Датчик уровня воды своими руками может сделать практически каждый, кто хоть немного умеет держать в руках паяльник. А эта статья поможет вам поэтапно, при помощи фотографий, изготовить индикатор уровня воды в баке своими руками из простых и распространённых деталей. Данное устройство работает очень хорошо и весьма надёжно в эксплуатации. При правильной сборке из исправных деталей, указанных на схеме номиналов, в дальнейшей настройке не нуждается, и будет работать сразу при подключении питания 12 вольт.
Для начала нужно разобраться со схемой уровня воды, которую мы будем изготавливать.
Схема уровень воды своими руками
Первым делом, после ознакомления с фотографией: схема уровня воды в баке своими руками, является заготовка деталей и материалов. Нам потребуется микросхема ULN2004, её можно купить в радиомагазине или в Китае, на Алиэкспресс. Цена за одну микросхему в радиомагазине и за десять на Алиэкспресс примерно равны, так что выбирайте подходящее, единственное неудобство — это то, что посылку из Китая нужно ждать около месяца или больше.
Детали собраны
Светодиоды можно использовать сигнальные любого цвета, какой Вам понравится, диаметром 4 – 5 миллиметров. Цоколёвка светодиодов и микросхемы есть на схеме.
Конденсатор C1 нужен полярный 100 микрофарад 25 вольт, или больших параметров (какой есть).
Резисторы (сопротивления) мощностью от 0.125 до 0.5 ватта или больше (чем больше мощность, тем больше габариты и будет не очень красиво, это относится и к конденсатору).
Резисторы R1 – R7 сопротивлением 47 ком (немного меньше или немного больше – не критично).
Резисторы R 8 – R14 сопротивлением 1 ком (примерно). Чем больше сопротивление, тем слабее будет светиться светодиод и наоборот, но слишком маленькое сопротивление может привести к выходу светодиода из строя.
Печатную плату можно не изготавливать, а применить макетную, как у меня, стоит копейки, особенно в Китае. Соотношение цены в радиомагазине и Китае 5 – 10 к одному.
Кабель к датчикам уровня воды можно применить любой восьми жильный сигнальный (в магазинах, где продают устройства сигнализации, есть всякий). Концы кабеля, помещаемые в воду как датчик уровня, освободить от изоляции на длину 5 – 10 миллиметров и зачищенные концы залудить (покрыть оловом при помощи паяльника) для уменьшения окисляющего действия воды на металл. Плюсовой электрод нужно изготовить из нержавейки (например, чайная ложка), а место соединения её к проводу защитить от воды при помощи клеевого пистолета. Если место контакта не защитить, то через короткое время электрохимическая реакция сожрёт. Шаг между датчиками нужно рассчитать исходя из глубины ёмкости. Если нужно измерять большую глубину воды и хочется разместить датчики чаще, то можно изготовить ещё одну или даже несколько подобных схем контроля уровня воды и разместить их последовательно в ёмкости. Конструкция датчиков может быть самой разнообразной и зависит только от Вашей фантазии, главное соблюдать общие принципы.
Клеммные колодки любые, но важно удобство подключения и использования.
Для микросхемы лучше всего применить разъём для беспаечного размещения. Это гнездо можно паять и не бояться, что перегреешь ножки, или подействует статическое электричество. Если микросхема вышла из строя, по каким – то причинам, то заменить её можно за пару секунд. Стоит такая панелька копейки.
Олово (проволока с канифолью) лучше использовать Российское. Китайское олово хорошее не встречал.
После сбора деталей нужно подумать о размещении деталей на плате. Я сделал, так как на фото, а Вы вольны расположить их по своему вкусу. Главное, чтобы расположение деталей отвечало задачам уменьшения количества перемычек и пайки, а главное удобству эксплуатации. Аккуратность в сборке схемы не последнее дело, не нужно торопиться как я и будет всё красиво. Итак, приступим.
Питание указателя уровня воды в баке можно сделать от любого аккумулятора 12 вольт (даже старого, лишь бы он давал не меньше чем 10 вольт), например, от компьютерного блока бесперебойного питания, да и продают сейчас их много всяких маломощных. Или можно на даче использовать обычные батарейки. Если их соединить последовательно 8 штук по 1.5 вольта = 12 вольт. Вполне достаточно. А если батарейки подключить через кнопку, чтобы схема работала только при нажатии на кнопку, то такого питания хватит на много лет.
Осталось только испытать указатель уровня воды в баке и тут главное не перепутать плюс с минусом. Провода питания лучше подключать разного цвета. Плюс всегда обозначается красным цветом, а минус чёрным, если к этому привыкнуть, то уже не перепутаете.
Схема индикатора уровня жидкости и ПП
Прибор собран на печатной плате. Транзисторы самые обычные КТ315 или 3102, но можно использовать почти любые соответствующей проводимости, резисторы для минимизации конструкции я взял smd-типа. Для питания конструкции я использовал одну батарейку типа Крона.
Из-за меняющегося давления в отопительной системе и нагрева жидкости расширительный бочек делают открытым, поэтому через какое-то время часть воды выкипает, и это приводит к остановке циркуляции воды и перегреву нагревательных элементов. Данное устройство покажет когда уровень воды снизиться ниже датчика.
Транзисторы VT1 и VT2 образуют усилитель с гальванической связью. Сопротивление R2 задает смещение на базу второго транзистора и в то-же время являясь нагрузкой первого. Резистор R3 предназначен для нагрузки VT2.
Если контакты устройства находятся в воде или иной токопроводящей жидкости, то плюс питания окажется соединен с резистором R1 через воду, поэтому на базу транзистора VT1 поступает напряжение и он отпирается, при этом VT2 остается закрытым и не инвертирующий вход операционного усилителя будет подключен к минусу через сопротивление R3. На выходе операционного усилителя будет присутствовать логический ноль и первый светодиод засветится, говоря о нормальном уровне воды.
Если уровень жидкости снизится и водяной контакт разомкнется, то напряжения смещения перехода на базе VT1 исчезнет и он будет закроется. Соответственно база VT2 будет соединена с плюсом питания и он отпирается, соединив не инвертирующий вход ОУ с плюсом, и поэтому на его выходе формируется уровень логической единицы, второй светодиод начинает сигнализировать о снижении уровня жидкости.
Индикатор уровня воды можно также подключить и к звуковой индикации. Подсоединив вывод OUT индикатора уровня к выводу блока аудио сигнализации (схема сирены).
В роли датчика подойдут обычные два провода можно применить толстый двужильный провод, оголив концы. Датчик монтируемый на необходимый нам уровень контроля.
Внешний вид датчика уровня жидкости показан на фотографиях ниже. В качестве зондов применяется проволока из нержавеющей стали, которая припаивается к контактам разъема, после чего это пространство заполняется герметиком или клеем.
В состав конструкции входят три зонда: — общий, — включение и — выключение. Изолирующие втулки изготовлены из внутренней изоляции коаксиального кабеля большого диаметра. Конструкция соединяется с блоком автоматики при помощи экранированного кабеля с двумя изолированными жилами. Экранирующая оплетка подключена к общему зонду.
В роли датчика используются два металлических стержня погруженных в жидкость. Принцип работы преобразователя основана на способности подовляющего большинства жидкостей проводить ток. Высокая чувствительность преобразователя обеспечивается применением логической микросборки КМОП на полевых транзисторах с изолированным затвором. Отечественная микросборка К561ЛА7 состоит из четырех логических элементов «И-НЕ». На DD1.1 и DD1.2 собран классический генератор прямоугольных импульсов, работающий на частоте 3 Гц.
Генератор, выполненный на DD1.3 и DD1.4, работает на частоте 1 кГц. Если погружаемый датчик соприкасается с жидкостью, емкость C1 начинает заряжатся и запускает генератор DD1.1 – DD1.2, который, каждые 350 миллисекунд запускает генератор на DD1.3 – DD1.4. Поэтому на выходе радиолюбительской самоделки появляется генерируется прерывистый звуковой сигнал. Чувствительность можно настраивать подбором сопротивления R1. Чем больше его номинал, тем выше чувствительность. Емкость C1 защищает высокоомный вход микросборки от вероятных помех.
