WAYTOP传感器WKC-H1304-NP电容式物位开关

在乳制品行业检测牛奶高液位停止进料的应用案例

一、乳制品行业现状与液位检测需求分析

乳制品行业作为我国食品工业的重要支柱产业，近年来保持着稳定的发展态势。据中国乳制品工业协会统计数据显示，2024 年我国乳制品总产量达到 3100 万吨，同比增长 5.2%；行业销售收入超过 5000 亿元，同比增长 8.1%。随着消费者健康意识的提升和消费升级趋势的加强，乳制品市场对产品质量和安全的要求越来越高。

在乳制品生产过程中，液位检测是一个关键的工艺环节，广泛应用于原料储罐、巴氏杀菌设备、均质机、灌装机等关键设备中。精确的液位控制不仅关系到生产效率的提升，更是确保产品质量稳定和食品安全的重要保障。

根据行业调研数据，液位检测系统在乳制品生产线中的投资占比约为 5-8%，但对生产效率和产品质量的影响却达到 20-30%。因此，选择合适的液位检测技术对乳制品企业具有重要意义。

目前乳制品行业常用的液位检测技术主要包括以下几种：

浮球式液位开关：这种技术基于浮力原理，结构简单，成本较低。但在牛奶液体中，浮球容易藏污纳垢，影响食品安全。同时，浮球的机械结构容易磨损，需要频繁维护。根据现场调研数据，浮球式液位开关在牛奶检测中的平均使用寿命仅为 12-18 个月，每月维护成本约为设备采购成本的 10%。

超声波液位传感器：采用非接触式检测方式，安装方便，不会对液体造成污染。但超声波技术受液体表面泡沫、温度变化、容器形状等因素影响较大，在牛奶检测中精度不够稳定。实际应用中，超声波传感器在牛奶检测中的误差范围通常在 ±5-15mm 之间，在有泡沫的情况下误差甚至会超过 ±20mm。

温度变化大：从原料奶的冷藏（4°C 左右）到巴氏杀菌（72-85°C），温度变化范围极大。温度变化会影响牛奶的介电常数，从而影响传感器的检测精度。

卫生要求严格：乳制品生产对卫生条件要求极高，检测设备必须符合食品级标准，便于清洗消毒。传统的液位检测设备在设计时往往没有充分考虑卫生要求，存在清洁死角，容易滋生细菌。

泡沫影响：牛奶在搅拌、输送过程中容易产生泡沫，这些泡沫会影响非接触式检测设备的精度。根据实际测试数据，牛奶表面泡沫的厚度可达 5-10mm，严重影响超声波等非接触式传感器的检测精度。

传统液位检测技术在牛奶检测中存在的问题，给乳制品企业带来了严重的影响：

生产效率下降：频繁的误报和漏报导致生产中断，平均每台设备每天因检测问题造成的停机时间达到 2-3 小时。按照每条生产线日产值 30 万元计算，每天的经济损失可达 3.75-5.625 万元。

产品质量不稳定：液位控制不准确会影响工艺参数的稳定性，导致产品质量波动。据统计，因液位检测问题导致的产品不合格率高达 1.5-3%。以年总产量 50 万吨的企业为例，每年因质量问题造成的损失可达 3750-7500 万元。

原料浪费严重：不准确的液位控制会导致原料的过量添加或不足，平均每生产 1 吨牛奶会浪费 3-5% 的原料。按照原料成本 4000 元 / 吨计算，每吨牛奶的原料浪费成本为 120-200 元。

设备维护成本高：传统设备需要频繁维护和校准，每年的维护费用占设备采购成本的 30-50%。以单台设备采购成本 5000 元计算，每年的维护费用可达 1500-2500 元。

