כיצד לבחור ולהשתמש בחיישני רמת נוזל צפים ביישומים תעשייתיים

המתכננים משתמשים בחיישני רמת נוזל - המכונים גם מתגי רמת נוזל או חיישני מצוף - בתפקידים קריטיים להפעלת מערכת בטוחה ויעילה במגוון הולך וגדל של יישומים תעשייתיים, החל מחימום, איוורור ומיזוג-אוויר (HVAC), טיפול במים ושפכים, ומערכות עיבוד כימיקלים ופטרוכימיים ועד לייצור מזון ומשקאות. אמנם אפשר לתכנן חיישני רמת נוזל מאפס כדי לעמוד בדרישות היישום עבור יותר דיוק, יעילות אנרגטית ועמידות, אך פעולה זו יכולה להפוך במהירות לתהליך מורכב, גוזל זמן ובסופו של דבר יקר, מאחר והמתכננים צריכים לבחון את אפשרויות טכנולוגיות החישה, מארזים, ממשקים והדרישות הרגולטוריות.

במקום זאת, המתכננים יכולים להשתמש בפיתרונות ארוזים-מראש עם חישה מבוססת Reed המגיעים שלמים וניתנים לשימוש ישר-מן-הקופסה, עם הרשאות רגולטוריות ל- UL ו- IP65 שכבר התקבלו. כמו כן, מכיוון שהם משתמשים בטכנולוגיית מתג Reed‏, הם מדורגים לעתים עבור למעלה מ- 10 מיליון מחזורים, יכולים להתמודד עם עומסים בהספק גבוה עם התנגדות מגע נמוכה לטובת נצילות משופרת ואפס צריכת הספק.

מאמר זה סוקר שיקולי תכנון עיקריים בעת בחירת מתגי רמת נוזל צפים. לאחר מכן הוא דן ביתרונות השימוש בטכנולוגיית מתג Reed‏ לפני הצגת מספר פיתרונות חיישן רמת נוזל/צף מבית TE Connectivity‏ (TE‏) וכיצד הם מיושמים.

בחירת חיישן רמת נוזל צף

מתגי רמת נוזל צפים משמשים עבור מגוון של מטרות, כגון מתן התרעות כאשר רמת הנוזל עולה או יורדת לרמות העלולות להיות מסוכנות, עזרה בהגנה על ציוד מפני התחממות-יתר, שמירה על יחסים נכונים בין החומרים המעורבבים, והפחתת הסיכון לשריפות. בחירת מתג רמת נוזל צף עבור יישום ספציפי דורשת הבנה ברורה של התנאים והדרישות במונחים של:

• מהו הנוזל ומה הטמפרטורה והלחץ שלו?
• האם היישום דורש מתג פתוח-בדרך-כלל (NO) או סגור-בדרך-כלל (NC)?
• האם נדרש מיתוג קוטב-יחיד, דרך-יחידה (SPST‏) או קוטב-יחיד, שתי-דרכים (SPDT‏)?
• איזו כיווניות נחוצה למתג: אופקי מהצד, הרכבה עילית או הרכבה תחתית?
• האם מחוון מצב רמה יחיד כגון "מלא", "מלא חלקית" או "ריק" מספיק, או שצריך לנטר מספר רב של רמות נוזל?

הנוזל ומצבו הם שיקולים חשובים; חומרי גוף מתג שונים מתאימים לצורכי יישום שונים. יישומים תובעניים כגון מים, דלקים ושמנים בטמפרטורה גבוהה עשויים להזדקק לבית פוליפנילן סולפיד ממולא-זכוכית בדירוג של עד 130+מעלות צלזיוס (C‏°‏) ולחץ של bar‏ 4.7‏.

מתגי רמה אנכיים יכולים להיות בעלי גוף באורך של עד מטר אחד ולהשתמש בחומרים קשיחים כגון פלסטיק, פליז או פלב"ם שונים. יישומים פחות תובעניים כמו מכלי מים יכולים להשתמש בגופים לא-יקרים יחסית כגון אצטל ופוליפרופילן מוקצף, בדירוג של עד 60°C+ ו- bar‏ 0.34‏. בנוסף לשימוש בחומר גוף המתג המתאים, בחירת טכנולוגיית המיתוג מהווה שיקול חשוב בעת הגדרת המפרט של חיישני רמת נוזל.

