Como selecionar e usar sensores de nível de líquido flutuante em aplicações industriais

Os projetistas usam sensores de nível de líquido — também chamados de interruptores de nível de líquido ou sensores de bóia — em funções críticas para a operação segura e eficiente do sistema em uma gama crescente de aplicações industriais, desde ventilação de aquecimento e ar condicionado (HVAC), tratamento de água e águas residuais, e sistemas de processamento químico e petroquímico, até a produção de alimentos e bebidas. Embora seja possível projetar sensores de nível de líquido do zero para atender às exigências de aplicação cada vez mais exigentes em termos de precisão, eficiência energética e robustez, isso pode rapidamente se tornar um processo complexo, demorado e, em última análise, caro, conforme os projetistas os separam através das opções de tecnologia de sensoriamento, encapsulamento, interfaces e exigências regulatórias.

Em vez disso, os projetistas podem usar soluções pré-encapsuladas com sensoriamento baseado em interruptor reed que vêm completas e utilizáveis de fábrica, com aprovação regulatória para UL e IP65 já adquiridas. Além disso, como utilizam a tecnologia de interruptor reed, muitas vezes são dimensionados para mais de 10 milhões de ciclos, podem lidar com cargas de alta potência com baixa resistência de contato para maior eficiência e têm consumo zero de energia.

Este artigo revisa considerações principais de projeto ao selecionar interruptores de nível de líquido flutuante. Em seguida, discute os benefícios do uso da tecnologia de interruptor reed antes de introduzir várias soluções de sensores de nível de líquido/bóia da TE Connectivity (TE) e como eles são aplicados.

Seleção de um sensor de nível de líquido flutuante

Os interruptores de nível de líquido flutuante são usados para uma variedade de propósitos, tais como fornecer alarmes se os níveis de líquido subirem ou descerem para níveis potencialmente perigosos, ajudar a proteger os equipamentos contra superaquecimento, manter proporções adequadas de materiais misturados e reduzir o risco de incêndios. A seleção de um interruptor de nível de líquido flutuante para uma aplicação específica requer uma compreensão clara das condições e exigências de projeto em termos de:

• O que é o líquido e qual é sua temperatura e pressão?
• A aplicação requer um interruptor que normalmente está aberto (N.A.) ou normalmente fechado (N.F.)?
• É necessária a comutação de um pólo com um curso único (SPST) ou de um pólo com curso duplo (SPDT)?
• Que orientação do interruptor é necessária: horizontal de lado, montado em cima ou montado em baixo?
• Um indicador de condição de nível único, como "cheio", "parcialmente cheio" ou "vazio" é suficiente, ou vários níveis do líquido precisam ser monitorados?

O líquido e sua condição são considerações importantes; diferentes materiais do corpo do interruptor são adequados a diferentes necessidades de aplicação. Aplicações exigentes, tais como água a alta temperatura, combustíveis e óleos podem precisar de um alojamento de sulfeto de polifenileno preenchido com vidro dimensionado para até +130 graus Celsius (°C) e pressões de 4,7 bar.

Os interruptores verticais de nível de líquido podem ter corpos de até um metro de comprimento e utilizar materiais rígidos, como vários plásticos, latão ou aço inoxidável. Aplicações menos exigentes como tanques de água podem usar corpos de acetal e espuma de polipropileno relativamente baratos que são dimensionados para até +60 °C e 0,34 bar. Além de empregar o material apropriado do corpo do interruptor, a seleção da tecnologia de comutação é uma consideração importante ao especificar sensores de nível de líquido.

Vantagens da tecnologia de interruptor reed

Os interruptores reed são uma tecnologia madura e confiável. Os interruptores de nível de líquido flutuante usando a tecnologia de interruptor reed são dispositivos passivos e não precisam de fonte de energia externa para funcionar. A ação de comutação nestes sensores é iniciada pela interação de um ímã permanente na bóia com o interruptor reed estacionário.

Estes sensores utilizam uma bóia móvel com um ímã incorporado para ativar um ou mais interruptores reed no corpo do sensor (Figura 1). O ímã se move (flutua) de baixo para cima do interruptor à medida que o nível do líquido sobe, e desce quando o nível do líquido cai. À medida que o ímã se desloca na direção ou para longe do interruptor reed, ele liga ou desliga, dependendo da configuração.

Figura 1: A bóia sobe e desce a haste (esquerda) conforme o nível do líquido aumenta e diminui. A haste contém o interruptor reed estacionário (centro), e conforme o ímã na bóia (direita) se aproxima, o interruptor se abre ou fecha dependendo de seu projeto. (Fonte da imagem: TE Connectivity)

A confiabilidade destes sensores resulta de vários fatores: eles têm uma única peça móvel, são construídos com materiais de corpo compatíveis com líquidos, e têm um interruptor reed hermeticamente selado com pontos de contato de rutênio dimensionados para mais de 10 milhões de operações de comutação.

Os interruptores Reed podem operar de forma confiável em ambientes de alta temperatura. Eles têm um alto grau de isolação quando o interruptor está desligado, com um consumo de corrente inferior ao das tecnologias de interruptor de estado sólido. O cumprimento dos requisitos de compatibilidade eletromagnética (EMC) dos interruptores reed é simplificado, e apenas testes mínimos são necessários.

Sensores de nível de líquido com base em interruptor reed

Os projetistas podem recorrer aos sensores de nível de líquido da TE para perceber os benefícios da tecnologia de interruptor reed. A TE permite aos projetistas escolher entre quase 20 interruptores de nível de líquido, verticais e horizontais, que estão disponíveis em seis famílias e são feitos usando uma ampla gama de materiais com várias opções de comutação, encaixe e cabos (Figura 2).

