Ультразвуковой датчик уровня воды

В промышленности и быту постоянно существует необходимость контроля за уровнями жидкостей в емкостях. Устройства измерения классифицируют как контактные и бесконтактные. Для обоих вариантов датчик уровня воды располагают на определенной высоте резервуара, и он срабатывает, сигнализируя или подавая команду на изменение режима ее подачи.“>

Контактные устройства работают на основе поплавков, переключающих схемы при достижении жидкостью заданных отметок.

Бесконтактные способы подразделяются на магнитные, емкостные, ультразвуковые, оптические и другие. Устройства не имеют подвижных частей. Они погружаются в контролируемые жидкие или сыпучие среды или закрепляются на стенках баков.

Поплавковые датчики

Надежные и дешевые устройства для контроля уровня жидкостей с помощью поплавков наиболее распространены. Конструктивно они могут различаться. Рассморим их виды.

Вертикальное расположение

Часто применяется поплавковый датчик уровня воды с вертикальным штоком. Внутри него размещен круглый магнит. Шток представляет собой полую пластиковую трубку с расположенными внутри герконами.“> Поплавок с закрепленным магнитом всегда располагается на поверхности жидкости. Подходя к геркону, поле магнита вызывает срабатывание его контактов, что является сигналом о заполнении емкости до определенного объема. При последовательном соединении контактных пар между собой через резисторы можно постоянно следить за уровнем воды по общему сопротивлению цепи. Стандартный сигнал при этом меняется от 4 до 20 мА. Датчик уровня воды чаще всего размещается в верхней части резервуара на участке длиной до 3 м.

Электрические схемы с герконами могут отличаться при внешнем сходстве механической части. Датчики располагаются на одном, двух и большем количестве уровней, подавая сигнал о том, насколько наполнен бак. Они также могут быть линейными, непрерывно передавая сигнал.

Горизонтальное расположение

Если сверху датчик установить не удается, его крепят горизонтально к стене резервуара. Магнит с поплавком устанавливают на рычаге с шарниром, а геркон помещают в корпусе. При подъеме жидкости в верхнее положение магнит подходит к коннтактам и датчик срабатывает, сигнализируя о достижении предельного положения.“>

При повышенной загрязненности или замерзании жидкости применяется более надежный поплавковый датчик уровня воды на гибком тросе. Он состоит из размещенной на глубине небольшой герметичной емкости с металлическим шариком с герконовым контактом или тумблером внутри. При совпадении уровня воды с положением датчика происходит переворот емкости и срабатывание контакта.

Одними из самых точных и надежных поплавковых датчиков являются магнитострикционные. Они содержат поплавок с магнитом, которые скользят по металлическому стержню. Принцип работы заключается в изменении продолжительности прохождения через стержень ультразвукового импульса. Отсутствие электрических контактов существенно повышает четкость срабатывания при достижении границы раздела сред заданного положения.

Емкостные датчики

Бесконтактное устройство реагирует на разницу между диэлектрической проницаемостью разных материаллов. Датчик уровня воды в резервуаре устанавливается снаружи боковой стенки емкости. В этом месте должна быть вставка из стекла или фторопласта, чтобы через нее можно было различить границу раздела сред. Расстояние, на котором чувствительный элемент улавливает изменение контролируемой среды, составляет 25 мм.

Герметичное исполнение емкостного датчика дает возможность помещать его в контролируемую среду, например, в трубопровод или в крышку резервуара. При этом он может находиться под давлением. Таким образом поддерживается наличие жидкости в закрытом реакторе при осуществлении технологического процесса.

Электродные датчики

Датчик уровня воды с помещенными в жидкость электродами реагирует на изменение электропроводности между ними. Для этого их крепят зажимами и размещают на предельно верхнем и нижнем уровнях. С более длинным в паре устанавливают еще один проводник, но обычно вместо него используют металлический корпус резервуара.“>

Схема датчика уровня воды соединяется с системой управления электродвигателем насоса. При полном баке все электроды погружены в жидкость и между ними протекает ток управления, который является сигналом на отключение двигателя водяного насоса. Вода также не поступает, еслти она не касается оголенного верхнего проводника. Сигналом включения насоса является снижение уровня ниже длинного электрода.

Проблемой всех датчиков является окисление контактов, находящихся в воде. Чтобы уменьшить его влияние, применяют нержавеющую сталь или графитовые стержни.

Датчик уровня воды своими руками

Простота устройства дает возможность изготовить его самостоятельно. Для этого нужен поплавок, рычаг и клапан. Вся конструкция размещается в верхней части бака. Поплавок с рычагом соединяется со штоком, перемещающим поршень.“>

При достижении водой верхнего предельного уровня поплавок перемещает рычаг, который воздействует на поршень и закрывает подачу через нижнюю трубу.

