿足了不同3A使用場合的FDA、EHEDG和3A。

　　3A，即AAA，AAA分別為Authentication、Authorization、Accounting。（Authentication）：驗(yàn)證用戶的身份與可使用的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；授權(quán)（Authorization）：依據(jù)結(jié)果開放網(wǎng)絡(luò)服務(wù)給用戶；計(jì)帳（Accounting）：記錄用戶對各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的用量，并提供給計(jì)費(fèi)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)管理與安全問題中十分有效。

　　當(dāng)傳感器探測到被測介質(zhì)真實(shí)的液位時(shí)，傳感器頭部藍(lán)色的指示燈會(huì)發(fā)光。即使是傳感器安裝在容器的上部時(shí)，指示燈也會(huì)發(fā)光。FlexLevel Switch極限開關(guān)能夠識別（水、奶、啤酒等）液體介質(zhì)、粘稠狀原材料（蜂蜜、酸奶、牙膏等）的極限位置，甚至還能對干燥物體（例如：燃燒后的殘?jiān)?、面粉或者果核）進(jìn)行檢測。檢測設(shè)備在出廠前已經(jīng)完成了調(diào)試和設(shè)定，在生產(chǎn)現(xiàn)場安裝后無需再次調(diào)試。對于特殊的被測介質(zhì)，例如有粘連性質(zhì)的物體，檢測儀的Teach-in自學(xué)功能允許對液位識別進(jìn)行手工調(diào)整和設(shè)置。

　　包括在醫(yī)藥產(chǎn)品生產(chǎn)領(lǐng)域中使用時(shí)，例如在醫(yī)藥注射液灌裝的自動(dòng)識別時(shí)需要使用FlexLevel Switch極限開關(guān)。泡沫、氣泡或者形成的絮狀物以及震動(dòng)和渦流等都不會(huì)對液位檢測的結(jié)果產(chǎn)生影響。而且傳感器的安裝位置也不會(huì)對傳感器檢測結(jié)果的正確性產(chǎn)生影響。傳感器既可安裝在側(cè)面，也可以在有干運(yùn)行保護(hù)時(shí)安裝在管道的下方。

　　標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的FlexLevel Switch極限開關(guān)的工作溫度范圍為-40~85℃。但在CIP（CIP清洗即CLEAN IN PLACE（原位清洗）。CIP清洗即不分解生產(chǎn)設(shè)備，又可用簡單操作方法安全自動(dòng)的清洗系統(tǒng)，幾乎被引進(jìn)到所有的食品，飲料及制藥等工廠。CIP清洗不僅能清洗機(jī)器，而且還能控制微生物）原位清潔和SIP（Sanitize in Place，原位消毒系統(tǒng)或者在線（就地）滅菌，在制藥行業(yè)用于管道系統(tǒng)的在線消毒，消毒劑如臭氧。）原位消毒的流程設(shè)備中，允許短時(shí)間（max. 1h）承受140℃的溫度。在理想的、有著100mm或者250mm冷卻長度的情況下，這種檢測儀器甚至可以在200℃的環(huán)境中使用。這一冷卻區(qū)的長度可以用不同長度的連接接頭來實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)不同長度的調(diào)節(jié)：例如要把傳感器更深的插入到像酸奶那樣粘稠的介質(zhì)中，或者要穿過容器的隔熱保溫層。

圖3 符合3A的焊接式管接頭適合于在有衛(wèi)生消毒要求的場合中使用，并通過其側(cè)面的溢流孔準(zhǔn)確判別液位高低

　　極限開關(guān)的開、關(guān)狀態(tài)可以通過控制程序設(shè)置為常開或者常閉型。這種檢測儀器既可在敞開式的容器中使用，也可在封閉式的容器中使用，容器的工作壓力可達(dá)40bar。由于傳感器沒有任何移動(dòng)零部件，全部的電子線路都集成在傳感器內(nèi)部，因此實(shí)踐中做到了免維護(hù)?？梢栽诓徽{(diào)整開關(guān)控制點(diǎn)的情況下的檢測到開關(guān)控制的極限值數(shù)據(jù)。

