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.
Строительный уровень является инструментом, который применяется в различных работах. Без него невозможно ни одно сооружение постройки, проведение ремонтных работ, даже монтаж перегородок и мебели выполняется только при использовании такого оборудования. Уровень строительный выпускается различных моделей, он может быть лазерным, пузырьковым, водяным . Выбор зависит от удобства и масштаба работы. Важно не только правильно купить инструмент, но и настроить его. Редко оборудование приобретается в уже готовом виде, разве что сразу после приобретения. Поэтому вопрос, как настроить оборудование, является первоочередным. Без проведения настройки работы начинать не следует.
Строительные уровни выпускаются разлных моделей и модификаций, они бывают лазерными, пузырьковыми, водяными, и все после покупки требуют настройки.
Разновидности строительных уровней
Чтобы правильно выполнить настройку строительного уровня, сначала необходимо определиться с тем, каким он будет. Производители сегодня предлагают:
Гидроуровень – самый простой в работе уровень, в который надо залить воды и он готов к работе.
- Гидроуровень (водяной) – это самый простой вариант, который представляет собой две отдельные колбы, соединяемые при помощи шланга. Его длина составляет 5-25 м, на колбы при этом наносится шкала для удобства использования. Такой уровень в настройке не нуждается, используется он только для горизонтальной поверхности. Стоимость оборудования низкая, именно такой инструмент предназначен для того, чтобы настраивать другие виды оборудования.
- Пузырьковый позволяет проводить точные работы. Внешне это планка различной длины, которая имеет три колбы, наполненные жидкостью (чаще всего спиртом). Применяется инструмент для вертикальных, горизонтальных измерений, но перед началом работ его надо настраивать.
- Магнитный представляет собой оборудование с магнитными вставками, он обеспечивает высокий уровень комфорта при работе с металлическими поверхностями.
- Трубный имеет малый вес и компактные размеры. Отлично подходит для измерения труб, профилей и иных аналогичных материалов.
- Лазерный – это современное точное оборудование с компактными размерами. Дальность луча, при помощи которого и проводится измерение, составляет 100 м. Конструкция прибора может быть различной, чаще всего он устанавливается на штативе, но есть и магнитные разновидности. Сами модели представлены в большом многообразии, есть возможность подобрать именно тот вариант, который необходим.
- Электронный лазерный инструмент – цифровое оборудование, для его настройки применяются специальные инструкции. Стоимость оборудования на порядок выше, но зато и качество у него отличное.
Вернуться к оглавлению
Проверка по вертикали и горизонтали
Пузырьковые уровни представляют собой планку с тремя колбами, такой уровень позволяет проводить точные работы.
Проверка и настройка по вертикали может проводиться с использованием обычного отвеса. Сначала требуется самому отметить точку, вбить к нее гвоздь или вкрутить саморез. Далее к нему привязывается нитка с отвесом. Внизу и вверху вкручиваются еще 2 самореза, шляпки их должны коснуться нити, она должна скользить по их поверхности.
Саморезы должны размещаться таким образом, чтобы шляпки имели параллельное положение к уровню земли.
Затем уровень приставляется к нити, осматривается положение пузырька. Если он находится по центру, то уровень выставлен правильно, если нет – требуется его немного подправить. Если никакие манипуляции по настройке строительного уровня не помогают, это инструмент бракованный, применять его нельзя.
Трубный уровень это разновидность пузырькового, предназначенный для измерения труб.
По горизонтали проверка оборудования начинается с поиска идеальной горизонтальной линии, поможет в этом гидроуровень. Купить его можно в любом строительном магазине, стоимость оборудования низкая, зато его можно использовать для различных работ в дальнейшем.
Проверка по горизонтали строительного уровня осуществляется следующим образом:
- Гидроуровень надо заполнить водой, жидкость в колбах должна стоять на серединной отметке.
- Далее следует взять 2 листа обычной бумаги, прикрепить их к поверхности бетонной стены монтажным строительным скотчем. Положение их должно быть параллельным, на поверхности бумаги прочерчиваются линии, к которым и будет затем прикладываться строительный уровень.
- Одна колба прикладывается к листу, ставится отметка у ее положения. Можно использовать штатив для ее крепления. Если работу выполняют двое, то проблема крепежа решается еще проще – второй человек будет удерживать колбу в необходимом положении.
