Kelluvien nestetasoanturien valitseminen ja käyttö teollisuussovelluksissa

Suunnittelijat käyttävät nestetasoantureita (kutsutaan myös nimellä nestetasokytkin tai uimurianturi) kriittisissä rooleissa järjestelmän turvallisen ja tehokkaan toiminnan kannalta. Niitä käytetään yhä useammilla teollisuussovellusten aloilla, kuten lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmissä, veden ja jäteveden käsittelyssä, kemian ja petrokemian prosessointijärjestelmissä sekä elintarvike- ja juomatuotannossa. Tarkkuutta, energiatehokkuutta ja kestävyyttä koskevat vaatimukset täyttäviä nestetasoantureita voi kyllä suunnitella alusta alkaen, mutta kyseessä on monimutkainen tehtävä, johon kuluu paljon aikaa ja rahaa, koska suunnittelijoiden on käytävä läpi useita anturiteknologiavaihtoehtoja, koteloita, rajapintoja ja lakisääteisiä vaatimuksia.

Suunnittelijat voivatkin sen sijaan käyttää valmiiksi koteloituja, reed-kytkimeen perustuvia käyttövalmiita ratkaisuja, joilla on UL- ja IP65-hyväksynnät jo valmiiksi. Koska ne perustuvat reed-kytkinteknologiaan, niiden nimelliskäyttömäärä on yleensä yli 10 miljoonaa käyttöjaksoa ja ne pystyvät käsittelemään suuria kuormia pienellä kosketinresistanssilla, joten ne ovat erittäin tehokkaita, eivätkä ne itse kuluta lainkaan energiaa.

Tässä artikkelissa käydään läpi tärkeimpiä kelluvien nestetasokytkinten valintaan liittyviä suunnittelunäkökohtia. Sen jälkeen artikkelissa käsitellään reed-kytkinteknologian käytön etuja ja esitellään useita TE Connectivityn (TE) nestetaso-/uimurianturiratkaisuja sekä niiden käyttöä.

Kelluvan nestetasoanturin valinta

Kelluvia nestetasokytkimiä käytetään moniin eri tarkoituksiin. Ne voivat esimerkiksi hälyttää, jos nesteen taso nousee tai laskee vaaralliselle tasolle, ne voivat suojata laitteita ylikuumenemiselta, huolehtia sekoitettavien materiaalien oikeista suhteista sekä vähentää tulipalon vaaraa. Kelluvan nestetasokytkimen valinta tiettyyn sovellukseen edellyttää selkeää käsitystä ratkaisun käyttöolosuhteista ja vaatimuksista:

• Mikä neste on kyseessä ja mikä on sen lämpötila ja paine?
• Tarvitaanko sovelluksessa kytkintä, joka on normaalisti avoin (N.O.) vai normaalisti suljettu (N.C.)?
• Tarvitaanko SPST- tai SPDT-kytkentää?
• Mihin asentoon kytkin asennetaan: vaakasuoraan (säiliön kylkeen), nesteen yläpuolelle vai säiliön pohjaan?
• Riittääkö yksi nestetaso (esim. täysi, osittain täysi tai tyhjä) vai pitääkö sovelluksessa valvoa useita nestetasoja?

Myös kyseessä oleva neste ja sen tila on tärkeää ottaa huomioon, sillä eri kytkinmateriaalit soveltuvat erilaisiin käyttötarkoituksiin. Vaativissa sovelluksissa, joissa esimerkiksi veden, polttoaineen tai öljyn lämpötila on korkea, saatetaan tarvita lasilujitettu polyfenyleenisulfidikotelo, jonka suurin sallittu käyttölämpötila on jopa +130 celsiusastetta (°C) ja käyttöpaine 4,7 bar.

Vertikaalisten nestetasokytkinten runko on valmistettu jäykästä materiaalista, kuten muovista, messingistä tai ruostumattomasta teräksestä, ja se voi olla jopa metrin pituinen. Vesisäiliöiden kaltaisissa vähemmän vaativissa sovelluksissa voidaan käyttää melko edullisia asetaali- ja polypropeenivaahtorunkoja, joissa käyttöolosuhteiden nimellisarvot ovat enintään +60 °C ja 0,34 bar. Nestetasoanturien valinnassa on sopivan kytkimen runkomateriaalin lisäksi tärkeää valita oikea kytkentäteknologia.

