سوئیچ سطح چیست؟
سوئیچ سطح (Level Switch) نوعی حسگر یا تجهیز الکترومکانیکی و از تجهیزات ابزار دقیق است که سطح یک ماده مایع یا جامد را تشخیص میدهد و وقتی سطح به یک مقدار مشخص میرسد، سیگنال خروجی را ایجاد کرده یا آن را تغییر میدهد. همچنین این تجهیز برای کنترل و اعلام وضعیت سطح مایعات یا جامدات در مخازن، سیلوها، تانکها و خطوط فرآیندی استفاده میشود. بر خلاف دیگر حسگر های سطح که به صورت آنالوگ یا دیجیتال مقدار سطح را اندازه گیری میکنند، این تجهیز بیشتر به صورت قطع و وصل عمل کرده و نقش یک ابزار دقیق حفاظتی و کنترلی دارد. به زبان ساده تر، هنگامی که سطح سیال یا جامد به نقطه تنظیم شده برسد و سیگنال لازم را به سیستم کنترلی یا اپراتور ارسال کند، سوئیچ سطح فعال میشود.
انواع سوئیچ سطح:
انواع سوئیچ سطح از نظر تکنولوژی و نحوه عملکرد به چند دسته تقسیم میشوند:
سوئیچ سطح شناوری (Float Level Switch)
رایج ترین و ساده ترین نوع سوئیچ سطح است. در آن شناوری که روی سطح مایع قرار دارد، از طریق بالا و پایین رفتن سطح حرکت مکانیکی ایجاد کرده و در نقطه ای مشخص، موجب تغییر وضعیت کنتاکت میشود. از این سوئیچ ها بیشتر در مخازن آب و سوخت و مواد شیمیایی با ویسکوزیته پایین استفاده میشود.
سوئیچ سطح خازنی (Capacitive Level Switch)
اساس کار این مدل، بر پایه تغییر ظرفیت خازنی است. هنگامی که سطح ماده به الکترود سنسور نزدیک میشود، ظرفیت خازن تغییر میکند و مدار الکترونیکی این تغییر را تشخیص میدهد. این سوئیچ ها برای مایعات، پودر ها و جامدات دانه ای مورد استفاده قرار میگیرد.
سوئیچ سطح ارتعاشی یا تیونینگ فورک (Vibrating Fork Level Switch)
در این مدل، دو شاخک فلزی وجود دارد که در فرکانس خاصی مرتعش میشوند. وقتی سطح مایع یا جامد به شاخک ها میرسد، ارتعاش کاهش یافته و این امر موجب فعال شدن سوئیچ میشود. این نوع سوئیچ در صنایع دارویی و شیمیایی و صنایع غذایی، کاربرد گسترده ای دارد.
سوئیچ سطح راداری (Radar Level Switch)
در این نوع برای تشخیص سطح، از امواج مایکروویو یا فرکانس های رادیویی استفاده میشود. وقتی سطح به نقطه ای مشخص میرسد، بازتاب موج تغییر میکند و سپس سوئیچ فعال میشود. این نوع برای شرایطی سخت مانند دما و فشار بالا و خورنده، مدل مناسبی است.
سوئیچ سطح حرارتی (Thermal Level Switch)
این مدل بر اساس اصل انتقال حرارت کار میکند. بدین گونه که المنت حرارتی در تماس با هوا یا سیال، میزان متفاوتی از حرارت را دفع میکند. تغییر در شرایط، حضور یا عدم حضور ماده در نقطه ی مورد نظر را نشان میدهد.
سوئیچ سطح رسانایی (Conductivity Level Switch)
این مدل سوئیچ بر اساس خاصیت هدایت الکتریکی مایع عمل میکند. وقتی سطح مایع به پروب ها میرسد، مدار بسته شده و سیگنال ارسال میود. این مدل برای مایعات رسانا مانند آب کارایی دارد و مناسب است.