- Вторая колба прикладывается к листу, выполняется отметка так, чтобы все риски на бумаге и отметки воды шли вровень.
- Прикладывается пузырьковый уровень, проверяется положение пузырька. Если он находится в середине, то уровень выставлен правильно. В дальнейшей настройке он не нуждается. Если пузырек смещен, то необходимо выполнить настройку строительного уровня.
Большую емкость для воды на даче или приусадебном участке можно использовать для полива или водоснабжения дома. При ее наполнении нет необходимости постоянно забираться вверх по лестнице и целый день следить за уровнем — это вполне могут сделать электронные датчики.
- Продвинутые дачные и фермерские хозяйства, занимающиеся выращиванием плодоовощной продукции, в своей работе используют системы полива наподобие капельной. Для обеспечения автоматической работы поливочного оборудования конструкция требует наличия большой емкости для сбора и хранения воды. Ее заполнение обычно производят погружными водяными насосами в скважине, при этом требуется отслеживать уровень давления воды для насоса и ее количество в водосборном баке. В этом случае необходимо управлять работой насоса, то есть включать его при достижении определенного уровня воды в накопительной емкости и отключать в случае полного заполнения водяного бака. Эти функции можно реализовать с помощью поплавковых датчиков.
- 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.
Все датчики уровня воды для управления насосом можно разделить на две большие группы: контактные и бесконтактные. Бесконтактные способы в основном используются в промышленном производстве и делятся на оптические, магнитные, емкостные, ультразвуковые и т.п. виды. Датчики устанавливаются на стенки водяных баков или непосредственно погружаются в контролируемые жидкости, электронные компоненты помещены в шкаф управления.
Рис. 2 Виды датчиков уровня
В быту наибольшее применение нашли недорогие контактные устройства поплавкового типа, отслеживающий элемент которых выполнен на герконах. В зависимости от расположения в емкости с водой подобные устройства делятся на две группы.
Вертикальные. В подобном устройстве в вертикальном штоке расположены герконовые элементы, а сам поплавок с кольцевым магнитом перемещается вдоль трубки и включает или отключает герконы.
Горизонтальные. Крепятся за верхний край сбоку стены резервуара, при наполнении емкости поплавок с магнитом поднимается на шарнирном рычаге и подходит к геркону. Устройство срабатывает и коммутирует электрическую цепь, помещенную в шкаф управления, она отключает питание электронасоса.
Рис. 3 Вертикальные и горизонтальные герконовые датчики
Устройство герконового переключателя
Основной исполнительный элемент герконового датчика — герконовый выключатель. Устройство представляет собой маленький стеклянный баллон, наполненный инертным газом или с откачанным воздухом. Газ или вакуум препятствуют образованию искр и окислению контактной группы. Внутри колбы находятся замкнутые контакты из ферромагнитного сплава прямоугольного сечения (пермаллоевая проволока) с золотым или серебряным напылением. При попадании в магнитный поток контакты герконового переключателя намагничиваются и отталкиваются друг от друга — происходит размыкание цепи, по которой течет электрический ток.
Рис. 4 Внешний вид герконовых переключателей
Самые распространенное виды герконовых выключателей действует на замыкание, то есть при намагничивании их контакты соединяются друг с другом и электрическая цепь замыкается. Герконовые переключатели могут иметь два вывода для замыкания размыкания цепи или три, если работают с переключением цепей электрического тока. Низковольтная схема, коммутирующая электропитание насоса, обычно помещается в шкаф управления.
Схема подключения герконового датчика уровня воды
Герконовые переключатели являются маломощными устройствами и неспособны коммутировать большие токи, поэтому они не могут быть использованы непосредственно для отключения и включения насоса. Обычно они задействованы в низковольтной схеме коммутации работы мощного реле насоса, помещенной в шкаф управления.
Рис. 5 Электрическая схема управления электронасосом с помощью герконового поплавкового датчика
На рисунке представлена простейшая схема с датчиком, реализующая управление дренажным насосом в зависимости от водного уровня при откачке, состоящая из двух герконов SV1 и SV2.
При достижении жидкостью верхнего уровня магнит с поплавком включает верхний геркон SV1 и на катушку реле P1 подается напряжение. Ее контакты замыкаются, происходит параллельное подключение к геркону и реле самозахватывается.
