Выбираем датчик уровня воды в резервуаре и емкости

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.

Различные виды датчиков уровня

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.

Рис. 2. Поплавковый датчик для управления насосом

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.

Рис. 3. Принцип работы ультразвукового датчика уровня

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.

Рисунок 4. Измерение уровня жидкости кондуктометрическими датчиками

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).

Рис. 5. Емкостной датчик уровня

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.

Измерение уровня радарным датчиком

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.

Рисунок 7. Измерение заполнения гиростатическим датчиком

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.

Плюсы и минусы самодельного устройства

Плюсы самодельного поплавка-дозатора:

• простота конструкции;
• для изготовления нужен минимум инструментов;
• сборка производится в течение считанных минут;
• при выходе поплавка из строя можно быстро изготовить новый;
• самодельный поплавок достается бесплатно, приобрести придется только таблетки.

Минусы самодельного поплавка:

• необходимо предварительно рассчитать количество таблеток и выбрать подходящую емкость для изготовления поплавка;
• придется самостоятельно контролировать уровень pH и состав воды;
• если случайно перевернуть поплавок, в него попадет вода, и он опустится на дно.

Большинство минусов относятся и к заводским поплавкам-дозаторам. Единственным их преимуществом является большая устойчивость. Однако восстановить плавучесть самодельного дозатора несложно — надо его поднять со дна и вылить некоторое количество воды.

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.

Пошаговая инструкция по изготовлению

Изготовление поплавка-дозатора — простая задача, вполне доступная любому человеку, даже не имеющему специальной подготовки.

Здесь не понадобится делать сложных операций, можно использовать любые емкости. Единственным условием станет наличие плотно закрывающейся крышки и размер, способный вместить нужное количество химикатов.

В первую очередь необходимо вычислить количество химикатов, которое должно находиться в поплавке. Здесь основным критерием является объем воды в бассейне, исходя из которого производится расчет дозировки.

Затем надо подобрать корпус поплавка.

Требования к емкости:

1. Плотно закрывающаяся крышка.
2. Размер, достаточный для помещения внутрь таблетки.
3. Материал, который можно просверлить или прожечь нагретым металлическим предметом.

Оптимальный вариант — пластиковая банка от таблеток. Она имеет подходящий размер, крышку на резьбе, пластик можно без проблем просверлить (или изготовить отверстия любым другим способом).

Если такой банки под рукой нет, можно использовать любую подобную банку. Некоторые пользователи обходятся обычной пластиковой бутылкой от напитка объемом 1-1,5 литра.

Инструменты и материалы

Перед началом работ надо приготовить все необходимое:

• пластиковую емкость с закрывающейся крышкой;
• электродрель и сверло диаметром 5-10 мм.

Если электродрели нет, или отсутствуют навыки обращения с этим инструментом (сверление отверстий в пластиковой банке — довольно опасное занятие), можно проделать отверстия любым другим способом:

1. Прожечь их раскаленным металлическим предметом (паяльником, нагретым гвоздем, шилом и т.п.).
2. Проколоть отверстия острым инструментом.
3. Использовать специальный пробойник — трубку с заостренной торцевой кромкой (этот вариант годится только для банок с широким горлышком, чтобы можно было опереть емкость изнутри на деревянную подставку).

Самый ненадежный вариант — прокалывание отверстий. Они будут иметь небольшой размер, не позволяющий растворенному препарату в достаточном количестве поступать в воду. Оптимальный вариант — прожечь отверстия.

Можно изготовить отверстия с помощью полукруглого резца по дереву (если он есть в наличии). Они будут иметь достаточный диаметр для хорошего прохода воды.

Таким способом можно сделать продолговатые отверстия, как на заводских дозаторах. Они лучше всего обеспечивают свободное перемещение воды внутрь и наружу емкости.

Чертеж и его расшифровка

Рассмотрим, как выглядит схема простейшего самодельного поплавка из банки от таблеток:

1 — крышка. Она должна плотно закрываться, чтобы не вышел воздух. 2 — корпус банки. 3 — отверстия диаметром 5-10 мм.

Если вместо банки используется бутылка или иная емкость, ничего принципиально не меняется. Главное условие — обеспечить плавучесть корпуса, для чего отверстия делают не выше, чем на половину его высоты.

Вертикальное положение корпуса обеспечат сами таблетки, которые находятся в нижней части емкости. Когда они растворятся, поплавок может перевернуться на бок. Ничего страшного в этом нет, но, если надо, можно закрепить на днище небольшой грузик. Он будет стабилизировать поплавок независимо от того, есть в нем таблетки, или нет.

Этапы работ

Порядок действий:

1. Подготовленную заранее емкость промыть изнутри и снаружи, удалить бумажную или пластиковую этикетку.
2. С помощью удобного и доступного инструмента (дрель, паяльник, резец) изготовить отверстия в днище и нижней части стенок корпуса. Отверстия не должны располагаться выше середины емкости, иначе в ней останется слишком мало воздуха, и поплавок будет опускаться на дно.
3. Количество отверстий должно быть достаточно для свободного перемещения воды. Чем их больше, тем лучше. Однако надо обеспечить достаточную прочность, чтобы корпус не разрушился, и химикаты не смогли вывалиться наружу.

Когда отверстия будут готовы, процесс изготовления можно считать завершенным. Единственным дополнением может стать уплотнение резьбы крышки, чтобы через неплотности не выходил воздух.

Можно обмотать ее парой витков ленты ФУМ или нанести немного воска от свечи и завинтить крышку. Воск застынет и сделает соединение достаточно герметичным.

Поплавок для бассейна своими руками, видео-инструкция: