Nieuwe niveaumeters ontzorgen voedingsbedrijven

van plug-and-play tot place-and-forget

Nog niet zo lang geleden vereiste een niveaumeting in bepaalde voedingstoepassingen een duur toestel. Tegenwoordig bestaan voor diezelfde toepassingen adequate basisoplossingen die binnen het bereik komen van steeds meer kmo's. Bovendien mikken sensorfabrikanten meer dan ooit op gebruiks- en integratiegemak, waarbij het volledige proces vanaf de aankoop over de installatie en configuratie tot de ingebruikname en troubleshooting zich steeds meer online afspeelt.

Functies

continuïteit in grondstoffenlogistiek

Sensoren voor een continue niveaumeting meten het vulniveau van uiteenlopende media in diverse opslag- en buffertanks in en rond de productiehal. Ze staan in voor stockopvolging en helpen zo een continue beschikbaarheid binnen productielijnen te garanderen. Ook helpen ze stocks te optimaliseren.

Bescherming van installaties en personeel

Sensoren voor niveaudetectie ('niveauschakelaars') genereren een melding wanneer het medium in de tank een vooringesteld vulniveau bereikt. Een ondergrens beschermt bijvoorbeeld pompen tegen droogloop. Een bovengrens kan dan weer voorkomen dat een tank met een agressief zuur of hete olie overloopt. Anders kan dit naast productieverlies, kuiswerk en een mogelijke vloeraantasting ook veiligheids- en gezondheidsgevaren met zich meebrengen, om nog maar te zwijgen van alle daaruit voortvloeiende kosten.

in functie van medium en proces

In de voedingsindustrie worden vloeistoffen, poeders, korrels ... met de meest uiteenlopende eigenschappen in en uit opslag- en buffertanks gepompt. Om het vulniveau betrouwbaar te meten of detecteren, is een systeem nodig op maat van die eigenschappen (bijtend, kleverig ...) én eventuele uitdagende procesomstandigheden (condens, extreme temperaturen, drukken ...).

Sensoren voor niveaumeting en/of -schakeling zijn in te delen in drie categorieën. De eerste meet in rechtstreeks contact met het medium. De tweede categorie zit bovenin de tank en meet vanop een afstand van het medium, zonder daarmee in rechtstreeks contact te staan. De derde zit buiten de tank, maakt geen enkel contact met de tankinhoud. Hieronder presenteren we enkele courante sensortypes binnen die drie categorieën.

CONTACT

Geleide radar

Een geleide-radarsensor verstuurt via een sonde (kabel of staaf) korte pulsen naar het mediumoppervlak die daar bij aankomst weerkaatsen, afhankelijk van de diëlektrische constante (DK) van het medium. Hoe groter de DK, hoe groter de reflectie. Het toestel meet en analyseert de looptijd tussen het verzenden en ontvangen van de puls, wat een directe maat is voor de afstand tussen de procesaansluiting en het mediumoppervlak. Dit principe heet Time Domain Reflectometry (TDR).

Voorbeeldtoepassing: niveaumeting en -detectie in een ruwmeelsilo. Uitdagingen: stofontwikkeling, aanhechting.

Hydrostatisch

De meetcel van een druktransmitter registreert veranderingen in de hydrostatische druk, die toeneemt met het vulniveau. Geïntegreerde elektronica converteert de druk in een elektrisch signaal.

Voorbeeldtoepassing: niveaumeting in een opslagtank voor melkproducten. Uitdagingen: koude media, frequente reinigingscycli, thermische schokken.

Vibratieschakelaar

Een piëzo-elektrische aandrijving brengt de vibratieschakelaar in zijn resonantiefrequentie. Zijn trilfrequentie wijzigt wanneer hij deels of volledig in het medium komt te zitten. Na analyse van die wijziging volgt de vertaling in een schakelsignaal. Voor vloeibare media kiest men een vorkvormige schakelaar, voor stortgoederen een staaf- of vorkvormige schakelaar (met langere en bredere vorken).

