Auswahl und Einsatz von Schwimmer-Füllstandssensoren in industriellen Anwendungen

Entwickler setzen Füllstandssensoren - auch Füllstandsschalter oder Schwimmer genannt - für den sicheren und effizienten Betrieb von Systemen in einer wachsenden Zahl von Industrieanwendungen ein, von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HVAC) über Wasser- und Abwasseraufbereitung, chemische und petrochemische Verarbeitungssysteme bis hin zur Lebensmittel- und Getränkeherstellung. Es ist zwar möglich, Füllstandssensoren von Grund auf neu zu entwickeln, um die immer anspruchsvolleren Anwendungsanforderungen in Bezug auf Genauigkeit, Energieeffizienz und Robustheit zu erfüllen, doch kann dies schnell zu einem komplexen, zeitaufwändigen und letztlich kostspieligen Prozess werden, wenn die Entwickler die Optionen für die Sensortechnologie, die Verpackung, die Schnittstellen und die gesetzlichen Anforderungen berücksichtigen müssen.

Stattdessen können Entwickler vorgefertigte Lösungen mit Reedschalter-basierter Sensorik verwenden, die komplett und sofort einsatzbereit sind und bereits über eine UL- und IP65-Zulassung verfügen. Die Reedschalter-Technologie ist oft für mehr als 10 Millionen Zyklen ausgelegt, kann hohe Lasten mit geringem Kontaktwiderstand handhaben und verbraucht keinen Strom.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die wichtigsten Konstruktionsüberlegungen bei der Auswahl von Schwimmer-Füllstandschaltern. Anschließend werden die Vorteile der Reedschalter-Technologie erörtert, bevor verschiedene Lösungen für Füllstands- und Schwimmer-Sensoren von TE Connectivity (TE) und deren Einsatzmöglichkeiten vorgestellt werden.

Auswahl eines Schwimmer-Füllstandssensors

Schwimmerschalter für Flüssigkeiten werden für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt, z. B. als Alarmgeber, wenn der Flüssigkeitsstand auf ein potenziell gefährliches Niveau ansteigt oder sinkt, zum Schutz von Geräten vor Überhitzung, zur Aufrechterhaltung des richtigen Mischungsverhältnisses von Materialien und zur Verringerung der Brandgefahr. Die Auswahl eines Schwimmer-Füllstandschalters für eine bestimmte Anwendung erfordert ein klares Verständnis der Konstruktionsbedingungen und -anforderungen in Bezug auf:

• Um welche Flüssigkeit handelt es sich, und welche Temperatur und welchen Druck hat sie?
• Benötigt die Anwendung einen Schalter, der normalerweise offen (Schließer) oder normalerweise geschlossen (Öffner) ist?
• Ist ein einpoliger Umschalter (SPST) oder ein zweipoliger Umschalter (SPDT) erforderlich?
• Welche Schalterausrichtung ist erforderlich: horizontal von der Seite, oben oder unten montiert?
• Reicht eine einzige Füllstandsanzeige wie „voll“, „teilweise voll“ oder „leer“ aus, oder müssen mehrere Füllstände der Flüssigkeit überwacht werden?

Die Flüssigkeit und ihre Beschaffenheit sind wichtige Faktoren; verschiedene Materialien für den Schalterkörper eignen sich für unterschiedliche Anwendungsanforderungen. Anspruchsvolle Anwendungen wie Hochtemperaturwasser, Kraftstoffe und Öle erfordern unter Umständen ein glasgefülltes Polyphenylensulfid-Gehäuse, das für Temperaturen bis zu +130 Grad Celsius (°C) und Drücke bis zu 4,7 bar ausgelegt ist.

Vertikale Füllstandsschalter können bis zu einem Meter lang sein und bestehen aus starren Materialien wie verschiedenen Kunststoffen, Messing oder Edelstahl. Für weniger anspruchsvolle Anwendungen wie Wassertanks können relativ preiswerte Acetal- und geschäumte Polypropylenkörper verwendet werden, die für bis zu +60°C und 0,34 bar ausgelegt sind. Neben der Verwendung des geeigneten Schaltkörpermaterials ist die Auswahl der Schalttechnik ein wichtiger Aspekt bei der Spezifikation von Füllstandssensoren.

Vorteile der Reedschalter-Technologie

Reedschalter sind eine ausgereifte und zuverlässige Technologie. Schwimmer-Füllstandschalter mit Reedschalter-Technologie sind passive Geräte und benötigen keine externe Stromquelle, um zu funktionieren. Der Schaltvorgang wird bei diesen Sensoren durch die Wechselwirkung eines Permanentmagneten im Schwimmer mit dem stationären Reedschalter ausgelöst.

