Come selezionare e utilizzare i sensori di livello dei liquidi a galleggiante in applicazioni industriali

I progettisti usano i sensori di livello dei liquidi - chiamati anche interruttori di livello dei liquidi o sensori a galleggiante - in ruoli critici per il funzionamento sicuro ed efficiente in una gamma crescente di applicazioni industriali, dal riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria (HVAC), al trattamento dell'acqua e delle acque reflue, ai sistemi di lavorazione chimica e petrolchimica, alla trasformazione alimentare e delle bevande. Mentre è possibile progettare sensori di livello dei liquidi da zero per soddisfare i requisiti applicativi sempre più esigenti in termini di precisione, efficienza energetica e robustezza, farlo può diventare rapidamente un processo complesso, che richiede tempo e, in ultima analisi, costoso, in quanto i progettisti hanno una moltitudine di opzioni di tecnologia di rilevamento, incapsulamento, interfacce e requisiti normativi tra cui scegliere.

I progettisti possono però utilizzare soluzioni preconfezionate con rilevamento basato su interruttori reed, completi e utilizzabili fin da subito, con approvazione normativa per UL e IP65 già ricevuta. Inoltre, poiché utilizzano la tecnologia degli interruttori reed, sono spesso classificati per oltre 10 milioni di cicli, possono gestire carichi ad alta potenza con una bassa resistenza di contatto per una maggiore efficienza e hanno un consumo energetico praticamente nullo.

Questo articolo esamina le considerazioni di progettazione chiave quando si selezionano gli interruttori di livello dei liquidi a galleggiante. Discute quindi i vantaggi dell'utilizzo della tecnologia degli interruttori reed prima di introdurre diverse soluzioni di sensori di livello/a galleggiante per liquidi di TE Connectivity (TE) e le loro applicazioni.

Selezione di un sensore di livello dei liquidi a galleggiante

Gli interruttori di livello dei liquidi a galleggiante sono utilizzati per una varietà di scopi, come fornire allarmi se i liquidi salgono o scendono a livelli potenzialmente pericolosi, aiutare a proteggere le attrezzature dal surriscaldamento, mantenere i rapporti corretti delle sostanze miscelate e ridurre il rischio di incendi. La selezione di un interruttore di livello dei liquidi a galleggiante per un'applicazione specifica richiede una chiara comprensione delle condizioni di progettazione e dei requisiti in termini di:

• Qual è il liquido e quali sono la sua temperatura e la sua pressione?
• L'applicazione richiede un interruttore normalmente aperto (NA) o normalmente chiuso (NC)?
• È necessaria una commutazione unipolare a una via (SPST) o unipolare a due vie (SPDT)?
• Quale orientamento deve avere l'interruttore: orizzontale a lato, montato in alto o montato in basso?
• È sufficiente un singolo indicatore di condizione di livello come "pieno", "parzialmente pieno" o "vuoto" o è necessario monitorare più livelli del liquido?

Il liquido e le sue condizioni sono considerazioni importanti; diversi materiali del corpo dell'interruttore sono adatti a diverse esigenze applicative. Applicazioni impegnative come l'acqua ad alta temperatura, i combustibili e gli oli possono richiedere un alloggiamento in polifenilsolfuro caricato a vetro con una temperatura fino a +130 °C e 4,7 bar di pressione.

Gli interruttori di livello dei liquidi verticali possono avere corpi lunghi fino a un metro e utilizzare materiali rigidi come varie materie plastiche, ottone o acciaio inossidabile. Le applicazioni meno esigenti, come i serbatoi d'acqua, possono utilizzare corpi in acetale e polipropilene espanso relativamente poco costosi, classificati fino a +60 °C e 0,34 bar. Oltre all'impiego del materiale appropriato del corpo dell'interruttore, la selezione della tecnologia di commutazione è una considerazione importante quando si specificano i sensori di livello dei liquidi.

Vantaggi della tecnologia degli interruttori reed

Gli interruttori reed sono una tecnologia matura e affidabile. Gli interruttori di livello dei liquidi a galleggiante che utilizzano la tecnologia degli interruttori reed sono dispositivi passivi e non hanno bisogno di una fonte di alimentazione esterna per funzionare. L'azione di commutazione in questi sensori avviene dall'interazione di un magnete permanente nel galleggiante con l'interruttore reed stazionario.

Questi sensori utilizzano un galleggiante mobile con un magnete incorporato per attivare uno o più interruttori reed nel corpo del sensore (Figura 1). Il magnete si sposta (viene a galla) dal basso verso l'alto dell'interruttore quando il livello dei liquidi sale e scende quando il livello dei liquidi scende. Quando il magnete si muove verso o lontano dall'interruttore reed, si accende o si spegne, a seconda della configurazione.

Figura 1: Il galleggiante viaggia su e giù per lo stelo (a sinistra) quando il livello dei liquidi sale e scende. Lo stelo contiene l'interruttore reed stazionario (centro) e quando il magnete nel galleggiante (destra) si avvicina, l'interruttore si apre o si chiude a seconda del suo progetto. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

L'affidabilità di questi sensori deriva da diversi fattori: hanno una sola parte mobile, sono costruiti con materiali compatibili con i liquidi e hanno un interruttore reed ermeticamente sigillato con punti di contatto in rutenio classificati per oltre 10 milioni di cicli di commutazione.

Gli interruttori reed possono funzionare in modo affidabile in ambienti ad alta temperatura. Hanno un alto grado di isolamento quando l'interruttore è spento, con un assorbimento di corrente inferiore alle tecnologie degli interruttori a stato solido. Il rispetto dei requisiti di compatibilità elettromagnetica (EMC) con gli interruttori reed è semplificato e sono necessari solo test minimi.