　　食品生產(chǎn)企業(yè)中的應(yīng)用

　　具有衛(wèi)生消毒能力的FlexLevel Switch極限開關(guān)非常適合在食品和飲料生產(chǎn)領(lǐng)域中使用。丹麥Brabrand市的大型酸奶生產(chǎn)廠Arla Foods公司就在不同的酸奶生產(chǎn)設(shè)備中使用了這種傳感器，用以識別液體介質(zhì)的和液面位置。一般情況下，被測介質(zhì)是酸奶，在特定的生產(chǎn)工序中被測介質(zhì)是含脂肪10％~38％的鮮奶油。這兩種被測介質(zhì)都非常粘稠，很容易粘附在檢測傳感器上。Arla Foods公司把原來使用的震動(dòng)傳感器換掉了，因?yàn)楫?dāng)粘稠的被測介質(zhì)粘附在傳感器的震動(dòng)桿上時(shí)，傳感器的檢測就受到了影響，導(dǎo)致錯(cuò)誤的報(bào)警、誤動(dòng)作?，F(xiàn)在使用的FlexLevel Switch極限開關(guān)能夠可靠的識別被測介質(zhì)的位置，即使是傳感器的端部粘滿了粘稠的酸奶時(shí)也一樣。因?yàn)閭鞲衅鞯腡each in自學(xué)功能保障了在對粘稠介質(zhì)檢測時(shí)能夠通過手動(dòng)方式識別到被測介質(zhì)的液位，并自動(dòng)的記住這一過程。

　　符合用戶要求的專用解決方案

　　Baumer公司除了提供FlexLevel Switch系列的極限開關(guān)之外，還有很多基于不同檢測原理的連續(xù)式和間斷式檢測系統(tǒng)。例如能夠在衛(wèi)生消毒場合中使用的、基于壓電晶體、壓電陶瓷、電容式或者薄膜式的壓力檢測儀、壓差檢測儀。另外，它們還生產(chǎn)利用超聲波原理和光學(xué)原理的充填量檢測傳感器以及依據(jù)導(dǎo)電性進(jìn)行檢測的儀器設(shè)備。無論是在流程生產(chǎn)設(shè)備中需要與液體介質(zhì)接觸的傳感器還是非接觸式的傳感器，Baumer公司為用戶提供了適合于各種應(yīng)用場合的、技術(shù)上合適的解決方案。BAUMER傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。向傳感器提供±15V電源，激磁電路中的晶體振蕩器產(chǎn)生400Hz的方波，經(jīng)過TDA2030功率放大器即產(chǎn)生交流激磁功率電源，通過能源環(huán)形變壓器T1從靜止的初級線圈傳遞至旋轉(zhuǎn)的次級線圈，得到的交流電源通過軸上的整流濾波電路得到±5V的直流電源，該電源做運(yùn)算放大器AD822的工作電源；由基準(zhǔn)電源AD589與雙運(yùn)放AD822組成的高穩(wěn)壓電源產(chǎn)生±4.5V的精密直流電源，該電源既作為電橋電源，又作為放大器及V/F轉(zhuǎn)換器的工作電源。當(dāng)彈性軸受扭時(shí)，應(yīng)變橋檢測得到的mV級的應(yīng)變信號通過儀表放大器AD620放大成1.5v±1v的強(qiáng)信號，再通過V/F轉(zhuǎn)換器LM131變換成頻率信號，通過信號環(huán)形變壓器T2從旋轉(zhuǎn)的初級線圈傳遞至靜止次級線圈，再經(jīng)過外殼上的信號處理電路濾波、整形即可得到與彈性軸承受的扭矩成正比的頻率信號，該信號為TTL電平，既可提供給專用二次儀表或頻率計(jì)顯示也可直接送計(jì)算機(jī)處理。由于該旋轉(zhuǎn)變壓器動(dòng)--靜環(huán)之間只有零點(diǎn)幾毫米的間隙，加之傳感器軸上部分都密封在金屬外殼之內(nèi)，形成有效的屏蔽，因此具有很強(qiáng)的抗干擾能力。有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運(yùn)作的。化學(xué)傳感器技術(shù)問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價(jià)格問題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會(huì)有巨大增長。不同的充填量傳感器、液位傳感器適合于在化工流程工業(yè)企業(yè)、精細(xì)化工企業(yè)以及醫(yī)藥、食品和飲料生產(chǎn)企業(yè)中使用。