بهطور کلی انتخاب نوع سوئیچ سطح، به عواملی مثل: سیال (مایع یا جامد)، دما، فشار، ویسکوزیته، میزان خورندگی و حساسیت فرآیند، بستگی دارد. در نهایت باید گفت که پیشرفت فناوری و ترکیب فناوریهای مختلف مانند ترکیب شناور مغناطیسی با حسگرهای غیرتماسی یا ترکیب فناوریهای مایعات رسانا با فرکانسهای کوتاه، باعث افزایش پایداری، دقت و ایمنی سوئیچهای سطح شده است.
سوئیچ سطح چه کاربردهایی دارد؟
سوئیچ سطح در صنایع مختلف نقش کلیدی ایمنی، کنترلی و حفاظتی را بر عهده دارد. برخی از کاربردهای اصلی آن عبارتاند از:
جلوگیری از سرریز مخازن:
هنگامی که سطح مایع بیش از حد افزایش پیدا کند، سوئیچ سطح با ارسال سیگنال به خصوص، دستور قطع پمپ یا بستن شیر ورودی را صادر میکند.
محافظت از پمپها در برابر خشککار کردن (Dry Run):
اگر سطح مایع بیش از حد پایین بیاید و کم شود، دستور خاموش شدن پمپ، توسط سوئیچ ارسال میشود تا از آسیب به آن جلوگیری شود.
کنترل فرآیندهای تولیدی:
در بسیاری از خطوط تولید لازم است سطح مواد در یک محدوده خاص حفظ شود، که این وظیفه با سوئیچ سطح امکان پذیر میشود.
آلارم و هشدار:
سوئیچ سطح در نقاط حساس نصب شده و با رسیدن سطح به مقدار تعیین شده، آژیر یا چراغ هشدار را فعال میکند.
کنترل سطح مواد جامد در سیلوها و مخازن:
در صنایع سیمان، غلات و مواد شیمیایی جامد، سوئیچ سطح کارایی بسیار مهمی دارد و برای جلوگیری از پر یا خالی شدن بیش از حد سیلوها به کار میرود.
به این ترتیب، سوئیچ سطح بهعنوان یکی از تجهیزات ابزار دقیق کلیدی برای حفظ ایمنی، کاهش هزینه تعمیرات و افزایش طول عمر تجهیزات شناخته میشود. علاوه بر اینها، کاربردهای تخصصیتر مانند کنترل سطح در سیستمهای دیگهای بخار، هیترها و واحدهای تقطیر نیز در حیطه وظایف سوئیچ های سطح است.
اجزای اصلی سازنده سوئیچ سطح چیست؟
اجزای سوئیچ سطح بسته به نوع و طراحی آن میتواند متفاوت باشد، اما عناصر کلیدی در اکثر مدل ها مشترک هستند. بهطور کلی سوئیچ های سطح شامل بخشهای زیر هستند:
سنسور یا المان اصلی تشخیص:
این بخش اصلیترین جزء و به نوعی هسته اصلی حسگر است که تغییر سطح ماده را تشخیص میدهد.
مدار الکترونیکی یا مکانیکی سوئیچ:
وظیفه ی این بخش، دریافت سیگنال سنسور و تبدیل آن به یک فرمان کنترلی(قطع و وصل) است. در سوئیچ های جدید این مدار میتواند شامل ترانزیستور، رله یا سیستم دیجیتال باشد.
بدنه یا محفظه (Housing):
معمولا از فولاد ضدزنگ، آلومینیوم یا پلاستیکهای مقاوم ساخته میشود و برای اجزا نقش محافظتی در برابر خوردگی، فشار، دما و شرایط محیطی را دارد. باید با محیط کاری سازگار باشد و درجه حفاظت IP مناسب را ارائه دهد.
خروجی (Output):
ترمینالهای الکتریکی یا کانکتورهایی را در بر میگیرد که سیگنال های خروجی را به سیستم کنترل (PLC یا تابلو برق) منتقل میکنند.
اتصالات فرآیندی:
شامل فلنج، رزوه یا کلمپ بهداشتی است که اجازه نصب سوئیچ را روی مخزن یا لوله فراهم میکنند.
عایقبندی و آببندی:
برای جلوگیری از نفوذ گرد و غبار، بخار، یا مایع به داخل سوئیچ استفاده میشود.