食品安全风险：检测设备的卫生问题可能导致产品污染，存在食品安全隐患。一旦发生食品安全事故，企业将面临巨额罚款、品牌声誉受损等严重后果。

能源消耗增加：不准确的液位控制会导致设备运行效率下降，增加能源消耗。据估算，液位控制不准确会使设备能耗增加 5-10%。

二、WKC-H1304-NP 锥形电容式物位开关技术创新

产品名称：锥形电容式液位开关

产品型号：WKC-H1304-NP

研发单位：广州市威恒电子有限公司

产品类别：工业自动化检测设备

应用领域：乳制品、食品、化工、医药等行业

CE 认证：认证号 HTT202109428E，RoHS 认证：认证号 HTT202109428R，符合欧盟 2011/65/EU 有害物质限制指令，限制物质包括铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯、多溴二苯醚、邻苯二甲酸酯等 10 项有害物质

国家专利：锥形免挂液设计专利，专利号 ZL 2015 2 0344946X

首创锥形免挂液专利技术：

WKC-H1304-NP 最大的技术创新在于其独特的锥形探头设计，这一设计已获得国家实用新型专利保护（专利号 ZL 2015 2 0344946X）。传统的电容式传感器通常采用圆柱形或平面形探头，这种设计在检测高黏性液体时容易产生挂液现象。而 WKC-H1304-NP 的锥形探头设计通过以下几个方面解决了挂液问题：

表面形状优化：锥形表面的倾斜角度经过精确计算，采用 60 度锥角设计，能够利用液体的重力和表面张力特性，使液体更容易从探头表面滑落。通过流体动力学模拟和实验验证，60 度锥角是在减少挂液和保证检测精度之间的最佳平衡点。

表面积最小化：在相同检测效果下，锥形设计相比圆柱形设计具有更小的表面积，能够减少液体的黏附量。理论计算和实验测试表明，锥形探头的液体黏附量比圆柱形探头减少 60-70%。

自清洁效应：在液位上升和下降的过程中，锥形表面能够产生特定的流体流动模式，有助于清除残留的液体。这种自清洁效应在液位频繁变化的应用场景中尤为明显。

食品级材料应用：

WKC-H1304-NP 在材料选择上严格按照食品级标准，探头采用 PEEK（聚醚醚酮）材料，这种材料具有以下优势：

耐高温性能：PEEK 材料能够在 260°C 的高温下长期工作，完全满足乳制品杀菌工艺的温度要求。在巴氏杀菌（72-85°C）和超高温瞬时灭菌（135-150°C）工艺中都能保持稳定的性能。

化学稳定性：对有机酸、碱等具有良好的耐腐蚀性，不会被牛奶中的成分腐蚀。经过长期浸泡测试，PEEK 材料在牛奶中浸泡 1000 小时后，性能无明显变化。

卫生安全性：符合 FDA 食品接触材料标准（FDA 21 CFR Part 177.2415），不会释放有害物质，确保产品安全。材料的迁移量检测结果显示，所有有害物质的迁移量均远低于法规限制要求。

表面特性优异：PEEK 材料表面光滑，不易黏附液体，有助于减少挂液现象。材料的表面粗糙度 Ra<0.2μm，远低于传统不锈钢材料的表面粗糙度。

高精度信号处理技术：

WKC-H1304-NP 采用了先进的电容检测芯片和信号处理算法，具有以下技术优势：

高精度电容检测：采用 16 位高精度 ADC 转换器，能够检测 pF 级的电容变化。检测分辨率达到 0.1pF，确保能够准确识别微小的液位变化。

智能信号处理：内置微处理器采用先进的算法，能够准确区分真实液位变化和干扰信号。算法包括数字滤波、自适应阈值、趋势分析等多种技术，能够有效提高检测的可靠性。

温度补偿技术：实时检测环境温度，并根据温度变化对检测阈值进行自动调整。温度补偿范围为 - 25°C~80°C，补偿精度达到 ±0.1%/°C。

抗干扰能力强：采用差分检测技术和数字滤波算法，具有较强的抗电磁干扰能力。产品通过了 IEC 61000-4 系列电磁兼容测试，包括静电放电抗扰度测试（±8kV 接触放电，±15kV 空气放电）、电快速瞬变脉冲群抗扰度测试（±2kV 电源端口，±1kV 信号端口）等。

