Selecteren en gebruiken van vloeistofniveausensors met vlotter in industriële toepassingen

Ontwerpers gebruiken vloeistofniveausensors, ook wel vloeistofniveausensors of vlottersensors genoemd, in kritieke functies voor een veilige en efficiënte werking van systemen in een groeiend aantal industriële toepassingen, van verwarming, ventilatie en airconditioning (HVAC), water- en afvalwaterbehandeling en chemische en petrochemische verwerkingssystemen tot de productie van voedingsmiddelen en dranken. Hoewel het mogelijk is om vloeistofniveausensors van nul af aan te ontwerpen om te voldoen aan de steeds strengere toepassingsvereisten inzake nauwkeurigheid, energie-efficiëntie en robuustheid, kan dit al snel een complex, tijdrovend en uiteindelijk duur proces worden, aangezien de ontwerpers zich moeten buigen over de opties van de sensortechnologie, de verpakking, de interfaces en de reglementaire vereisten.

In plaats daarvan kunnen ontwerpers gebruik maken van kant-en-klare oplossingen met sensors op basis van reedschakelaars, die compleet en gebruiksklaar uit de doos worden geleverd, met een reeds verkregen wettelijke goedkeuring voor UL en IP65. Omdat ze gebruik maken van reed-switch technologie, zijn ze vaak geschikt voor meer dan 10 miljoen cycli, kunnen ze hoge vermogensbelastingen aan met een lage contactweerstand voor meer efficiëntie, en hebben ze een nul-energieverbruik.

Dit artikel geeft een overzicht van de belangrijkste ontwerpoverwegingen bij de keuze van vlottende vloeistofniveauschakelaars. Vervolgens worden de voordelen van het gebruik van reed-switch technologie besproken, waarna verschillende vloeistofniveau/vlottersensoroplossingen van TE Connectivity(TE) worden geïntroduceerd en hoe deze worden toegepast.

Een vlotter/vloeistofniveausensor kiezen

Vloeistofniveauschakelaars worden voor diverse doeleinden gebruikt, zoals het geven van alarmsignalen wanneer het vloeistofniveau stijgt of daalt tot een potentieel gevaarlijk niveau, het helpen beschermen van apparatuur tegen oververhitting, het handhaven van de juiste verhoudingen van materialen die worden gemengd, en het verminderen van het risico op brand. De keuze van een vlottende vloeistofniveauschakelaar voor een specifieke toepassing vereist een duidelijk inzicht in de ontwerpvoorwaarden en -vereisten op het vlak van:

• Wat is de vloeistof en wat is zijn temperatuur en druk?
• Vereist de toepassing een schakelaar die normaal open (N.O.) of normaal gesloten (N.C.) is?
• Is een enkelpolige enkel-draai (SPST) of een enkelpolige dubbel-draai (SPDT) schakeling nodig?
• Welke schakelaaroriëntatie is nodig: horizontaal vanaf de zijkant, gemonteerd aan de bovenkant, of gemonteerd aan de onderkant?
• Is één niveau-indicator zoals "vol", "gedeeltelijk vol" of "leeg" voldoende, of moeten meerdere vloeistofniveaus worden bewaakt?

De vloeistof en de toestand ervan zijn belangrijke overwegingen; verschillende materialen van het schakelaarhuis zijn geschikt voor verschillende toepassingsbehoeften. Voor veeleisende toepassingen zoals water bij hoge temperatuur, brandstoffen en oliën kan een met glas gevulde polyfenyleensulfidebehuizing nodig zijn, die geschikt is tot +130 graden Celsius (°C) en een druk van 4,7 bar.

Verticale vloeistofniveauschakelaars kunnen behuizingen tot één meter lang hebben en stijve materialen gebruiken, zoals diverse kunststoffen, messing of roestvrij staal. Voor minder veeleisende toepassingen, zoals watertanks, kunnen relatief goedkope acetaal en geschuimde polypropyleen behuizingen worden gebruikt die geschikt zijn tot +60°C en 0,34 bar. Naast het gebruik van het juiste materiaal voor het schakelaarhuis, is de keuze van de schakeltechnologie een belangrijke overweging bij het specificeren van vloeistofniveausensoren.

