Для регулирования и контроля уровня жидкости либо твердого вещества (песка или гравия) на производстве, в быту используют специальный прибор. Он получил название датчик уровня воды (или другого интересующего вещества). Существует несколько разновидностей подобных устройств, значительно отличающихся друг от друга принципом действия. Как работает датчик, преимущества, недостатки его разновидностей, на какие тонкости при выборе устройства стоит обратить внимание и как сделать упрощенную модель с реле своими руками, читайте в этой статье.
Датчик уровня воды используется для следующих целей:
Возможные методы определения загруженности резервуара
Существует несколько методов измерения уровня жидкости:
- Бесконтактный - зачастую приборы такого типа используются для контроля уровня вязких, токсичных, жидких либо твердых, сыпучих веществ. Это емкостные (дискретные) приборы, ультразвуковые модели;
- Контактный - устройство располагается непосредственно в резервуаре, на его стенке, на определенном уровне. По достижению водой этого показателя датчик срабатывает. Это поплавковые, гидростатические модели.
По принципу действия различают следующие виды датчиков:
- Поплавкового типа;
- Гидростатические;
- Емкостные;
- Радарные;
- Ультразвуковые.
Кратко о каждом виде приборов
Поплавковые модели бывают дискретные и магнитострикционные. Первый вариант - дешевый, надежный, а второй - дорогой, сложной конструкции, но гарантирует точное показание уровня. Однако общий недостаток поплавковых приборов - это необходимость погружения в жидкость.
Поплавковый датчик определения уровня жидкости в баке
- Гидростатические устройства - в них все внимание обращено на гидростатическое давление столба жидкости в резервуаре. Чувствительный элемент прибора воспринимает давление над собой, отображает его по схеме для определения высоты столба воды.
Главные преимущества таких агрегатов - компактность, непрерывность действия и доступность по ценовой категории. Но использовать их в агрессивных условиях нельзя, потому как без контакта с жидкостью не обойтись.
Гидростатический датчик уровня жидкости
- Емкостные приборы - для контроля уровня воды в баке предусмотрены пластины. По изменению показателей емкости можно судить о количестве жидкости. Отсутствие подвижных конструкций и элементов, простая схема устройства гарантируют долговечность, надежность работы прибора. Но нельзя не отметить недостатки - это обязательность погружения в жидкость, требовательность к температурному режиму.
- Радарные устройства - определяют степень повышения воды путем сравнения частотного сдвига, задержки между излучением и достижением отраженного сигнала. Таким образом, датчик действует как излучатель и улавливатель отражения.
Подобные модели считаются лучшими, точными, надежными устройствами. Они обладают рядом достоинств:
К недостаткам модели можно отнести только их высокую стоимость.
Радарный датчик уровня жидкости в резервуаре
- Ультразвуковые датчики - принцип функционирования, схема устройства аналогичны радарным приборам, только используется ультразвук. Генератор создает ультразвуковое излучение, которое по достижению поверхности жидкости отражается и попадает через некоторое время на приемник датчика. После небольших математических вычислений, зная временную задержку и скорость движения ультразвука, определяют расстояние до поверхности воды.
Плюсы радарного датчика присущи и ультразвуковому варианту. Единственное, менее точные показатели, более простая схема работы.
Тонкости выбора подобных устройств
При покупке агрегата обратите внимание на функциональность прибора, некоторые его показатели. Крайне важные вопросы при покупке прибора - это:
Варианты датчиков определения уровня воды или твердых сыпучих веществ
Датчик уровня жидкости своими руками
Можно сделать элементарный датчик для определения и контроля уровня воды в скважине или баке своими руками. Для выполнения упрощенного варианта необходимо:
Выполненное своими руками устройство можно использовать для регулирования воды в бачке, скважине или насосе.
С помощью любимого таймера 555 можно изготовить датчик для воды, для омывайки, тосола и т.д. Стоит отметить, что подобный датчик пригодится как в Вашем автомобиле, так и в бытовых условиях. Схема довольно проста и доступна для повторения. Микросхема получила широкое распространение именно благодаря своей простоте.
Для датчика воды будет использоваться такая схема.