سیستم عایقبندی و آببندی:
برای جلوگیری از نفوذ گردوغبار، بخار، یا مواد خورنده، استانداردهای IP65، IP67 یا IP68 باید رعایت شود.
نمایشگرها و رابط کاربری (Displays/Interfaces):
برخی مدلها دارای نمایشگر کوچک برای نمایش وضعیت سطح یا تنظیمات، یا رابط کاربری ساده برای برنامهریزی و کالیبراسیون هستند.
منبع تغذیه و مدار کنترل (Power Supply and Control Circuitry):
تامین برق فیلترها، و مدارهای پردازشی که خروجی را به کنترلکننده منتقل میکنند، توسط این بخش انجام میشود.
اجزای سوئیچ های سطح بهطور کلی ترکیبی از مکانیک، الکترونیک و مواد شیمیایی مقاوم در برابر محیط کار را در بر میگیرند. انتخاب درست این اجزا به کاربرد، محیط کاری، دمای عملیاتی، فشار، میزان خورندهگی مواد و الزامات ایمنی بستگی دارد.
نحوه عملکرد سوئیچ سطح:
نحوه عملکرد سوئیچ سطح به فناوری به کار رفته در هر مدل بستگی دارد، اما چارچوب کلی آن اساساً بر اصل تشخیص رسیدن سطح ماده به نقطه تعیینشده است. این عملکرد بسته به نوع سوئیچ تفاوتهایی دارد. اصول پایه عملکرد عبارتند از:
تغییر حالت با رسیدن سطح به نقطه تعیین شده: در اکثر سوئیچ های سطح نقطه ای، حسگر داخلی با توجه به بالا یا پایین رفتن سطح نسبت به نقطه تعیین شده، فعال یا غیر فعال میشود. در ادامه این تغییر حالت به خروجی کنترل کننده فرستاده میشود.
تشخیص سطح به صورت پیوسته: با اندازه گیری مداوم تغییر سطح، مقدار سطح تعیین میشود و خروجی بر اساس الگوریتمی مناسب، به کنترل کننده فرستاده میشود.
ایمنی و قطع جریان: در بسیاری از کاربردهای صنعتی، خروجی سوئیچ سطح به عنوان ورودی ایمنی به سیستم کنترل وارد میشود تا در حالت های پر خطر، پمپ ها یا خطوط تغذیه سریعا قطع شده یا تنظیم شوند.
فرآیند تشخیص در انواع مختلف:
در سوئیچ شناوری، حرکت بالا و پایین شناور با تغییر سطح مایع، باعث حرکت یک آهنربا یا مکانیزم مکانیکی شده و وضعیت کنتاکت را تغییر میدهد.
در سوئیچ خازنی، تغییر دیالکتریک محیط اطراف پروب باعث تغییر ظرفیت خازنی میشود واین تغییر با مدار الکترونیکی به یک سیگنال تبدیل میشود.
در سوئیچ ارتعاشی (تیونینگ فورک)، شاخکها با فرکانس خاصی میلرزند. وقتی با مایع یا جامد تماس پیدا کنند، فرکانس افت میکند و سوئیچ فعال میشود.
در سوئیچ رسانایی، زمانی که مایع رسانا بین دو الکترود قرار گیرد، مدار بسته شده و جریان عبور میکند و این عمل بهعنوان حضور سطح تشخیص داده میشود.
در سوئیچ حرارتی، المان حرارتی در تماس با سیال، میزان خنککاری متفاوتی را تجربه میکند. این تغییر در دما، مدار داخلی را فعال میکند.
در سوئیچ راداری، امواج رادیویی به سطح ماده برخورد کرده و بازتاب تغییر میکند. این تغییر توسط مدار پردازش شده و به فرمان کنترلی تبدیل میشود.
در همه این موارد، سوئیچ سطح یک سیگنال دوحالته (On/Off) تولید میکند که برای قطع یا وصل پمپ، باز و بسته شدن شیرها یا فعال کردن آلارم به کار میرود.