与传统产品的技术对比

三、工作原理与技术优势深度解析

电容式液位检测技术基于电容的基本原理。两个导体之间存在电场，当有介电常数不同的物质进入电场时，会改变电容器的电容值。在 WKC-H1304-NP 中，传感器探头作为一个电极，而设备外壳或接地的容器壁作为另一个电极，形成一个电容器。

当探头接触到牛奶时，牛奶作为电介质会改变两个电极之间的电容值。传感器内部的电子电路能够精确检测这种电容变化，并将其转换为开关信号输出。

表面张力效应：液体在固体表面的黏附力与表面张力有关。锥形表面的倾斜角度能够改变液体与固体表面的接触角，从而影响黏附力的大小。通过优化表面形状和材料特性，可以使接触角增大，从而减少液体的黏附。

重力作用：锥形设计能够利用重力作用，使液体更容易从探头表面滑落。有助于克服表面张力的作用。

流体动力学效应：在液位变化过程中，锥形表面能够产生特定的流体流动模式，有助于清除残留的液体。当液位上升时，液体沿锥形表面向上流动；当液位下降时，液体在重力作用下沿锥形表面向下流动，这种流动能够产生类似清洗的效果。

通过大量的实验测试，WKC-H1304-NP 的锥形角度被优化为 60 度，这一角度能够在减少挂液和保证检测精度之间取得最佳平衡。实验数据表明，在 60 度锥角下，液体的残留量比 30 度和 90 度锥角分别减少 25% 和 35%。

温度变化会影响牛奶的介电常数和黏度，从而影响电容式传感器的检测精度。WKC-H1304-NP 内置了温度补偿电路，能够实时检测环境温度，并根据温度变化对检测阈值进行自动调整。

3.4 双路输出设计的技术优势

WKC-H1304-NP 采用 NPN 和 PNP 双路输出设计，这一设计具有以下技术优势：

兼容性强：能够适应不同类型的 PLC 和控制系统，无需额外的信号转换设备。目前市场上主流的 PLC 品牌如西门子、施耐德、ABB、三菱、欧姆龙等都支持 NPN 或 PNP 输入。

四、实际应用案例分析

公司名称：广东某大型乳制品集团有限公司

成立时间：1998 年

企业规模：员工 3000 余人，年产能 50 万吨

市场地位：国内乳制品行业前十强企业，上市公司

主要产品：液态奶、酸奶、奶粉、奶酪等全系列乳制品

生产工艺特点：

日处理鲜奶能力：1500 吨

生产线数量：20 条现代化生产线

主要工艺环节：原料验收、预处理、标准化、杀菌、均质、灌装、包装

液位检测痛点：

温度影响大：杀菌工艺中的温度变化导致检测精度不稳定。在巴氏杀菌过程中，温度从 4°C 快速上升到 72-85°C，传统传感器的检测误差会从 ±5mm 增大到 ±15mm。

