سوئیچ سطح یا لول سوئیچ (Level Switch) ابزاری است که برای اندازه‌گیری سطح مایعات، پودرها و دانه‌ها در فرایندهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد. تقریبا در تمام فرایندهای صنعتی از مخازن استفاده می‌شود. بنابراین اندازه‌گیری سطح برای اطلاع از ظرفیت خالی و یا پرشده مخازن امری ضروری است. برای این منظور دو نوع ابزار دقیق وجود دارد: سوئیچ سطح و ترانسمیترسطح. سوئیچ سطح یک ابزار ورودی دیجیتال است، در حالی که ترانسمیتر سطح یک ابزار ورودی آنالوگ است. بنابراین این نوع از سوئیچ‌ها برای هر کاربردی که در آن نیاز به پایش و کنترل، اندازه‌گیری سطح و تولید آلارم‌های هشدار باشد، مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مطلب از مجله پریسماتک به بررسی سوئیچ‌های سطح یا لول سوئیچ‌ها و انواع مختلف آنها می‌پردازیم و در مطالب بعدی هر کدام از انواع مختلف آن را با جزئیات بیشتر بررسی می‌کنیم.
بر اساس تعریف، لول سوئیچ یا سوئیچ سطح سوئیچی است که برای تشخیص سطح مایع و ذرات در یک مخزن یا لوله و یا مرز مشترک بین مایعات مختلف به کار می‌رود. اندازه‌گیری سطح مایعات به سادگی با استفاده از عملکرد کلیدهای الکتریکی انجام می‌شود. این کلیدها می‌توانند هم به عنوان سوئیچ‌های کنترلی و هم ابزارهای هشدار دهنده مورد استفاده قرار بگیرند و باری را خاموش یا روشن کنند. سوئیچ‌های سطح دارای یک خروجی سوئیچی هستند و انواع مختلف نرمالی اپن، نرمالی کلوز، حالت جامد و حالت الکترومکانیکی دارند.
بر اساس یک طبقه‌بندی لول سوئیچ‌ها دارای دو نوع نقطه‌ای (point) و پیوسته (continuous) می‌باشند. لول سوئیچ‌های نقطه‌ای، خود شامل انواع مختلفی مانند نوری، خازنی، القایی، ارتعاشی، التراسونیک و شناور بوده و لول سوئیچ‌های پیوسته نیز شامل انواع التراسونیک، خازنی و رادار هستند. در طبقه‌بندی دیگری سوئیچ‌های سطح را بر اساس اصول کاری آن به سه گروه مکانیکی، الکتریکی و اثر گرمایی تقسیم می‌کنند. گروه سنسور سطح مکانیکی خود شامل نوع تماس نقطه‌ای، نوع شناور، نوع دیسپلیسر، نوع هیدرواستاتیک و نوع شیشه گیج (gauge glass) است. سنسور سطح الکتریکی نیز به انواع مختلف مقاومتی، خازنی و القایی، التراسونیک و تشعشع γ تقسیم می‌شود.
هر کدام از انواع مختلف سنسورهای سطح بر این اصل تکیه دارند که سطح مایعات و یا ذرات را می‌توان بر حسب فشاری که ستون مایع یا ذره بر یک سطح مبنا وارد می‌کند و یا ارتفاع ستون مایع اندازه‌گیری کرد. همچنین می‌توان به صورت غیر مستقیم و از طریق سایر تغییراتی که با افزایش سطح در یک سیستم طراحی‌شده به وجود می‌آید (مانند مقاومت، ظرفیت خازنی و …) نیز سنجش سطح را انجام داد. برای انتخاب نوع سوئیچ سطح مناسب باید به کاربرد و شرایط محیطی اندازه‌گیری توجه کرد.
باید توجه کرد که بین ترانسمیتر و سوئیچ سطح تفاوت‌هایی وجود دارد و هر کدام را در جای صحیح به کار برد. یک لول سوئیچ در واقع ابزاری است که سطح سیال را سنجیده و بر اساس نتایج به دست آمده کلیدی را خاموش و یا روشن می‌کند. از طرف دیگر، وظیفه ترانسمیتر سطح اندازه‌گیری مداوم سطح سیال و سپس انتقال داده‌ها به یک کنترلر می‌باشد.
