Sposób doboru i użycia pływakowych czujników poziomu cieczy w zastosowaniach przemysłowych

Projektanci używają czujników poziomu cieczy - zwanych również łącznikami poziomu cieczy lub czujnikami pływakowymi - w krytycznych funkcjach zapewniających bezpieczną i wydajną pracę systemu w coraz szerszym zakresie zastosowań przemysłowych, od instalacji ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC), oczyszczania wody i ścieków oraz chemicznych i petrochemicznych układów przetwarzania, po produkcję żywności i napojów. Chociaż zaprojektowanie czujników poziomu cieczy od podstaw ze spełnieniem coraz większych wymagań w zakresie dokładności, sprawności energetycznej i wytrzymałości jest możliwe, to proces taki może szybko okazać się złożony, czasochłonny i ostatecznie kosztowny, gdyż wymaga od projektantów przeszukiwania dostępnych technologii czujnikowych, obudów, interfejsów i wymagań prawnych.

Zamiast tego projektanci mogą skorzystać z gotowych rozwiązań z łącznikami kontaktronowymi, które są kompletne i gotowe do użycia zaraz po wyjęciu z pudełka, a także posiadają już uzyskane aprobaty administracyjne UL i IP65. Ponadto, wykorzystują technologię kontaktronową, dlatego często ich żywotność określa się na ponad 10 milionów cykli, mogą obsługiwać obciążenia o dużej mocy z niską rezystancją zestykową co zwiększa sprawność, a także charakteryzują się zerowym zużyciem energii.

W niniejszym artykule omówiono kluczowe kwestie projektowe przy wyborze pływakowych łączników poziomu cieczy. Następnie omówiono zalety korzystania z łączników kontaktronowych i przedstawiono kilka czujników poziomu cieczy (pływakowych) firmy TE Connectivity (TE) oraz sposób ich stosowania.

Dobór pływakowego czujnika poziomu cieczy

Pływakowe łączniki poziomu cieczy są używane do różnych celów, takich jak zgłaszanie alarmów w przypadku wzrostu lub spadku poziomu cieczy do potencjalnie niebezpiecznego poziomu, ochrona sprzętu przed przegrzaniem, utrzymywanie właściwych proporcji mieszanych materiałów i zmniejszanie ryzyka pożaru. Dobór pływakowego łącznika poziomu cieczy do konkretnego zastosowania wymaga dobrego zrozumienia warunków projektowych i wymagań w następującym zakresie:

• Z jaką cieczą mamy do czynienia i jaka jest jej temperatura oraz ciśnienie?
• Czy zastosowanie wymaga łącznika, który jest zwierny (normalnie otwarty, NO) czy rozwierny (normalnie zamknięty, NC)?
• Czy potrzebny jest łącznik jednobiegunowy jednopozycyjny (SPST), czy jednobiegunowy dwupozycyjny (SPDT)?
• W jakiej orientacji powinien być ustawiony przełącznik: poziomo z boku, zamocowany u góry, czy u dołu?
• Czy wystarczający jest wskaźnik jednego tylko poziomu cieczy, np. informujący o zapełnieniu, częściowym zapełnieniu lub opróżnieniu zbiornika, czy też należy monitorować wiele poziomów cieczy?

Ważnymi czynnikami są ciecz i jej stan. Różne materiały korpusu łącznika są dostosowane do różnych potrzeb. Wymagające zastosowania, takie jak woda, paliwa i oleje o wysokiej temperaturze, mogą wymagać wypełnionej szkłem obudowy z polisiarczku fenylenu wytrzymującej temperaturę do 130°C i ciśnienie 4,7bar.

Pionowe łączniki poziomu cieczy mogą mieć korpusy o długości do jednego metra ze sztywnych materiałów, takich jak różne tworzywa sztuczne, mosiądz czy stal nierdzewna. W mniej wymagających zastosowaniach, takich jak zbiorniki na wodę, można stosować stosunkowo niedrogie korpusy z acetalu i spienionego polipropylenu, o znamionowych temperaturach i ciśnieniach do do 60°C i 0,34bar. Oprócz odpowiedniego materiału korpusu łącznika, przy doborze czujników poziomu cieczy ważnym czynnikiem jest także wybór technologii przełączania.