Diese Sensoren verwenden einen beweglichen Schwimmer mit einem eingebetteten Magneten, der einen oder mehrere Reedschalter im Sensorkörper aktiviert (Abbildung 1). Der Magnet bewegt sich von unten nach oben, wenn der Flüssigkeitspegel steigt, und fällt, wenn der Flüssigkeitspegel sinkt. Wenn sich der Magnet auf den Reedschalter zu oder von ihm weg bewegt, schaltet er sich je nach Konfiguration ein oder aus.

Abbildung 1: Der Schwimmer bewegt sich am Schaft auf und ab (links), wenn der Flüssigkeitsstand steigt oder fällt. Die Spindel enthält den stationären Reedschalter (Mitte), und wenn sich der Magnet im Schwimmer (rechts) nähert, öffnet oder schließt sich der Schalter je nach Design. (Bildquelle: TE Connectivity)

Die Zuverlässigkeit dieser Sensoren resultiert aus mehreren Faktoren: Sie haben nur ein einziges bewegliches Teil, sie bestehen aus flüssigkeitsverträglichen Gehäusematerialien und sie haben einen hermetisch abgedichteten Reedschalter mit Ruthenium-Kontaktpunkten, der für über 10 Millionen Schaltvorgänge ausgelegt ist.

Reedschalter können in Umgebungen mit hohen Temperaturen zuverlässig arbeiten. Sie verfügen über eine hohe Isolationsleistung, wenn der Schalter ausgeschaltet ist, und haben eine geringere Stromaufnahme als Halbleiterschaltertechnologien. Die Einhaltung der Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) wird durch Reedschalter vereinfacht, und es sind nur minimale Tests erforderlich.

Füllstandssensoren mit Reedschalter

Entwickler können Füllstandssensoren von TE wenden, um die Vorteile der Reedschalter-Technologie zu nutzen. Mit TE können Entwickler aus fast 20 vertikalen und horizontalen Füllstandschaltern wählen, die in sechs Familien erhältlich sind und aus einer breiten Palette von Materialien mit verschiedenen Schalt-, Armaturen- und Kabeloptionen hergestellt werden (Abbildung 2).

Abbildung 2: Schwimmer-Füllstandssensoren von TE Connectivity sind in einer Vielzahl von Konfigurationen erhältlich, einschließlich vertikaler und seitlicher Montage, bis zu einem Winkel von 90° und universellen Montageanschlüssen. (Bildquelle: TE Connectivity)

TE-Füllstandschalter sind für eine Spannung von bis zu 250 Volt Wechselstrom (AC) oder 200 Volt Gleichstrom (DC) ausgelegt. Sie sind nach ISO/TS 16949 für Produkte der Automobilindustrie und nach der International Organization of Standardization (ISO) für industrielle Anwendungen zertifiziert. Einige Modelle haben eine UL-Zulassung und eine WRAS-Zulassung (UK Water Regulations Advisory Scheme). Sie sind für mehr als 10 Millionen Schaltzyklen ausgelegt und für eine einfache Installation und Wartung vor Ort konzipiert. Wenn einer dieser Schalter beschädigt wird, kann er leicht ersetzt werden.

TE bietet Füllstandssensoren an, die messen, ob ein Tank voll, leer oder teilweise gefüllt ist, und einige Modelle können mehrere Flüssigkeitsstände überwachen. Geräte wie der vertikale Füllstandssensor VS801-51 mit einem Gehäuse aus glasgefülltem Polypropylen sind für den Einsatz in Wasser konzipiert und mit Schließern oder Öffnern sowie SPST- oder SPDT-Konfigurationen erhältlich. Der VCS-06, der aus glasgefülltem Nylon 6.6 hergestellt wird, ist mit Schließern oder Öffnern in einer SPST-Konfiguration erhältlich (Abbildung 3). Beide Sensoren sind für den Einsatz in Anwendungen mit kochendem Wasser und Brennstoffen erhältlich, wobei einige Modelle für den Betrieb bei bis zu +130°C und 4 bar Druck ausgelegt sind.

