Een drukschakelaar is een soort industriële sensor die een bepaalde hoeveelheid druk kan detecteren en een elektrisch contact kan openen of sluiten. Er zijn twee hoofdtypen drukschakelaars; elektrische drukschakelaars en mechanische drukschakelaars.
Laten we in dit artikel bespreken wat drukschakelaars zijn, hun constructie en werking, toepassingen en andere kenmerken.
Wat is een drukschakelaar?
Een drukschakelaar is een speciaal type schakelaar die kan werken met vloeistoffen of gassen. In zijn meest elementaire vorm kan een drukschakelaar een drukverandering detecteren. Volgens een vooraf bepaald/vooraf ingesteld drukniveau activeren deze schakelaars hun elektrische contacten om de werking van een echte schakelaar na te bootsen.
Drukschakelaars worden in drie vormen vervaardigd: elektromechanische, halfgeleider- en elektronische drukschakelaars. Terwijl elektronische en solid-state drukschakelaars de nieuwste technologieën zijn, zijn er sinds 1849 elektromechanische drukschakelaars in de industrie.
Zoals hierboven vermeld, zijn drukschakelaars beschikbaar voor gebruik met zowel glazen als vloeistoffen. Het type drukschakelaar dat compatibel is met vloeistoffen wordt 'hydraulische drukschakelaar' genoemd. 'Pneumatische drukschakelaars' werken met systemen waar perslucht wordt gebruikt.
Hoe drukschakelaars werken
Drukschakelaars zijn verkrijgbaar in een groot aantal configuraties. De eenvoudigste vorm van drukschakelaars is het SPDT-type. SPDT staat voor Enkele pool, dubbele worp type. De onderstaande afbeelding geeft een dwarsdoorsnede van een mechanische drukschakelaar weer.
De hier getoonde drukschakelaar bevindt zich in de behuizing (F), waar de elektrische contacten zijn weergegeven in (A). Het heeft twee standen, normaal open (NO) en normaal gesloten (NC). De opening aan de onderkant (H) is de inlaatpoort waar de pneumatische/hydraulische voeding op de schakelaar wordt aangesloten. Er is een zuiger (D) die veerbelast is, die bij voldoende druk omhoog kan bewegen. De lente heeft een bekende constante lente waarmee een nauwkeurige bepaling van de activeringsdruk mogelijk is.
Wanneer de vloeistof-/pneumatische druk de drempel overschrijdt, wordt de plunjer omhoog gedrukt, waardoor de bedieningspen (B) kracht uitoefent op de geïsoleerde uitschakelknop weergegeven in E. Dit activeert op zijn beurt de schakelaar en schakelt het contact van NC positie naar NO-positie, waarbij de NO-contacten worden gesloten.
Om de uitschakelkracht aan te passen, kan de uitschakelmoer (G) worden afgesteld om de drempel te verhogen of te verlagen. Dit maakt het mogelijk om het drukniveau in te stellen waarbij de microschakelaar schakelt tussen normaal gesloten en normaal open posities.
Bij de bespreking van de schakeldrempels moet ook een andere factor, 'hysterese' genoemd, worden genoemd. Evenals wanneer de schakelaar wordt geactiveerd door een toename/afname van de druk, moet deze terugkeren naar zijn rustpositie wanneer de druk weer wordt verlaagd. Als dit schakel-/resetpunt een enkele waarde is, kan de schakelaar de neiging hebben om te oscilleren als de druk marginaal is.
Om deze toestand te voorkomen, is een mechanische/elektrische hysterese ingevoerd. Dit zorgt ervoor dat de schakelaar bij een bepaalde drempel activeert en zijn positie behoudt totdat de druk onder een bepaalde waarde daalt/stijgt. Dit wordt vaak uitgedrukt als een percentage van de schakelpuntwaarde. Voor mechanische schakelaars is dit niet configureerbaar en ligt het vaak rond de 20%. Elektronische drukschakelaars hebben meestal een aanpasbare hysterese.
Typen drukschakelaars
Er zijn twee hoofdtypen drukschakelaars, mechanische drukschakelaars en elektronische drukschakelaars. Mechanische drukschakelaars worden ook wel elektromechanische drukschakelaars genoemd.
Mechanische drukschakelaar
Mechanische drukschakelaars bestaan vaak uit een elektrische klikschakelaar (kliktype) die wordt bediend met een mechanisch sensorelement. Het mechanische samenstel beweegt als reactie op veranderingen in de systeemdruk; vloeistof of pneumatisch.
Mechanische drukschakelaars worden gebruikt om de aan- of afwezigheid van vloeistof-/luchtdruk in een systeem te detecteren. Een dergelijke toepassing is de oliedruksensor van het voertuig waarop een indicator is aangesloten om aan te geven of er een probleem is in de motor.
Bij het bereiken van de schakeldrempel activeren mechanische drukschakelaars hun elektrische contacten en signaleren zo de aan-/afwezigheid van de druk.
Er is ook een ander type mechanische/elektromechanische drukschakelaars; verschildruksensoren.Deze sensoren hebben twee inlaatpoorten in tegenstelling tot enkele inlaatsensoren. Wanneer de beschikbare druk aan beide zijden gelijk is, blijft de schakelaar in een neutrale stand. Wanneer de druk aan één kant toeneemt, beweegt de zuiger naar de lagedrukkant en activeert de schakelaar.
Er zijn maar weinig soorten mechanische drukschakelaars, geclassificeerd volgens de gebruikte technologie:
- Membraanschakelaars
- Deze schakelaars gebruiken een gelast metalen membraan (verzegeld) dat direct op de schakelaar zelf inwerkt. Deze kunnen werken met drukken tot 10.43 bar en vacuüm, maar het wordt aanbevolen om cycli met een lage snelheid te gebruiken met een maximum van ongeveer 25 cycli per minuut.
- Bourdonbuis schakelaars
- Net als membraanschakelaars gebruiken deze een gelaste bourdonbuis om de schakelaar te bedienen. Dit zijn ook schakelaars met een lage cyclussnelheid, maar kunnen tot ongeveer 1240 bar (124 MPa) druk aan.
- Membraanzuigerschakelaars
- Deze schakelaars maken gebruik van een elastomeer diafragma dat is verbonden met een zuiger. De zuiger bediende de schakelaar. Membraanzuigerschakelaars werken met drukken van vacuüm tot 110 psi (750 kPa).
- Deze hebben een langere levensduur van gemiddeld 2.5 miljoen cycli.
- Zuigerschakelaars
- Zuigerdrukschakelaars hebben met O-ring afgedichte zuigers die direct op de klikschakelaars werken.
- Deze hebben een langere levensduur van gemiddeld 2.5 miljoen cycli.
Elektronische drukschakelaar
Elektronische drukschakelaars werden in 1980 geïntroduceerd door Barksdale. Deze worden ook wel 'solid state pressure switches' of 'digital pressure switches' genoemd die weinig tot geen mechanische onderdelen hebben. Ze zijn meestal gemaakt van gebonden spanningsmeter sensoren gekoppeld aan triacs om mechanische contacten na te bootsen.
Moderne digitale drukschakelaars hebben programmeerbare schakelpunten, instelbare hysterese en analoge/digitale uitgangen om eenvoudig te integreren met programmeerbare logische controllers (PLC's). Elektronische drukschakelaars kunnen analoge signalen (4-20mA) en digitale signalen uitvoeren. Hierdoor kunnen de regelaars niet alleen drukdrempels bewaken, maar ook de drukwaarden in een systeem bewaken.
In vergelijking met mechanische drukschakelaars hebben solid-state drukschakelaars een aantal voordelen, waaronder:
- Langere levensduur (~10 miljoen cycli)
- Verbeterde nauwkeurigheid (0.5%)
- Hoge schok-/trillingsbestendigheid
- Stabiliteit op de lange termijn
Selectiecriteria drukschakelaar
Om een drukschakelaar te selecteren die het beste past bij een specifieke toepassing, moet u rekening houden met meerdere factoren:
- Type media
Niet alle sensoren zijn compatibel met alle soorten vloeistoffen/gassen. Nitril-butadieenrubber (NBR) is bijvoorbeeld het beste voor lucht- en hydraulische/machineolie, terwijl ethyleenpropyleen-dieenmonomeerrubber (EPDM) geschikt is waar water het medium is.
- Druk
De druk waaraan de sensor wordt blootgesteld, zou een van de belangrijkste aandachtspunten moeten zijn bij het selecteren van een sensor. Op membraan gebaseerde sensoren zijn geschikt voor vacuüm- en lagedruktoepassingen, waar ontwerpen met zuigers meer geschikt zijn voor hogedruktoepassingen.
- Temperatuurstabiliteit:
- Herhaalbaarheid (nauwkeurigheid)
Een sensor is net zo betrouwbaar als zijn herhaalbaarheid. Het herhaaldelijk kunnen schakelen op dezelfde drempel is cruciaal voor een drukschakelaar om zijn plaats in een specifieke toepassing veilig te stellen.
- hysteresis
Eenvoudig uitgelegd als het verschil tussen instelpunt en resetpunt, speelt hysterese een belangrijke rol in termen van de schakelrespons van de schakelaar. Te veel hysterese zorgt ervoor dat de schakelaar langer vergrendeld blijft, terwijl een aanzienlijk lagere hysterese ervoor zorgt dat de schakelaar vaak tussen aan/uit-statussen schakelt.
- Fysieke constructie
Mechanische schakelaars kunnen nuttig zijn waar minder frequente detectie/activering vereist is. Elektronische drukschakelaars zijn het meest geschikt voor toepassingen waar fijne regeling zoals programmeerbaarheid, analoge uitgangen en aanpasbaarheid van drukinstelpunten vereist is.
Drukschakelaardiagram
De meeste mechanische drukschakelaars kunnen hoge spanningen aan, zoals 110V/220V AC. Daarom kan een mechanische drukschakelaar direct worden aangesloten op een belasting zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Wanneer de drukschakelaar niet is geactiveerd, wordt de normaal gesloten uitgang aangesloten op de rode lamp. Hierdoor gaat de rode lamp branden. Wanneer een druk wordt gedetecteerd, ontkoppelt de schakelaar de normaal gesloten uitgang en verbindt de normaal open uitgang met de gemeenschappelijke klem. Hierdoor gaat de rode lamp uit en gaat de groene lamp aan.
Voor digitale drukschakelaars zoals de DP-M2A door Panasonic Automation Controls, kan de bedrading worden uitgevoerd zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.
Deze sensor biedt ook een analoge uitgang, dus door de witte draad aan te sluiten met een belasting van 0-250 Ohm, kan de drukmeting ook worden verkregen door een PLC of een microcontroller.
Drukschakelaar Prijs:
Drukschakelaars zijn beschikbaar in twee categorieën zoals hierboven vermeld. Tussen elektronische en mechanische drukschakelaars zijn mechanische drukschakelaars meestal goedkoper dan elektronische drukschakelaars. Dit komt door de minder complexiteit in de constructie en het fabricageproces zelf.
Een mechanische drukschakelaar voor algemeen gebruik kan van $ 10-20 tot een paar honderden dollars kosten.
Elektronische drukschakelaars zijn daarentegen over het algemeen duur vanwege hun eigenschappen, robuustheid en hoge betrouwbaarheid. Beginnend vanaf ongeveer $ 100 voor basisversies met minder functies, zeer complexe en geavanceerde drukschakelaars zoals: Ashcroft DDS-drukschakelaar kan oplopen tot enkele duizenden dollars.
Wat is een lagedrukschakelaar?
Lagedrukschakelaars zijn aangesloten op de lagedrukzijde van een systeem om de zuigdruk te detecteren. Deze sensoren detecteren onderdruk en activeren de schakelaar.