Более простой вариант схемы:
Для сборки этого датчика уровня воды вам потребуется: полевой транзистор IRF540N или аналогичный, например IRFZ44N; Любой Активный зуммер (пищалка); Сопротивление на 1 МОм; Источник питания 12В, например аккумуляторная батарея.
Принцип работы схемы для контроля уровня жидкости показан в видео инструкции ниже:
Источник
2 Схемы
Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов
Оптический датчик уровня жидкости: подключение схемы и тесты
Если для какого-то проекта требуется бесконтактный датчик уровня жидкости, то есть несколько способов сделать это, хотя самый простой – поставить оптический датчик уровня. Именно такой датчика уровня воды будет задействован для проекта автоматического полива сада.
Для тестов и последующего использования выбран дешевый китайский датчик, который использует оптическую технологию комбинации одного инфракрасного излучателя и приемника для достижения бесконтактного определения уровня жидкости. Сам датчик не оснащен схемой электронного интерфейса – он просто содержит один инфракрасный светодиод и один фототранзистор внутри.
Конструкция оптического датчика уровня
Его можно установить в любом направлении, и установка может занять всего несколько минут, поскольку нет процедуры калибровки. Рекомендуется устанавливать датчик сбоку или снизу резервуара с жидкостью для получения лучших результатов. Обратите внимание, что на работу будут отрицательно влиять другие отражающие поверхности в непосредственной близости от головки датчика.
Электрическая схема подключения модуля
Типовая электрическая схема для работы от БП 5 В.
Кабель выступает из герметичного узла датчика и имеет на конце небольшой 4-контактный (2-парный) проводной разъем. Одна пара этих проводов присоединена к светодиоду (световому излучателю) внутри, а другая – к фототранзистору (светоприемнику). Вот типовая схема подключения оптического датчика уровня жидкости.
Хотя приведенная выше схема дает общую идею подключения, рекомендуем перед испытанием проверить цветовой код проводов, так как неправильное подключение может привести к повреждению электроники.
Принцип работы оптического датчика уровня
Датчик содержит инфракрасный светодиод и фототранзистор. Поскольку свет от LED передается на оптическую головку, фототранзистор получает нулевой свет (или меньше света), когда датчик погружен в жидкость – проходящий световой луч будет преломляться. Если жидкости нет, проходящий свет будет возвращаться на фототранзистор непосредственно через оптическую головку. Поэтому если датчик определяет уровень жидкости, он выдает сигнал низкого уровня.
На рисунке ниже несколько вариантов по установке датчика в различные ёмкости.
Посмотрев на выходной сигнал с помощью мультиметра, можно увидеть сигнал с высоким логическим уровнем в «сухом состоянии» и низкий логический уровень во «влажном состоянии». Следующая схема позволяет использовать выход датчика для непосредственного управления индикатором или даже стандартным электромагнитным реле.
Тут может потребоваться изменить значение R1 (минимум 390 Ом) и R2 (максимум 10 кОм), чтобы получить приемлемые результаты. Элемент BS170 (T1) представляет собой малосигнальный МОП-транзистор с N-каналом, 500 мА, 60 В, доступный в корпусе TO-92, но не с логическим уровнем.
Модернизация схемы измерителя уровня
На этот раз всё основано на популярном шестнадцатеричном инвертирующем буфере и преобразователе CD4049UB (IC1). Микросхема имеет стандартизованные симметричные выходные характеристики, широкий диапазон рабочего напряжения от 3 В до 18 В и рекомендуется для устройств, не требующих высокого тока или преобразования напряжения.
Здесь схема на основе CD4049UB обеспечивает одноточечное определение уровня жидкости через TTL-совместимый двухтактный выход, но можно добавить больше оптических датчиков уровня, чтобы реализовать свой собственный расширяемый, многоканальный, совместимый с микроконтроллером модуль определения уровня жидкости.
Итоги тестов и реальная работа
При тестировании обнаружено, что ложных срабатываний нет, даже когда он установлен внутри небольшого прозрачного резервуара для воды при ярком дневном свете. Если погрузить наконечник датчика (прозрачную призму) в воду, он работает как надо.
В общим этот оптический датчик уровня не имеет движущихся частей и идеально подходит для измерения предельного уровня воды. Он выдает выходной сигнал, который может сказать о наличии или отсутствии жидкости. Подобный компактный и недорогой оптический датчик уровня жидкости – хороший выбор, особенно там где точность измерения не имеет важного значения.
Источник
PicHobby.lg.ua
Полезные изобретения на микроконтроллерах
Индикатор уровня воды в баке на микроконтроллере PIC16F628A
Индикатор(датчик) уровня воды на микроконтроллере PIC16F628А – устройство, которое позволит визуально контролировать уровень воды в непрозрачной ёмкости. Предлагаемое устройство может пригодиться всем, у кого есть загородный дом с летним душем или дача, огород, да что угодно лишь была бы емкость с водой. После некоторых модернизаций из индикатора получилось реле уровня воды.
Сам индикатор состоит из двух основных частей:
- Датчики уровня воды;
- Электроника, которая обрабатывает информацию, полученную от датчиков.
Теперь подробнее рассмотрим каждую из составных частей индикатора.
О схеме.
Схема индикатора собиралась из того, что было под рукой, и разрабатывалась вообще для микроконтроллера PIC16F84, но позже было принято решение добавить поддержку более дешевого и доступного микроконтроллера — PIC16F628A.
Принципиальная схема индикатора уровня воды (рисунок 1) проста, как пять копеек. FM приемник на RDA5807 — проще не бывает!
Рисунок 1 — Принципиальная схема индикатора уровня воды на микроконтроллере PIC16F628A
Рассмотрим основные узлы. Сердцем устройства является микроконтроллер PIC16F628A фирмы Microchip. Для стабильного питания которого, применяется выпрямитель на диодном мосте, конденсаторах и интегральном стабилизаторе L7805.
Для понижения напряжения настоятельно рекомендуется применить понижающий трансформатор, который обеспечит необходимую гальваническую развязку. Гасящие конденсаторы лучше не ставить, так как появляется риск оказаться под опасным потенциалом напряжения.
Датчики подключаются к схеме через барьерные резисторы.
Четыре светодиода отображают текущее количество воды в емкости. В зависимости от того какой датчик замыкает с общим проводом, светодиод того датчика и будет светиться. Весь перечень деталей сведён в таблицу 1.
| Позиционное обозначение | Наименование | Аналог/замена |
| С1, С3 | Конденсатор керамический – 15пФх50В | |
| С2 | Конденсатор электролитический — 470мкФх25В | |
| С4 | Конденсатор керамический – 0,1мкФмкФх50В | |
| С5 | Конденсатор электролитический — 1000мкФх10В | |
| DA1 | Интегральный стабилизатор L7805 | L78L05 |
| DD1 | Микроконтроллер PIC16F628A | PIC16F648A, PIC16F84 |
| HL1-HL4 | Светодиод 3мм | |
| R1-R5, R11 | Резистор 0,125Вт 5,1 Ом | SMD типоразмер 0805 |
| R6-R9 | Резистор 0,125Вт 510 кОм | SMD типоразмер 0805 |
| R10 | Резистор 0,125Вт 1 кОм | SMD типоразмер 0805 |
| R12-R15 | Резистор 0,125Вт 180 Ом | SMD типоразмер 0805 |
| VD1 | Диодный мост 1А х 1000В 2W10 | |
| XP1-XP4 | Штекер платный | |
| XT1-XT2 | Клеммник на 2 контакта. | |
| XT3 | Клеммник на 3 контакта. | |
| ZQ1 | Кварц 4МГц типаразмер HC49 |
Таблица 1 – Перечень компонентов для индикатора уровня воды на микроконтроллере PIC16F628А
О датчиках.
В качестве датчиков используются тонкие хомуты из оцинкованной жести, которые, в свою очередь, располагаются на пластиковой трубе, на определенном расстоянии друг от друга. Труба крепится к тяжелому основанию(рисунок 2).
Рисунок 2 – Тяжелое основание для пластиковой трубы с датчиками.
К хомутам подводятся провода, соединяющие датчики и схему (можно использовать витую пару). Вся эта конструкция устанавливается в емкость с водой. Замыкать датчики между собой будет вода. Расстояния между датчиками выбираются произвольные. В моем случае, емкость была условно разделена на три части, и по уровню каждой части на трубе был установлен хомут. Если для емкости был предусмотрен перелив, то последний хомут должен быть установлен на уровне перелива.
