Sådan vælges og anvendes flydende niveausensorer med flyder i industrielle applikationer

Designere bruger væskeniveau-sensorer - også kaldet væskeniveaukontakter eller flydersensorer - i kritiske roller for sikker og effektiv systemdrift på tværs af en voksende række industrielle applikationer fra opvarmning, ventilation og aircondition (HVAC), vand- og spildevandsbehandling og kemiske og petrokemiske behandlingssystemer til fødevare- og drikkevareproduktion. Selv om det er muligt at designe sensorer til væskeniveau fra bunden for at opfylde de stadig mere krævende krav til nøjagtighed, energieffektivitet og robusthed, kan det hurtigt blive en kompleks, tidskrævende og i sidste ende dyr proces, når designerne skal finde ud af mulighederne for sensorteknologi, emballering, grænseflader og lovkrav.

I stedet kan designere bruge færdigpakkede løsninger med reed switch-baseret aftastning, som leveres komplette og anvendelige out-of-the-box, og som allerede er godkendt af myndighederne til UL og IP65. Fordi de anvender reed switch-teknologi, er de ofte klassificeret til over 10 millioner cyklusser, kan håndtere høje effektbelastninger med lav kontaktmodstand for øget effektivitet og har nul strømforbrug.

I denne artikel gennemgås de vigtigste designovervejelser ved valg af flydende niveauafbrydere med flyder. Derefter diskuteres fordelene ved at bruge reed switch-teknologi, før der introduceres flere væskeniveau-/flydesensorløsninger fra TE Connectivity (TE), og hvordan de anvendes.

Valg af en flydende niveauføler med flyder

Flyderniveaukontakter bruges til en række forskellige formål, f.eks. til at give alarm, hvis væskeniveauet stiger eller falder til potentielt farlige niveauer, hjælpe med at beskytte udstyr mod overophedning, opretholde korrekte forhold mellem materialer, der blandes, og reducere risikoen for brande. Valg af en flydende niveauafbryder til en specifik anvendelse kræver en klar forståelse af konstruktionsbetingelserne og kravene med hensyn til:

• Hvad er væsken, og hvad er dens temperatur og tryk?
• Kræver applikationen en afbryder, der er normalt åben (N.O.) eller normalt lukket (N.C.)?
• Er det nødvendigt med enkeltpolet enkeltudløser (SPST) eller enkeltpolet dobbeltudløser (SPDT)?
• Hvilken indstilling af kontakten er nødvendig: Vandret fra siden, monteret i toppen eller monteret i bunden?
• Er det tilstrækkeligt med en indikator for en enkelt niveautilstand som f.eks. "fuld", "delvis fuld" eller "tom", eller er det nødvendigt at overvåge flere niveauer af væsken?

Væsken og dens tilstand er vigtige overvejelser; forskellige materialer til afbryderhuset er velegnede til forskellige anvendelsesbehov. Krævende applikationer som f.eks. vand, brændstoffer og olier ved høje temperaturer kan kræve et glasfyldt polyphenylensulfidhus med en temperatur på op til +130 grader Celsius (°C) og et tryk på 4,7 bar.

Lodrette væskeniveaukontakter kan have op til en meter lange huse og bruge stive materialer som f.eks. forskellige plasttyper, messing eller rustfrit stål. Mindre krævende anvendelser som f.eks. vandtanke kan bruge relativt billige acetal- og opskummede polypropylenhuse, der er beregnet til +60 °C og 0,34 bar. Ud over at anvende det rette materiale til kontaktens hus er valget af koblingsteknologi en vigtig overvejelse, når der skal specificeres sensorer til væskeniveau.

Fordele ved reed switch-teknologi

Reedkontakter er en moden og pålidelig teknologi. Flyderniveaukontakter, der anvender reed switch-teknologi, er passive enheder og har ikke brug for nogen ekstern strømkilde for at fungere. Skiftet i disse sensorer initieres af samspillet mellem en permanent magnet i flyderen og den stationære reedafbryder.

Disse sensorer anvender en bevægelig flyder med en indlejret magnet til at aktivere en eller flere reedkontakter i sensorhuset (figur 1). Magneten bevæger sig (flyder) fra bunden til toppen af kontakten, når væskeniveauet stiger, og falder, når væskeniveauet falder. Når magneten bevæger sig mod eller væk fra reedafbryderen, tændes eller slukkes den, afhængigt af konfigurationen.

Figur 1: Flyderen bevæger sig op og ned ad skaftet (til venstre), når væskeniveauet stiger og falder. Skaftet indeholder den stationære reedafbryder (i midten), og når magneten i flyderen (til højre) nærmer sig, åbnes eller lukkes afbryderen, afhængigt af dens konstruktion. (Billedkilde: TE Connectivity)

Disse sensorers pålidelighed skyldes flere faktorer: De har en enkelt bevægelig del, de er bygget med væskekompatible materialer, og de har en hermetisk forseglet reed switch med Ruthenium-kontaktpunkter, der er normeret til over 10 millioner koblingsoperationer.

Reedkontakter kan fungere pålideligt i miljøer med høje temperaturer. De har en høj isoleringsklassificering, når kontakten er slukket, med et strømforbrug, der er lavere end teknologier til faststofkontakter. Det er nemmere at opfylde kravene til elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) med reed switches, og der kræves kun minimal testning.