Voordelen van reed-switch technologie

Reedschakelaars zijn een rijpe en betrouwbare technologie. Vloeistofniveauschakelaars met reed-switch-technologie zijn passieve apparaten die geen externe stroombron nodig hebben om te functioneren. De schakelwerking in deze sensoren wordt geïnitieerd door de interactie van een permanente magneet in de vlotter met de stationaire reed-schakelaar.

Deze sensoren maken gebruik van een beweegbare vlotter met een ingebouwde magneet om een of meer reed-schakelaars in het sensorhuis te activeren (figuur 1). De magneet beweegt (drijft) van de onderkant naar de bovenkant van de schakelaar wanneer het vloeistofpeil stijgt en daalt wanneer het vloeistofpeil daalt. Als de magneet naar de reedschakelaar toe of van de schakelaar af beweegt, gaat hij aan of uit, afhankelijk van de configuratie.

Afbeelding 1: De vlotter beweegt de stang (links) op en neer naarmate het vloeistofpeil stijgt en daalt. De stang bevat de stilstaande reedschakelaar (midden), en als de magneet in de vlotter (rechts) nadert, gaat de schakelaar open of dicht, afhankelijk van het ontwerp. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

De betrouwbaarheid van deze sensoren is het resultaat van verschillende factoren: zij hebben slechts één bewegend onderdeel, zij zijn gebouwd met materialen die bestand zijn tegen vloeistoffen, en zij hebben een hermetisch afgesloten reedschakelaar met Ruthenium-contactpunten die geschikt zijn voor meer dan 10 miljoen schakelbewegingen.

Reedschakelaars kunnen betrouwbaar werken in omgevingen met hoge temperaturen. Zij hebben een hoge isolatiewaarde wanneer de schakelaar UIT staat, met een stroomopname die lager is dan bij solid-state schakeltechnologieën. Voldoen aan de eisen voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC) is met reed-schakelaars eenvoudiger en er zijn slechts minimale tests nodig.

Vloeistofniveausensors op basis van reedschakelaars

Ontwerpers kunnen zich wenden tot vloeistofniveausensors van TE om de voordelen van reedschakeltechnologie te realiseren. TE stelt ontwerpers in staat om te kiezen uit bijna 20 verticale en horizontale vloeistofniveauschakelaars die verkrijgbaar zijn in zes families, en gemaakt zijn van een breed scala aan materialen met verschillende schakel-, montage-, en kabelopties (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Vloeistofniveausensors met vlotter van TE Connectivity zijn verkrijgbaar in verschillende configuraties, waaronder verticale montage en zijmontage, tot een hoek van 90°, en universele montagehulpstukken. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

TE-vloeistofniveauschakelaars hebben een nominale spanning tot 250 volt wisselstroom (AC) of 200 volt gelijkstroom (DC). Zij zijn ISO/TS 16949 gecertificeerd voor automobielproducten en International Organization of Standardization (ISO) gecertificeerd voor industriële toepassingen. Sommige modellen hebben een UL-goedkeuring en een UK Water Regulations Advisory Scheme (WRAS) goedkeuring. Ze zijn berekend op meer dan 10 miljoen schakelcycli en zijn ontworpen voor eenvoudige installatie en service ter plaatse. Als een van deze schakelaars beschadigd raakt, kan hij gemakkelijk worden vervangen.

TE biedt vloeistofniveausensors aan die meten wanneer een tank vol, leeg of gedeeltelijk gevuld is, en sommige modellen kunnen meerdere vloeistofniveaus meten. Toestellen zoals de VS801-51 verticale niveausensor met een glasgevuld polypropyleen huis zijn ontworpen voor gebruik in water, zijn verkrijgbaar met N.O. of N.C. schakelaars, en SPST- of SPDT-configuraties. De VCS-06, die is gemaakt van glasgevuld nylon 6.6, is verkrijgbaar met N.O. of N.C. schakelaars in een SPST-configuratie (Afbeelding 3). Beide sensors zijn beschikbaar voor gebruik in toepassingen met kokend water en brandstoffen, waarbij sommige modellen geschikt zijn voor gebruik tot +130 °C en 4 bar druk.