Voorbeeldtoepassing: overloop- en droogloopbeveiliging in een CIP-reinigingsmiddelopslagtank. Uitdagingen: chemisch agressief medium.

 

Capacitief

De sensor en de geleidende tankwand vormen een condensator met een bepaalde startcapaciteit. De elektrische geleidbaarheid van het medium zal bij bedekking van de sensor bepalen hoeveel de capaciteit stijgt. Algemeen geldt: hoe voller de tank, hoe groter de capaciteitsverandering.

Voorbeeldtoepassing: niveaudetectie in kaastobbe. Uitdagingen: aseptische procesaansluitingen, temperatuurschommelingen.

Verschildruk

In het geval van een siliciumcel buigt de werkdruk het proces-isolerende membraan en de vulvloeistof brengt de druk over naar een weerstandsbrug (halfgeleider). Het toestel meet en analyseert vervolgens de drukafhankelijke verandering in de uitgangsspanning van de brug. In het geval van een processcheidingsmembraan brengt een vulvloeistof de werkdruk op het processcheidingsmembraan over op het scheidingsmembraan van de sensor.

Voorbeeldtoepassing: niveaumeting in kookketel voor jam. Uitdagingen: vacuüm en hoge temperaturen.

Contactloos

Vrije radar

Onder vrije radar bestaan er twee technieken. Bij het principe Time of Flight (ToF) zendt de radar korte, regelmatige elektromagnetische pulsen uit die reflecteren op het productoppervlak en terug richting de sensorantenne gaan. Op basis van de tijd tussen de verzending en de ontvangst van de puls berekent het systeem de afstand tot het medium. Bij FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) zendt de radar via zijn antenne volcontinu frequentiegemoduleerde golven uit die weerkaatsen op het productoppervlak, en dient de frequentieverschuiving als basis om de afstand tot de vloeistof te berekenen. In wezen zijn er geen significante verschillen tussen ToF en FMCW, met uitzondering van het niveauberekeningsalgoritme. 

In theorie geldt: hoe hoger de frequentie, hoe groter de invloed van eventueel aanwezige condens, stoom, schuim en stof. Sensorfabrikanten lossen dit onder meer op met het bredere dynamische bereik van de huidige generatie toestellen.

Bij ToF geldt: hoe hoger de radarfrequentie, hoe kleiner de stralingshoek en dus hoe gerichter de stralingsbundel. Zo is de 80 GHz een populaire oplossing voor smalle tanks en om naast obstakels zoals roerwerk te meten.

Voorbeeldtoepassing: niveaumeting in het mengvat voor smeltkaas. Uitdagingen: aangroei, beperkte ruimte.

Ultrasoon

De sensor zendt piëzo-elektrisch ultrasone pulsen uit die op het productoppervlak reflecteren. De niveauberekening gebeurt verder op een gelijkaardige manier zoals bij radar. 

In toepassingen met storende factoren binnen de tank (schuim, stof, damp, condensatie, extreme druk, turbulentie ...) is radar de betere oplossing, aangezien deze de elektromagnetische radargolven veel minder beïnvloeden dan de mechanische ultrasone golven. In vacuümtoepassingen werken ultrasoonsensoren overigens helemaal niet.

Niet-invasief

Gravimetrisch

Een weegcel zet de mechanische doorbuiging onder het gewicht van het materiaal in de tank om in een elektrisch signaal dat evenredig is met het vulniveau. Dit principe omzeilt problemen zoals het meten van oneffen mediumoppervlakken bij stortgoederen en de impact van het stortgoed op de sensor. 

Voorbeeldtoepassing: niveaumeting van stortgoederen in opslagtanks. Uitdagingen: niet-nivellerende productoppervlakken.