Zalety łączników kontaktronowych

Łączniki kontaktronowe to ugruntowana i niezawodna technologia. Pływakowe łączniki poziomu cieczy wykorzystujące technologię kontaktronową są urządzeniami pasywnymi i do działania nie wymagają zewnętrznego źródła zasilania. Przełączanie w tych czujnikach jest inicjowane przez interakcję magnesu trwałego w pływaku z nieruchomym łącznikiem kontaktronowym.

Czujniki te wykorzystują ruchomy pływak z wbudowanym magnesem do aktywacji co najmniej jednego łącznika kontaktronowego w korpusie czujnika (ilustracja 1). Magnes porusza się (pływa) z dołu do góry łącznika, gdy poziom cieczy podnosi się i z góry do dołu, gdy poziom cieczy spada. Gdy magnes przysuwa się do łącznika kontaktronowego lub od niego odsuwa, tym samym włącza się lub wyłącza, w zależności od konfiguracji.

Ilustracja 1: pływak porusza się w górę i w dół trzonu (po lewej) wraz z podnoszeniem się i opadaniem poziomu cieczy. Trzon zawiera nieruchomy łącznik kontaktronowy (w środku), a gdy magnes w pływaku (po prawej) zbliża się, przełącznik otwiera się lub zamyka w zależności od konstrukcji. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Niezawodność tych czujników wynika z kilku czynników: mają jedną ruchomą część, posiadają korpusy z materiałów przystosowanych do płynów oraz hermetycznie zamknięty łącznik kontaktronowy z rutenowymi stykami, których żywotność przekracza 10 milionów cykli przełączania.

Łączniki kontaktronowe mogą działać niezawodnie w środowiskach o wysokiej temperaturze. Charakteryzują się dobrą izolacją, gdy łącznik jest wyłączony, a pobór prądu w nich jest niższy niż w przypadku przełączników półprzewodnikowych. Spełnienie wymagań kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) przy zastosowaniu łączników kontaktronowych jest łatwiejsze i wymagane są tylko podstawowe testy.

Czujniki poziomu cieczy oparte na łącznikach kontaktronowych

Aby wykorzystać zalety technologii łączników kontaktronowych, projektanci mogą skorzystać z czujników poziomu cieczy firmy TE. Firma TE oferuje projektantom asortyment prawie 20 pionowych i poziomych łączników poziomu cieczy dostępnych w sześciu grupach, wykonanych z szerokiej gamy materiałów, z różnymi opcjami przełączania, mocowania i okablowania (ilustracja 2).

Ilustracja 2: pływakowe czujniki poziomu cieczy firmy TE Connectivity są dostępne w różnych konfiguracjach, między innymi do montażu pionowego i bocznego, pod kątem nawet 90° oraz z uniwersalnymi mocowaniami montażowymi. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Łączniki poziomu cieczy firmy TE są przystosowane do napięcia 250V prądu zmiennego (~) lub 200V prądu stałego (=). Posiadają certyfikat ISO/TS 16949 wymagany do stosowania w produktach motoryzacyjnych oraz certyfikat Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej (ISO) dla zastosowań przemysłowych. Niektóre modele posiadają aprobatę UL i aprobatę UK Water Regulations Advisory Scheme (WRAS). Ich żywotność wynosi ponad 10 milionów cykli przełączania. Zostały zaprojektowane z myślą o łatwej instalacji i serwisowaniu w terenie. Jeśli jeden z takich łączników ulegnie uszkodzeniu, można go łatwo wymienić.

Firma TE oferuje czujniki poziomu cieczy, które sprawdzają, kiedy zbiornik jest pełny, pusty lub częściowo napełniony, a niektóre modele mogą mierzyć wiele poziomów cieczy. Urządzenia takie jak pionowy czujnik poziomu VS801-51 z korpusem z polipropylenu wypełnionego włóknem szklanym są przeznaczone do użytku w wodzie, dostępne w wersjach ze stykami zwiernymi (NO) lub rozwiernymi (NC) oraz w konfiguracjach jednobiegunowej jednopozycyjnej (SPST) i jednobiegunowej dwupozycyjnej (SPDT). Wykonany z nylonu 6.6 wypełnionego włóknem szklanym czujnik VCS-06 jest dostępny z łącznikami zwiernymi (NO) lub rozwiernymi (NC) w konfiguracji jednobiegunowej jednopozycyjnej (SPST) (ilustracja 3). Oba czujniki można stosować we wrzącej wodzie i wrzących paliwach, przy czym niektóre modele są przystosowane do pracy w temperaturze do 130°C i przy ciśnieniu 4bar.

