浮动液位开关时的关键设计方案解析

　　液位传感器（亦称液位开关或浮动传感器）对系统安全和高效运行起着关键的作用，设计人员正在各种工业应用中越来越多地使用这种传感器，具体应用包括暖通空调 （HVAC）、水和废水处理、化学和石化处理系统以及食品和饮料生产。虽然你可以选择从头开始设计液位传感器，以满足日益苛刻的精度、能效和坚固性应用要求，但这样做很快就会把你拖入一个复杂、耗时和最终代价高昂的过程，因为设计者要熟悉传感技术选择、封装、接口和监管要求。

　　相反，设计者可以使用基于磁簧开关传感技术的预包装解决方案，这些解决方案开箱即用，并已获得 UL 和 IP65 监管认可。此外，由于它们使用了磁簧开关技术，而磁簧开关的额定寿命通常超过 1000 万次，可以处理高功率负载，并且具有可实现高能效的低接触电阻以及零功耗等优势。

　　本文回顾了选择浮动液位开关时的关键设计考虑因素。然后讨论了使用磁簧开关技术的好处，最后介绍了 TE Connectivity （TE） 的几种液位/浮动传感器解决方案及其应用方式。

　　选择浮动液位传感器

　　浮动液位开关有多种用途，例如在液位上升或下降到有潜在危险的水平时发出警报，帮助保护设备免于过热，保持所混合材料的适当比例，以及减少火灾风险等。为具体应用选择浮动液位开关时，需要清楚地了解设计条件和要求，即：

　　是什么液体，其温度和压力是多少？

　　应用是否需要一个常开 （N.O.） 或常闭 （N.C） 的开关？

　　是否需要单刀单掷 （SPST） 或单刀双掷 （SPDT） 开关？

　　需要什么样的开关方向：从侧面看是水平的，安装在顶部，还是安装在底部？

　　单一液位条件指标如“满”、“部分满”“或“空”是否足够，还是需要监测多个液位？

　　液体及其状况是重要的考虑因素；不同的开关体材料适合不同的应用需求。高温水、燃料和油类等要求较高的应用可能需要一个玻璃填充的聚苯硫醚外壳，其额定温度高达 +130 摄氏度 （℃），压力为 4.7 巴。

　　立式液位开关的主体可以达到一米长，并使用刚性材料，如各种塑料、黄铜或不锈钢。要求不高的应用，如水箱，可以使用相对便宜的乙缩醛和发泡聚丙烯主体，其额定温度可达 +60°C 和 0.34 巴。除了采用适当的开关体材料外，在指定液位传感器时，开关技术的选择是一个重要的考虑因素。

　　磁簧开关技术的好处

　　磁簧开关是一项成熟而可靠的技术。采用磁簧开关技术的浮动液位开关是无源器件，不需要外部电源就能发挥作用。这些传感器的开关动作是由浮子中的永久磁铁与固定的磁簧开关的相互作用而激活的。

　　这些传感器利用一个内嵌磁铁的可移动浮子来激活传感器主体中的一个或多个磁簧开关（图 1）。当液面上升时，磁铁从底部移动（浮动）到开关的顶部，当液面下降时，磁铁就会下降。当磁铁向磁簧开关移动或远离磁簧开关时，它就会打开或关闭，具体取决于配置。

 

 

图 1：当液面上升和下降时，浮子在阀杆（左）上和下移动。阀杆包含固定的磁簧开关（中间），当浮子中的磁铁（右边）接近时，开关打开或关闭，具体取决于其设计。（图片来源：TE Connectivity）

　　这些传感器的可靠性来自几个因素：它们只有一个移动部件，它们用与液体兼容的主体材料制造，它们有一个密封的磁簧开关，采用钌触点，额定开关操作次数超过 1000 万次。

　　磁簧开关可以在高温环境下可靠地工作。当开关关闭时，它们具有较高的绝缘等级，其电流消耗低于固态开关技术。使用磁簧开关满足电磁兼容性 （EMC） 的要求很简单，只需要进行最小的测试。