راهاندازی اولیه: در هنگام نصب، دستگاه باید کالیبراسیون شود تا بتوان سطح مرجع یا نقطه تشخیص را مشخص کرد. این کار معمولاً با دستورالعملهای کارخانه یا توسط اپراتور انجام میشود.
پایش پیوسته یا نقطهای: با توجه به مدل، دستگاه بهطور مداوم، نظارت بر سطح را بر عهده دارد و در صورت رسیدن سطح به مقدار تنظیمی، خروجی دیجیتال یا آنالوگ را تغییر میدهد.
ایمنی و اخطار: بسیاری از سیستمها برای ایمنی بیشتر، خروجیهای اضافی دارند که به سیستمهای ایمنی یا نمایشگرها ارسال میشود تا فرآیند را تحت کنترل قرار دهند.
نکات کلیدی عملکرد:
طراحی دقیق نقطه تشخیص: برای جلوگیری از لرزشهای غیرضروری باید نقطه تشخیص را با دقت مناسب تعیین کرد تا از قطع و وصلهای مکرر جلوگیری گردد.
پایداری در برابر نویز: در مدلهای حسگری، نویزهای الکترونیکی یا تغییرات دمایی میتوانند خروجی را تحت تأثیر قرار دهد. فیلترها و تکنیکهای کالیبراسیون معمولاً برای کاهش این اثرات به کار میروند.
سازگاری با کنترلکننده: خروجیهای طراحیشده باید با ورودیهای کنترلکننده (PLC/DCS) به ویژه در مسائل ایمنی و پردازش های آنالوگ، سازگار باشند.
سوئیچ سطح با توجه به فناوری بهکاررفته، میتواند بهطور قابل اعتماد سطح مایعات یا مواد جامد را تشخیص داده و در مواقعی که نیاز به پاسخ سریع یا کنترل دقیق وجود دارد، خروجی قابل اعتمادی را ارائه دهد. طراحی مناسب، نصب دقیق، و کالیبراسیون منظم از عوامل کلیدی برای عملکرد مطلوب این تجهیزات هستند.
سوئیچ های سطح در چه صنایعی کاربرد دارند؟
سوئیچ سطح به دلیل قابلیت تشخیص سریع سطح و ارائه خروجی به سیستم های کنترل، در طیف گستردهای از صنایع مورد استفاده قرار میگیرد:
نفت، گاز و پتروشیمی:
جهت اطمینان از سطح مناسب، جلوگیری از سرریز یا خلا و کنترل و حفاظت از پمپ ها و تجهیزات حیاتی در محیط های خطرناک، از سوئیچ های سطح ضد انفجار یا با حفاظت مناسب استفاده میکنند.
صنایع غذایی و نوشیدنی:
برای کنترل سطح مایعات خوراکی مانند شیر، نوشابه و روغن، مدیریت سطح در مخازن ترکیب، خطوط بسته بندی و کمک به حفظ کیفیت محصول و جلوگیری از آلودگی، مدل های ضد عفونی شونده ی سوئیچ های سطح را به کار میبرند .
صنایع دارویی و بیوتکنولوژی:
برای کنترل سطح مواد حساس در شرایط بهداشتی به کار میروند. به دلیل الزامات بهداشتی و ایمنی در داروسازی، از مدل های ضد تراکم و قابل استریل استفاده میشود.
صنایع آب و فاضلاب:
در ایستگاه های پمپاژ، مخازن ذخیره و سیستم های تصفیه، سوئیچ های سطح جهت جلوگیری از سرریز یا خشک شدن پمپها و کنترل سطح آب و پساب به کار میروند تا فرایند های فیلتراسیون و پمپاژ به طور پیوسته انجام شوند.
صنایع معدنی و سیمان:
برای کنترل سطح جامدات و پودرها در سیلوها از سوئیچ های سح در این صنایع استفاده میشود.
با توجه به تنوع کاربرد سوئیچ های سطح، انتظار میرود که در آینده با توسعه فناوریها، هوشمندسازی ترمینالها و بهبود مقاومت در برابر محیطهای سخت، استفاده از این تجهیز گسترش بیشتری پیدا کرده و امکان نظارت و کنترل دقیقتری از راه دور فراهم شود.