Конструкция датчиков может быть и иной. Главное соблюдать требуемую последовательность.
Как работает.
Работает такая конструкция очень просто. На самом низу трубы (или на основании) крепится общий провод для работы с датчиками. Относительно этого провода будут происходить все измерения. Вода, наполняя емкость, постепенно начнет замыкать общий провод с датчиками. Первый на очереди — датчик 1. Когда общий провод с ним замкнется тогда включиться первый светодиод. Далее к первому датчику добавится второй датчик, при этом включится второй светодиод, а первый выключиться и т.д. Когда произойдет замыкание с четвертым датчиком — включиться четвертый светодиод. Который, в свою очередь, будет мерцать с частотой 2 Гц.
Подобный алгоритм работы можно легко организовать на обычной логике. Так поначалу и делалось, однако, из-за частых ошибочных состояний, было принято решение заменить схему на современное микроконтроллерное устройство. Рабочая программа для PIC-микроконтроллера была написана на языке ассемблер и отлажена в программе MPLab 8.8
Моделирование.
Работа устройства моделировалась в программе протеус см. рисунок 3. Модель сделана для микроконтроллера PIC16F84A! Внимательно выбираем прошивку.
Рисунок 3 – Модель уровня воды на микроконтроллере.
О печатной плате.
Печатная плата получилась размерами 55х50мм (рисунки 4-5 . не в масштабе) .
Рисунок 4 – Печатная плата индикатора уровня воды в баке на микроконтроллере PIC16F628A (низ) не в масштабе.
Рисунок 5 – Печатная плата индикатора уровня воды в баке на микроконтроллере PIC16F628A (верх) не в масштабе.
Внешний вид индикатора показан на рисунке 6.
Рисунок 6 – Готовая плата индикатора уровня воды.
Корпус.
Схему готового индикатора разместил в корпусе небольшого приемника рисунки 7-8.
Рисунок 6 – Готовая плата индикатора уровня воды на микроконтроллере PIC16F628A в корпусе приемника.
Рисунок 7 – Кнопка включения питания.
Отверстия для динамика заклеил клеем, а на лицевую сторону приклеил глянцевую фотография рисунки 8-9
Индикатор, собранный из заведомо рабочих деталей, начинает работать сразу и в наладке не нуждается.
Рисунок 8 – Заклееные отверстия.
Рисунок 9 – Лицевая панель индикатора уровня воды на микроконтроллере PIC16F628A.
Источник
➤ Adblock
detector
Для автоматизации многих производственных процессов необходимо контролировать уровень воды в резервуаре, измерение проводится при помощи специального датчика, подающего сигнал, когда технологическая среда достигнет определенного уровня. Без уровнемеров невозможно обойтись и в быту, яркий пример этому – запорная арматура бачка унитаза или автоматика для отключения насоса скважины. Давайте рассмотрим различные виды датчиков уровня, их конструкцию и принцип работы. Эта информация будет полезной при выборе устройства под определенную задачу или изготовлении датчика своими руками.
Конструкция и принцип действия
Конструктивное исполнение измерительных устройств данного типа определяется следующими параметрами:
- Функциональностью, в зависимости от этого устройства принято делить на сигнализаторы и уровнемеры. Первые отслеживают конкретную точку заполнения резервуара (минимальную или максимальную), вторые осуществляют беспрерывный мониторинг уровня.
- Принципом действия, в его основу может быть положены: гидростатика, электропроводность, магнетизм, оптика, акустика и т.д. Собственно, это основной параметр, определяющий сферу применения.
- Методом измерения (контактный или бесконтактный).
Помимо этого, особенности конструкции определяет характер технологической среды. Одно дело — измерять высоту питьевой воды в баке, другое — проверять наполнение резервуаров для промышленных стоков. В последнем случае необходима соответствующая защита.
Виды датчиков уровня
В зависимости от принципа действия, сигнализаторы принято делить на следующие виды:
- поплавочного типа;
- использующие ультразвуковые волны;
- устройства с емкостным принципом определения уровня;
- электродные;
- радарного типа;
- работающие по гидростатическому принципу.
Поскольку эти типы наиболее распространены, рассмотрим каждый из них в отдельности.
Поплавковый
Это наиболее простой, но, тем не менее, действенный и надежный способ измерения жидкости в баке или другой емкости. С примером реализации можно ознакомиться на рисунке 2.
Конструкция состоит из поплавка с магнитом и двух герконов, установленных в контрольных точках. Кратко опишем принцип действия:
- Емкость опустошается до критического минимума (А на рис. 2), при этом поплавок опускается до уровня, где расположен геркон 2, он включает реле, подающее питание на насос, закачивающий воду из скважины.
- Вода доходит до максимальной отметки, поплавок поднимается до места расположения геркона 1, он срабатывает и реле отключается, соответственно, двигатель насоса прекращает работать.
Такой герконовый сигнализатор сделать самостоятельно довольно просто, а его настройка сводится к установке уровней включения-выключения.
Заметим, что если правильно выбрать материал для поплавка, датчик уровня воды будет работать, даже при наличии слоя пены в резервуаре.
Ультразвуковой
Этот тип измерителей может использоваться как для жидкой, так и сухой среды, при этом у него может быть аналоговый или дискретный выход. То есть, датчик может ограничивать заполнение по достижению определенной точки или отслеживать его постоянно. Устройство включает в себя ультразвуковой излучатель, приемник и контроллер обработки сигнала. Принцип работы сигнализатора продемонстрирован на рисунке 3.
Работает система следующим образом:
- излучается ультразвуковой импульс;
- принимается отраженный сигнал;
- анализируется длительность затухания сигнала. Если бак полный, она будет короткой (А рис. 3), а по мере опустошения начнет увеличиваться (В рис. 3).
Ультразвуковой сигнализатор бесконтактный и беспроводной, поэтому он может использоваться даже в агрессивных и взрывоопасных средах. После первичной настройки, такой датчик не требует никакого специализированного обслуживания, а отсутствие подвижных частей существенно продлевает срок эксплуатации.
Электродный
Электродные (кондуктометрические) сигнализаторы позволяют контролировать один или несколько уровней электропроводящей среды (то есть, для измерения наполнения бака дистиллированной водой они не подходят). Пример использования устройства приведен на рисунке 4.
В приведенном примере задействован трехуровневый сигнализатор, в котором два электрода контролируют заполнение емкости, а третий является аварийным, для включения режима интенсивной откачки.
Емкостной
При помощи этих сигнализаторов можно определять максимальное заполнение емкости, причем, в качестве технологической среды могут выступать как жидкость, так и сыпучие вещества смешанного состава (см. рис. 5).
Принцип работы сигнализатора такой же, как у конденсатора: проводится измерение емкости между пластинами чувствительного элемента. Когда она достигнет порогового значения, подается сигнал на контроллер. В некоторых случаях задействовано исполнение «сухой контакт», то есть уровнемер работает через стенку бака в изоляции от технологической среды.
Данные устройства могут функционировать в широком температурном диапазоне, на них не влияют электромагнитные поля, а срабатывание возможно на большом расстоянии. Такие характеристики существенно расширяют сферу применения вплоть до тяжелых условий эксплуатации.
Радарный
Этот вид сигнализаторов можно действительно назвать универсальным, поскольку он может работать с любой технологической средой, включая агрессивную и взрывоопасную, причем, давление и температура не будут влиять на показания. Пример работы устройства приведен на рисунке ниже.
Устройство излучает радиоволны в узком диапазоне (несколько гигагерц), приемник ловит отраженный сигнал и по времени его задержки определяет наполняемость емкости. На измеряющий датчик не влияет давление, температура или характер технологической среды. Запыленность также не отражается на показаниях, чего не скажешь о лазерных сигнализаторах. Также необходимо отметить высокую точность приборов данного типа, их погрешность составляет не более одного миллиметра.
Гидростатический
Эти сигнализаторы могут измерять как предельное, так и текущее заполнение резервуаров. Их принцип действия продемонстрирован на рисунке 7.
Устройство построено по принципу измерения уровня давления, произведенного столбом жидкости. Приемлемая точность и небольшая стоимость сделали данный вид довольно популярным.
В рамках статьи мы не можем осмотреть все типы сигнализаторов, например, ротационно-флажковых, для определения сыпучих веществ (идет сигнал, когда лепесток вентилятора застрянет в сыпучей среде, предварительно вырыв приямок). Так же нет смысла рассматривать принцип действия радиоизотопных измерителей, тем более рекомендовать их для проверки уровня питьевой воды.
Как выбрать?
Выбор датчика уровня воды в резервуаре зависит от многих факторов, основные из них:
- Состав жидкости. В зависимости от содержания в воде посторонних примесей может меняться плотность и электропроводность раствора, что с большой вероятностью отразится на показаниях.
- Объем резервуара и материал, из которого он изготовлен.
- Функциональное назначение емкости для накопления жидкости.
- Необходимость контролировать минимальный и максимальный уровень, или требуется мониторинг текущего состояния.
- Допустимость интеграции в систему автоматизированного управления.
- Коммутационные возможности устройства.
Это далеко не полный список для выбора измерительных приборов данного типа. Естественно, что для бытового назначения можно существенно сократить критерии отбора, ограничив их объемом резервуара, типом срабатывания и схемой управления. Существенное сокращение требований делает возможным самостоятельное изготовление подобного устройства.
Делаем датчик уровня воды в резервуаре своими руками
Допустим, есть задача автоматизировать работу погружного насоса для водоснабжения дачи. Как правило, вода поступает в накопительную емкость, следовательно, нам необходимо сделать так, чтобы насос автоматически выключался при ее заполнении. Совсем не обязательно для этой цели покупать лазерный или радиолокационный сигнализатор уровня, собственно, никакой приобретать не нужно. Несложная задача требует простого решения, оно показано на рисунке 8.
Для решения задачи понадобится магнитный пускатель с катушкой на 220 вольт и два геркона: минимального уровня — на замыкание, максимального — на размыкание. Схема подключения насоса проста и, что немаловажно, безопасна. Принцип работы был описан выше, но повторим его:
- По мере набора воды поплавок с магнитом постепенно поднимается, пока не дойдет до геркона максимального уровня.
- Магнитное поле размыкает геркон, отключая катушку пускателя, что приводит к обесточиванию двигателя.
- По мере расхода воды, поплавок опускается, пока не достигнет минимальной отметки напротив нижнего геркона, его контакты замыкаются, и поступает напряжение на катушку пускателя, подающего напряжение на насос. Такой датчик уровня воды в резервуаре может работать десятилетиями, в отличие от электронной системы управления.
Перейти к содержанию
Виды датчиков-уровнемеров для определения уровня жидкости в емкостях
На чтение 5 мин. Просмотров 11.1k. Опубликовано 23.02.2019
Содержание
- Конструктивные особенности и принцип работы
- Разновидности датчиков
- Правила выбора
- Популярные модели
Чтобы автоматизировать некоторые производственные процессы, требуется контроль уровня жидкости. Подобные измерения выполняются с применением специальных уровнемеров для емкостей, которые подают сигнал при достижении определенного уровня воды. Существует несколько типов этих приспособлений.
Конструктивные особенности и принцип работы
Конструкция измерителей уровня жидкости в резервуаре определяется такими характеристиками:
- Функциональностью. По этому параметру все измерительные устройства этого класса классифицируют на уровнемеры и сигнализаторы уровня жидкости. Последние определяют конкретную точку наполненности емкости (максимальную и минимальную), а первые — постоянно контролируют уровень жидкости.
- Принципом работы. В основу этого параметра заложена акустика, оптика, магнетизм, электропроводность и так далее. От принципа действия устройства зависит область его применения.
- Методика измерения (бесконтактная или контактная).
Кроме того, конструктивные особенности устройства определяют тип технологической среды. Например, уровнемеры в баках с питьевой водой отличаются от приспособлений, которые предназначены для измерения наполненности резервуаров с промышленными стоками.
Разновидности датчиков
Все уровнемеры классифицируются по принципу их действия. Основные типы измерительных устройств:
- Поплавковый. Это самый простой вариант измерения уровня воды в баке. Конструкция поплавкового уровнемера включает в себя 2 геркона, магнит и поплавок. Когда уровень жидкости увеличивается, поплавок поднимается до первого геркона, который отключает реле двигателя. Если резервуар опустошается, поплавок опускается до второго геркона, который запускает реле и включает насос, перекачивающий жидкость из скважины. Герконовый датчик предельного уровня жидкости можно сделать своими руками. При этом он будет работать, даже если в резервуаре будет объемный слой пены.
- Ультразвуковой. Эта разновидность измерительных устройств применяется как для сухой, так и для жидкой среды. Ультразвуковые датчики могут иметь дискретный или аналоговый выход. То есть приспособление может постоянно контролировать уровень воды или ограничивать наполнение емкости при достижении конкретной точки. Такой уровнемер состоит из приемника, УЗ-излучателя и контроллера, отвечающего за обработку сигнала. Сигнализаторы ультразвукового типа являются беспроводными и бесконтактными, поэтому их можно устанавливать даже во взрывоопасных и агрессивных жидкостях.
- Электродный (кондуктометрический). Такие уровнемеры не подходят для емкостей с дистиллированной водой. Стандартная конструкция оснащена трехуровневым сигнализатором, в котором наполнение резервуара контролирует пара электродов, а третий — предназначен для аварийных ситуаций, для запуска режима активной откачки.
- Емкостный. С использованием таких уровнемеров можно точно идентифицировать предельное наполнение резервуара. Они подходят как для жидкостей, так и для сыпучих субстанций. Емкостные уровнемеры функционируют по такому же принципу, что и конденсаторы: измерение выполняется между пластинками чувствительного элемента. При достижении пикового значения на контроллер отсылается соответствующий сигнал. Иногда емкостные сигнализаторы работают по принципу «сухого контакта», при котором устройство срабатывает через стенку резервуара. Эти приспособления могут эффективно работать в очень обширном диапазоне температур, на их функционирование не влияет электромагнитное излучение. Такие эксплуатационные свойства расширяют область использования емкостных уровнемеров.
- Радарный. Эта разновидность сигнализаторов является универсальной, так как она работает с любыми видами технологических сред, включая взрывоопасные и агрессивные жидкости. При этом показания не будут изменяться под воздействием температуры и давления. Прибор излучает радиоволны в определенном частотном диапазоне. Приемник улавливает отраженный радиосигнал и определяет заполненность резервуара, руководствуясь периодом задержки сигнала. На датчик-измеритель не влияет температура и давление. Запыленность технологической среды тоже не сказывается на показаниях. Специалисты отмечают, что радарные приспособления обладают максимальной точностью, так как их погрешность не превышает 1 мм.
- Гидростатический. Этот тип сигнализатора позволяет измерять как текущее, так и предельное наполнение емкостей. Принцип работы гидростатического устройства базируется на измерении давления столба жидкости. Популярность таких датчиков обусловлена небольшой ценой и достаточной точностью.
Существуют и другие типы устройств, но они обладают специфичным назначением.
Правила выбора
Выбирать уровнемер для резервуаров необходимо с учетом большого количества факторов. Среди них:
- состав воды;
- объем емкости и материал, который был использован для ее изготовления;
- потребность в контроле предельного и минимального уровня жидкости или мониторинг действительного состояния;
- возможность внедрения автоматического управления в систему;
- коммутационные возможности приспособления.
Для выбора бытовых устройств важно учитывать объем емкости, схему управления и принцип срабатывания.
Популярные модели
Современный рынок предлагает много моделей сигнализаторов. Самые популярные из них:
- ДЕ-1 (датчик емкостный). Чаще всего этот сигнализатор используется в агрессивных средах химической и металлургической промышленности. Он позволяет контролировать температуру и уровень сыпучих и жидких веществ. Нередко используется в установках аварийной защиты.
- ЭСУ-1 (электронный сигнализатор уровня). Корпус этой модели изготовлен из высококачественной стали и фторопласта. Чаще всего ЭСУ-1 устанавливают во взрывоопасных и агрессивных средах. Источник электропитания находится за пределами технологической среды. Датчик измеряет уровень нефти, спирта и воды. Блок питания выполнен из прочного алюминиевого сплава.