Reed switch-baserede væskeniveau-sensorer

Designere kan henvende sig til væskeniveau-sensorer fra TE for at udnytte fordelene ved reed switch-teknologien. TE giver designere mulighed for at vælge mellem næsten 20 lodrette og vandrette væskestandsswitche, der er tilgængelig i seks familier og er fremstillet af en lang række materialer med forskellige muligheder for kobling, montering og kabler (Figur 2).

Figur 2: Float-væskeniveaufølerne fra TE Connectivity er tilgængelig i en række forskellige konfigurationer, herunder vertikal montering og sidemontering, op til 90° vinkel og universelle monteringsfittings. (Billedkilde: TE Connectivity)

TE-væskeniveaukontakterne er normeret til op til 250 volt AC eller 200 volt DC. De er ISO/TS 16949-certificeret for bilprodukter og ISO-certificeret for industrielle applikationer. Nogle modeller har UL-godkendelse og WRAS-godkendelse (UK Water Regulations Advisory Scheme). De er beregnet til over 10 millioner koblingscyklusser og er designet til nem installation og service i marken. Hvis en af disse kontakter bliver beskadiget, kan den nemt udskiftes.

TE tilbyder væskestandssensorer, der måler, hvornår en tank er fuld, tom eller delvist fyldt, og nogle modeller kan måle flere væskestande. Enheder som VS801-51 vertikal niveausensor med et glasfyldt polypropylenhus er designet til brug i vand og er tilgængelig med N.O. eller N.C. afbrydere og SPST- eller SPDT-konfigurationer. VCS-06, som er fremstillet af glasfyldt nylon 6.6, er tilgængelig med N.O. eller N.C. afbrydere i en SPST-konfiguration (Figur 3). Begge sensorer er tilgængelige til brug i applikationer med kogende vand og brændstoffer, og nogle modeller er beregnet til drift op til +130 °C og 4 bar tryk.

Figur 3: Niveauføleren i VCS-06-serien kan monteres i enten toppen eller bunden af en væskebeholder, og flyderne kan orienteres til at give en N.O. eller N.C. kontakt. (Billedkilde: TE Connectivity)

Til applikationer, hvor der skal måles enkeltstående væskeniveauer mellem fuld og tom, kan konstruktører bruge vandrette væskeniveaukontakter. UL-godkendte eksempler omfatter:

• LS309-32, fremstillet af glasfyldt nylon 6.6 og beregnet til brug i olie, brændstof og ikke-ioniske væsker. Den har en SPST-konfiguration, en standard aktiveringsudslag på 40,4 millimeter (mm) og er beregnet til 200 volt DC eller 250 volt AC med belastninger på op til 70 watt (W) (Figur 4).
• LCS-03, med et hus af acetal/polypropylen og en flyder af opskummet polypropylen. Den er designet til brug i applikationer med begrænset plads til vand og spildevand. Den leveres med et kompakt horisontalt kort sving (35,5 mm) og med et kabel eller et integreret stik. Den er N.C., når flyderen er vandret, og er beregnet til 48 volt DC op til 40 W.
• LDS309-11N, med et hus og en flyder af glasfyldt nylon 6.6 og beregnet til brug i olie, brændstof og ikke-ioniske væsker med tryk op til 4,7 bar. Den er i stand til at registrere små ændringer i væskeniveauet med en tæt differentiel bevægelse på 8,65 mm mellem aktivering og frigivelse. Enheden anvender SPST-kobling og er beregnet til belastninger på op til 70 W og spændinger på op til 200 volt DC eller 250 volt AC.

Figur 4: LCS309-32 horisontal væskestandafbryder har en standard aktiveringsudslag på 40,4 mm og er beregnet til brug i olie, brændstof og ikke-ioniske væsker. (Billedkilde: TE Connectivity)

Når en enkelt niveaumåling ikke er tilstrækkelig, kan designere anvende kontakter med udvidet rækkevidde, der kan være op til en meter lang. EVS312-51N bruger f.eks. to kontakter til at give en indikation af tre forskellige niveauforhold (Figur 5). Den høje afbryder er en N.C.-enhed, og den lave afbryder er en N.O.-enhed.

Figur 5: Omskiftere med udvidet rækkevidde som EVS312-51N bruger to omskiftere til at give en indikation af tre forskellige niveauforhold. (Billedkilde: TE Connectivity)

Når flyderen er ved den øverste grænse, er begge kontakter åbne; når den er ved den nederste grænse, er begge kontakter lukket; og når den er mellem den øverste og nederste grænse, er den høje kontakt lukket og den lave kontakt åben (tabel 1).

Tabel 1: Høj og lav omskifter i EVS312-51N kan bruges til at angive tre forskellige niveautilstande. (Billedkilde: TE Connectivity)

EVS312-51N har en hus af nylon 6.6 og en flyder af glasfyldt nylon 6.6 og er normeret til 175 volt DC eller 125 volt AC med en belastning på op til 5 W. Den er tilgængelig med intern og ekstern montering.

Konklusion

Væskestandssensorer baseret på reed switches giver designere et pålideligt og langtidsholdbart valg til barske og krævende applikationer. Kontakterne er tilgængelig i en række forskellige konfigurationer til måling af, hvornår en væsketank er fuld eller tom, eller når væsken er på et forudbestemt niveau midt imellem, og nogle kan måle flere væskeniveauer. Desuden har de ikke brug for nogen ekstern strømkilde og kan nemt opfylde EMC-kravene.

Anbefalet læsning:

1. Materialevalg til sensorer til væskeniveautilstand