Afbeelding 3: De niveausensor van de serie VCS-06 kan zowel bovenaan als onderaan een opslagtank voor vloeistoffen worden gemonteerd en de vlotter kan zo worden georiënteerd dat hij een N.O. of N.C. contact maakt. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

Voor toepassingen waarbij afzonderlijke vloeistofniveaus tussen vol en leeg moeten worden gemeten, kunnen ontwerpers horizontale vloeistofniveauschakelaars gebruiken. UL-goedgekeurde voorbeelden zijn de:

• LS309-32, gemaakt met glasgevuld nylon 6.6 en bedoeld voor gebruik in olie, brandstof en niet-ionische vloeistoffen. Hij heeft een SPST-configuratie, een standaard activeringszwaai van 40,4 millimeter (mm), en is geschikt voor 200 volt gelijkstroom of 250 volt wisselstroom, met belastingen tot 70 watt (W) (figuur 4).
• LCS-03, met een behuizing van acetal/polypropyleen en een vlotter van geschuimd polypropyleen. Deze is ontworpen voor gebruik in water- en afvalwatertoepassingen met beperkte ruimte. Hij wordt geleverd met een compacte horizontale korte zwaai (35,5 mm), en met een kabel of een integrale connector. Hij is N.C. wanneer de vlotter horizontaal staat en is geschikt voor 48 volt gelijkstroom tot 40 W.
• LDS309-11N, met een behuizing en vlotter van glasgevuld nylon 6.6 en bedoeld voor gebruik in olie, brandstof en niet-ionische vloeistoffen met een druk tot 4,7 bar. Hij is in staat kleine veranderingen in het vloeistofpeil te detecteren met een kleine differentiële slag van 8,65 mm tussen bediening en vrijgave. Het apparaat maakt gebruik van SPST-schakeling en is geschikt voor belastingen tot 70 W en spanningen tot 200 volt gelijkstroom of 250 volt wisselstroom.

Afbeelding 4: De LCS309-32 horizontale vloeistofniveauschakelaar heeft een standaard activeringszwaai van 40,4 mm en is ontworpen voor gebruik in olie, brandstof en niet-ionische vloeistoffen. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

Wanneer een enkele niveaumeting niet volstaat, kunnen ontwerpers schakelaars met een groter bereik gebruiken, die tot een meter lang kunnen zijn. De EVS312-51N gebruikt bijvoorbeeld twee schakelaars om drie verschillende niveaus aan te geven (Afbeelding 5). De hoge schakelaar is een N.C. apparaat, en de lage schakelaar is een N.O. apparaat.

Figuur 5: Schakelaars met groot bereik, zoals de EVS312-51N, gebruiken twee schakelaars om een indicatie te geven van drie verschillende niveauvoorwaarden. (Bron afbeelding: TE connectiviteit)

Wanneer de vlotter de bovenste limiet bereikt, zijn beide schakelaars open; wanneer hij de onderste limiet bereikt, zijn beide schakelaars gesloten; en wanneer hij zich tussen de bovenste en de onderste limiet bevindt, is de hoge schakelaar gesloten en de lage schakelaar geopend (Tabel 1).

Tabel 1: De hoge schakelaar en lage schakelaar in de EVS312-51N kunnen worden gebruikt om drie verschillende niveau's aan te geven. (Afbeelding source: TE Connectivity)

De EVS312-51N heeft een behuizing van nylon 6.6 en een vlotter van glasgevuld nylon 6.6 en is geschikt voor 175 volt gelijkstroom of 125 volt wisselstroom met een belasting tot 5 W. Hij wordt aangeboden in interne en externe montageconfiguraties.

Conclusie

Vloeistofniveausensors op basis van reed-switches bieden ontwerpers een betrouwbare keuze met een lange levensduur voor zware en veeleisende toepassingen. De schakelaars zijn verkrijgbaar in diverse configuraties om te meten wanneer een vloeistoftank vol of leeg is, of wanneer de vloeistof zich op een vooraf bepaald tussenliggend niveau bevindt, en sommige kunnen meerdere vloeistofniveaus meten. Bovendien hebben ze geen externe stroombron nodig en kunnen ze gemakkelijk aan EMC-vereisten voldoen.

Aanbevolen leesmateriaal:

1. Materiaalkeuze voor vloeistofniveausensors