По мере расхода воды поплавок опускается, после чего поршень снова открывает отверстие, через которое можно опять наполнять резервуар.

При правильном выборе и изготовлении датчик уровня воды, своими руками собранный, надежно работает в домашнем хозяйстве.

Заключение

Датчик уровня воды незаменим в частном секторе. С ним не теряется время при контроле за наполнением бака на огороде, уровнем в колодце, скважине или септике. Простое устройство без помощи хозяина вовремя запустит или отключит водяной насос. Только не стоит забывать о его профилактике.

www.syl.ru

www.merapribor.ru

Метод измерения

Уровнемеров в продаже великое множество. Но мне как-то даже и мысль в голову не пришла искать что-то готовое, не спортивно это, не по «нашему». Вот и решил сделать прибор сам. Более того, мне недостаточно было знать, верхний и нижний уровень, я хотел знать, сколько точно литров в баке. Конечно, для данной цели – контроль уровня воды в баке, эта информация избыточна, но так солидней. Поскольку моя нынешняя работа связана с ультразвуковой дефектоскопией, то выбор способа измерения был нетрудным. В продаже есть много предложений ультразвуковых датчиков расстояния. Есть дорогие с цифровым интерфейсом и на большое расстояние, есть дешевые с более простым интерфейсом, на меньшее расстояние. Выбор пал на самый простой и дешевый датчик HC-SR04.

Датчик

Датчик представляет из себя печатную плату. На которой установлены передающий и приёмные пьезоэлементы. На плате собрана схема формирования зондирующей пачки импульсов с частотой 40кГц, которая подается на драйвер, выполненный на преобразователе уровня TTL в RS232.
Да-да, вот такое необычное применение. Не совсем правильное, но дешевое и работоспособное решение позволяющее обойтись без дополнительного высокого напряжения для раскачки излучающего пьезоэелемента. Также плата содержит усилитель для приемного пьезоэлемента и небольшой управляющий микроконтроллер. У датчика четыре ножки управления: питание +5 Вольт (VCC), вход запуска (Trig), выход (Echo), и земля (GND).

На вход Trig мы подаем импульс 10 мкС, на выходе Echo, при получении датчиком эхо-сигнала (отражения), будет сформирован импульс длительностью пропорциональной времени прохождения звука от датчика до отражателя и обратно. Это время мы делим на два и умножаем на скорость звука в воздухе, среднее значение 340 м/с – получаем расстояние до отражателя (объекта). Ниже диаграмма работы датчика.

Схема

Прототип был собран на макетной плате на микроконтроллере ATmega16 и индикаторе TIC3321. Для дополнительной визуализации есть линейка из десяти светодиодов. Схему прототипа я не привожу, кому будет нужно, в приложенном архиве проект для Протеус.
В конечном варианте я решил поставить светодиодный индикатор вместо TIC3321 – лучше подходил по габаритам к корпусу, четыре против трех разрядов и лучше видно в темноте. Микроконтроллер поставил ATmega32, давно валявшийся у меня на полке.
Две кнопки, для включения наполнения и слива. Эти же кнопки используются при процедуре калибровки, пара транзисторов и реле для включения электромагнитных клапанов или насоса.

Конструктив

Некоторое время назад, мой бывший коллега принес мне три сломанных теплосчетчика мол: сделаешь что-нибудь полезное.

Из полезного — отрезал от теплосчетчиков термодатчики, пока лежат на полке. Понравился конструктив теплосчетчика. Корпус состоит из двух половинок. В нижней половинке, устанавливаемой стационарно, стоят две платы с клемниками для внешних подключений и колодка для соединения с платой в верхней части корпуса. А в верхней части корпуса стоит основная плата счетчика. Вот этот корпус и будем использовать с такой же идеологией.

Для верхней части корпуса была изготовлена печатная плата, в нижнюю часть, плату делать я не стал – собрал все на монтажной плате.

Питается устройство от импульсного блока питания некогда служившим для питания ADSL-роутера. После был списан на пенсию за слабость свою, после ремонта вновь введен в строй, но уже для питания моего устройства.

Передняя панель

Для передней панели была изготовлена наклейка. Приятным бонусом для меня оказалось то, что при печати на прозрачном полимере краски получаются полупрозрачными, это позволило мне отказаться от светофильтра индикатора, я просто сделал прямоугольную заливку красного цвета.