- РУ-305 (реле уровня). Этот прибор предназначен для контроля состояния жидких сред. Его корпус выполнен из особого материала и может с легкостью выдерживать температуры от -50 до +50 градусов Цельсия. Однако РУ-305 запрещается применять в агрессивных химических средах. Из недостатков этого уровнемера потребители отмечают лишь то, что он работает только в одном положении, без наклона. Измерение уровня осуществляется посредством перемещения магнита с поплавком и срабатывания герконом. Измерения имеют точность не более 5 мм.
- СУ-100 (сигнализатор уровня). Датчик для измерения уровня сыпучих и жидких веществ. В конструкции СУ-100 присутствует электромагнитное реле.
- Rosemount 5600. Этот радарный датчик уровня позволяет бесконтактно измерять любую разновидность веществ. Чтобы добиться максимально точных показаний, уровнемер необходимо правильно установить. Точность показаний устройства может ухудшаться из-за воздействия электромагнитного излучения. Корпус обладает взрывозащитной конструкцией и дисплеем, на котором отображается вся необходимая информация. Rosemount 5600 может использоваться для измерения температурных показателей в резервуаре. Чтобы в полной мере оценить возможности этого оборудования, ему необходима квалифицированная настройка с учетом диаметра трубопровода, длины уровнемера и расстояния между уровнем и опорной точкой.
Сложные модели целесообразно приобретать лишь для промышленного применения. Для бытовых целей подходят простейшие варианты уровнемеров.
Всем привет. Сегодня речь пойдет об очень простом наборе для самостоятельной сборки прибора, для контроля уровень воды. Данный набор может с успехом распаять школьник 5-7 класса за один вечер. Можно конечно сделать и полностью самостоятельно, включая плату, но я решил сэкономить время, поэтому был заказан набор.
Набор был приобретен с целью хоть как то автоматизировать набор воды в бочку на даче. При чем это не совсем бочка, а скорее труба, уходящая вниз на 2.5-3 метра, поэтому запасы воды там приличные (для простоты пусть будет бочка). Задумка была простая, пока нет регулярного водоснабжения электроклапан открывается и набирает в бочку воды по заданный уровень. Расход воды ведрами по необходимости и автоматический долив в бочку. Для того что бы клапан часто не срабатывал от колебаний воды, задумано несколько уровней. Нижний при котором включается клапан и верхний при котором выключается. Т.е. есть определенная мертвая зона при которой расход воды есть, а подача воды в бочку пока отсутствует. Кстати, эта мертвая зона и есть фактически такое понятие, как гистерезис.
В прошлом году эту функцию выполняло такое пардон устройство, как поплавковый механизм из бачка унитаза. Работало исправно, изредка засорялось, поскольку вода поступает по трубам прямиком из реки. Но в итоге зиму не пережило, поскольку было выполнено из пластмассы и развалилось от мороза.
Данный набор был призван заменить вышедший из строя механизм.
По мере хранения собранной платы и ожидании дачного сезона, была произведена попытка применить собранную плату на производстве, вот на такой установке.
Это просто большая кастрюля с нагревателем типа ТЭНов мощностью 27 КВт. Продукцию достают из холодильника целыми поддонами и закладывают в кострюлю. Надо все это нагреть до 90 С. Представляете сколько электроэнергии тратится ежесуточно?!
Для оценки объемов приложу пару фото:
Продукция между прочим представляет из себя свиные желудки и кудрявку (часть кишков).
Насколько я знаю желудки чем то набивают и употребляют в пищу, с кишками примерно то же самое — в том числе и колбасы с сосисками.
Это дело варится и повторно замораживается. Далее отправляется в Китай. Вот так вот, круговорот товара в природе. Мы им натуральные субпродукты, а в ответ электронику…
Назрел вопрос перевести нагрев кастрюли на пар. Так экономнее и мощность выше. Производительность вырастает в разы. Вот тут и потребовался датчик уровня, что бы никого паром не обварило и пар подавался только тогда, когда в емкости присутствует хотя бы минимальное количество воды.
Однако я вовремя спохватился и отказался от окончательной установки, хотя испытания показали работоспособность платы. Применять на производстве самоделки противопоказано. Поэтому нашли менее оперативно нужный прибор, который выполняет те же функции, но имеет еще и сертификат. Принцип работы заводского прибора практически соответствует набору с интернет магазина и в конкретном случае выполняет те же функции.
Этот прибор отечественного производства Овен САУ-М7.
Доставка и упаковка:
Бангуд весьма стабилен, малый пакет и несколько слоев вспененного полиэтилена.
В небольшом пакетике «кучка» деталей, плата и провода.
По номиналам я не сортировал, просто разложил для наглядности.
Схема не простая, а очень простая. Используется 4 элемента 2И-НЕ, при чем два из них выполняют функцию триггера. Он нужен для формирования петли гистерезиса.
Контакты 1 и 2 разъема J3 дают сигнал о нижнем уровне и включают реле. Контакты J4 1 и 2 — верхний уровень и аварийный, при срабатывании любого из них реле выключается. Срабатывание реле дублируется зажиганием светодиода. Схема уверенно срабатывает на водопроводную воду и так же уверенно на воду после водоподготовки, в которой солей меньше.
Я собирал плату практически не глядя в схему, разве что номинал резисторов посмотрел.
Перепутать выводы маловероятно и даже установить такие детали, как разъемы или транзисторы неправильно помешает нанесенная шелкография.
Единственный минус при монтаже — я перепутал местами светодиоды. Но это так, мелочи, на работоспособность не влияют.
В качестве датчиков были применены самодельные датчики уровня кондуктометрического типа. Примерно вот так они выглядят в сборе:
На плате со стороны установки деталей нанесена шелкография, вполне качественная.
Процесс распайки деталей вам не будет интересен, поскольку я не являюсь сборщиком и не владею особенностями тех процесса по сборке плат. Что в руку попалось с краю, то и запаивал.
Печатная плата со стороны пайки покрыта защитной маской. Металлизации нет. Плата односторонняя.
Использовал припой типа ПОС 61 с канифолью. Насвинячил немного.
Провода питания зафиксировал герметиком, что бы не обломались на выходе из отверстий. Провода, что шли в комплекте, мне показались слишком короткими.
Плату помыл растворителем со спиртом и покрыл слоем Plastik 70. Сразу заметил разницу между моими прежними платами и этой. Поверхность блестит и контакты покрыты слоем пленки.
Выявился некоторое неудобство, которое на самом деле является плюсом. Хотел снять видео о работе платы с использованием мультиметра, а получил проблему в виде того, что цупы, банально не продавливают покрытие защитное. Поэтому в видео отсутствует мультиметр.
Видео демонстрации работы платы:
Upd: пока писал обзор, на страницу с товаром даже не обращал внимание, как обычно. И только после написания обзора обратил внимание на товар. Плата не совпадает с той, что мне прислали и судя по комментариям многим высылают два разных варианта платы. На функционале это не сказывается. Обе платы работоспособны.
Итоги: Простейший набор, доступен для школьников, так же имеет практическое применение. К покупке рекомендую. Осадок небольшой остался из за того, что плата пришла не та, которая в описании.
В моем случае оказались лишними провода. Вероятно они планировались для вывода из платы светодиодов на переднюю панель и подключения источника питания.
ВИДЫ И ТИПЫ ВЫБОР И ПРИМЕНЕНИЕ
Отслеживание уровня воды и аналогичных жидкостей осуществляется с помощью приборов с разным типом и функционалом. Выбор конкретного варианта делают исходя из поставленных задач, внешних условий и свойств рабочей жидкости.
Во избежание ошибок и лишних трат подбор и монтаж датчиков производственного и общественного назначения доверяют специалистам. Датчики для индивидуального пользования без проблем выбираются и устанавливаются самостоятельно.
Данная группа для измерения уровня воды или других жидкостей представлена приборами с абсолютно разным принципом работы.
Эти устройства могут быть механическими, электронными, магнитными, оптическими, гидростатическими или локационными.
Они устанавливаются в местах с затруднительным или отсутствующим доступом к воде или при наличии угрозы безопасности при прямом измерении.
