Druckschalter - Wie sie funktionieren

Ein Druckschalter ist ein Gerät, das einen elektrischen Kontakt steuert, wenn ein voreingestellter Flüssigkeitsdruck erreicht wird (Druckanstieg oder -abfall von einem bestimmten voreingestellten Druckniveau). Druckschalter werden in verschiedenen industriellen und Wohnanwendungen wie HVAC-Systemen, Brunnenpumpen und Öfen verwendet. Es gibt zwei Haupttypen - mechanische und elektrische, die jeweils für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind und einzigartige Vorteile bieten. Dieser Artikel untersucht die Arbeitsmechanismen von Druckschaltertypen, ihre typischen Auswahlkriterien und Anwendungen.

Arten von Druckschaltern

Mechanischer Druckschalter

Ein mechanischer Druckschalter (Abbildung 2) funktioniert auf Basis der physischen Bewegung seiner internen Komponenten, hauptsächlich einer Feder und entweder einem Membran oder Kolben, um einen elektrischen Mikroschalter bei vorbestimmten Druckniveaus zu aktivieren. Diese Druckschalter haben üblicherweise drei verschiedene Arten von Kontakten: normalerweise offen (NO), normalerweise geschlossen (NC) und Umschaltkontakte (SPDT). Lesen Sie unseren Artikel über die Installation von Druckschaltern für einen schrittweisen Installationsprozess.

Funktionsprinzip

Die Struktur eines mechanischen Druckschalters ist darauf ausgelegt, die Druckniveaus in verschiedenen Systemen zu überwachen und darauf zu reagieren.

1. Mikroschalter (A): Der Mikroschalter ist verantwortlich für das Öffnen oder Schließen des elektrischen Stromkreises. Er aktiviert, wenn der Druckschalter erkennt, dass der Flüssigkeitsdruck das voreingestellte Niveau erreicht hat.
2. Betätigungsstift (B): Der Betätigungsstift verbindet die mechanische Bewegung der internen Komponenten des Druckschalters (wie den Betätigungskolben) mit dem Mikroschalter. Wenn der Druck den Kolben bewegt, übersetzt der Betätigungsstift diese Bewegung in die Aktion des Mikroschalters.
3. Bereichsfeder (C): Die Bereichsfeder ist verstellbar und bestimmt den Druckbereich, in dem der Schalter arbeitet. Durch Anpassen der Spannung der Feder (mit der Einstellmutter für die Auslösung) kann man das Druckniveau einstellen, bei dem der Schalter den Mikroschalter aktiviert.
4. Betätigungskolben (D): Der Kolben ist eine bewegliche Komponente, die auf Druckänderungen reagiert. Wenn der Druck innerhalb des Systems ein bestimmtes Niveau erreicht, drückt er gegen den Kolben. Diese Bewegung wird dann in ein elektrisches Signal durch den Mikroschalter übersetzt.
5. Isolierter Auslöseknopf (E): Diese Funktion ermöglicht das manuelle Testen oder Zurücksetzen des Druckschalters. Er ist isoliert, um Sicherheit während des Betriebs zu gewährleisten.
6. Schaltergehäuse (F): Das Schaltergehäuse beherbergt alle internen Komponenten, schützt sie vor externen Elementen und gewährleistet die Haltbarkeit des Schalters.
7. Einstellmutter für Auslösung (G): Die Einstellmutter wird verwendet, um die Bereichsfeder anzupassen, was den Benutzern ermöglicht, das gewünschte Druckniveau einzustellen, bei dem der Schalter aktiviert wird.
8. Eingangsdruck (H): Dies ist der Punkt, an dem der Flüssigkeitsdruck in den Druckschalter eintritt. Der Druckpegel an diesem Punkt ist es, was der Schalter überwacht und darauf reagiert.

Kurz gesagt, der Eingangsdruck übt Druck auf den Betätigungskolben aus, erzeugt eine Kraft, die der Bereichsfeder entgegenwirkt. Sobald die Kraft des Eingangskolbens höher als die entgegengesetzte Federkraft ist, drückt sie den Betätigungsstift in den isolierten Auslöseknopf. Dieser Knopf bewegt dann den Mikroschalter von der NC-Position in die NO-Position. Wenn der Druck unter die Federkraft fällt, bewegen sich der Knopf, der Stift und der Kolben vom Mikroschalter weg und unterbrechen die Verbindung. Die Verbindung geht dann von der NO-Position in die NC-Position. Weitere wichtige Komponenten in einem mechanischen Druckschalter umfassen:

• Einstellschraube: Diese Komponente wird verwendet, um den Druckschalter zu kalibrieren. Durch Drehen der Einstellschraube können Bediener den Druck einstellen, bei dem der Schalter aktiviert oder deaktiviert wird. Diese Einstellbarkeit ist entscheidend für die Steuerung der Reaktion des Schalters auf die spezifischen Bedürfnisse des Systems.
• Elektrische Verbindung: Die elektrische Verbindung ist der Punkt, an dem der Schalter mit der Schaltung des Systems interagiert. Der Schalter überträgt seine Signale, indem er entweder einen elektrischen Stromkreis öffnet oder schließt, basierend auf dem Druck, den er erkennt.
• O-Ring: Der O-Ring ist eine kleine, aber wesentliche Komponente, die eine dichte Abdichtung an den Verbindungspunkten des Schalters gewährleistet. Er verhindert Lecks und Kontamination, die sonst die Genauigkeit des Schalters und die Integrität des Systems beeinträchtigen könnten.
• Anschlussport: Dies ist der Punkt, an dem der Druckschalter am System befestigt wird. Er ist in der Regel mit Gewinde versehen, um eine sichere Befestigung zu ermöglichen, und es ist durch diesen Port, dass der Schalter den Druck des Systems spürt.

Elektronischer Druckschalter

Ein elektronischer Druckschalter (Abbildung 3) überwacht den Druck einer Flüssigkeit und aktiviert einen elektrischen Ausgang, wenn der Druck ein bestimmtes Niveau erreicht. Er kombiniert die Funktionen der Druckmessung und des elektrischen Schaltens in einer einzigen Einheit und bietet einen ausgefeilteren und vielseitigeren Ansatz zur Druckkontrolle im Vergleich zu mechanischen Druckschaltern. Elektronische Druckschalter bieten Vorteile gegenüber mechanischen Druckschaltern:

• Größere Genauigkeit
• Die Fähigkeit, ein breites Spektrum an Drücken zu handhaben
• Programmierbarkeit
• Digitale Ausgänge für die Integration mit modernen industriellen Steuerungssystemen

Die folgenden Parameter können typischerweise vom Benutzer entsprechend den Anforderungen angepasst werden:

• Schaltpunkt
• Ausgangssignale
• Hysterese (wird später besprochen)
• Verzögerungszeit

Elektronische Druckschalter eignen sich für automatisierte und gesteuerte Ausrüstungssysteme, die programmierbare Funktionen, digitale Anzeigen, Flexibilität, Genauigkeit, Eindringungsschutz und Stabilität erfordern.

Funktionsprinzip

Das Arbeitsprinzip eines elektronischen Druckschalters umfasst mehrere Schlüsselkomponenten und Schritte:

1. Drucksensor: Die Kernkomponente, die Druckänderungen erkennt. Sie wandelt den physischen Druck in ein elektrisches Signal um. Häufige Arten von Sensoren umfassen piezoelektrische, Dehnungsmessstreifen- und kapazitive Sensoren.
2. Signalverarbeitungsschaltkreise: Dazu gehören Verstärker und Analog-Digital-Wandler, die das Sensorsignal konditionieren, sodass es für die Analyse durch die Steuereinheit geeignet ist.
3. Steuereinheit: Oft ein Mikrocontroller oder digitaler Schaltkreis, der das Sensorsignal basierend auf programmierten Schwellenwerten (Setpoints) interpretiert. Er entscheidet, wann der Ausgangsschalter aktiviert oder deaktiviert wird.
4. Ausgangsschalter: Dies kann ein Relais oder eine Halbleiterkomponente sein, die einen elektrischen Stromkreis als Reaktion auf die Befehle der Steuereinheit öffnet oder schließt und so externe Geräte wie Pumpen, Ventile oder Alarme steuert.
5. Benutzeroberfläche: Viele elektronische Druckschalter verfügen über eine Benutzeroberfläche, die von einfachen Drehknöpfen zur Einstellung der Druckschwellen bis hin zu digitalen Displays und Tastaturen für Programmierung und Überwachung reichen kann.

Lesen Sie unseren Artikel über digitale Schalter für weitere Informationen zu den verschiedenen Sensormechanismen, die in einem elektronischen Druckschalter verwendet werden.

Mechanische vs. elektrische Druckschalter

Bei der Auswahl zwischen mechanischen und elektrischen Druckschaltern sollten die spezifischen Bedürfnisse der Anwendung berücksichtigt werden, einschließlich Genauigkeit, Reaktionszeit und Integrationsfähigkeiten. Lesen Sie unseren Artikel über digitale Druckschalter für weitere Informationen.

Auswahlkriterien

Berücksichtigen Sie die folgenden Parameter bei der Auswahl eines Druckschalters:

1. Art des Mediums: Die Art des Mediums sollte mit dem Gehäuse- und Dichtungsmaterial kompatibel sein. Nitril-Butadien-Kautschuk (NBR) eignet sich für die Verwendung mit Luft und hydraulischem/Maschinenöl. Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) eignet sich, wenn Wasser das Medium ist. Häufig verwendete Medien mit Druckschaltern sind:
   1. Hydrauliköl
   2. Heizöl
   3. Terpentin
   4. Benzin
   5. Luft
   6. Wasser

   Lesen Sie unseren Chemikalienbeständigkeitsdiagramm für weitere Informationen zur Kompatibilität verschiedener Materialien mit verschiedenen Medien.