Reed-kytkinteknologian edut

Reed-kytkimet edustavat kypsää ja luotettavaa teknologiaa. Reed-kytkinteknologiaan perustuvat kelluvat nestetasokytkimet ovat passiivisia laitteita, joiden toiminta ei vaadi ulkoista virtalähdettä. Näiden anturien toiminta perustuu uimurissa olevan kestomagneetin vaikutukseen paikallaan olevaan reed-kytkimeen.

Niissä hyödynnetään liikkuvaa uimuria, jonka sisällä oleva magneetti aktivoi yhden tai useamman anturin runkoon asennetun reed-kytkimen (kuva 1). Magneetti liikkuu (kelluu) kytkimen alareunasta sen yläreunaan nestetason noustessa ja laskee takaisin alas, kun nestetaso laskee. Kun magneetti liikkuu reed-kytkintä kohti tai siitä pois päin, kytkin kytkeytyy konfiguroinnin mukaisesti joko päälle tai pois päältä.

Kuva 1: Uimuri liikkuu rungossa nestetason noustessa ja laskiessa (vasemmalla) ylös- ja alaspäin. Runko sisältää paikallaan pysyvän reed-kytkimen (keskellä). Kun uimurin magneetti (oikealla) lähestyy kytkintä, se joko avautuu tai sulkeutuu toteutusvaihtoehdosta riippuen. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Tällaisten anturien luotettavuus perustuu useisiin eri tekijöihin: niissä on vain yksi liikkuva osa, ne on valmistettu nesteen kanssa yhteensopivista runkomateriaaleista ja niiden reed-kytkin on tiivistetty hermeettisesti. Lisäksi kytkimen ruteniumkoskettimet on suunniteltu kestämään yli 10 miljoonaa kytkentäkertaa.

Reed-kytkimet toimivat luotettavasti myös korkeissa lämpötiloissa. Niiden eristysluokitus on korkea kytkimen ollessa katkaisutilassa, ja lisäksi niiden virrankulutus on pienempi kuin puolijohdepohjaisissa kytkentäteknologioissa. Reed-kytkimillä on helppo täyttää sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC) koskevat vaatimukset ja siihen tarvitaan vain erittäin vähän testausta.

Reed-kytkimeen perustuvat nestetasoanturit

Suunnittelijat voivat hyödyntää reed-kytkentäteknologian etuja TE:n nestetasoanturien avulla. TE tarjoaa suunnittelijoille lähes 20 erilaista vertikaalista ja horisontaalista nestetasokytkintä. Ne on ryhmitelty kuuteen tuoteperheeseen ja valmistettu monenlaisista materiaaleista. Saatavana on useita kytkentä-, asennus- ja kaapelointivaihtoehtoja (kuva 2).

Kuva 2: TE Connectivity tarjoaa monenlaisia kelluvia nestetasoantureita, kuten vertikaalisesti tai sivuun asennettavia sekä jopa 90° kulmaan asennettavia malleja. Näiden lisäksi TE Connectivity tarjoaa yleiskäyttöisiä asennuskiinnikkeitä. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

TE:n nestetasokytkinten nimellisjännite on jopa 250 volttia vaihtovirralla (AC) tai 200 volttia tasavirralla (DC). Niillä on autoteollisuuskäyttöön tarvittava ISO/TS 16949 ‑sertifiointi sekä teollisuussovelluksiin tarvittava ISO-sertifiointi. Joillakin malleilla on UL-hyväksyntä ja UK Water Regulations Advisory Scheme (WRAS) ‑hyväksyntä. Tuotteiden kytkentäjaksojen nimellismäärä on yli 10 miljoonaa ja ne on suunniteltu helposti asennettaviksi sekä paikan päällä huollettaviksi. Jos jokin kytkin vaurioituu, se voidaan vaihtaa helposti.

TE:n tarjoamat nestetasoanturit mittaavat onko säiliö täysi, tyhjä tai vajaa. Joillakin malleilla voidaan mitata useita eri nestetasoja. Esimerkiksi vertikaalisen VS801-51-tasoanturin runko on valmistettu lasilujitetusta polypropeenista. Se on saatavana N.O.- tai N.C.-kytkimellä ja SPST- tai SPDT-versiona. VCS-06 on puolestaan valmistettu lasilujitetusta nylon 6.6 -materiaalista. Siitä on saatavana N.O.- tai N.C.-kytkinversiot SPST-konfiguraatiossa (kuva 3). Molemmat edellä mainitut anturit soveltuvat käyttökohteisiin, joissa mitataan kiehuvaa vettä ja polttoaineita. Joidenkin mallien nimellisarvot ovat jopa +130 °C ja 4 bar.