سوئیچ سطح چه استانداردها و چه الزاماتی دارد؟
استانداردها و الزامات مرتبط با سوئیچهای سطح به دو دسته کلی تقسیم میشود:
الزامات ایمنی و استانداردهای فنی-عملیاتی. این الزامات برای اطمینان از ایمنی، قابلیت اعتماد، سازگاری با سیستمهای کنترلی و کارکرد مناسب در محیطهای صنعتی تعیین میشوند.
استانداردهای ایمنی و محیطی:
ATEX/IECEx: برای تجهیزات استفادهشده در محیطهای انفجاری. این استانداردها سطح اطمینان از عدم ایجاد جرقه یا آتش را در مخلوطهای قابل اشتعال تضمین میکنند. بسته به گروه و سطح حفاظت، تجهیزات به کلاسهای مختلفی تقسیم میشوند.
IP Code (Ingress Protection): درجه حفاظت بدنه در برابر گرد و غبار و نفوذ مایعات. برای بسیاری از سوئیچهای سطح، IP65 تا IP68 یا بالاتر در نظر گرفته میشود تا در برابر آب و گرد و غبار مقاومت داشته باشند.
بیخطر بودن مواد (Food Grade, FDA): در صنایع غذایی و دارویی، استفاده از موادی که با استانداردهای بهداشتی همسو باشند، الزامی است.
RoHS و REACH: محدودیتها در استفاده از مواد خطرناک و مواد شیمیایی حمایتکننده از محیط زیست.
استانداردهای فنی و اجرایی:
IEC/IEC 61508 و دیگر استانداردهای ایمنی عملکردی: برای سیستمهای ایمنی و عملکردی که در کنترل سطح استفاده میشوند. این استانداردها به تعریف سطح ایمنی روشهای (SIL) میپردازند.
IEC/EN 60947 یا NEC برای کلیدهای کنترل و خروجیهای مدارات کمولتاژ: این استانداردها به مشخصههای فنی کلیدها و خروجیهای کنترل مربوط میشوند.
استانداردهای مربوط به مناسب بودن با PLC/DCS: برای اطمینان از سازگاری سیگنال خروجی با ورودیهای کنترلکننده و معماریهای مختلف.
استانداردهای محیطی و حرارتی: برای تعیین محدودههای دما و فشار کاری؛ برای نمونه، برخی مدلها در دمای شدید یا فشارهای بالا کار میکنند و باید با استانداردهای مربوطه مطابقت داشته باشند.
الزامات طراحی و تولید:
تعیین دقت و تکرارپذیری: برای هر مدل، دقت تشخیصی و قابلیت تکرار بالا برای اطمینان از عملکرد پایدار در شرایط عملیاتی.
قابلیت کالیبراسیون و تعمیر: دسترسی به قابلیتهای کالیبراسیون ساده، و در صورت لزوم، قابلیت تعمیر و جایگزینی اجزای داخلی با قطعات اصلی سازنده.
ارائه مستندات فنی: برگههای مشخصات فنی، نمودارهای ابعاد، نحوه نصب، روشهای ایمنی و دستورالعملهای کالیبراسیون باید بهطور دقیق ارائه شوند.
تستهای عملکردی و محیطی: شامل تستهای فشار، دما، لرزش، و شرایط محیطی برای اطمینان از مقاومت و پایداری در محیط صنعتی.
در کل، استانداردها و الزامات مرتبط با سوئیچهای سطح با هدف حفظ ایمنی کارکنان، حفاظت از محیط زیست، بهبود کارایی فرایندها و تضمین سازگاری با سیستمهای کنترل طراحی شدهاند. رعایت این استانداردها به تولیدکنندگان کمک میکند تا محصولاتی با کیفیت، ایمن و با قابلیت پایداری بالا ارائه دهند و به مشتریان نیز امکان میدهد تا با اعتماد بیشتری از این تجهیزات در فرایندهای صنعتی استفاده نمایند.