Простейшие датчики уровня работали за счет базовых законов физики (силы выталкивания или разницы в электропроводности разнородных сред). Современные разновидности пригодны для решения самых разных задач, включая:
- онлайн мониторинг фактического уровня воды;
- оповещение о достижении предельных или заданных значений уровня жидкости;
- измерение и расчет объема рабочей жидкости в емкостях со сложной формой или скорости ее расхода;
- хранение, накопление и обработку результатов.
Исходя из функционального назначения все датчики уровня воды делятся на уровнемеры и сигнализаторы. Первые устанавливаются с целью непрерывного мониторинга этого параметра и преобразовывают его значение в аналоговый или цифровой сигнал.
Вторые задействуются при необходимости получения сигнала или команды о достижении определенного значения уровня жидкости в емкости.
Классификация датчиков
Для чего применяется датчик уровня воды:
- Включает реле сигнализации в корпусе управления. Сигнализация может быть звуковая или световая.
- Датчик применяется для создания замкнутой схемы системы автоматического контроля воды в резервуаре.
- При помощи датчика уровня воды передается показатели уровня жидкости на пульт управление, а на табло отображаются конкретные резервуары.
- Датчик воспринимает изменения объема воды и передает сигнал при повышении максимальной отметки на реле в резервуаре.
По принципу работы можно выделить следующие виды датчиков:
- Поплавковые датчики;
- Гидростатические датчики;
- Емкостные датчики;
- Радарные датчики;
- Ультразвуковые датчики.
Есть несколько способов измерения уровня воды:
- Контактный метод. При таком методе прибор устраивают на стенке в резервуаре и, к тому же на определенном уровне. После того как вода достигает показатель датчик срабатывает. К такому методу относятся гидростатические и поплавковые модели.
- Бесконтактный метод. Обычно такие приборы применяются для контроля жидких, твердых, сыпучих, токсичных и вязких веществ. К такому методу относятся ультразвуковые и емкостные датчики.
Как подобрать нужный
При выборе ультразвукового измерителя уровня необходимо учитывать:
- свойства жидкости;
- материал, из которого изготовлен резервуар, его влияние на точность измерений;
- используемую схему обработки измерительной информации;
- оснащение сенсора дисплеем для отображения данных и изменения настроек;
- наличие сертификатов;
- влияние перепадов температуры и иных внешних факторов на точность измерения;
- материал, из которого устройство выполнено.
Вещества
Большое преимущество ультразвуковых датчиков уровня – точность измерения не зависит от физико-химических свойств жидкости: плотности, химической активности, электропроводимости и др. Прибор будет работать с водой, с молоком, с серной кислотой, нефтью. Однако в некоторых случаях они не применяются:
- для контроля уровня кипящих жидкостей. Образующиеся при кипении воздушные пузыри имеют отличные от жидкости параметры отражения акустических волн – результаты измерений искажается;
- при образовании на поверхности жидкости пены, которая рассеивает и поглощает ультразвуковой сигнал;
- при контроле жидкостей, требующих постоянного перемешивания. Образующиеся при этом кавитация и вихреобразные воронки искажают отраженный сигнал, и точность измерений снижается.
Материал резервуара
Материал резервуара, внутри которого установлен акустический датчик, не влияет на точность измерений прибора. Наиболее сильный отраженный сигнал приходит от границы сред, а вторичное эхо от стен емкости слабое и откалиброванным прибором не улавливается.
Когда в силу технологических факторов, соблюдения мер безопасности и т. д., датчик внутрь емкости установить нельзя, для измерения уровня жидкости используется метод многократного отражения звуковых колебаний от внутренних стенок. Метод подразумевает установку сенсора снаружи. Измерения возможны, если резервуар изготовлен из металла, стекловолокна, стекла, пластика. Эти материалы хорошо отражают ультразвук, поэтому измерение уровня будет точным.
Многие сорта пластмасс, пористая резина и т. п. имеют близкие к жидкостям характеристики отражения ультразвуковых сигналов.
Если емкость изготовлена из этих материалов, применять наружный акустический датчик уровня жидкости нельзя, так как результаты измерений будут некорректными.
Схема обработки сигнала
Получаемый от датчика сигнал обрабатывается несколькими способами:
- Используется встроенный электронный блок для обработки данных, получаемых при измерениях. Информация отображается в цифровом или графическом виде на дисплее. Схема не предусматривает включение прибора в телеметрическую цепь управления и предназначена для информирования оператора об уровне жидкости в обследуемом резервуаре. Используется в переносных ультразвуковых уровнемерах для мониторинга жидкостей в герметичных емкостях.
- Полученный аналоговый сигнал преобразуется в цифровой прибором или дополнительным оборудованием. Получаемый сигнал передается на централизованный пульт управления. Прибор включается в единую сеть автоматического управления;
- Сигнализаторов контрольных точек используется как реле. При достижении жидкостью минимального запрограммированного уровня, датчик формирует сигнал, который в соответствии с заданной программой включает световую и звуковую сигнализацию, насос и т. п. Когда жидкость поднимется до следующей контрольной точки, датчик формирует команду на отключение сигнализации или насоса.
Наличие дисплея в комплектации
ЖК- дисплей отображает информацию о проводимых датчиком измерениях в реальном времени. Распространены 2 типа:
- цифровой. Отображает цифровые значения измерений и простые статические графические изображения;
- графический. Строит динамические графические изображения.
На дисплее отображается изменение уровня жидкости в виде динамической пиктограммы емкости. На экран выводится другая информация, получаемая сенсором: температура жидкости и газовой среды, давление, плотность и т.д.
С дисплеем удобно перепрограммировать прибор: последовательность шагов отображается на экране, подсвечиваются ошибки, выводится информация об успешном завершении процесса.
Промышленные образцы редко комплектуются дисплеями, так как рассчитаны на включение в единую систему управления.
Сертификаты на продукцию
Сертификация ультразвукового измерителя уровня – процедура, подтверждающая его соответствие определенным стандартам, подтверждаемая выдаваемыми свидетельствами:
- сертификат соответствия требованиям Таможенного союза, которым подтверждается выполнение требований к продукции, установленных в технических регламентах Таможенного союза. Наиболее распространенный сертификат, так как для большинства групп продукции технические регламенты приняты и действуют;
- сертификат соответствия ГОСТ Р – подтверждение проверки изделия компетентной организацией, в ходе которой доказано его соответствие международным и национальным стандартам, техническим условия, стандартам организаций. На ультразвуковые измерители уровня оформляется добровольный сертификат ГОСТ Р, так они не входят в перечень продукции, подлежащей обязательной сертификации, который утвержден Постановлением Правительства РФ от 01.12.2009 № 982;
- сертификат взрывозащиты. Подтверждает соответствие изделий требованиям ТР ТС 012/2011 «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах» и возможность работы измерительных приборов во взрывоопасных средах.
Реакция датчиков уровня на перепады температуры
Скорость звука в воздухе растет с увеличением температуры. Для устранения ошибок в измерениях промышленные уровнемеры снабжаются термодатчиком. Показатели температуры учитываются микропроцессором сенсора при расчете скорости прохождения ультразвуковых волн.
Формула зависимости скорости звука в воздухе от температуры, полученная опытным путем:
С = С0 + 0,59*t°,
где С – скорость звука при измеренной температуре, С0 – скорость звука при температуре 0С°, t° — температура, измеренная термодатчиком, 0,59 – коэффициент, полученный на основании опытных измерений.
Если в сенсоре не предусмотрена автоматическая корректировка результатов измерений в зависимости от температуры, она проводиться вручную при каждом значительном перепаде температуры. В противном случае прибор будет показывать неправильные значения уровня жидкости.
Влияние внешних факторов на работу
Кроме температуры газовой среды над жидкостью, на точность работы датчика влияют внешние факторы:
- давление газовой среды. При его изменении скорость меняется, и датчик показывает неправильные значения;
- сильная запыленность может нарушить работу измерителя;
- из-за высокой влажности меняется скорость прохождения звуковых волн. Прибор покажет некорректные данные.
Расчет необходимых поправок в работу датчика – сложная задача. Над поверхностью жидкости создается газовая среда, насыщенная парами жидкости. Его физические свойства отличаются от характеристик атмосферного воздуха, который служил эталоном для калибровки приборов.