سوئیچ سطح:
ترانسمیتر سطح:
همان طور که در بالا بیان کردیم، سوئیچ‌های سطح انواع مختلفی دارند که بسته به شرایط می‌توان نوع مناسب آن را انتخاب کرد و مود استفاده قرار داد. بازه‌های تحمل دما و فشار و نیز گستره اندازه‌گیری سطح در هر کدام از این سنسورها متفاوت است و باید به آنها توجه کرد. در ادامه به بررسی مختصر هر کدام از انواع لول سوئیچ‌ها می‌پردازیم. در مقالات بعدی اصول کاری و ساختار هر کدام را به صورت مفصل مورد بررسی قرار می‌دهیم.
لول سوئیچ شناور (float level switch) را می‌توان پرکاربردترین نوع لول سوئیچ‌ها دانست. این نوع سوئیچ بر روی سیالی که قرار است اندازه‌گیری شود نصب و یا شناور می‌شود. تا زمانی که شناور در موقعیت افقی و یا بالاتر از آن قرار داشته باشد، به این معنی است که سطح مناسب است. اما اگر فرض کنیم که شناور از خط مستقیم مد نظرمان پایین‌تر برود، به این معنی است که سطح افت پیدا کرده است. در این صورت آلارمی صادر می‌شود و یا خروجی یک کلید الکتریکی تغییر داده می‌شود. نمایی از نحوه عملکرد این سوئیچ در تصویر زیر نشان داده شده است.
سوئیچ سطح شناور از یک آهنربا با کلید دو تیغه‌ای یا دو پل تشکیل شده است. در واقع سیگنال الکتریکی توسط این کلید ارسال می‌شود. موقعیت کلید توسط آهنربا تغییر می‌کند. مکان آهنربا نیز خود توسط موقعیت شناور و بر اساس سطح سیال تعیین می‌شود.
سوئیچ سطح دیافراگمی (diaphragm level switch) از یک دیافراگم درون محفظه‌ای تشکیل شده است که متناسب با فشار اعمال شده توسط سیال، بالا و پایین می‌رود. اگر سطح سیال در حال بالا آمدن باشد، مقدار فشار در سطح زیرین آن افزایش یافته و دیافراگم نیز توسط فشار سیال به سمت بالا حرکت می‌کند. در نتیجه یک میکروسوئیچ فعال شده و مقدار خروجی الکتریکی تغییر می‌کند. اما اگر سطح سیال در مخزن پایین بیاید، فشار در سطح زیرین کاهش می‌یابد و دیافراگم نیز به موقعیت اولیه خود باز می‌گردد. در نتیجه می‌توان پی برد که فشار در این سیستم به عنوان نیروی محرک عمل می‌کند.
همان طور که از نام این سوئیچ مشخص است، بر اساس تغییر در ظرفیت خازنی (capacitance) عمل می‌کند. همانند خازن، سوئیچ سطح نیز دارای یک صفحه رسانا است که روی یک بازوی محرک (پروب) نصب شده و نقش صفحه اول را بازی می‌کند. دیواره مخزن نیز به عنوان صفحه دوم خازن عمل می‌کند. مقدار ظرفیت خازنی بین این دو صفحه با تغییر ارتفاع سیال در مخزن تغییر می‌کند. پروب یک ظرفیت خازنی معین دارد. با نزدیک شدن پروب به سطح مایع، مقدار ظرفیت خازنی بین آن و سطح مایع کاهش می‌یابد. با تغییر ظرفیت خازنی مقدار خروجی الکتریکی سوئیچ نیز دچار تغییر می‌شود.
روش کار لول سوئیچ رسانایی (conductivity level switch) نیز مانند لول سوئیچ خازنی است، با این تفاوت که در نوع رسانایی به جای ظرفیت خازنی از مقدار مقاومت استفاده می‌شود. این سوئیچ دارای پروب‌های رسانایی است که الکترودهایی عایق‌شده با نوک‌های جدا از هم هستند تا از وقوع پل الکتریکی بین آنها جلوگیری شود. بر اساس تغییر سطح مایع در مخزن، مقدار مقاومت بین پروب‌ها و یک پروب مرجع مشترک تغییر می‌کند. از این اصل برای تغییر در خروجی الکتریکی دستگاه استفاده می‌شود.