Работа устройства предельно проста. При погружении электродов в жидкость, С1 – конденсатор, зашунтирован. Когда электроды находятся в воздухе, то шунт исчезает, и микросхема начинает работать.
От микросхемы исходят прямоугольные импульсы. С помощью таких импульсов можно управлять при помощи более большей нагрузки. К примеру, можно подавать сигнал на лампочку через транзистор. Такая технология позволяет включить в схему сигнализацию или индикатор. С помощью последнего можно определять наличие воды в баке. Подобный датчик можно установить как в баке, так и в радиаторе. Питание датчика – 12 вольт. Это говорит о том, что с питанием не возникнет вопросов.
Как правило, датчики изготавливают из стеклотекстолита. Но чаще всего используют обычную медь (провода). Для датчика подойдет два одинаковых отрезка провода с сечением 1 миллиметр. Важно заметить, что с проводов нужно счистить лак, который может быть на поверхности металла. Делается это с помощью огня или же наждачной бумаги. Так, длина проводом должна быть до 3,5 сантиметров.
Чтобы провода держались в пробке, их укрепляют силиконом. Потом провода крепятся к самой микросхеме. Провода в крышке можно соединить с микросхемой более тонкими проводниками.
Микросхема может быть навесной – без установочной платы. Когда все будет готово, другой подобной крышкой закрывают полученное устройство. Соединение крышек необходимо герметизировать клеем или другими средствами.
Таким образом, не совершая излишних затрат можно самостоятельно изготовить датчик, который поможет не только в автомобиле, но и в быту. Так, можно избавить себя от частых подъемов на душ для того, чтобы посмотреть уровень воды в баке. Самодельный датчик уровня воды решит проблему. Важно лишь выполнять все работы аккуратно и внимательно, чтобы устройство работало исправно.
В промышленности и быту всегда возникает необходимость для определения различных уровней в емкостях. Для этих задач используются датчики уровня различных конструкций. В зависимости от среды наполнения резервуара применяют тот или иной датчик, иногда, в целях простоты и экономии средств и времени, применяют датчики комбинированные, то есть изготовленные своими руками. Это незамысловатые конструкции, использующие в своем составе датчики совсем других типов. В основном такие датчики применяют там, где нет простого доступа к среде измерения или место измерения очень агрессивно для здоровья человека.
Виды датчиков уровня
Большинство современных датчиков уровня имеют в своей конструкции электронное реле с преобразователем. Электронная схема предназначена для преобразования измеряемой величины в стандартный сигнал. Сигнал может быть аналоговым и дискретным. Аналоговый может быть токовым 0..20мА и сигнал, называемый токовая петля 4..20мА или напряжением 0…5В, 0..10В.
Датчики уровня используются для защиты двигателя насоса от сухого хода, регулируют двигатели насосов скважин, наполняющих любые ёмкости с водой и не только, в системе холодного и горячего водоснабжения.
Датчик уровня воды своими руками
Посмотрим, на примере откачки воды из приямка, как можно сделать управление в автоматическом цикле поддержания уровня воды не выше положенного.
Имеем приямок с очень не чистого вида жидкостью, состоящей из воды и примесей охлаждающей жидкости для резцов металлорежущего станка.
Были рассмотрены все виды датчиков, однако, по цене и простоте исполнения подошла комбинированная конструкция, состоящая из проволоки длиной три метра (глубина приямка), прикреплена к поплавку (большая пластмассовая емкость с воздухом), на поверхности проволока крепится к пружинке с лепестком.
В качестве сигнала берется обычный дискретный сигнал 24В с обычного индуктивного датчика. Он отрабатывает на лепесток. Когда уровень воды в приямке растёт, поплавок поднимается ослабляя пружину. На конце пружины прикреплен лепесток, он поднимается за счёт разгибающей силы пружины. На лепесток, в свою очередь, отрабатывает индуктивный сенсор, подавая на катушку реле двигателя насоса, заставляя его откачивать воду с приямка. Для того, чтобы избежать частых включений отключений двигателя, в цепи датчик-катушка, стоит реле задержки выключения с уставкой на 10 минут.
Таким образом, при следующем срабатывании датчика, реле снова сработает и цикл повторится.