Для упрощения задачи часто применяются реперы – отражающие элементы, расположенные на строго фиксированных расстояниях от излучателя. Засекая время прохождения сигнала до репера и обратно, высчитывается скорость звука в газовой среде. Это значение используется для расчета уровня жидкости.
Наличие реперов усложняет и удорожает монтаж и эксплуатацию датчиков уровня.
Материал исполнения устройства
Датчики работают в условиях агрессивной среды: повышенная влажность, пары химически активных веществ, повышенное давление. Для безотказной работы корпусы датчиков изготовлены из алюминиевых сплавом или специальных, химически стойких пластмасс. Для пожаро и взрывозащищенности и предотвращения агрессивного воздействия испарений электрические схемы и корпус приборов заливаются компаундом. В результате датчик уровня жидкости может длительное время работать без обслуживания.
Поплавковые датчики уровня воды
Поплавковый датчик уровня воды имеют несложную конструкцию, часто применяется совместно с электрическим реле. После того как достигается определенный уровень вода начинает действовать на поплавок. Он одним концом закреплен к реле. Поплавок меняют положение и таким образом, замыкает контакт реле.
Поплавковые датчики в свою очередь делятся на два вида: магнитострикционные и дискретные. Первый вариант дорогостоящий и имеет сложную конструкцию, а также показывает точные измерения воды. Дискретные модели более дешевые, но не менее надежные. Но все поплавковые датчики имеют небольшой недостаток: их необходимо погружать в воду.
Емкостные датчики уровня воды
В таких приборах предусмотрены пластины для контроля уровня воды. Об объеме воды можно судить по изменениям показателей емкости. Емкостные датчики имеют простую конструкцию, в которой отсутствуют подвижные элементы. А также отличаются своей долговечностью и надежностью при работе. Но, как и во всех приборах можно выделить некоторые недостатки:
- Требования к температурному режиму.
- Погружение в воду.
Радарные датчики уровня воды
Такие датчики могут определять повышение жидкости путем достижения отраженного сигнала, сравнения частотного сдвига, а также задержки между излучением. Радарный датчик работает как улавливать и излучатель отражения. Такие датчики являются одни из самых точных, надежных и лучших приборов.
К преимуществам радарных датчиков уровня воды можно отнести:
- Нет контакта с жидкой средой.
- Точность.
- Отсутствуют подвижные детали.
- Не привередливы к условиям работы.
А недостатком радарных датчиков является лишь их высокая стоимость.
Ультразвуковые датчики уровня воды
По принципу работы и схеме устройства ультразвуковые датчики схожи с радарными. Только в данных приборах используется ультразвук. При помощи генератора создается ультразвуковое излучение. После достижения поверхности воды оно отражается и попадает через определенное время на приемник датчика. Достоинства можно выделить такие же, как и в радарном приборе. Только схема устройство проще, а показатели не такие точные.
Особенности применения
Использование ультразвуковых измерителей имеет ряд особенностей. Например, для устранения ошибок измерений необходимо следовать алгоритму:
- проводить и калибровку прибора при изменении состава газовой среды для установления фактической скорости звука;
- проводить калибровку при каждом существенном изменении температуры, записывая значения скорости;
- в дальнейшей работе прибора при перепадах температуры калибровку не проводить, а пользоваться ранее записанными показателями скорости.
Процесс настройки сенсора достаточно трудоемок. Возможна ситуация, когда изменения газовой среды в резервуаре не связаны с изменением температуры. В данном случае придется повторно проводить калибровку прибора.
Изготовление прибора своими руками
Изготовить датчик уровня воды в баке или скважине можно самостоятельно. Для того чтобы сделать простой вариант понадобится следующее:
- Выпрямительные диоды. У деталей необходимо спилить верхнюю колбу. Должно получиться трубчатое соединение;
- Просверлить отверстие в корпусе вывода элемента. Отверстие должно иметь диаметр 1,5 мм. В трубочку, которая изготовлена из фторопласта, нужно продеть тонкую проволоку. Вдеть проволоку в отверстие в диоде, которое заранее просверлили. Нижний конец проволоки необходимо завернуть в петлю и укрепить клеем, а нижний конец запаять;
- Далее можно соединить деталь со схемой системы и подключить к реле сигнального индикатора.
Сделать модель более удобной и современной можно, установив монитор или циферблат.
Изготовив такой прибор, вы сможете регулировать и контролировать воду в баке, насосе или скважине. Отрегулировать схему системы контроля воды также можно самостоятельно.
Конструкция и принцип действия
Независимо от того, какой принцип действия положен в основу устройства, работает ли оно только в режиме сигнализатора или параллельно выполняет функции сторожа, автомата или управляющего механизма, конструкция прибора всегда состоит из трех основных узлов:
- Чувствительного элемента, способного реагировать на характеристики водяного потока. Например, фактическое наличие воды, высота столба или уровень в баке, факт движения водяного потока в трубе или магистрали;
- Балластного элемента, уравновешивающего сенсорную часть датчика. Без балласта чувствительный сенсор срабатывал бы при малейшем толчке или случайной капле воды;
- Передающая или исполнительная часть, преобразующая сигнал сенсора, вмонтированного в датчик воды, в конкретный сигнал или действие.
Примерно 90% всей водной техники, так или иначе, связано с электрическими исполнительными механизмами – насосами, клапанами, нагревателями и управляющими электронными автоматами. Понятно, что такое устройство, работающее с водяными потоками, должно быть в первую очередь безопасным.
Из всех сигнальных систем датчик, контролирующий состояние воды, считается наиболее простым и доступным в настройке и ремонте. В отличие от сенсоров и устройств, работающих с измерениями температуры, давления или расхода, датчик воды очень просто контролировать с помощью простейших устройств, или, на крайний случай, увидеть уровень или прокачанный поток своими глазами.
Водоснабжение и водоотвод является неотъемлемой частью быта и производства. Практически каждый, кто занимался фермерским хозяйством или благоустройством быта, хоть раз сталкивался с проблемой поддержания уровня воды в той или иной емкости. Некоторые делают это вручную, открывая и закрывая задвижки, но намного проще и эффективнее использовать для этих целей автоматический датчик уровня воды.
Содержание статьи
- 1 Типы датчиков уровня
- 1.1 Поплавковые сенсоры
- 1.2 Электродные датчики уровня
- 1.3 Гидростатическая система контроля
- 1.4 Емкостный метод измерения
- 1.5 Радарный контроль
- 2 Самодельные регуляторы уровня жидкости
- 2.1 Поплавковый автомат управления насосом
- 2.2 Реле уровня с электродными датчиками
Типы датчиков уровня
В зависимости от поставленных задач для контроля за уровнем жидкости используются контактные и бесконтактные датчики. Первые, как можно догадаться из их названия, имеют контакт с жидкостью, вторые получают информацию дистанционно, используя косвенные методы измерения – прозрачность среды, ее емкость, электропроводность, плотность и пр. По принципу действия же все датчики можно разделить на основных 5 типов:
- Поплавковый.
- Электродный.
- Гидростатический.
- Емкостный.
- Радарный.
Первые три можно отнести к приборам контактного типа, поскольку они непосредственно взаимодействуют с рабочей средой (жидкостью), четвертый и пятый – бесконтактные.
Поплавковые сенсоры
Пожалуй, самые простые по конструкции. Представляют собой поплавковую систему, которая находится на поверхности жидкости. По мере изменения уровня поплавок движется, тем или иным образом замыкая контакты механизма контроля. Чем больше контактов находится по пути движения поплавка, тем точнее показания сигнализатора:
Принцип работы поплавкового датчика уровня воды в баке
Из рисунка видно, что показания индикатора такого устройства дискретны, а количество значений уровня зависит от числа выключателей. На приведенной схеме их два – верхний и нижний. Этого, как правило, вполне достаточно для автоматического поддержания уровня в заданном диапазоне.
Существуют поплавковые приборы и для непрерывного дистанционного контроля. В них поплавок управляет движком реостата, а уровень вычисляется исходя из текущего сопротивления. Такие устройства до недавнего времени широко использовались, к примеру, для измерения количества бензина в топливных баках автомобилей:
Устройство реостатного уровнемера, где:
- 1 – проволочный реостат;
- 2 – ползунок реостата, механически связанный с поплавком.
