Jak vybrat a používat plovákové snímače hladiny kapaliny v průmyslových aplikacích

Konstruktéři používají snímače hladiny kapaliny, nazývané také spínače hladiny kapaliny nebo plovákové snímače, v kriticky důležitých rolích pro bezpečný a efektivní provoz systému v rostoucí řadě průmyslových aplikací od vytápění, větrání a klimatizace (HVAC), čištění vody a odpadních vod, chemického a petrochemického průmyslu, systémů zpracování až k výrobě potravin a nápojů. I když je možné navrhnout snímače hladiny kapaliny úplně od nuly tak, aby splňovaly stále náročnější požadavky aplikací na přesnost, energetickou účinnost a odolnost, tento proces se může rychle stát složitým, časově náročným a v konečném důsledku nákladným, protože konstruktéři musí vyřešit možnosti technologie snímání, balení, rozhraní a také regulační požadavky.

Místo toho mohou konstruktéři použít předpřipravená řešení s jazýčkovým přepínáním, která jsou kompletní a použitelná ihned po vybalení a již získala zákonná schválení UL a IP65. Vzhledem k tomu, že používají technologii jazýčkových spínačů, jsou často hodnocena na více než 10 milionů cyklů, zvládnou vysoce výkonné zátěže s nízkým kontaktním odporem pro zvýšení účinnosti a mají nulovou spotřebu energie.

V tomto článku se budeme zabývat klíčovými aspekty návrhu při výběru plovákových spínačů hladiny kapaliny. Nejprve probereme výhody používání technologie jazýčkových spínačů, pak si představíme několik řešení snímačů hladiny kapaliny / plovákových snímačů od společnosti odTE Connectivity (TE) a také způsob, jak se používají.

Výběr plovákového snímače hladiny kapaliny

Plovákové spínače hladiny kapaliny se používají k různým účelům, například k zajištění poplachů, pokud hladiny kapalin stoupají nebo klesají na potenciálně nebezpečné úrovně, pomáhají chránit zařízení před přehřátím, udržují správné poměry míchaných materiálů a snižují riziko požárů. Výběr plovákového spínače hladiny kapaliny pro konkrétní aplikaci vyžaduje jasné porozumění podmínkám návrhu a požadavkům týkajícím se následujících otázek:

• Co je kapalinou a jaká je její teplota a tlak?
• Vyžaduje aplikace spínač se spínacími (NO) nebo rozpínacími (NC) kontakty?
• Je zapotřebí přepínání jedním spínacím kontaktem (SPST) nebo jedním přepínacím kontaktem (SPDT)?
• Jaká orientace spínače je zapotřebí: vodorovná ze strany, montáž nahoře nebo montáž dole?
• Stačí indikátor stavu jedné úrovně, například „plná“, „částečně plná“ nebo „prázdná“, nebo je třeba monitorovat více hladin kapaliny?

Kapalina a její stav jsou důležitými faktory – různé materiály těla spínače jsou vhodné pro různé potřeby aplikace. Náročné aplikace, jako je voda, paliva a oleje s vysokou teplotou, mohou vyžadovat polyfenylensulfidové pouzdro vyplněné sklem s jmenovitou hodnotou až +130 °C a tlakem 4,7 bar.

Svislé spínače hladiny kapaliny mohou mít těla až jeden metr dlouhá a mohou používat tuhé materiály, jako jsou různé plasty, mosaz nebo nerezová ocel. Méně náročné aplikace, jako jsou nádrže na vodu, mohou používat relativně levná těla z acetalu a pěnového polypropylenu, která jsou dimenzována do +60 °C a 0,34 bar. Kromě použití vhodného materiálu těla spínače je důležitým faktorem při specifikaci snímačů hladiny kapaliny výběr spínací technologie.

Výhody technologie jazýčkových spínačů

Jazýčkové spínače jsou vyspělou a spolehlivou technologií. Plovákové spínače hladiny využívající technologii jazýčkových spínačů jsou pasivní zařízení a ke svému fungování nepotřebují žádný externí zdroj energie. Spínací akce v těchto snímačích je iniciována interakcí permanentního magnetu v plováku se stacionárním jazýčkovým spínačem.

Tyto snímače využívají pohyblivý plovák s integrovaným magnetem k aktivaci jednoho nebo více jazýčkových spínačů v těle snímače (obrázek 1). Magnet se pohybuje (plove) ze spodní části spínače na horní s tím, jak hladina kapaliny stoupá, a klesá s tím, jak klesá hladina kapaliny. Když se magnet pohybuje směrem k jazýčkovému spínači nebo od něj, v závislosti na konfiguraci se zapíná nebo vypíná.

Obrázek 1: Plovák se pohybuje nahoru a dolů po vřetenu (vlevo) s tím, jak hladina kapaliny stoupá a klesá. Vřeteno obsahuje stacionární jazýčkový spínač (uprostřed), a když se magnet v plováku (vpravo) přiblíží, spínač se rozepne nebo sepne v závislosti na své konstrukci. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Spolehlivost těchto snímačů vyplývá z několika faktorů: Mají jedinou pohyblivou část, jejich tělo je vyrobené z materiálů kompatibilních s kapalinami a mají hermeticky uzavřený jazýčkový spínač s kontaktními body z ruthenia dimenzovanými na více než 10 milionů spínacích operací.

Jazýčkové spínače mohou spolehlivě fungovat v prostředích s vysokou teplotou. Když je spínač vypnutý, mají vysokou izolační schopnost, přičemž odběr proudu je nižší než u polovodičových technologií spínačů. Splnění požadavků na elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) s jazýčkovými spínači je jednodušší a je vyžadováno pouze minimální testování.