نکته‌ای که باید به آن توجه کرد این است که فقط زمانی می‌توان از سوئیچ سطح مقاومتی استفاده کرد که کنداکتیویتی سیال به حدی باشد که مقدار مقاومت الکتریکی به وجود آمده برای اندازه‌گیری کافی باشد. در تصویر زیر نمایی از یک لول سوئیچ رسانایی نشان داده شده است که دارای سه پروب سطح بالا، سطح متوسط و سطح پایین و یک پروب مشترک است.
لول سوئیچ دیسپلیسر یا جابه‌جاکننده (displacer) بر اساس تغییر وزن عمل می‌کند. در این سوئیچ از یک دسپلیسر استفاده می‌شود که نوعی شناور بسیار سنگین است و توسط یک فنر معلق نگه داشته شده است. در تصویر زیر این سوئیچ نشان داده شده است.
زمانی که سطح سیال با دیسپلیسر در تماس قرار گیرد و آن را در خود غرق کند، به دلیل نیروی شناوری (buoyancy) وزن دیسپلیسر نسبت به واسط عملگر کاهش می‌یابد. این پدیده موجب می‌شود فنر آزاد شده و به دنبال نقطه تعادل جدیدی بگردد. در نتیجه آهنربا درون تیوب فشار بالاتر رفته و مکانیزم کلیدزنی را فعال می‌کند و خروجی الکتریکی تغییر می‌کند. یکی از شروط لازم این است که در حالت عادی (هنوز سیال با دیسپلیسر برخورد نکرده باشد.) باید وزن دیسپلیسر بیشتر از وزن سیال باشد. تنها در این صورت است که تغییر در وزن تشخیص داده می‌شود.
سوئیچ سطح القایی (inductive) بر اساس انتشار الکترومغناطیسی و جریان ادی (eddy current) عمل می‌کند. در واقع این سنسور را می‌توان یک مدار الکترونیکی دانست که تغییرات راکتانس القایی را اندازه‌گیری می‌کند. این سوئیچ از یک مدار رزونانس اسیلاتور تشکیل شده که دارای یک سیم‌پیچ هسته مغناطیسی برای ایجاد میدان الکترومغناطیسی قوی است. زمانی که این میدان با سیال برخورد کند، جریان ادی تولید می‌شود که دامنه نوسان را کاهش می‌دهد. در نتیجه خروجی الکتریکی تغییر خواهد کرد.
این نوع از سوئیچ‌های سطح به دلیل داشتن قسمت‌های متحرک کمتر و پروب‌های آب‌بندی شده در محیط‌‌های خشن بسیار پرکاربرد هستند. همچنین می‌توان آنها را در جامدات و مایعات رسانا و نیز در مرز مایعات رسانا و نارسانا مورد استفاده قرار داد. لول سوئیچ‌های القایی در گروه لول سوئیچ‌های غیرتماسی قرار می‌گیرند که به یک ماده هدف زمانی که وارد محدوه تشخیص آنها شود، واکنش نشان می‌دهند.
سوئیچ‌های سطح ارتعاشی (Vibrating) یا چنگال‌های تنظیمی (tuning forks) گروهی دیگر از سوئیچ‌های سطح نوع نقطه‌ای هستند. آنها از یک المان اندازه‌گیری چنگال‌شکل با دو شاخ استفاده می‌کنند. چنگال با فرکانس رزونانس طبیعی خود ارتعاش می‌کند. با تغییر سطح مایع، فرکانس چنگال نیز تغییر می‌کند که از آن برای تشخیص تغییر سطح استفاده می‌کنند. این نوع سوئیچ‌های سطح گران و پیچیده هستند، اما نصبشان ساده است و نیاز به تعمیر و نگهداری بسیار کمی دارند. همچنین بر اساس ماده مورد سنجش، کاربردهای نامحدودی دارند. به عنوان مثال در معادن، صنایع غذایی و نوشیدنی و صنایع شیمیایی و … می‌توان از این نوع سنسور استفاده کرد.