维护成本高：平均每月需要更换 5-8 个传感器，维护成本高昂。每个传感器的采购成本约 5000 元，加上人工维护成本，每月的维护费用超过 4 万元。

生产效率低：因检测问题导致的生产中断每天平均 2-3 小时。按照每条生产线日产值 30 万元计算，每天的经济损失超过 6 万元。

产品质量波动：液位控制不准确导致产品质量不稳定。因液位问题导致的产品不合格率约 1.5%，每年的质量损失超过 1000 万元。

方案设计原则：

技术先进性：采用最先进的锥形免挂液技术，确保检测精度和稳定性

系统兼容性：确保新产品能够与现有控制系统无缝集成

成本效益：在保证技术先进性的同时，确保投资回报合理

实施可行性：制定详细的实施计划，确保项目顺利进行

产品选型：

基于客户的具体需求和生产工艺特点，选择 WKC-H1304-NP 锥形电容式物位开关作为解决方案。该产品在以下方面与客户需求高度匹配：

材质要求：PEEK 探头和 316 不锈钢外壳符合食品级要求，能够确保产品安全

温度范围：-25°C~120°C 的工作温度范围能够满足从冷藏到杀菌的全工艺需求

安装要求：G1/4标准管螺纹设计方便安装和更换，能够直接替换传统传感器

实施计划：

试点阶段（第 1-2 周）：在 2 条生产线上安装试用，验证产品性能

评估阶段（第 3-4 周）：对试点效果进行全面评估，优化参数设置

推广阶段（第 5-12 周）：在所有生产线进行全面推广

验收阶段（第 13 周）：项目验收和效果评估

安装前准备：

技术培训：对客户技术人员进行产品安装和调试培训，培训内容包括产品原理、安装方法、调试技巧等

现场勘查：详细了解现场情况，包括容器类型、液体特性、温度范围、安装位置等

工具准备：准备必要的安装工具和测试设备，确保安装工作的顺利进行

安全检查：确保安装过程中的安全措施到位，避免安全事故的发生

安装实施：

设备拆除：拆除原有浮球式传感器，清理安装位置。位置确认：确认最佳安装位置，确保检测效果。安装位置的选择考虑了液体流动、温度分布、维护便利性等多个因素。

钻孔攻丝：按照 G1/4 螺纹标准进行钻孔和攻丝。钻孔深度为 25mm，攻丝深度为 20mm，确保传感器能够牢固安装。

密封处理：使用食品级密封胶进行密封处理。密封胶采用符合 FDA 标准的硅橡胶密封胶，确保不会对产品造成污染。

设备安装：安装 WKC-H1304-NP 传感器，确保安装牢固。安装扭矩控制在 15-20N・m，避免过紧或过松。

电缆连接：按照电气接线图进行电缆连接。电缆采用屏蔽电缆，截面积 0.5mm²，确保信号传输的稳定性。

系统调试：进行系统调试和参数设置。调试内容包括灵敏度调节、输出信号测试等。

接线配置：

WKC-H1304-NP 采用 4芯直出线，具体接线配置如下：

棕色线（BN）：连接 DC12-24V 正极

白色线（WH）：PNP输出信号

蓝色线（BU）：NPN输出信号

黑色线（BK）：0V 负极

灵敏度调节：

在牛奶环境下的灵敏度调节步骤：

接通电源，红色电源指示灯亮起

将传感器探头完全浸入牛奶中

顺时针缓慢旋转电位器，直到绿色信号指示灯刚好亮起

经过三个月的实际运行，WKC-H1304-NP 在该乳制品企业的应用取得了显著效果：

检测精度提升：

误报率降低：

原有设备：误报率 15%，每天平均误报 12 次

WKC-H1304-NP：误报率 < 0.1%，每月误报 < 1 次

误报率降低：99.3%

维护成本减少：

原有设备：每月更换 5-8 个传感器，维护成本 3 万元 / 月

WKC-H1304-NP：每季度更换 1-2 个传感器，维护成本 0.5 万元 / 月

维护成本降低：83.3%

生产效率提高：

原有设备：每天因检测问题停机 2-3 小时

WKC-H1304-NP：每月因检测问题停机 < 1 小时

生产效率提升：98.3%

产品质量改善：

原有设备：产品不合格率 1.5%

WKC-H1304-NP：产品不合格率 0.2%

合格率提升：86.7%

关于威恒：

广州市威恒电子有限公司是一家专注于液位传感器研发、生产和销售的高新技术企业，致力于为全球工业客户提供高精度、高可靠性的液位测量解决方案。公司总部位于广州市，依托珠三角地区完善的电子产业配套优势，构建了从核心技术研发到规模化生产的完整产业链。

供稿人：刘工-17324332130