如何在工業應用中選擇並使用浮球液位感測器

設計人員在越來越多種工業應用中採用液位感測器 (又稱為液位開關或浮球感測器)，它們對於確保安全高效的系統運作至關重要。這些應用包括暖通空調 (HVAC)、水與廢水處理、化學與石化加工系統，以及食品及飲料生產等等。雖然液位感測器設計可以從零開始，以便在準確度、能效、耐用性等方面符合越來越嚴格的應用要求，但是若這麼做，整個流程很快就會變得複雜、耗時，最後導致成本飆升，因為設計人員需要在多種感測技術選項、封裝、介面和法規要求當中仔細選擇。

其實，設計人員可以使用預先封裝的解決方案，其中提供立即可用的完整簧片開關型感測技術，且已獲得 UL 和 IP65 法規認證。此外，由於這些解決方案採用簧片開關技術，因此額定循環次數往往超過一千萬次，能夠以低接觸電阻處理高功率負載，效率也得以提升，並且還能實現零功耗。

本文將檢視浮球液位開關選擇期間需要考慮的主要設計因素，接著探討使用簧片開關技術的優點，然後再介紹數款來自 TE Connectivity (TE) 的液位／浮球感測器解決方案，以及具體使用方式。

選擇浮球液位感測器

浮球液位開關可用於各式各樣的用途，例如：在液位上升或下降至可能發生危險的液位時發出警報、幫助保護設備以免過熱、維持待混合材料的正確比率，以及降低火災風險。針對特定應用選擇浮球液位開關時，需要清楚瞭解以下各項的設計條件及要求：

• 液體為何及其溫度與壓力為何？
• 應用是否需要常開 (N.O.) 或常關 (N.C.) 的開關？
• 是否需要單極單擲 (SPST) 或單極雙擲 (SPDT) 切換？
• 需要何種開關方向：從側邊的水平方向、安裝於頂部，或安裝於底部？
• 是否只需「滿」、「部份滿」或「空」等單一液位狀況指示器即可？或是需要監控液體的多種液位？

液體及其狀況是重要的考量因素；不同的開關主體材料適用於不同的應用需求。在高溫水、燃料和油等嚴苛應用中，可能需要玻璃填充的聚苯硫醚外罩，且額定值高達 +130°C 和 4.7 bar 壓力。

垂直液位開關可能有長達 1 m 的主體，並使用各式塑膠、黃銅或不鏽鋼等剛性材料。較不嚴苛的應用 (如水槽) 可採用相對便宜的乙縮醛與泡綿聚丙烯主體，額定值高達 +60°C 和 0.34 bar。除了採用合適的開關主體材料，在指定液位感測器時，開關技術選擇也是重要的考量因素。

簧片開關技術的優點

簧片開關是一種成熟且可靠的技術。採用簧片開關技術的浮球液位開關屬於被動元件，無需外部電源便能運作。在這些感測器中，開關動作的啟動方式是利用浮球內的一塊永久磁鐵與靜止簧片開關相互作用。

這些感測器運用內嵌磁鐵的移動式浮球，啟動感測器主體內的一個或多個簧片開關 (圖 1)。隨著液位上升，磁鐵會從開關底部移動 (飄浮) 到頂部，並在液位下降時下落。隨著磁鐵移向或移離簧片開關，便會根據配置進行「開啟」或「關閉」。

圖 1：浮球隨著液位上升和下降而沿桿 (左) 上下移動。桿內含靜止簧片開關 (中)，隨著浮球內的磁鐵 (右) 靠近，開關便會根據其設計而開啟或關閉。(圖片來源：TE Connectivity)

這些感測器的可靠度取決於以下幾個因素：本身具備單一移動零件，以相容於液體的主體材料打造而成，並且具有氣密式簧片開關，其中釕接觸點的額定切換操作次數超過一千萬次。

簧片開關可在高溫環境中可靠運作。開關為「關閉」時，感測器具有高絕緣額定值，電流消耗量低於固態式開關技術。透過簧片開關滿足電磁相容性 (EMC) 要求的過程得以簡化，且僅需要最少量的測試。

簧片開關型液位感測器

設計人員可以使用 TE 公司的液位感測器，來達成簧片開關技術的優點。TE 可讓設計人員從六個系列產品中選擇將近 20 款垂直和水平液位開關，而且是以多種材料製成，有多種切換、安裝和纜線選項可供選擇 (圖 2)。