Конечно, для предохранения двигателя от сухого хода целесообразно поставить датчик протекания в патрубок , через который происходит откачка эмульсии. Но в нашем случае важна была простота конструкции. Вместо индуктивного сенсора можно использовать две пластины, соприкасающиеся друг с другом, что будет еще экономичнее.
Если вода или другая жидкость имеет однородный состав, тогда можно применить концу кто метрический одноэлектродный датчик уровня.
Например ДУ-1Н производителя «Рэлсиб», предназначенного для измерения уровня в различных типах жидкости. Датчик может работать в широких температурных пределах. Корпус не подвергается коррозии, состоит из высококачественной нержавеющей стали. В качестве изоляции используется керамика и фторопласт, это обеспечивает отличную изоляционную защиту. Устойчив ко многим механическим нагрузкам. Измерения не зависят от плотности жидкости. И не требует дополнительного ухода во время работы.
Необходимость контроля уровня жидкости, а в нашем случае воды, является достаточно востребованной в сельском хозяйстве или же в промышленности. Бытовое применение таких датчиков тоже встречается достаточно часто.
Именно поэтому к выбору датчика уровня воды необходимо подходить достаточно ответственно, так как любая ошибка в его подборе или установке может привести к серьезным денежным и временным потерям.
1 Этапы установки
Последовательность установки датчика уровня воды такова:
- Необходимо при возможности (зависит от области применения устройства) понизить давление до 55 мм ниже уровня сигнализации. Затем необходимо сбросить давление бака до атмосферного.
- Закрепите датчик на внутренней или внешней поверхности бака (зависит от вида устройства измерения уровня жидкости).
- Включите устройство и наблюдайте за показателями. Если короткого замыкания не видится и прибор работает исправно, проверьте работоспособность системы при понижении уровня воды в . Сделать это необходимо до запуска бака в работу.
1.1 Как сделать датчик уровня своими руками? (видео)
2 Какое назначение датчиков уровня воды?
Назначения рассматриваемой системы измерения уровня воды весьма разнообразны. Существуют датчики для измерения уровня воды в скважине, а есть — и для измерения уровня воды в баке (или в любой другой емкости).
Кроме того, датчики уровня воды способны измерять и уровень других жидкостей, даже агрессивных (яды, кислоты и прочее). Наиболее распространенными можно назвать следующие датчики:
- сигнализаторы;
- Бесконтактные датчики уровня воды;
- Контактные датчики.
Все они различаются не только по механизму работы, но и по назначению.
2.1 Виды и отличия
Поплавковые сигнализаторы являются «универсалом» прецизионных устройств, которые могут использоваться в подавляющем большинстве случаев. Кроме того, они отличаются сверхточным и адекватным измерением количества (уровня) воды в баке, скважине или каких-либо других резервуарах.
Бесконтактные датчики хороши своей прочностью и надежностью даже при работе в приближенных к экстремальным условиях. Так, например, они применяются в измерении уровня сыпучих веществ, жидкостей с варьирующимся уровнем вязкости или же токсичности.
И хотя их используют чаще всего на промышленных предприятиях, применение их в измерении уровня жидкости в баке или скважине тоже актуально (хотя встречается крайне редко).
Контактные виды применяются в условиях измеряемой жидкости или же так называемым технологическим веществом. Такие датчики либо просто погружаются в жидкость, либо крепятся на корпусе емкости (например, скважины) на заданной высоте.
Существует еще и датчик предельного уровня, применение которого оправданно лишь в условиях повышенной взрывоопасности и повышенной вероятности аварийного состояния резервуара. Его использование в бытовых условиях не представляется целесообразным и рациональным.
2.2 Принцип работы и устройство датчиков
Начнем с уровневых сигнализаторов. Они состоят из подвижного магнита, что приводится в движение благодаря специальному поплавку, и чувствительных к магниту герконовых контактов. При приближении магнита к такому контакту геркон срабатывает.
Как только жидкость достигает уровня датчика, специальный поплавок поднимается вместе с уровнем этой жидкости и тут либо замыкает, либо размыкает контакты геркона. При снижении же уровня жидкости поплавок пойдет вниз и вернет контакты в изначальное положение.
Бесконтактные виды разделяются на ультразвуковые и емкостные датчики соответственно. Первые работают благодаря анализу уровня жидкости ультразвуком.