این نوع سنسورهای سطح، سوئیچ‌های غیرتماسی هستند که اشعه‌های رادار فرابنفش و مایکروویو منتشر می‌کنند و از ارسال و انعکاس این امواج برای اندازه‌گیری سطح استفاده می‌کنند. امواج با سطح سیال برخورد کرده و به سمت گیرنده بازتاب می‌شوند. سپس با توجه به سرعت امواج و زمان رفت و برگشت آنها می‌توان ارتفاع سیال در مخزن را محاسبه کرد.
سوئیچ سطح نوری (optical) مانند سوئیچ سطح رادار است، با این تفاوت که به جای امواج فرابنفش و مایکروویو از اشعه‌های نور استفاده می‌کند. در تصویر زیر نحوه کار این سوئیچ نشان داده شده است.
پرتو نور در یک ساختار منشور مخروطی شکل از امیتر ارسال و مجددا توسط رسیور دریافت می‌شود. این بدان معنی است که نور تمام راه تا سیال نمی‌رود، بلکه در یک ساختار محصور است. زمانی که هیچ سیالی در این ساختار وجود نداشته باشد، نور به راحتی بازتاب و دریافت می‌شود. اما اگر سطح سیال بالا بیاید و ساختار منشور را در بر بگیرد، بازتاب و دریافت نور دچار مشکل می‌شود و در نتیجه خروجی الکتریکی سوئیچ تغییر می‌کند.
ساختار این لول سوئیچ بسیار ساده است و بر اساس حرکت یک پدال کار می‌کند. این پدال در زیر سوئیچ سطح نصب شده است و توسط یک موتور الکتریکی کوچک حرکت می‌کند. در غیاب سیال در نزدیکی سوئیچ، پدال آزادانه می‌چرخد. اما اگر سیال با پدال برخورد کند، آنگاه برای حرکت پدال به نیروی بیشتری نیاز خواهد بود. همچنین ممکن است حرکت پدال متوقف شود. یک سوئیچ گشتاور نیز به موتور الکتریکی متصل می‌شود تا هرگاه مقدار فشار گردشی وارد بر پدال به حد معینی رسید، تریگر شود. از لول سوئیچ پدالی معمولا برای تشخیص سطوح نقطه‌ای درون مخازن مواد حجیم و خشک استفاده می‌شود.
از این نوع لول سوئيچ در فرایندهای صنعتی برای تشخیص سطوح بالا و نیز پایین مایعات استفاده می‌شود. برای اندازه‌گیری سطح مایع می‌توان از انتشار سیگنال‌های طیف التراسونیک بهره برد. بنابراین در این نوع سوئیچ ارسال و دریافت سیگنال التراسونیک بین دو کریستال انجام می‌شود. گیرنده و فرستنده می‌توانند هر دو در یک پروب و یا در جهت‌های روبه‌روی هم در مخزن قرار داشته باشند. این سوئیچ‌ها هم در کاربردهای مواد مایع و هم جامد می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند.
در مورد مایعات تمیز و رنگی، ساده‌ترین نوع که همان شیشه گیج است، می‌تواند پاسخگوی نیاز باشد. این سنسور سطح معمولا دارای یک نشانگر محلی است. مولفه بسیار مهمی که در شیشه گیج باید به آن توجه کرد این است که جنس آن باید توانایی تحمل فشار وارده را داشته باشد. جنس شیشه ساده و یا پلاستیک برای فشارهای تا ۳۰kg/cm2 و دمای ۲۰۰ درجه سانتی گراد مورد استفاده قرار می‌گیرند. البته می‌توان این مقادیر را به ۳۶kg/cm2 و دماهی ۵۵۰ درجه سانتی گراد نیز افزایش داد. برای این هدف باید از یک طراحی نوع منعطف استفاده کرد که لوله از فلز ریخته‌گری شده با شیشه‌ای ضخیم باشد که مخصوص تحمل فشارها و دماهای بالا طراحی شده است.
کالیبراسیون سوئیچ سطح برای اطمینان از قابلیت اعتماد و دقت آنها امری ضروری است. کالیبراسیون اشتباه منجر به اندازه‌گیری‌های اشتباه و ایجاد خسارت در یک پلنت صنعتی می‌شود. در ادامه گام‌های کالیبراسیون یک لول سوئیچ را بیان می‌کنیم.