Lagedrukschakelaars worden meestal gevonden in HVAC-systemen (Verwarming, Ventilatie, Airconditioning) om storingen te detecteren. In het geval dat het koelmiddel in een airconditioningsysteem ontsnapt, creëert het een lage druk in de slang. Dit kan worden gedetecteerd door de lagedruksensoren om de compressorkoppeling effectief uit te schakelen om deze te ontkoppelen.
Deze sensoren worden ook gebruikt als bedieningscontroller in koelsystemen om de temperatuur te regelen met een overeenkomstige drukinstelling. Lagedrukschakelaars zijn doorgaans verkrijgbaar in elektromechanische varianten, hoewel elektronische ook kunnen worden geprogrammeerd om als lagedrukdetectoren te functioneren.
Toepassingen van drukschakelaars
Drukschakelaars vinden hun toepassingen in automobiel-, productie- en industriële omgevingen. Ze worden veel gebruikt in HVAC-systemen om fouten te detecteren en de temperatuur te regelen.
In pneumatische en hydraulische systemen worden drukschakelaars gebruikt om de drukniveaus in een veilig en optimaal bereik te regelen. Zo heeft een luchtcompressor een resetbare drukschakelaar die ervoor zorgt dat de compressor stopt zodra de luchtdruk de ingestelde waarde bereikt.
In de auto-industrie worden hydraulische drukschakelaars gebruikt om oliedruk te detecteren en beveiligingen in motoren in te schakelen.
In industriële ovens worden drukschakelaars gebruikt om de oven veilig aan/uit te zetten door de luchtdruk binnenin te bewaken.
Gebouwbeheersystemen maken gebruik van bronpompdrukschakelaars en drukopnemers om ervoor te zorgen dat de watertoevoer voldoende druk heeft. Voor automatische waterdrukregeling worden drukregelaars gebruikt in combinatie met elektrische waterpompen. Ze activeren de pomp bij detectie van een daling van de waterdruk als gevolg van intensief gebruik.
Vacuüm (onderdruksensoren) worden gebruikt in boilers, luchtcompressoren en elektrische verwarmingen om vacuüm- of lage luchtdrukgebeurtenissen in de genoemde systemen te meten.
Wat is het verschil tussen drukschakelaar en druktransmitter?
De termen 'drukschakelaar' en 'drukopnemer/druktransmitter/druksensor' worden in automatiseringssystemen vaak verkeerd geïnterpreteerd.
Een drukopnemer (ook bekend als a druktransmitter of druksensor) is ook een apparaat dat de druk kan meten. Druktransmitters hebben echter geen ingebouwde schakelaar om te activeren wanneer een drukdrempel wordt bereikt. Ze kunnen de drukmeting alleen omzetten in elektrische signalen om de huidige drukwaarde weer te geven. Dit kan een 4-20mA of 0-10V analoge uitgang zijn, of een digitale datastroom.
De termen 'transducer', 'zender' en 'sensor' worden in de industrie vaak door elkaar gebruikt. Sommigen noemen de digitale uitgang (waar de sensoruitgang een datastroom is) type 'druktransmitters', terwijl de analoge 'transducers' worden genoemd.
Drukschakelaars, vooral elektronische, hebben dezelfde functionaliteit als drukopnemers, maar met een extra functie van een elektromechanische schakelaar/contact om een belasting door de sensor zelf te regelen.
Conclusie
Drukschakelaars worden vaak gebruikt als aan/uit-schakelaars om elektrische elementen in een systeem te regelen door de vloeistof-/luchtdruk in een systeem actief te bewaken. In dit artikel hebben we drukschakelaars, hun werkingsprincipes, toepassingen en het verschil tussen drukschakelaars en transmitters besproken. Hoewel ze vaak over het hoofd worden gezien, spelen drukschakelaars een belangrijke rol bij het waarborgen van de operationele veiligheid en procesregeling in sommige kritieke toepassingen.