Ilustracja 3: czujnik poziomu serii VCS-06 można zamontować na górze lub na dole zbiornika do magazynowania cieczy, a pływak można ustawić tak, aby zapewniał styk zwierny (NO) lub rozwierny (NC). (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

W przypadku zastosowań wymagających pomiaru jednego poziomu cieczy pomiędzy stanem pełnym a pustym, projektanci mogą zastosować poziome łączniki poziomu cieczy. Przykłady takich łączników z aprobatą UL:

• Wykonany z nylonu 6.6 wypełnionego włóknem szklanym łącznik LS309-32 przeznaczony do stosowania w olejach, paliwach i cieczach niejonowych. Występuje w konfiguracji jednobiegunowej jednopozycyjnej (SPST), ma standardowy wychył aktywacyjny 40,4mm i pracuje pod napięciem 200V= lub 250V~, z obciążeniem do 70W (ilustracja 4).
• Łącznik LCS-03 z obudową z acetalu/polipropylenu i pływakiem ze spienionego polipropylenu. Jest przeznaczony do użytku w zastosowaniach wodno-ściekowych o ograniczonych przestrzeniach. Posiada on krótki wychył poziomy (35,5mm) oraz kabel lub zintegrowane złącze. Styk jest zwarty (NC), gdy pływak jest ustawiony poziomo i znamionowo pracuje przy napięciu 48V= z obciążeniem do 40W.
• Łącznik LDS309-11N z obudową i pływakiem z nylonu 6.6 wypełnionego włóknem szklanym. Przeznaczony do użytku w olejach, paliwach i cieczach niejonowych o ciśnieniu do 4,7bar. Jest w stanie wykryć niewielkie zmiany poziomu cieczy przy małym skoku różnicowym 8,65mm między uruchomieniem a zwolnieniem. Urządzenie jest typu jednobiegunowego jednopozycyjnego (SPST) i posiada znamionowe napięcie do 200V= lub 250V~ oraz obciążenie do 70W.

Ilustracja 4: poziomy łącznik poziomu cieczy LCS309-32 posiada standardowy wychył aktywacyjny 40,4mm i jest przeznaczony do stosowania w olejach, paliwach i cieczach niejonowych. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Jeśli sygnalizacja jednego poziomu cieczy jest niewystarczająca, projektanci mogą sięgnąć po łączniki o rozszerzonej funkcjonalności o długości dochodzącej do jednego metra. Na przykład w urządzeniu EVS312-51N zastosowano dwa łączniki, aby zapewnić wskazanie trzech różnych stanów poziomu (ilustracja 5). Górny łącznik jest urządzeniem o stykach rozwiernych (NC), a dolny łącznik jest urządzeniem o stykach zwiernych (NO).

Ilustracja 5: w urządzeniach o rozszerzonej funkcjonalności, takich jak EVS312-51N, wykorzystano dwa łączniki, aby zapewnić wskazanie trzech różnych stanów poziomu. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Gdy pływak znajduje się na górnej granicy, oba przełączniki są otwarte; gdy jest na dolnej granicy, oba przełączniki są zamknięte; a gdy znajduje się pomiędzy górną i dolną granicą, przełącznik górny jest zamknięty, a przełącznik dolny jest otwarty (tabela 1).

Tabela 1: łączniki górny i dolny w czujniku EVS312-51N mogą być wykorzystane do wskazywania trzech różnych stanów poziomu. (Źródło ilustracji: TE Connectivity)

Czujnik EVS312-51N posiada korpus z nylonu 6.6 i pływak z nylonu 6.6 wypełnionego włóknem szklanym. Jest przeznaczony do napięć znamionowych 175V= lub 125V~ i obciążenia do 5W. Oferowane są konfiguracje do montażu wewnętrznego i zewnętrznego.

Podsumowanie

Czujniki poziomu cieczy oparte na łącznikach kontaktronowych gwarantują projektantom niezawodność i długi okres użytkowania w trudnych i wymagających zastosowaniach. Tego typu łączniki są dostępne w różnych konfiguracjach do sygnalizacji opróżnienia lub zapełnienia zbiornika cieczy lub też wskazywania określonego poziomu pomiędzy tymi stanami, a niektóre mogą wykrywać wiele poziomów cieczy. Ponadto nie wymagają zewnętrznego źródła zasilania i z łatwością spełniają wymagania w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC).

Rekomendowane artykuły:

1. Dobór materiałów dla czujników poziomu cieczy