　　基于磁簧开关的液位传感器

　　设计人员可以使用 TE 的液位传感器来实现磁簧开关技术的优势。TE 能够让设计者从近 20 种垂直和水平液位开关中进行选择，这些开关有六个系列，使用各种材料制成，有各种开关、配件和电缆选择（图 2）。

 

 

图 2：TE Connectivity 的浮动液位传感器有多种配置，包括垂直安装和侧面安装，最大 90° 角，以及通用安装配件。（图片来源：TE Connectivity）

　　TE 液位开关的额定电压高达 250 伏交流电 （AC） 或 200 伏直流电 （DC）。他们通过了针对汽车产品的 ISO/TS 16949 认证和针对工业应用的国际标准化组织 （ISO） 认证。有些型号则通过了 UL 认证和英国水法规咨询计划 （WRAS） 认证。其额定开关周期超过 1000 万次，旨在方便安装和现场服务。如果这些开关中有一个被损坏，可以很容易进行更换。

　　TE 提供的液位传感器可以测量水箱何时满载、空载或部分装载，有些型号可以测量多个液位。像 VS801-51 这样的垂直液位传感器，其玻璃填充式聚丙烯主体是为在水中使用而设计的，有 N.O. 或 N.C. 开关，以及 SPST 或 SPDT 配置。VCS-06 使用玻璃填充的尼龙 6.6 制成，可提供采用 SPST 配置的 N.O. 或 N.C. 开关（图 3）。这两种传感器都可用于涉及沸水和燃料的应用，其中一些型号的额定工作温度高达+130℃，压力达 4 巴。

 

 

图 3：VCS-06 系列液位传感器可以安装在液体储罐的顶部或底部，根据浮子的摆放方向不同可实现 N.O. 或 N.C 接触。（图片来源：TE Connectivity）

　　对于需要测量介于满和空之间的单一液位的应用来说，设计者可以使用水平液位开关。通过 UL 认证的实例包括：

　　LS309-32，用玻璃填充的尼龙 6.6 制成，用于油、燃料和非离子液体。它有一个 SPST 配置，一个 40.4 毫米 （mm） 的标准激活摆动，额定电压为 200 伏直流或 250 伏交流，负载高达 70 瓦 （W）（图 4）。

　　LCS-03，外壳为乙缩醛/聚丙烯，浮子为发泡聚丙烯。这是为在空间有限的水和废水应用中使用而设计的。它有一个紧凑的水平短摆 （35.5 mm），并配有电缆或一体式连接器。当浮子处于水平状态时，它是 N.C.，额定电压为 48 伏直流，最大功率为 40 瓦。

　　LDS309-11N，外壳和浮子为玻璃纤维填充的尼龙 6.6，用于压力最高达 4.7 巴的油、燃料和非离子液体。它能够感应到液位的微小变化，在工作和释放之间有 8.65 mm 的窄行程差。该设备使用 SPST 开关，额定负载高达 70 W，电压为 200 伏直流或 250 伏交流。

　　当单一的液位测量不够时，设计者可以使用最长达一米的加长开关。例如，EVS312-51N 使用两个开关来提供三种不同液位状态指示。高位开关是一个 N.C 器件，低位开关是一个 N.O 器件。

 

 

图 ：像 EVS312-51N 这样的加长开关使用两个开关来提供三个不同液位状态指示。（图片来源：TE Connectivity）

　　当浮子处于上限时，两个开关都打开；当浮子处于下限时，两个开关都关闭；当浮子处于上限和下限之间时，高位开关关闭，低位开关打开（表 1）。

 

 

　　表 1：EVS312-51N 中的高位开关和低位开关可用于指示三种不同的液位状态。（图片来源：TE Connectivity）

　　EVS312-51N 的主体是尼龙 6.6，浮子是玻璃填充的尼龙 6.6，额定电压为 175 伏直流或 125 伏交流，负载最高 5W，提供内部和外部安装配置。

　　结语

　　基于磁簧开关的液位传感器为设计者提供了可靠和长寿命的选择，适用于恶劣和苛刻的应用。这些开关有多种配置，可用于测量储液箱是满的还是空的，或者当液体处于两者之间的预定水平时，有些开关可以测量多个液体水平。此外，它们不需要外部电源，可以很容易地满足 EMC 要求。