Индикатор уровня воды в емкости схема. Сигнализаторы уровня воды на микросхемах-таймерах. Принцип действия и измерения

». Бывает так, что надо узнать, сколько воды осталось в какой-либо непрозрачной емкости. Например, цистерна, бочка или любая другая, закопанная в землю либо поднятая на высоту так, что не видно её содержимого. Тогда на помощь придет датчик уровня воды. Схема настолько проста, что ее может повторить даже тот, кто только взял в руки паяльник. Состоит она всего из 10 резисторов, 3 транзисторов и 3 светодиодов.

Приступим к постройке схемы датчика. Сначала вырежем плату 30 мм на 45 мм. Потом нарисуем дорожки, как на фото. Рисовать желательно краской или лаком для ногтей. Но под рукой у меня оказался только маркер (хотелось бы обратить внимание, что подойдет только перманентный маркер). Если вы рисуете маркером, то лучше всех держится маркер, купленный в магазине дисков или компьютеров. Нарисовав, приступайте к травлению.

Я травил перекисью водорода, так как ни хлорного железа, ни медного купороса нет. Наливал 50 мл 3% перекиси водорода, потом клал 1 ложку соли и 2 ложки лимонной кислоты. Смешивал, пока все не растворилось. При периодическом легком покачивании протравил плату где-то минут за 50.

Приступим к пайке схемы. Для этого нам понадобятся: 3 резистора сопротивлением 10 кОм, 3 резистора сопротивлением 1 кОм, 2 зеленых и 1 красный светодиоды, 4 резистора на 300 Ом. Аккуратно все впаяв, припаиваем провода, и подключаем батарейку. Провода отрезаем через каждые 2 сантиметра.

Готово! Теперь опускаем провода в стакан и постепенно наливаем воды. Для наглядности чуть подкрасил воду. Как видим, всё отлично работает.

Когда в стакане 1/3 воды - горит только красный светодиод. Когда 2/3 - загорается еще и зеленый. А когда стакан заполнен по верхнюю линию - горят все светодиоды. в своём случае собрал схему, где всего 3 светодиода, но можно делать и больше - хоть 10. Тогда уровень воды будет виден более точно. Также хотелось бы добавить, что корпус использовал из-под корректора. Схему собрал: bkmz268

Обсудить статью ИНДИКАТОР УРОВНЯ ВОДЫ

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.

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.

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.

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.

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.

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.

На производстве нередко возникает необходимость в измерении уровня жидкости (воды, бензина, масла). В быту чаще всего нужно определить высоту воды в какой-либо емкости, для этого применяют специальные приспособления - уровнемеры и сигнализаторы. Измерительные устройства делятся на несколько разновидностей, их приобретают в магазинах, но для домашнего использования проще всего сделать датчик уровня воды своими руками.

Виды датчиков

Датчики различаются между собой по способу измерения уровня жидкости и делятся на два вида: сигнализаторы и уровнемеры. Сигнализаторы отслеживают заданную точку заполнения емкости и при достижении нужного объема жидкости прекращают ее поступление (пример - поплавок в бачке унитаза).

Уровнемеры непрерывно контролируют степень заполнения резервуара (пример - датчик на шахтном водоотливе).

По принципу действия датчики уровня воды в емкости делятся на такие разновидности:

Это самые распространенные уровневые датчики, кроме них существуют емкостные, гидростатические, радиоизотопные и другие виды устройств, которые применяются в различных отраслях промышленности.

Правила выбора

При покупке датчика уровня жидкости в резервуаре нужно учитывать несколько факторов, при их соблюдении устройство будет работать правильно и безотказно. В первую очередь нужно определить тип жидкой среды и ее плотность, уровень опасности для человека. Значение имеют материал изготовления емкости, ее объем - от этих параметров зависит принцип действия выбранного датчика.

Следующий момент, на который нужно обратить внимание - предназначение устройства , будет оно использоваться для контроля минимального и максимального уровня жидкости или же для постоянного отслеживания заполняемости резервуара.

При выборе промышленных датчиков количество критериев может быть расширено, для бытовых сигнализаторов и уровнемеров достаточно учитывать объем резервуара и тип устройства. В домашних условиях используются приспособления, изготовленные своими руками - работают они ничуть не хуже заводских моделей.

Изготовление своими руками

Проще всего изготовить самостоятельно поплавковый датчик уровня воды в резервуаре, или сигнализатор наполнения.

Принцип действия такого устройства заключается в том, что поплавок всплывает в жидкости, при максимальном наполнении емкости замыкает контакты и сигнализирует о достаточном уровне воды.

Последовательность изготовления:

Приведенная схема изготовления датчика самая простая, ее используют для небольших емкостей.

Минус такого устройства в том, что оно не дает возможности автоматического выключения насоса. Чтобы останавливать подачу воды в резервуар, изготавливают сигнализаторы с использованием магнитов и герконов.