Een sensor op maat van het medium en het proces biedt de beste garantie voor betrouwbaarheid en een maximale levensduur, mits een strikte opvolging van de richtlijnen van de fabrikant 

Voedselveilig, betrouwbaar en onderhoudsarm

Elke fabrikant van 'food-grade' sensoren moet rekening houden met de graad van aanhechting (door opspatten, opstuiven, condensatie ...). Alle materiaal dat in rechtstreeks contact kan komen met het medium moet ontworpen zijn volgens de EHEDG-principes. Die zijn gericht op een goede reinigbaarheid door het voorkomen van zogeheten schaduwzones (bv. bij procesaansluitingen) en de toepassing van materialen met een voldoende glad oppervlak (lage ruwheid, PTFE-coatings), om aanhechting tot een minimum te beperken.

Omwille van de voedselveiligheid dient de gekozen sensor bovendien bestand te zijn tegen elke fysieke en/of chemische inwerking van het medium en het proces. Aangetaste sensoren betekenen immers een potentieel gevaar als het medium zich hierdoor makkelijker kan aanhechten – met de mogelijke groei van schadelijke micro-organismen als gevolg. Een eventuele aantasting kan echter ook een impact hebben op de meet- en/of detectiebetrouwbaarheid. Naast het gebruik van bestendig sensormateriaal (PEEK, PTFE), programmeert men sommige modellen zodat ze hinderende factoren uitfilteren. Ze detecteren dan bijvoorbeeld enkel het (bewegende) mediumoppervlak en niet de statische obstructies.

Een sensor op maat van het te meten/detecteren medium en de procesomstandigheden biedt dus de beste garantie voor een betrouwbaar toestel met een maximale levensduur; mits de gebruiker strikt alle richtlijnen van de sensorfabrikant opvolgt rond installatie, onderhoud ... 

Toenemend gebruiks- en integratiegemak

De nieuwste oplossingen voor niveaumeting en/of -schakeling zijn ontworpen rond gebruiks- en integratiegemak. Zo bieden sensorfabrikanten plug-and-playsystemen aan, gelinkt aan online softwareplatformen. IO-Link maakt het mogelijk om sensorsettings te onthouden en het herprogrammeren bij een vervangtoestel automatisch te laten verlopen. Bij bepaalde modellen maakt een fabrieksvoorinstelling voor verschillende mediatypes het opnieuw afstellen overbodig bij een productwissel – zelfs bij viskeuze en kleverige producten.

Er bestaan draadloos communicerende sensoren; sommige zelfs op batterijvoeding. Op basis van bluetooth kan de operator via een app op zijn smartphone of tablet data opvragen tot op enkele tientallen meters van de betreffende installatie. Dat is met name interessant bij uitdagende meet- en/of detectiepunten zoals tanks en/of sensoren die zich bevinden op een moeilijk bereikbare plaats, op plaatsen die men dankzij deze technologie niet langer hoeft te betreden (cleanrooms, Ex-zones of zones met andere gevaren), of op mobiele containers. Bovendien kijken radars zelfs doorheen het deksel van containers uit niet-geleidende materialen zoals kunststof, wat in het geval van risicovolle producten mooi meegenomen is.

Meet- en/of detectiepunten vanop afstand monitoren en beheren is met name handig op moeilijk bereikbare of risicovolle plaatsen (cleanroom, hoge temperaturen, gevaarlijke producten ...)

Het is overigens ook mogelijk om via tablet of smartphone direct in te loggen in het controlesysteem van het interne bedrijfsnetwerk en info van meerdere toestellen gelijktijdig op te vragen. Buiten de klassieke communicatie met Profibus PA-toestellen is een recente ontwikkeling die van Ethernet APL.

 

Door de digitalisering van het meet-/detectieproces is dit grotendeels verplaatst naar online (aankoop, installatie, configuratie, kalibratie, onderhoud, troubleshooting), waarmee bedrijven flink wat tijd en geld uitsparen. Zo hoeven technici immers veel minder vaak ter plaatse te komen.

Met medewerking van: Emerson Automation Solutions, Endress+Hauser, ifm, Pepperl+Fuchs, Retec, SICK, VEGA