Figura 2: Os sensores de nível de líquido flutuante da TE Connectivity estão disponíveis em uma variedade de configurações incluindo montagem vertical e montagem lateral, ângulo de até 90°, e conexões de montagem universal. (Fonte da imagem: TE Connectivity)

Os interruptores de nível de líquido da TE são dimensionadas para até 250 volts de corrente alternada (CA) ou 200 volts de corrente contínua (CC). Eles são certificados pela ISO/TS 16949 para produtos automotivos e pela Organização Internacional de Normalização (ISO) para aplicações industriais. Alguns modelos têm aprovação da UL e aprovação da Water Regulations Advisory Scheme (WRAS) do Reino Unido. Eles são dimensionados para mais de 10 milhões de ciclos de comutação e são projetados para facilitar a instalação e o serviço de campo. Se um destes interruptores for danificado, ele pode ser facilmente substituído.

Os sensores de nível de líquido oferecidos pela TE medem quando um tanque está cheio, vazio ou parcialmente cheio, e alguns modelos podem medir vários níveis de líquido. Dispositivos como o sensor de nível vertical VS801-51 com um corpo de polipropileno preenchido com vidro são projetados para uso em água, estão disponíveis com interruptores N.A. ou N.F., e configurações SPST ou SPDT. O VCS-06, que é feito usando náilon 6.6 preenchido com vidro, está disponível com interruptores N.A. ou N.F. em uma configuração SPST (Figura 3). Ambos os sensores estão disponíveis para uso em aplicações envolvendo água fervente e combustíveis, com alguns modelos dimensionados para operação a até +130 °C e pressão de 4 bar.

Figura 3: O sensor de nível série VCS-06 pode ser montado na parte superior ou inferior de um tanque de armazenamento de líquidos e a bóia pode ser orientada para fornecer um contato N.A. ou N.F. (Fonte da imagem: TE Connectivity)

Para aplicações que precisam medir um único nível de líquido entre cheio e vazio, os projetistas podem usar interruptores horizontais de nível de líquido. Os exemplos aprovados pela UL incluem o:

• LS309-32, fabricado com náilon 6.6 preenchido com vidro e destinado ao uso em óleo, combustível e líquidos não iônicos. Tem uma configuração SPST, um balanço de ativação padrão de 40,4 milímetros (mm), e é dimensionado para 200 volts CC ou 250 volts CA, com cargas de até 70 watts (W) (Figura 4).
• LCS-03, com um alojamento de acetal/polipropileno e uma bóia de espuma de polipropileno. Isto é projetado para uso em aplicações de água com limitações de espaço e águas residuais. Vem com um balanço horizontal compacto (35,5 mm), e com um cabo ou um conector integral. É N.F. quando a bóia é horizontal e é dimensionado para 48 volts CC até 40 W.
• LDS309-11N, com um alojamento e bóia de náilon 6.6 preenchido com vidro e destinado para uso em óleo, combustível e líquidos não iônicos com pressões de até 4,7 bar. É capaz de detectar pequenas mudanças no nível do líquido com um percurso diferencial próximo de 8,65 mm entre a operação e a liberação. O dispositivo usa comutação SPST e é dimensionado para cargas de até 70 W e tensões de até 200 volts CC ou 250 volts CA.

Figura 4: O interruptor horizontal de nível de líquido LCS309-32 tem um balanço de ativação padrão de 40,4 mm e é projetado para uso em óleo, combustível e líquidos não iônicos. (Fonte da imagem: TE Connectivity)

Quando uma medição de nível único é insuficiente, os projetistas podem recorrer a interruptores de longo alcance que podem ter até um metro de comprimento. Por exemplo, o EVS312-51N utiliza dois interruptores para indicar três condições de nível diferentes (Figura 5). O interruptor de alta é um dispositivo N.F., e o interruptor de baixa é um dispositivo N.A.

Figura 5: Interruptores de longo alcance como o EVS312-51N usam dois interruptores para fornecer uma indicação de três condições de nível diferentes. (Fonte da imagem: TE Connectivity)

Quando a bóia está no limite superior, ambas as chaves estão abertas; quando está no limite inferior, ambas as chaves estão fechadas; e quando está entre os limites superior e inferior, o interruptor de alta está fechado e o interruptor de baixa está aberto (Tabela 1).

Tabela 1: O interruptor de alta e o interruptor de baixa no EVS312-51N podem ser usados para indicar três condições de nível diferentes. (Fonte da imagem: TE Connectivity)

O EVS312-51N tem um corpo de náilon 6.6 e uma bóia de náilon 6.6 preenchido com vidro e é dimensionado para 175 volts CC ou 125 volts CA com uma carga de até 5 W. Ele é oferecido em configurações de montagem interna e externa.

Conclusão

Os sensores de nível de líquido com base em interruptores reed dão aos projetistas uma escolha confiável e de longa vida útil para aplicações severas e exigentes. As chaves interruptoras vêm em uma variedade de configurações para medir quando um tanque de retenção de líquido está cheio ou vazio, ou quando o líquido está em um nível predeterminado no meio, e alguns podem medir vários níveis de líquido. Além disso, eles não precisam de fonte de energia externa e podem facilmente atender aos requisitos EMC.

Leitura recomendada:

1. Seleção de material para sensores de nível de líquido