Функция самозахватывания не дает возможность отключиться питанию катушки реле при размыкании контактов включающей кнопки (в нашем случае это геркон SV1). Это происходит в том случае, если нагрузка реле и его катушка подключены в одну цепь.
Напряжение поступает на катушку мощного реле в цепи электропитания насоса, его контакты замыкаются и электронасос начинает работать. При падении уровня воды и достижении поплавка с магнитом нижнего геркона SV2 он включается и на катушку реле P1 с другой стороны также подается положительный потенциал, ток перестает течь и реле P1 отключается. Это вызывает отсутствие тока в катушке силового реле P2 и как следствие прекращение подачи напряжения питания на электронасос.
Рис. 6 Поплавковые вертикальные датчики уровня воды
Аналогичная схема управления насосом, помещенная в шкаф управления, может быть использована при отслеживании уровня в емкости с жидкостью, если герконы поменять местами, то есть SV2 будет находиться вверху и отключать насос, а SV1 в глубине бака с водой его включать.
Датчики уровня могут быть использованы в быту для автоматизации процесса при заполнении больших емкостей водой при помощи водяных электронасосов. Наиболее просты в установке и эксплуатации герконовые виды, выпускаемые промышленностью в виде вертикальных поплавков на штангах и горизонтальных конструкций.
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.
Данная схема предложена для автоматического управления регулирования уровня воды в баке. В нем под известным давлением расположены два электрода, длинный из которых является нижним уровнем, а другой, короткий -верхним. Роль общего электрода играет металлический бак. В баке имеется только один отвод для подачи и отвода воды, насос заполняет бак и одновременно подает воду в систему.
Как видите, схема довольно проста, важным элементом которой является тиристор. Работает схема следующим образом.
Когда в баке вода ниже нижнего уровня, то электрической связи электродов с корпусом отсутствуют. Поэтому напряжение на управляющий контакт тиристора не приходит, тиристор заперт, реле обесточено, нормально замкнутые контакты К1.1 и К1.2 находятся в исходном положении, двигатель работает, насос закачивает в систему и бак воду. Контакт К1.3 находится в разомкнутом положении.
По мере заполнения бака, вода поднимается до нижнего электрода. Появляется электрическая связь через воду нижнего электрода с корпусом бака, который соединен с одним из концов вторичной обмотки трансформатора и анодом тиристора. Но дальше ничего не происходит, потому что связь прерывается с управляющим выводом тиристора из-за разомкнутого контакта К1.3.
Когда вода поднимается до верхнего уровня, управляющий вывод тиристора через токоограничительный резистор соединяется с корпусом бака через воду, соединяется с общим проводом. Тиристор открывается, замыкая цепь катушки К1. Последняя срабатывает, нормально замкнутые контакты К1.1 и К1.2 размыкаются, двигатель останавливается, насос перестает качать воду. Одновременно замыкается пара контактов К1.3, замыкая верхний с нижним уровнем электродов.
По мере расхода воды, уровень в баке станет ниже верхнего, но насос будет молчать, так как теперь связь корпус-вода-электрод-R1 проходит через замкнутый контакт К1.3 и в данном случае задействован нижний электрод.
Как только уровень воды станет ниже нижнего электрода, электрическая цепочка «корпус-вода-электрод» разрывается, тиристор запирается, реле обесточивается, возвращая свои контакты в исходное положение и насос заработает. Весь цикл повторяется.
При неработающем насосе, уровень воды в баке колеблется между верхним и нижним уровнями электродов, а реле К1 в это время находится в рабочем состоянии, держа контакты К1.1 и К1.2 отключенными.
В схеме предусмотрен предохранитель FU1 от токовой перегрузки и коротких замыканий, включенный в первичную обмотку трансформатора Т1. Диод VD1 выпрямляет ток, проходящий через обмотку реле, а также, что немаловажно, через воду между корпусом и электродами. Тиристор включает и отключает реле К1. Реле подбирается экспериментальным путем, по напряжению, либо напряжение подбирается на вторичной обмотке. Также надо подобрать сопротивление резистора R1 для четкого срабатывания тиристора. Это зависит от проводимости воды.
По материалам журнала "Моделист-конструктор"