Из-за надежности и точности анализа их достаточно часто применяют при бурении скважины. Диапазон для реагирования датчиков варьируется от 100 мм до 6 метров.
Емкостный вариант реагирует на приближение и присутствие анализируемых объектов. Его применение наиболее актуально для анализа уровня воды в баке или артезианской скважине. Срабатывание устройства возможно на расстоянии до 25 миллиметров.
Контактные датчики подразделяются на следующие виды:
- Оптические;
- Пьезоэлектрические вилочные;
- Радиолокационные и радарные;
- Гидростатические;
- Волоконно-оптические.
Оптический вид использует инфракрасный диапазон для . Их преимуществом можно назвать то, что они не имеют подвижных частей вовсе, а значит - длительны в эксплуатации и не требуют частой замены.
Состоит оптический датчик из корпуса и полусферы, в которой имеется инфракрасный светодиод и триггерный фототранзистор. Их применение оправданно на баке, тогда как для скважины и подобных резервуаров они не подходят. На данном устройстве стоит защита стандарта «IP67».
Пьезоэлектрические вилочные датчики обладают определенной резонансной частотой. Как только вода попадает на полость вилки в данном устройстве, то частота резонанса изменяется, и это фиксируются интегрированные анализаторы входящих сигналов.
Как результат - устройство меняет свое состояние на выходе. Отличный вариант для . Работа данного устройства возможна при температурах до +250 градусов.
Радиолокационные и радарные виды работают благодаря анализу прохождения электромагнитной волны. Вся система функционирует на строгом контроле времени прохождения сигнала, и затем система сама анализирует во внутренней электронной схеме результат.
Такой вид датчиков применяется при работе в скважине, особенно в тех случаях, когда важна предельная точность. Данное устройство может выдерживать температуру до 100 градусов и давление до десяти бар.
Гидростатический вариант отлично подходит для измерения уровня воды на большой глубине (до 250 метров). Механизм работает благодаря разнице между атмосферным давлением и давлением компенсационным.
Анализ показателей давления достигается благодаря установленной в устройстве капиллярной трубке. Применяется такой вид датчиков при работе в глубокой скважине. Впрочем, не только скважины находятся в области применения данного вида датчиков, но и канализационные системы, и глубокие колодцы.
Поплавковые датчики уровня воды (часто применяются для погружных насосов)
Волоконно-оптический вид является наиболее дорогим и современным. Весь механизм работает на принципе измерения разницы коэффициентов преломления между воздушными массами и водой.
Многие дачники используют в своем хозяйстве различные системы водоснабжения, использующие промежуточные емкости. Они помогают вода очиститься, нагреться, в них оседает песок и окислы железа, вода насыщается кислородом. Часто такие емкости, бочки и баки устанавливают в подвалах и использую подкачивающие насосы. Или наоборот, ставят их на чердаке и втором этаже и тогда вода идет самотеком. Но и в том и в другом случае, желательно знать – сколько осталось воды в баке. Особенно если он не оборудован автоматической системой поддержания уровня воды. Для этого приходится периодически спускаться в подвал или залезать на чердак, что неудобно. А удобно иметь дистанционный указатель уровня воды с индикацией в месте ее основного потребления или в месте, где установлено управление насосом, наполняющим эту емкость. Рассмотрим некоторые варианты устройства, которые можно сделать на даче и дистанционно контролировать уровень воды. Надо сразу сказать, что человека вряд ли интересует точное значение количества воды в баке. Нет разницы, 153 или 162 литра там находится. Здесь – так же как и в автомобиле, важно знать с точностью до 10-15% — «почти полный бак», «половина», «меньше четверти» и т.п.
Механические индикаторы. Самые простые в исполнении, но довольно громоздкие. Как правило, представляют собой довольно большой и тяжелый поплавок, к которому привязан шнур. Шнур переброшен через блок (шкив) и к его другому концу прикреплен груз, по весу примерно равный поплавку, находящемуся в воде. При изменении уровня воды, груз перемещается вверх – вниз и может сам служить индикатором наполнения емкости, если виден. Правда с «перевернутой» шкалой – чем больше воды, тем ниже груз-индикатор.
Но если бак визуально не виден, то необходимо протягивать шнур в место размещения индикатора. Для этого прочный шнур натирают мылом (для лучшего скольжения), пропускают в тонкую трубку и на другом его конце устраивают шкалу. Разумеется, совершенно не требуется шкала размером с высоту возможного уровня воды (а это может быть и целый метр). Поэтому на одну ось с основным шкивом насаживают (и крепят к основному шкиву) шкив со значительно меньшим диаметром. На него наматывают немного шнура и уже он будет двигать стрелку индикатора. Длина индикаторной шкалы теперь будет меньше хода поплавка в столько раз, в сколько раз диаметр малого шкива меньше диаметра большого. А так же будет нормальной — максимум уровня вверху.
Такой же индикатор можно сделать и в случае поплавка на рычаге. Такая система больше подойдет для емкостей небольшой глубины, но с большой площадью поверхности воды. Такие используются обычно для того, что бы избавиться от растворенного в воде железа. В этом варианте необходимый коэффициент мультипликации можно получить просто подобрав точку крепления шнура к рычагу.
Явный недостаток таких индикаторов — обилие движущихся частей, а следовательно – необходимость содержания их в чистоте, смазке. Сложность прокладки коммуникации (трубки) на большое расстояние и через перекрытия.
Пневматические индикаторы. Устроены такие индикаторы следующим образом. В емкость для воды опущена труба, которая имеет заглушку вверху. В трубе образуется воздушный колокол. В заглушку трубы врезан штуцер, от которого тянется тонкая герметичная трубка. На другом ее конце располагается U-образная трубка – индикатор. К одному ее концу подсоединена трубка из емкости, другая — свободна. В индикаторе находится водяная пробка (из подкрашенной воды). Таким образом, в трубке оказывается запертой некоторая порция воздуха.
Когда уровень воды в баке меняется, то соответственно эта порция воздуха двигается вверх –вниз. А вместе с ним – двигается и «цветная» пробка, которая и служит индикатором. В отличие от механических систем, тут нет движущихся частей, требующих ухода. Но системе присущи другие недостатки. В частности — высокие требования к герметичности трубки и зависимость показаний от температуры и атмосферного давления. Погрешность незначительная, но она есть.
Электрические индикаторы. Являются самыми технологичными и могут быть исполнены в самых разнообразных вариантах. Начиная от простейших стрелочных индикаторов, кончая светодиодными шкалами и дисплеями. Но в основе любого электрического индикатора обязательно лежит какой то датчик уровня жидкости. Проще всего его изготовить из переменного резистора, движок которого занимает соответствующее положение в зависимости от уровня воды в баке.
Схема подключения достаточно проста. В качестве индикатора служит любая стрелочная головка микроамперметра. При максимальном уровне воды (движок переменного резистора вверху по схеме) подбором резистора R1 стрелка микроамперметра устанавливается крайнее правое положение — «полный бак». На этом наладка закончена. При минимальном уровне воды (движок резистора внизу по схеме) микроамперметр будет показывать «ноль» — «пустой бак».
Такой переменный резистор можно насадить, например, на ось шкива (см механические индикаторы). А можно сделать его самому. Для этого надо взять проволоку из металла в высоким удельным сопротивлением (нихром, константан, фехраль и др.) и насадить на нее поплавок с упругими скользящими контактами. Например из луженой жести. Проволока вывешивается в баке, внизу прикрепляется груз. К концам проволоки и скользящим контактам припаиваются провода. При изменении уровня воды поплавок будет перемещаться по проволоке от максимального до минимального уровня.
Что бы дистанционный индикатор не потреблял электрический ток попусту, лучше подключить его через кнопку. Тогда одного комплекта батареек хватит на несколько лет. Использование микроаперметрической головки не является единственным способом индикации. Можно сделать простейший компаратор напряжения и использовать его со светодиодной шкалой, оснастить звуковыми индикаторами и т.п. Схемы таких светодиодных шкал можно найти в интернет и соответствующей радиолюбительской литературе.
Основное удобство электрических индикаторов — их точность, отсутствие трансмиссии, легкость проводки, надежность, зрелищность индикации. Недостаток — необходимость электропитания.