Abbildung 3: Der Füllstandssensor der Serie VCS-06 kann entweder am oberen oder unteren Ende eines Flüssigkeitsbehälters montiert werden, und der Schwimmer kann so ausgerichtet werden, dass er einen Schließer- oder Öffnerkontakt bietet. (Bildquelle: TE Connectivity)

Für Anwendungen, bei denen einzelne Flüssigkeitsstände zwischen voll und leer gemessen werden müssen, können Entwickler horizontale Füllstandsschalter verwenden. UL-geprüfte Beispiele sind:

• LS309-32, hergestellt aus glasgefülltem Nylon 6.6 und für den Einsatz in Öl, Kraftstoff und nichtionischen Flüssigkeiten bestimmt. Er bietet eine SPST-Konfiguration, einen Standard-Aktivierungshub von 40,4 Millimetern (mm) und ist für 200 Volt Gleichstrom oder 250 Volt Wechselstrom mit Lasten bis zu 70 Watt (W) ausgelegt (Abbildung 4).
• LCS-03, mit einem Gehäuse aus Acetal/Polypropylen und einem Schwimmer aus geschäumtem Polypropylen. Er ist für den Einsatz in Wasser- und Abwasseranwendungen mit beengten Platzverhältnissen konzipiert. Er ist mit einem kompakten horizontalen Kurzschwenkmechanismus (35,5 mm) und mit einem Kabel oder einem integrierten Stecker ausgestattet. Er ist geschlossen, wenn der Schwimmer waagerecht steht, und ist für 48 Volt Gleichstrom bis zu 40 W ausgelegt.
• LDS309-11N, mit einem Gehäuse und Schwimmer aus glasfaserverstärktem Nylon 6.6 und für den Einsatz in Öl, Kraftstoff und nichtionischen Flüssigkeiten mit einem Druck bis zu 4,7 bar. Er ist in der Lage, kleine Änderungen des Flüssigkeitsstandes mit einem engen Differenzweg von 8,65 mm zwischen Betätigung und Freigabe zu erfassen. Das Gerät verwendet SPST-Schalter und ist für Lasten bis zu 70 W und Spannungen bis 200 Volt DC oder 250 Volt AC ausgelegt.

Abbildung 4: Der horizontale Füllstandschalter LCS309-32 hat einen Standardauslösehub von 40,4 mm und ist für den Einsatz in Öl, Kraftstoff und nichtionischen Flüssigkeiten vorgesehen. (Bildquelle: TE Connectivity)

Wenn eine einzelne Füllstandsmessung nicht ausreicht, können Entwickler auf Schalter mit erweitertem Messbereich zurückgreifen, die bis zu einem Meter lang sein können. Der EVS312-51N beispielsweise verwendet zwei Schalter, um drei verschiedene Füllstandsbedingungen anzuzeigen (Abbildung 5). Der obere Schalter ist ein Öffner und der untere Schalter ist ein Schließer.

Abbildung 5: Schalter mit erweiterter Reichweite wie der EVS312-51N verwenden zwei Schalter, um drei verschiedene Pegelzustände anzuzeigen. (Bildquelle: TE Connectivity)

Wenn sich der Schwimmer am oberen Grenzwert befindet, sind beide Schalter geöffnet; wenn er sich am unteren Grenzwert befindet, sind beide Schalter geschlossen; und wenn er sich zwischen dem oberen und unteren Grenzwert befindet, ist der obere Schalter geschlossen und der untere Schalter geöffnet (Tabelle 1).

Tabelle 1: Der obere Schalter und der untere Schalter im EVS312-51N können zur Überwachung von drei verschiedenen Pegelzuständen verwendet werden. (Bildquelle: TE Connectivity)

Der EVS312-51N hat ein Gehäuse aus Nylon 6.6 und einen Schwimmer aus glasgefülltem Nylon 6.6 und ist für 175 Volt Gleichstrom oder 125 Volt Wechselstrom mit einer Last von bis zu 5 W ausgelegt. Es wird in Konfigurationen für interne und externe Montage angeboten.

Fazit

Füllstandsensoren auf der Basis von Reedschaltern bieten Entwicklern eine zuverlässige und langlebige Lösung für raue und anspruchsvolle Anwendungen. Die Schalter sind in einer Vielzahl von Konfigurationen erhältlich, um zu messen, ob ein Flüssigkeitsbehälter voll oder leer ist, oder ob sich die Flüssigkeit auf einem bestimmten Zwischenstand befindet, und einige können mehrere Flüssigkeitsstände messen. Außerdem benötigen sie keine externe Stromquelle und können die EMV-Anforderungen problemlos erfüllen.

Empfohlene Literatur:

1. Materialauswahl für Füllstandssensoren