2. Druck: Der Druckschalter muss dem maximalen Betriebsdruck standhalten können. Niederdruckschalter verwenden typischerweise eine Membran als Sensorelement, während Hochdruckschalter ein Kolbendesign verwenden.
3. Temperatur: Der Druckschalter sollte gut innerhalb seines maximalen und minimalen Temperaturbereichs funktionieren.
4. Wiederholbarkeit: Genauigkeit bezieht sich darauf, wie nahe der Aktivierungspunkt des Schalters am wahren Druckwert liegt, während Wiederholbarkeit die Fähigkeit des Schalters ist, konsistent beim gleichen Druckpunkt über mehrere Zyklen hinweg zu aktivieren. Der erforderliche Genauigkeitsbereich bestimmt die Auswahl des Druckschalters für die Anwendung. Membrandesigns bieten im Allgemeinen mehr Genauigkeit als das Kolbendesign.
5. Hysterese: Hysterese ist der Unterschied zwischen dem Schaltpunkt und dem Rücksetzpunkt. Der Schalter bleibt lange aktiv, wenn der Rücksetzpunkt zu groß ist. Wenn der Rücksetzpunkt zu kurz ist, wird der Schalter häufig zwischen den Ein-/Ausschaltzuständen wechseln. Hysterese ist bei einem elektrischen Druckschalter konfigurierbar, aber vom Hersteller bei einem mechanischen Druckschalter voreingestellt.
6. Prozessanschluss: Die Größe und Art des Prozessanschlusses sollten zur Rohrleitung oder Ausrüstung des Systems passen. Häufige Typen umfassen NPT-, BSP- und Flanschverbindungen.
7. Zulassungen: Wählen Sie Druckschalter mit ATEX-Zertifizierungen für den Einsatz in potenziell explosiven Atmosphären.
8. Elektrischer oder mechanischer Druckschalter: Ein elektrischer Druckschalter ist teurer, bietet aber mehr Kontrolle über die Einstellungen, wie Druckeinstellpunkt und Hysterese, im Vergleich zu einem mechanischen Druckschalter. Einige Anwendungen können die Fähigkeit erfordern, den Einstellpunkt, den Rücksetzpunkt oder den Druckbereich des Schalters anzupassen. Bestimmen Sie, ob Sie einen Schalter mit einstellbaren Einstellungen benötigen, um Änderungen in den Systemanforderungen zu berücksichtigen.

Häufige Anwendungen

Ein Druckschalter wird in einer breiten Palette von häuslichen und kommerziellen Anwendungen wie unten aufgeführt verwendet:

• HVAC, Gasflaschen, Luftpumpen usw. verwenden Druckluftschalter, um den Luftdruck der Systeme zu überwachen und zu steuern. Lesen Sie unseren Artikel zur Einstellung von Kompressordruckschaltern, um mehr darüber zu erfahren, wie sie eingestellt werden.
• Öldruckschalter werden von Motoren als Aktuator oder Sensor verwendet, um zu bestimmen, wann der Öldruck des Motors unter das voreingestellte Niveau gefallen ist.
• Ofendruckschalter fungieren als Sicherheitsvorrichtungen für industrielle sowie Wohnzwecke. Sie erkennen den Unterdruck beim Start des Ofens und schalten den Ofen ab, wenn ein niedriger Luftdruck vorliegt.
• Brunnenpumpendruckschalter werden in Wohn- und Geschäftsgebäuden verwendet, um Wasser aus dem Brunnen zu fördern und sicherzustellen, dass genügend Wasserdruck im System vorhanden ist, um Wasser ohne Überdruck bereitzustellen.
• Wasserpumpendruckschalter in Wohn-, Gewerbe- und landwirtschaftlichen Anwendungen regulieren automatisch den Wasserfluss.
• Vakuumdruckschalter messen Vakuum oder negativen Druck im System. Sie befinden sich in Wohnkesseln, Elektroheizungen, Kompressoren und Getriebesystemen.

Lesen Sie unseren Artikel über Druckschaltersymbole für weitere Details zu Druckschaltersymbolen und -diagrammen.

FAQs

Was macht ein Druckschalter?

Ein Druckschalter überwacht den Flüssigkeitsdruck des Systems und öffnet oder schließt eine elektrische Verbindung basierend auf einem voreingestellten Druckniveau.

Wie funktioniert ein mechanischer Druckschalter?

Ein mechanischer Druckschalter erfasst Druckänderungen und sendet ein elektrisches Signal, um ein System sicher und korrekt zu betreiben.

Wie stellt man einen Druckschalter ein?

Bei einem mechanischen Druckschalter drehen Sie die Mutter/den Knopf im Uhrzeigersinn, um den Schaltpunkt zu erhöhen, und gegen den Uhrzeigersinn, um ihn zu verringern. Ein elektronischer Druckschalter verfügt über eine Tastatur für Anpassungen.

Was ist der Unterschied zwischen einem Druckschalter und einem Drucksensor?

Druckschalter betätigen elektrische Schalter bei einem voreingestellten Druckniveau, während Drucksensoren den Systemdruck lesen und ihn in ein elektrisches Signal umwandeln.