היתרונות של טכנולוגיית מתג Reed‏

מתגי Reed הם טכנולוגיה בוגרת ואמינה. מתגי רמת נוזל צפים בטכנולוגיית מתג Reed‏ הם התקנים פסיביים ואינם זקוקים למקור הספקת כוח חיצוני לפעולתם. פעולת המיתוג בחיישנים אלה מתבצעת על ידי אינטראקציה של מגנט קבוע שבמצוף עם מתג Reed‏ נייח.

חיישנים אלה משתמשים במצוף נייד עם מגנט משובץ להפעלת מתג Reed אחד או יותר שבתוך גוף החיישן (איור 1). המגנט נע (צף) מהתחתית אל החלק העליון של המתג כאשר מפלס הנוזל עולה, ויורד כאשר מפלס הנוזל יורד. כשהמגנט נע לכיוון מתג Reed‏ או מתרחק ממנו, הוא מופעל או מופסק, בהתאם לתצורה.

איור 1‏: המצוף נע למעלה ולמטה בתוך הגזע (משמאל) כאשר מפלס הנוזל עולה ויורד. הגזע מכיל את מתג Reed‏ הנייח (במרכז), וככל שהמגנט במצוף (מימין) מתקרב, המתג נפתח או נסגר בהתאם לתכן שלו. (מקור התמונה: TE Connectivity)

האמינות של חיישנים אלה נובעת מכמה גורמים: יש להם חלק נע אחד, הם בנויים מחומרי גוף תואמי נוזל, ויש להם מתג Reed‏ אטום הרמטית עם נקודות מגע של רותניום בדירוג של יותר מ- 10 מיליון פעולות מיתוג.

מתגי Reed יכולים לפעול בצורה אמינה בסביבות של טמפרטורות גבוהות. יש להם דירוג בידוד גבוה כאשר המתג כבוי, עם צריכת זרם שהיא נמוכה יותר מטכנולוגיות מתג מצב-מוצק. העמידה בדרישות תאימות אלקטרומגנטית (EMC) עם מתגי Reed היא פשוטה ונדרשת רק בדיקה מינימלית.

חיישני רמת נוזל מבוססי מתג Reed‏

המתכננים יכולים לפנות לחיישני רמת נוזל מבית TE כדי לממש את היתרונות של טכנולוגיית מתג Reed‏. חברת TE מאפשרת למתכננים לבחור מתוך כמעט 20 מתגי רמת נוזל אנכיים ואופקיים הזמינים בשש משפחות, ומיוצרים באמצעות מגוון רחב של חומרים עם אפשרויות מיתוג, קיבוע וכבלים שונים (איור 2).

איור 2: חיישני רמת נוזל צפים מבית TE Connectivity זמינים במגוון של תצורות, כולל הרכבה אנכית והרכבת צד, בזווית של עד °‏90‏, ועם מתאמי הרכבה אוניברסליים. (מקור התמונה: TE Connectivity)

מתגי רמת נוזל מבית TE‏ הם בדירוג של עד 250 וולט זרם חילופין (AC) או 200 וולט זרם ישר (DC). הם מורשי ISO/TS 16949 עבור מוצרים לכלי-רכב והם מורשים לפי הארגון הבינלאומי לתקינה (ISO) עבור יישומים תעשייתיים. לדגמים מסוימים יש הרשאות UL ו- UK Water Regulations Advisory Scheme‏ (WRAS‏). הם בעלי דירוג של יותר מ- 10 מיליון מחזורי מיתוג ומתוכננים עבור התקנה ושירות בשטח קלים. אם אחד המתגים הללו ניזוק, ניתן להחליפו בקלות.

חיישני רמת נוזל המוצעים על ידי חברת TE יכולים למדוד מכל מלא, ריק או מלא בחלקו, וכמה דגמים יכולים למדוד מספר רמות נוזל. התקנים כגון חיישן רמה אנכי VS801-51 עם גוף פוליפרופילן ממולא-זכוכית המתוכנן לשימוש במים, והם זמינים עם מתגי NO או NC ובתצורות SPST או SPDT. ה- VCS-06, העשוי ניילון 6.6 ממולא-זכוכית, זמין עם מתגי NO או NC בתצורת SPST (איור 3). שני החיישנים זמינים לשימוש ביישומים הכוללים מים רותחים ודלקים, כאשר חלק מהדגמים הם בדירוג עבור פעולה עד 130°C+ ולחץ של עד bar‏ 4‏.