ابتدا مخزن را تا بالاتر از حد نشانگر سوئیچ سطح پر کنید.
اتصالات لول سوئیچ باید کاملا کنترل و تنظیم شده باشند.
برای امنیت بیشتر باید لول سوئیچ را جدا و فشارگیری (depressurized) کرد.
کالیبراتور فشار را به ورودی سوئیچ متصل کنید.
وسیله را برای محاسبه شرایط خروجی سوئیچ متصل کنید.
فشار مایع را به آرامی در طول نقطه عملکرد تغییر دهید تا خروجی سوئیچ تغییر وضعیت دهد و فشار عملکرد (operation pressure) را ثبت کنید.
فشار را به آرامی در جهت نقطه بازگشت تغییر دهید تا وضعیت سوئیچ مجددا تغییر کند و فشار بازگشت (return pressure) را یادداشت کنید.
در صورت لزوم مراحل را تکرار کرده و سپس ابزارها را جدا کنید و لول سوئیچ را به پلنت بازگردانید.
از مزایای لول سوئیچ‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
البته این ابزارهای پرکاربرد نیز مانند هر وسیله ابزار دقیق دیگر معایب خاص خود را دارند که در هرنوع مختلف است و گاهی انواع مختلف برای رفع معایب یک نوع دیگر توسعه یافته‌اند. با این حال می‌توان موارد زیر را به عنوان چند مورد از معایب لول سوئیچ‌ها نام برد:
همان طور که در ابتدا بیان کردیم، به دلیل نیاز گستره وسیعی از صنایع به مخازن و کنترل سطح مواد درون آنها، سوئیچ سطح یا لول سوئیچ‌ها دارای کاربردهای فراوانی هستند. علاوه بر این، از دیگر کاربردهای سوئیچ‌های سطح می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
این سوئیچ ها علاوه بر اندازه گیری مواد درون یک مخزن، برای سنجش سطح مایعات در حالت طبیعی خود مانند رودخانه‌ها نیز مورد استفاده قرار می‌گیرند.
سوئیچ‌های سطح در صنایع مختلفی مانند تصفیه آب، کارخانه‌های نفت، کاغذ و خمیر کاغذ، صنایع حمل مواد زائد، نیروگاه‌های تولید برق، کارخانه‌های تولید نوشیدنی و مواد غذایی و غیره کاربرد دارند.
پس به طور خلاصه، سوئیچ سطح یک وسیله مکانیکی یا الکتریکی است که برای اندازه‌گیری سطح مایعات و ذرات استفاده می‌شود. این نوع کلیدها در عملیات تولید بسیار ضروری هستند و در شرایط سخت در فشار، ارتعاشات و دماهای شدید مورد استفاده قرار می‌گیرند. کاربرد لول سوئیچ‌ها برای کنترل و نظارت بر تغییر سطح سیالات و مواد حجیم است. این کلیدها دارای انواع مختلفی هستند، اما بسیاری از آنها با تکیه بر اصل تغییر فشار وارد بر ابزار در صورت تغییر سطح عمل می‌کنند. هر کدام از این انواع را باید با توجه به گستره فشار و دمای خاصی انتخاب کرد که می‌توانند تحمل کنند. ساده‌ترین و پرکاربردترین نوع کلید سطح نوع شناور است که در بسیاری نیازها پاسخگو است. در مطالب بعدی پریسماتک هر کدام از انواع سوئیچ سطح و ترانسمیتر سطح را با جزئیات بیشتری بررسی می‌کنیم.
اگر این مطلب برای شما مفید بود، شاید مطالب زیر نیز برای شما مفید باشند:
کالیبراسون ترانسمیتر فشار ــ راهنمای کاری
سنسور فشار دیافراگمی ــ مفاهیم و اصول کاری
سنسور دمای غیر تماسی — از صفر تا صد
فلومتر التراسونیک ــ راهنمای جامع
پریسماتک اولین تولیدکننده رفرکتومتر، فلومتر و کنداکتیویتی‌مترهای صنعتی در انواع مختلف است. برای راهنمایی در انتخاب این ابزارها با شماره‌های شرکت تماس بگیرید.
محصولات پریسماتک:
انواع فلومترهای الکترومغناطیسی