Sensori di livello dei liquidi basati su interruttori reed

I progettisti possono rivolgersi ai sensori di livello dei liquidi di TE per realizzare i vantaggi della tecnologia degli interruttori reed. TE permette ai progettisti di scegliere tra quasi 20 interruttori di livello dei liquidi verticali e orizzontali, disponibili in sei famiglie e realizzati con un'ampia gamma di materiali con varie opzioni di commutazione, raccordi e cavi (Figura 2).

Figura 2: I sensori di livello dei liquidi a galleggiante di TE Connectivity sono disponibili in una varietà di configurazioni, tra cui il montaggio verticale e laterale, fino a un angolo di 90° e raccordi di montaggio universali. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Gli interruttori di livello dei liquidi di TE sono classificati fino a 250 V c.a. o 200 V c.c. Sono certificati ISO/TS 16949 per i prodotti automotive e ISO (International Organization of Standardization) per le applicazioni industriali. Alcuni modelli hanno l'approvazione UL e l'approvazione UK Water Regulations Advisory Scheme (WRAS). Sono classificati per oltre 10 milioni di cicli di commutazione e sono progettati per una facile installazione e manutenzione sul campo. Se uno di questi interruttori si danneggia, è facile sostituirlo.

TE offre sensori di livello dei liquidi che misurano quando un serbatoio è pieno, vuoto o parzialmente pieno; alcuni modelli possono anche misurare più livelli del liquido. Dispositivi come il sensore di livello verticale VS801-51 con un corpo in polipropilene caricato a vetro sono progettati per l'uso in acqua, sono disponibili con interruttori NA o NC e configurazioni SPST o SPDT. Il modello VCS-06, realizzato con nylon 6.6 caricato a vetro, è disponibile con interruttori NA o NC in una configurazione SPST (Figura 3). Entrambi i sensori sono disponibili per l'uso in applicazioni che coinvolgono acqua bollente e combustibili, con alcuni modelli classificati per il funzionamento fino a +130 °C e 4 bar di pressione.

Figura 3: Il sensore di livello serie VCS-06 può essere montato sulla parte superiore o inferiore di un serbatoio per liquidi e il galleggiante può essere orientato per fornire un contatto NA o NC. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Per le applicazioni che devono misurare singoli livelli di liquido tra il pieno e il vuoto, i progettisti possono usare interruttori di livello dei liquidi orizzontali. Gli esempi approvati UL includono:

• LS309-32, realizzato con nylon 6.6 caricato a vetro e destinato all'uso in olio, carburante e liquidi non ionici. Ha una configurazione SPST, un'oscillazione di attivazione standard di 40,4 mm ed è classificato per 200 V c.c. o 250 V c.a., con carichi fino a 70 W (Figura 4).
• LCS-03, con un alloggiamento in acetale/polipropilene e un galleggiante in polipropilene espanso. È progettato per l'uso in applicazioni di acqua e acque reflue con spazio limitato. È dotato di un'ala corta orizzontale compatta (35,5 mm) e di un cavo o di un connettore integrale. È di tipo NC quando il galleggiante è orizzontale ed è classificato per 48 V c.c. fino a 40 W.
• LDS309-11N, con alloggiamento e galleggiante in nylon 6.6 caricato a vetro e destinato all'uso in olio, carburante e liquidi non ionici con pressioni fino a 4,7 bar. È in grado di rilevare piccoli cambiamenti nel livello dei liquidi con una corsa differenziale ravvicinata di 8,65 mm tra il funzionamento e il rilascio. Il dispositivo utilizza la commutazione SPST ed è classificato per carichi fino a 70 W e tensioni fino a 200 V c.c. o 250 V c.a.

Figura 4: L'interruttore di livello dei liquidi orizzontale LCS309-32 ha un'oscillazione di attivazione standard di 40,4 mm ed è progettato per l'uso in olio, carburante e liquidi non ionici. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Quando una singola misurazione del livello non è sufficiente, i progettisti possono optare per interruttori a raggio esteso che possono essere lunghi fino a un metro. Ad esempio, EVS312-51N utilizza due interruttori per fornire un'indicazione di tre diverse condizioni di livello (Figura 5). L'interruttore alto è un dispositivo NC e l'interruttore basso è un dispositivo NA.

Figura 5: Gli interruttori a raggio esteso come EVS312-51N utilizzano due interruttori per fornire un'indicazione di tre diverse condizioni di livello. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

Quando il galleggiante è al limite superiore, entrambi gli interruttori sono aperti; quando è al limite inferiore, entrambi sono chiusi e quando è tra i limiti superiore e inferiore, l'interruttore alto è chiuso e l'interruttore basso è aperto (Tabella 1).

Tabella 1: L'interruttore alto e quello basso di EVS312-51N possono essere usati per indicare tre diverse condizioni di livello. (Immagine per gentile concessione di TE Connectivity)

EVS312-51N ha un corpo di nylon 6.6 e un galleggiante di nylon 6.6 caricato a vetro ed è classificato per 175 V c.c. o 125 V c.a. con un carico fino a 5 W. È offerto in configurazioni di montaggio interno ed esterno.

Conclusione

I sensori di livello dei liquidi basati su interruttori reed offrono ai progettisti una scelta affidabile e di lunga durata per applicazioni difficili ed esigenti. Questi interruttori sono disponibili in una varietà di configurazioni per misurare quando un serbatoio per liquidi è pieno o vuoto o quando il liquido è a un livello predeterminato nel mezzo; alcuni possono anche misurare più livelli di liquido. Inoltre, non hanno bisogno di una fonte di alimentazione esterna e possono facilmente soddisfare i requisiti EMC.

Letture consigliate:

1. Scelta dei materiali per i sensori di livello dei liquidi