איור 3‏: חיישני רמת נוזל סדרת VCS-06 ניתנים להרכבה עילית או תחתית במכל אחסון נוזלים וניתן לכוון את המצוף לקבלת מגע NO או NC. (מקור התמונה: TE Connectivity)

עבור יישומים הצריכים למדוד רמות נוזל יחידות בין מלא לריק, המתכנניםיכולים להשתמש במתגי רמת נוזל אופקיים. דוגמאות מורשות UL כוללות:

• LS309-32, עשוי מניילון 6.6 ממולא-זכוכית ומיועד עבור שימוש עם שמנים, דלקים ונוזלים לא-יוניים. יש לו תצורת SPST, תחום הפעלה סטנדרטי של 40.4 מילימטרים (מ"מ), והוא בדירוג עבור 200 וולט DC או 250 וולט AC, עם עומסים של עד 70 וואט (W) (איור 4).
• LCS-03, עם בית מאצטל/פוליפרופילן ומצוף מפוליפרופילן מוקצף. הוא מתוכנן עבור שימוש ביישומי מים ושפכים מוגבלי-מקום. הוא מגיע עם תחום אופקי קצר וקומפקטי (35.5 מ"מ), ועם כבל או מחבר אינטגרלי. הוא NC כאשר המצוף אופקי והוא בדירוג עבור 48 וולט DC ועד W‏ 40‏.
• LDS309-11N, עם בית ומצוף מניילון 6.6 ממולא-זכוכית ומיועד לשימוש עם שמנים, דלקים ונוזלים לא-יוניים עם לחצים של עד bar‏ 4.7‏. הוא מסוגל לחוש שינויים קטנים ברמת הנוזל עם מהלך דיפרנציאלי צר של 8.65 מ"מ בין הפעלה לשחרור. ההתקן משתמש במיתוג SPST‏ והוא בדירוג עבור עומסים של עד W‏ 70 ומתחים של 200 וולט DC‏ או 250 וולט AC‏.

איור 4‏: למתג רמת נוזל אופקי LCS309-32 יש תחום הפעלה סטנדרטי של 40.4 מ"מ והוא מיועד לשימוש עם שמנים, דלקים ונוזלים לא-יוניים. (מקור התמונה: TE Connectivity)

כאשר מדידת רמה יחידהאינה מספיקה, המתכננים יכולים לפנות למתגים עם תחום מורחב שאורכם יכול להגיע עד מטר אחד. לדוגמה, ה- EVS312-51N‏ משתמש בשני מתגים כדי לספק חיווי של שלושה תנאי רמה שונים (איור 5). המתג הגבוה הוא התקן NC, והמתג הנמוך הוא התקן NO‏.

איור 5‏: מתגים עם תחום מורחב כמו ה- EVS312-51N‏ משתמש בשני מתגים כדי לספק חיווי של שלושה תנאי רמה שונים. (מקור התמונה: TE Connectivity)

כאשר המצוף נמצא בגבול העליון, שני המתגים פתוחים; כאשר הוא נמצא בגבול התחתון, שני המתגים סגורים; וכאשר הוא נמצא בין הגבול העליון והתחתון, המתג הגבוה סגור והמתג הנמוך פתוח (טבלה 1).

טבלה 1: ניתן להשתמש במתג הגבוה והמתג הנמוך שב- EVS312-51N לחיווי של שלושה תנאי רמה שונים. (מקור התמונה: TE Connectivity)

ל- EVS312-51N יש גוף ניילון 6.6 ומצוף ניילון 6.6 ממולא-זכוכית והוא בדירוג של 175 וולט DC או 125 וולט AC עם עומס של עד W‏ 5‏. הוא מוצע בתצורות הרכבה פנימית וחיצונית.

סיכום

חיישני רמת נוזל המבוססים על מתגי Reed נותנים למתכננים בחירה אמינה ובעלת חיים ארוכים עבור יישומים תובעניים בסביבות קשות. המתגים מגיעים במגוון של תצורות למדידה, כאשר מכל אחסון הנוזלים מלא או ריק, או כאשר הנוזל נמצא ברמה שנקבעה מראש בין לבין, וחלקם יכולים למדוד מספר רמות נוזל. בנוסף, הם אינם זקוקים למקור הספקת-כוח חיצוני ויכולים לעמוד בקלות בדרישות EMC‏.

קריאה מומלצת:

1. בחירת חומרים עבור חיישני רמת-נוזל