Поскольку минимальный формат печати оказался А3, то наклеек я заказал три варианта в двух экземплярах. Мне больше понравился темный. Ну, или если надоест, то всегда можно заказать новую наклейку.

Монтаж датчика

Датчик, я установил в корпус от елочной гирлянды.

Корпус закрепил на крышке бака.

Просверлил отверстия для установки датчика.

Припаял кабель, электролитический конденсатор и залил все термоклеем.

Описание работы

При подаче питания на схему сначала проходит тестирование семисегментного индикатора и линейки светодиодов. Если прибор не калиброван, то на индикаторе мы увидим, лишь измеренную дистанцию. Линейка светодиодов не работает, так же не доступна функция управления наполнения и слива бака. Больше про работу не калиброванного прибора рассказывать нечего.
Ну, так давайте откалибруем его!

Калибровка

Калибровка состоит из трех этапов:
1. Калибровка нуля. Показываем прибору нижний уровень бака – пустой бак.
2. Калибровка верхнего уровня. Показываем прибору максимальный уровень.
3. Ввод объема бака.

Вход в режим калибровки происходит после теста индикатора при удерживании обеих кнопок. После отпускания кнопок на индикаторе отображается дистанция до дна в миллиметрах, а на линейке светодиодов горит нижний светодиод, символизируя режим калибровки нуля.

Для калибровки параметра на пустом баке нажимаем кнопку «Слить», переходим к следующему этапу – калибровке максимального уровня. На индикаторе так же отображается дистанция в миллиметрах. На линейке горят все светодиоды, символизируя режим калибровки максимального уровня. Дальше возможны варианты – либо мы наполняем бак на сто процентов и после этого жмем кнопку «Наполнить» для установки верхнего уровня. Или можно просто поднести отражатель к датчику на предполагаемый максимальный уровень.

После калибровки уровней переходим к вводу объема бака. Кнопкой «Наполнить» меняем значение разряда, а кнопкой «Слить» меняем разряд и так все четыре разряда по очереди. В калибровке предусмотрены две блокировки. Не критическая – если объем не введен, то устанавливается объем 100, соответственно отображение будет в процентах или в литрах, если бак при этом на сто литров. Вторая — критическая блокировка, поскольку расположение датчика у нас верхнее, то значение верхнего уровня не может быть больше нижнего.
В этом случае прибор калибровку не проходит, а просто отображает дистанцию.

Описание работы и видео в действии

После успешной калибровки прибор отображает объем воды в литрах и уровень в десятках процентов на линейке светодиодов. Также становятся доступными функции наполнения и слива бака. В приборе предусмотрено автоматическое наполнение, которое неактивно после подачи питания. Для активации автоматического наполнения необходимо нажать кнопку «Наполнить» после чего бак наполнится на 90%.

При наполнении бака, уровень на светодиодной линейке будет отображаться как при зарядке аккумулятора в телефоне. Повторное наполнение включиться автоматически при отпускании уровня ниже 10%. Наполнение бака можно запускать в любой момент. Для остановки наполнения нужно нажать кнопку «Слить» во время наполнения. Функция слива предусмотрена для вывода бака из эксплуатации на зимний период. Может быть, и не очень нужная функция, прибор опытный трудно вот так все сразу продумать, пускай пока будет.

Для активации слива нажимаем кнопку «Слить», включается реле включения клапана слива. Реле выключается при достижении нулевого уровня после задержки необходимой для слива воды с трубопровода. Теперь, во время слива, батарейка — бак будет уже не заряжаться, а разряжаться. После активации слива, режим автоматического наполнения выключается, повторно включить его можно нажав на кнопку «Наполнить».

Вот собственно и все, смотрим демо-видео.

Видео прототипа:

Файлы (обновлено 05-04-2014):

Схема, плата, даташиты: ▼ Shema-plata-datashity.7z ? 06/04/14 ⚖️ 467,61 Kb ⇣ 208
Файл прошивки для варианта на led-индикаторах: ▼ TankControl-led-hex-05042014.7z ? 06/04/14 ⚖️ 4,28 Kb ⇣ 165

Внимание!
Описанное устройство с усовершенствованиями
доступно в виде нового датагорского кита –
набор для сборки или как готовое изделие!

Заключение

Хотя на дворе уже весна, но дачный сезон еще не наступил, поэтому придется подождать, пока можно будет начать пользоваться баком. Более того, мне еще долго не придется использовать прибор в полном объеме, так как в старой бане нет постоянно подключенного водоснабжения, а новую я еще не достроил.
Но смотреть уровень уже можно!!!

datagor.ru

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.

www.asutpp.ru