Датчик уровня воды в баке, емкости, резервуаре: поплавковые, ультразвуковые, кондуктометрические

Содержание

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.

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.

Список деталей

Транзистор можно применить любой из этих: КТ815А или Б. TIP29A. TIP61A. BD139. BD167. BD815.
ГК1 – геркон нижнего уровня.
ГК2 – геркон верхнего уровня.
ГК3 – геркон аварийного уровня.
D1 – любой красный светодиод.
R1 – резистор 3Ком 0.25 ватт.
R2 – резистор 300 Ом 0.125 ватт.
К1 – любое реле на 12 вольт с двумя парами нормально разомкнутыми контактами.
К2 – любое реле на 12 вольт с одной парой нормально разомкнутых контактов.
В качестве источников сигнала для пополнения воды в ёмкость, я применил поплавковые герконовые контакты. На схеме обозначаются ГК1, ГК2 и ГК3. Китайского производства, но очень приличного качества. Ни одного плохого слова сказать не могу. В ёмкости, где они стоят, у меня происходит обработка воды озоном и за годы работы на них ни малейшего повреждения. Озон является крайне агрессивным химическим элементом и многие пластики он растворяет совершенно без остатка.

Теперь рассмотрим работу схемы в автоматическом режиме.При подаче питания на схему, срабатывает поплавок нижнего уровня ГК1 и через его контакт и резисторы R1и R2 подаётся питание на базу транзистора. Транзистор открывается и тем самым подаёт питание на катушку реле К1. Реле включается и своим контактом К1.1 блокирует ГК1 (нижний уровень), а контактом К1.2 подаёт питание на катушку реле К2, которое является исполнительным и включает своим контактом К2.1 исполнительный механизм. Исполнительным механизмом может быть насос для воды или электрический клапан, которые подают воду в ёмкость.Вода пополняется и когда превысит нижний уровень, выключится ГК1, тем самым подготавливая следующий цикл работы. Достигнув верхнего уровня, вода поднимет поплавок и включит ГК2 (верхний уровень) тем самым замыкая цепочку через R1, К1.1, ГК2. Питание на базу транзистора прервётся, и он закроется, выключив реле К1, которое своими контактами разомкнёт К1.1 и выключит реле К2. Реле, в свою очередь выключит исполнительный механизм. Схема подготовлена к новому циклу работы. ГК3 является поплавком аварийного уровня и служит страховкой, если вдруг не сработает поплавок верхнего уровня. Диод D1 является индикатором работы устройства в режиме наполнения воды.А теперь приступим к изготовлению этого очень полезного устройства.

Размещаем детали на плату.

Все детали размещаем на макетной плате, чтобы не делать печатную. При размещении деталей, нужно учитывать, чтобы паять как можно меньше перемычек. Нужно максимально использовать проводники самих элементов для монтажа.

Схема управления уровнем воды запаяна.

Схема готова к испытаниям.

Подключаем к аккумулятору и имитируем срабатывание поплавков.

Всё работает нормально. Смотрите видео об испытаниях в работе этой системы.

Область применения датчиков уровня воды

Рис. 1 Принцип действия поплавкового датчика уровня (ПДУ)

Большой накопительный бак для воды может потребоваться и для водоснабжения дома, если дебит водозаборной емкости очень мал или производительность самого насоса не может обеспечить потребление воды, соответствующее необходимому уровню. В этом случае устройства контроля уровня жидкости для автоматической работы системы водоснабжения также необходимы.
Систему контроля за уровнем жидкости можно использовать и при работе с устройствами, в которых отсутствует защита от сухого хода скважинного насоса, датчик давления воды или поплавковый выключатель при откачивании грунтовых вод из подвалов и помещений с уровнем ниже поверхности земли.

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.

Описание и назначение

Ультразвуковой уровнемер жидкости — прибор для бесконтактного автоматического дистанционного измерения уровня жидких сред. Основные элементы конструкции сенсора: ультразвуковой излучатель и приемник отраженной звуковой волны.

Излучатель

В измерителях уровня используются пьезоэлектрический эффект – изменение линейных размеров диэлектрика в зависимости от частоты переменного электрического поля, в которое помещен. В излучателе пьезоэлемент передает колебания мембране, которая при частоте более 20000 герц начинает излучать ультразвук.

Достоинства:

простота конструкции;
получение ультразвуковых колебаний значительного диапазона;
компактность.

Недостатки:

низкая мощность излучения.

Приемник

Пьезоэлектрический эффект обратим: попадающие на мембрану отраженные акустические колебания вызывают образование в пьезоэлементе электрического тока. На этом принципе работают приемники ультразвукового излучения в уровнемерах: при получении отраженного сигнала в цепи прибора образуется электрический ток.

Применение пьезоэлектрической схемы позволило создать измеритель уровня жидкости, в которых излучатель и приемник — единый элемент. Это упрощает и удешевляет конструкцию прибора, его монтаж и обслуживание.

Типы ультразвуковых датчиков уровня жидкости, работающих на принципе эхолокации:

Сигнализаторы контрольных точек уровня

Прибор настраивается на два значения: минимальный уровень жидкости и максимальный. Если время прохождения отраженного сигнала соответствует минимальному заданному уровню жидкости, электронный блок формирует сигнал в соответствии с заданной программой. Это может быть включение сигнальной лампочки и звуковой сигнализации, команда насосам на отключение и т.п. Тот же алгоритм используется при достижении максимального уровня жидкости.

Датчики непрерывного мониторинга уровня

Измерители данного типа постоянно измеряют расстояния до уровня жидкости. Преобразует полученные данные в аналоговый сигнал и транслирует его в соответствии с заданной программой на собственный дисплей, центральный пульт управления и т.п. Могут быть запрограммированы события при предельных значениях уровня жидкости, как в сигнализаторах.

Ультразвуковые бесконтактные сенсоры применяются на производствах, в которых получение, хранение и перевозка жидкостей, в том числе агрессивных – часть технологического процесса:

химическая, газовая и нефтеперерабатывающая промышленность;
водоснабжение и очистка воды;
сельское хозяйство;
металлургическая промышленность;
пищевая промышленность.

Назначение устройств:

предотвращение переполнения и опустошения емкостей с жидкостью и возникновения связанных с этим аварийных ситуаций;
включение в цепочку телеметрического управления системами и агрегатами в качестве измерительных элементов;
мониторинг изменений физических и химических свойств жидких веществ в емкостях.

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.

Схема управления водозабоным насосом

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.

Уровень воды в емкости и контроль уровня воды в баке

Разновидности датчиков

Конструкция и принцип действия