Snímače hladiny kapaliny na bázi jazýčkového spínače

Konstruktéři se mohou obrátit na snímače hladiny kapaliny od společnosti TE, aby zjistili výhody technologie jazýčkových spínačů. Společnost TE nabízí konstruktérům možnost vybrat si z téměř 20 svislých a vodorovných spínačů hladiny kapaliny, které jsou k dispozici v šesti řadách, a jsou vyrobeny ze široké škály materiálů s různými možnostmi spínání, montáže a kabelů (obrázek 2).

Obrázek 2: Plovákové snímače hladiny kapaliny od společnosti TE Connectivity jsou k dispozici v různých konfiguracích včetně svislé a boční montáže, až 90° úhlu a univerzálního montážního připevnění. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Spínače hladiny kapaliny společnost TE jsou dimenzovány až na 250 V střídavého proudu (AC) nebo 200 V stejnosměrného proudu (DC). Mají certifikaci ISO/TS 16949 pro automobilové výrobky a certifikaci Mezinárodní organizace pro normalizaci (ISO) pro průmyslové aplikace. Některé modely mají schválení UL a britské schválení WRAS (Water Regulations Advisory Scheme). Jsou dimenzovány na více než 10 milionů spínacích cyklů a navrženy pro snadnou montáž a servis v terénu. Pokud se jeden z těchto spínačů poškodí, lze jej snadno vyměnit.

Společnost TE nabízí snímače hladiny kapaliny, které měří, když je nádrž plná, prázdná nebo částečně naplněná, a některé modely mohou měřit i více hladin kapaliny. Zařízení, jako například vertikální snímač hladiny VS801-51 s polypropylenovým tělem vyplněným sklem, je určeno pro použití ve vodě, je k dispozici se spínači NO nebo NC a konfigurací SPST nebo SPDT. Model VCS-06, který je vyroben z nylonu 6.6 vyplněného sklem, je k dispozici se spínači NO nebo NC v konfiguraci SPST (obrázek 3). Oba snímače jsou k dispozici pro použití v aplikacích s vroucí vodou a palivy, přičemž některé modely jsou dimenzovány pro provoz až do +130 °C a tlaku 4 bary.

Obrázek 3: Snímač hladiny řady VCS-06 lze namontovat buď na horní, nebo spodní část nádrže na kapalinu a plovák může být orientován tak, aby poskytoval kontakt NO nebo NC. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Pro aplikace, které potřebují měřit i jednotlivé hladiny kapaliny mezi plnou a prázdnou nádrží, mohou návrháři použít horizontální spínače hladiny kapaliny. Mezi příklady schválené UL patří:

• LS309-32 – vyrobený z nylonu 6.6 vyplněného sklem a je určený pro použití v oleji, palivu a neiontových kapalinách. Má konfiguraci SPST, standardní aktivační výkyv 40,4 mm a je dimenzován na 200 V DC nebo 250 V AC se zátěží až 70 W (obrázek 4).
• LCS-03 – má pouzdro z acetalu/polypropylenu a plovák z pěnového polypropylenu. Je navržen pro použití v aplikacích s omezeným prostorem a v aplikacích odpadních vod. Dodává se s kompaktním horizontálním krátkým výkyvem (35,5 mm) a s kabelem nebo integrovaným konektorem. Je typu NC, když je plovák vodorovný, a je dimenzován až do 40 W na 48 V DC.
• sLDS309-11N – má pouzdro a plovák z nylonu 6.6 vyplněného sklem a je určený pro použití v oleji, palivu a neiontových kapalinách s tlaky až 4,7 baru. Je schopen snímat malé změny hladiny kapaliny s těsným rozdílem drah 8,65 mm mezi provozem a uvolněním. Zařízení využívá přepínání SPST a je dimenzováno na zatížení až 70 W a napětí do 200 V DC nebo 250 V AC.

Obrázek 4: Horizontální spínač hladiny kapaliny LCS309-32 má standardní aktivační výkyv 40,4 mm a je určen pro použití v olejích, palivech a neiontových kapalinách. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Když není měření jedné úrovně dostatečné, mohou konstruktéři použít spínače s rozšířeným dosahem, které mohou být až jeden metr dlouhé. Například model EVS312-51N používá dva spínače k indikaci tří různých stavů úrovně (obrázek 5). Horní spínač je NC zařízení a spodní spínač je NO zařízení.

Obrázek 5: Spínače s rozšířeným dosahem, jako je model EVS312-51N, používají dva spínače k indikaci tří různých stavů úrovně. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Pokud se plovák nachází v horním limitu, jsou oba spínače rozepnuté. Pokud se nachází ve spodním limitu, jsou oba spínače sepnuté. A pokud se nachází mezi horním a spodním limitem, je horní spínač sepnutý a spodní spínač je rozepnutý (tabulka 1).

Tabulka 1: Horní a spodní spínač v modelu EVS312-51N lze použít k indikaci tří různých stavů úrovně. (Zdroj obrázku: TE Connectivity)

Model EVS312-51N má tělo z nylonu 6.6 a plovák z nylonu 6.6 vyplněného sklem a je dimenzován na 175 V DC nebo 125 V AC se zátěží až 5 W. Nabízí se v konfiguracích pro vnitřní i vnější montáž.

Závěr

Senzory hladiny kapaliny na bázi jazýčkových spínačů dávají konstruktérům spolehlivou a dlouhodobou volbu pro náročné aplikace v nepříznivých prostředích. Spínače se dodávají v různých konfiguracích pro měření – měří, zda je nádrž na kapalinu plná nebo prázdná či zda je kapalina na předem určené úrovni mezi nimi. A některé mohou měřit více hladin kapaliny. Navíc nepotřebují žádný externí zdroj napájení a mohou snadno splňovat požadavky EMC.

Doporučená literatura:

1. Výběr materiálu pro snímače hladiny kapaliny