Kuva 3: VCS-06-sarjan tasoanturin voi asentaa nestesäiliön ylä- tai alaosaan, ja sen uimuri voidaan suunnata siten, että kytkin toimii joko N.O.- tai N.C.-periaatteen mukaisesti. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Täyden ja tyhjän välillä olevien yksittäisten nestetasojen mittausta vaativissa kohteissa voidaan käyttää horisontaalisia nestetasokytkimiä. Muun muassa seuraavilla malleilla on UL-hyväksyntä:

• LS309-32 on valmistettu lasilujitetusta nylon 6.6 -materiaalista ja tarkoitettu käytettäväksi öljyssä, polttoaineessa ja ionittomissa nesteissä. Siinä on SPST-konfigurointi, vakiona 40,4 millimetrin (mm) aktivointiliikealue ja sen nimellisjännite on 200 volttia (DC) tai 250 volttia (AC) sekä nimelliskuorma 70 wattia (W) (kuva 4).
• LCS-03, jonka kotelo on valmistettu asetaali-polypropeenista ja uimuri vaahdotetusta polypropeenista. Tämä malli on tarkoitettu käytettäväksi veden ja jäteveden mittaukseen, kun käytettävissä oleva tila on rajallinen. Sen vaakasuuntainen liikealue on pieni (35,5 mm) ja se toimitetaan kaapelilla tai integroidulla liittimellä. Kytkin toimii N.C.-tilassa, kun uimuri on vaakasuorassa, ja laitteen nimellisjännite on 48 volttia (DC) sekä nimelliskuorma 40 W.
• LDS309-11N on valmistettu lasilujitetusta nylon 6.6 -materiaalista ja tarkoitettu käytettäväksi öljyssä, polttoaineessa ja ionittomissa nesteissä enintään 4,7 barin paineessa. Se tunnistaa nestetason pienetkin muutokset, koska sen toiminnan ja vapautuksen välinen differentiaalinen liikealue on vain 8,65 mm. Laite käyttää SPST-kytkentää, ja sen suurin sallittu nimelliskuormitus on 70 W ja jännite 200 V DC tai 250 V AC.

Kuva 4: Horisontaalisen LCS309-32-nestetasokytkimen tavallinen aktivointiliikealue on 40,4 mm. Se on tarkoitettu käytettäväksi öljyssä, polttoaineessa ja ionittomissa nesteissä. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Jos halutaan mitata useampia nestetasoja, sopiva ratkaisu löytyy jopa yhden metrin pituisista laajennetun alueen kytkimistä. Esimerkiksi EVS312-51N-kytkimessä kolme eri tasoehtoa ilmaistaan kahden kytkimen avulla (kuva 5). Yläkytkin on N.C.-laite ja alakytkin on N.O.-laite.

Kuva 5: Esimerkiksi EVS312-51N-kytkimessä kolme eri tasoehtoa ilmaistaan kahden kytkimen avulla. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

Kun uimuri on ylärajalla, molemmat kytkimet ovat avoimena, uimurin ollessa alarajalla molemmat kytkimet ovat suljettuina. Kun uimuri on ylä- ja alarajojen välillä, yläkytkin on suljettuna ja alakytkin on avoimena (taulukko 1).

Taulukko 1: EVS312-51N-kytkimen ylä- ja alakytkinten avulla voidaan ilmaista kolme tasoehtoa. (Kuvan lähde: TE Connectivity)

EVS312-51N:n runko on valmistettu nylon 6.6 -materiaalista ja uimuri lasilujitetusta nylon 6.6 -materiaalista. Sen nimellisjännite on 175 V DC tai 125 V AC ja kuormitus enintään 5 W. Saatavana on mallit sekä sisäpuoliseen että ulkopuoliseen asennukseen.

Yhteenveto

Reed-kytkimiin perustuvat nestetasoanturit ovat luotettava ja pitkäikäinen ratkaisu koviin ja vaativiin käyttökohteisiin. Kytkimistä on saatavana useita erilaisia konfiguraatioita. Niillä voidaan mitata onko nestesäiliö täysi vai tyhjä tai onko nestemäärä tietyllä tasolla. Joillakin malleilla voidaan mitata useita nestetasoja. Antureille ei tarvita myöskään ulkoista virtalähdettä ja ne täyttävät EMC-vaatimukset vaivattomasti.

Suositeltavaa luettavaa:

1. Material Selection for Liquid-Level Sensors