Электродные датчики уровня
Устройства этого типа используют электрическую проводимость жидкости и являются дискретными. Датчик представляет собой несколько электродов различной длины, погруженных в воду. В зависимости от уровня в жидкости оказывается то или иное количество электродов.
Трехэлектродная система датчиков уровня жидкости в резервуаре
На рисунке, приведенном выше, два правых датчика погружены в воду, а значит, между ними присутствует сопротивление воды – насос остановлен. Как только уровень опустится, средний датчик окажется сухим, а сопротивление цепи увеличится. Автоматика запустит насос подкачки. Когда емкость окажется заполненной, самый короткий электрод попадет в воду, его сопротивление относительно общего электрода уменьшится и автоматика остановит насос.
Вполне понятно, что количество контрольных точек несложно увеличить, добавив в конструкцию дополнительные электроды и соответствующие каналы контроля, к примеру, для аварийной сигнализации переполнения или пересыхания.
Гидростатическая система контроля
Здесь датчик представляет собой открытую трубку, в которой установлен сенсор давления того или иного типа. При увеличении уровня изменяется высота водяного столба в трубке, а значит, и давление на сенсор:
Принцип работы гидростатической системы контроля уровня жидкости
Такие системы обладают непрерывной характеристикой и могут использоваться не только для автоматического управления, но и для дистанционного контроля уровня.
Емкостный метод измерения
В датчиках этого типа в качестве сенсора используется конденсатор, электрическая емкость которого изменяется в зависимости от диэлектрических свойств окружающей среды. Если рядом с обкладками измерительного конденсатора находится вода, он имеет одну электрическую емкость, воздух – другую.
Система контроля постоянно измеряет электроемкость датчика и при ее изменении принимает то или иное решение. Измерители такого типа являются дискретными и могут использоваться лишь для контроля за конкретным уровнем жидкости. Если емкость для воды выполнена из диэлектрика, то измерения могут проводиться бесконтактно – через стенку бака или водомерной трубки. В противном случае емкостный датчик устанавливается внутрь бака.
Принцип работы емкостного датчика с металлической (слева) и диэлектрической ванной
По сходному принципу работают и индукционные указатели, но в них роль сенсора исполняет катушка, индуктивность которой изменяется в зависимости от присутствия жидкости. Основным недостатком подобных устройств является то, что они годятся только для контроля за веществами (жидкости, сыпучие материалы и пр.), имеющими достаточно высокую магнитную проницаемость. В быту индуктивные сенсоры практически не используются.
Радарный контроль
Основное достоинство этого метода – отсутствие контакта с рабочей средой. Причем сенсоры могут отстоять от жидкости, уровень которой необходимо контролировать, достаточно далеко – метры. Это позволяет использовать датчики радарного типа для контроля за исключительно агрессивной, ядовитой или горячей жидкостями. О принципе работы таких датчиков говорит само их название – радарные. Прибор состоит из передатчика и приемника, собранных в одном корпусе. Первый излучает тот или иной тип сигнала, другой принимает отраженный и подсчитывает время задержки между отправленным и принятым импульсами.
Принцип работы ультразвукового сигнализатора уровня радарного типа
Сигналом в зависимости от поставленных задач может служить свет, звук, радиоизлучение. Точность таких сенсоров достаточно велика – миллиметры. Единственным, пожалуй, недостатком можно считать сложность радарного оборудования контроля и достаточно высокую его стоимость.
Самодельные регуляторы уровня жидкости
Благодаря тому, что некоторые из датчиков исключительно просты по конструкции, создать реле уровня воды своими руками совсем несложно. Работая совместно с водяными насосами, такие приборы позволят полностью автоматизировать процесс подкачки воды, к примеру, в дачную водонапорную башню или автономную систему капельного полива.
Поплавковый автомат управления насосом
Для реализации этой идеи используется самодельный герконовый датчик уровня воды с поплавком. Он не требует дорогостоящих и дефицитных комплектующих, прост в повторении и достаточно надежен. Прежде всего, стоит рассмотреть конструкцию самого сенсора:
Конструкция двухуровневого поплавкового датчика воды в баке
Он состоит из собственно поплавка 2, который закреплен на подвижном штоке 3. Поплавок находится на поверхности воды и в зависимости от ее уровня движется вместе со штоком и закрепленным на нем постоянным магнитом 5 вверх / вниз в направляющих 4 и 5. В нижнем положении, когда уровень жидкости минимален, магнит замыкает геркон 8, а в верхнем (бак полон) – геркон 7. Длина штока и расстояние между направляющими выбирается исходя из высоты водяного бака.
Осталось собрать устройство, которое будет автоматически включать и выключать насос подкачки в зависимости от состояния контактов. Схема его выглядит следующим образом:
Схема управления водяным насосом
Предположим, что бак полностью заполнен, поплавок находится в верхнем положении. Геркон SF2 замкнут, транзистор VT1 закрыт, реле К1 и К2 отключены. Водяной насос, подключенный к разъему ХS1, обесточен. По мере расхода воды поплавок, а вместе с ним и магнит будут опускаться, геркон SF1 разомкнется, но схема останется в прежнем состоянии.
Как только уровень воды упадет ниже критического, замкнется геркон SF1. Транзистор VT1 откроется, реле К1 сработает и встанет на самоблокировку контактами К1.1. Одновременно контакты К1.2 этого же реле подадут питание на пускатель К2, включающий насос. Началась подкачка воды.
По мере увеличения уровня поплавок начнет подниматься, контакт SF1 разомкнется, но заблокированный контактами К1.1 транзистор останется открытым. Как только емкость наполнится, замкнется контакт SF2 и принудительно закроет транзистор. Оба реле отпустят, насос отключится, а схема перейдет в ждущий режим.
При повторении схемы на месте К1 можно использовать любое маломощное электромагнитное реле на напряжение срабатывания 22-24 В, к примеру, РЭС-9 (РС4.524.200). В качестве К2 подойдет РМУ (РС4.523.330) или любое другое на напряжение срабатывания 24 В, контакты которого выдерживают пусковой ток водяного насоса. Герконы пойдут любые, работающие на замыкание или переключение.
Реле уровня с электродными датчиками
При всем своем достоинстве и простоте, предыдущая конструкция уровнемера для емкостей имеет и существенный недостаток – механические узлы, работающие в воде и требующие постоянного обслуживания. Этот недостаток отсутствует у электродной конструкции автомата. Она намного надежнее механической, не требует никакого обслуживания, а схема ненамного сложнее предыдущей.
Здесь в качестве датчиков используются три электрода, выполненные из любого токопроводящего нержавеющего материала. Все электроды электрически изолированы друг от друга и от корпуса емкости. Конструкция сенсора хорошо видна на рисунке, приведенном ниже:
Конструкция трехэлектродного сенсора, где:
- S1 – общий электрод (всегда в воде)
- S2 – сенсор минимума (бак пуст);
- S3 – сенсор максимального уровня (бак полон);
Схема же управления насосом будет выглядеть следующим образом:
Схема автоматического управления насосом при помощи электродных сенсоров
Если бак полон, то все три электрода находятся в воде и электрическое сопротивление между ними невелико. При этом транзистор VT1 закрыт, VT2 открыт. Реле К1 включено и своими нормально замкнутыми контактами обесточивает насос, а нормально разомкнутыми подключает сенсор S2 параллельно S3. Когда уровень воды начинает падать, оголяется электрод S3, но S2 еще в воде и ничего не происходит.
Вода продолжает расходоваться и, наконец, оголяется электрод S2. Благодаря резистору R1 транзисторы переходят в противоположное состояние. Реле отпускает и запускает насос, одновременно отключая датчик S2. Уровень воды постепенно повышается и сначала замыкает электрод S2 (ничего не происходит – он отключен контактами К1.1), а затем и S3. Транзисторы снова переключаются, реле срабатывает и отключает насос, одновременно подключая сенсор S2 в работу для следующего цикла.
В устройстве можно использовать любое маломощное реле, срабатывающее от 12 В, контакты которого способны выдержать ток пускателя насоса.
При необходимости эту же схему можно применить и для автоматической откачки воды, скажем, из подвала. Для этого дренажный насос нужно подключить не к нормально замкнутым, а к нормально разомкнутым контактам реле К1. Никаких других изменений схема не потребует.