圖 2：TE Connectivity 的浮球液位感測器提供各式各樣的配置，包括垂直安裝與側邊安裝 (多達 90° 度)，以及通用安裝件。(圖片來源：TE Connectivity)

TE 液位開關的電壓額定值為：高達 250 V (AC) 或 200 V (DC)。這類產品皆已獲得汽車產品的 ISO/TS 16949 認證，以及國際標準化組織 (ISO) 的工業應用認證。有些型號獲得 UL 認證及英國水務法規諮詢計畫 (WRAS) 認證。其額定切換循環次數為一千萬次以上，並可輕鬆完成安裝及現場維修。如果其中一個開關損壞，可以輕鬆完成更換。

TE 提供的液位感測器可測量水槽「全滿」、「空」或「部份滿」等情況，而有些型號可測量多種液位。VS801-51 垂直液位感測器等元件具有玻璃填充的聚丙烯主體，專門用於水中，可提供常開或常關開關，以及 SPST 或 SPDT 配置。VCS-06 採用玻璃填充的尼龍 6.6 製成，可提供 SPST 配置的常開或常關開關 (圖 3)。這兩種感測器均可用於沸水和燃料相關應用，其中有些型號的工作額定值高達 +130°C 和 4 bar 壓力。

圖 3：VCS-06 系列液位感測器可安裝在液體儲槽的頂部或底部，也能設定浮球方向以提供常開或常關接觸。(圖片來源：TE Connectivity)

對於需要測量全滿和空液位之間單一液位的應用，設計人員可以使用水平液位開關。UL 認證的產品範例包括：

• LS309-32：以玻璃填充的尼龍 6.6 製成，主要用於油、燃料和非離子液體中。本產品具備 SPST 配置 (40.4 mm 的標準啟動擺動)，額定值為 200 VDC 或 250 VAC，負載高達 70 W (圖 4)。
• LCS-03：具備乙縮醛／聚丙烯外罩以及泡綿聚丙烯浮球，可用在空間有限的水與廢水應用中。本產品具備小巧的水平短擺動 (35.5 mm) 以及纜線或整合式連接器。浮球呈水平時為常關，額定值為 48 V DC，最高可達 40 W。
• LDS309-11N：具備以玻璃填充的尼龍 6.6 製成的外罩及浮球，主要用於油、燃料和非離子液體，壓力高達 4.7 bar。本產品能夠感測液位的小變化，操作和釋放之間僅有緊密的 8.65 mm 微動。元件採用 SPST 切換，額定負載高達 70 W，電壓可達 200 V DC 或 250 V AC。

圖 4：LCS309-32 水平液位開關具備 40.4 mm 的標準啟動擺動，主要用於油、燃料和非離子液體中。(圖片來源：TE Connectivity)

單一液位量測不敷使用時，設計人員可改用延伸範圍長達一公尺的開關。例如，EVS312-51N 使用兩個開關來指示三種不同的液位狀況 (圖 5)。高液位開關是常關元件，而低液位開關是常開元件。

圖 5：EVS312-51N 等延伸範圍開關使用兩個開關來指示三種不同的液位狀況。(圖片來源：TE Connectivity)

浮球在頂部液位上限時，兩個開關皆開啟；在底部液位下限時，兩個開關皆關閉；介於頂部上限和底部下限之間時，高液位開關為關閉，而低液位開關為開啟 (表 1)。

表 1：EVS312-51N 的高液位開關和低液位開關可用來指示三種不同的液位狀況。(圖片來源：TE Connectivity)

EVS312-51N 具有尼龍 6.6 主體及玻璃填充尼龍 6.6 浮球，額定值為 175 VDC 或 125 VAC，負載高達 5 W。其可提供內部及外部安裝配置。

結論

簧片開關式液位感測器為設計人員提供一個可靠且壽命長的產品選項，有助於滿足嚴苛的高要求應用。這些開關提供各式各樣的配置，可測量液體儲槽在滿液或空液的情況，或液體處於預先設定的液位之間，並且有些開關還能測量多種液位。此外，這些產品不需要外部電源，且可輕鬆符合 EMC 要求。

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1. 《液位感測器的材料選擇》