Герконовые датчики уровня воды для автоматического управления насосом. Реле контроля уровня для автоматизации насосных установок Система регулирования уровня воды в баке

Для сборки измерителя уровня воды я стоял перед выбором метода измерения – контактный или бесконтактный. К контактным относятся резистивный, конденсаторный и индуктивный методы, из бесконтактных способов наибольшее распространение получили визуальный, радарный и ультразвуковой. Чтобы не повлиять на качество воды в емкости мы прибегнем к одному из бесконтактных методов измерения уровня жидкости.

Все бесконтактные методы основаны на одном принципе: сигнал уходит, проходит определенное время, сигнал возвращается. Визуальный метод использует оптический сигнал, он достаточно точный, но если датчик загрязнится, то он вообще перестанет работать.

При использовании радарного метода измерения уровня используются высокочастотные радиоволновые сигналы, из-за этого метод не подходит для использования в домашних условиях. Ультразвуковой метод аналогичен радарному, только вместо радиоволн используются ультразвуковые волны. Этот способ подходит нам как нельзя лучше, из-за того, что ультразвуковые сенсоры легко найти и они недороги.

Измеритель уровня жидкости я сделал на базе микроконтроллера Arduino Mega2560 (можно взять любой контроллер Arduino).

За любые повреждения, полученные в процессе сборки автор статьи ответственности не несет.

Шаг 1: Материалы

Материалы для датчика уровня воды в резервуаре:

• Arduino (Uno, Mega 2560,…)
• ультразвуковой датчик измерения расстояния HC SR04
• провода для подключения датчика к контроллеру
• оргстекло для корпуса (опционально)

Шаг 2: Немного теории

Для начала я расскажу вам немного об ультразвуковом способе измерения уровня жидкости. Смысл все бесконтактных приборов измерения уровней заключается измерении расстояния между трансивером и поверхностью жидкости. Трансивер посылает короткий ультразвуковой импульс и измеряется время, за которое сигнал идет до поверхности жидкости и обратно до трансивера. Из-за того, что плотность жидкости выше, чем плотность воды, ее поверхность отразит ультразвуковой импульс.

У ультразвукового метода измерения есть свои минусы:

1. Из-за длины импульса остается маленькое окно для приема отраженного сигнала, потому что трансивер продолжает испускать сигнал. Проблема решается достаточно просто: сенсор размещается на несколько сантиметров выше максимального уровня жидкости, позволяя приемнику начать прием сигнала.
2. Из-за ширины луча имеются ограничения в диаметре используемой емкости. Если диаметр будет слишком мал, отраженный от поверхности жидкости сигнал будет отражаться и от стенок емкости, тогда данные могут быть ложными.
3. Прежде чем установить счетчик в бак на постоянное место, его протестировали на эти два момента. Стабильные данные получены на расстоянии минимум 5 см от сенсора. Это значит, что сенсор нужно установить не ниже 5 см над уровнем жидкости. Также не было отраженных от стен бака сигналов при диаметре сосуда 7,5 см (высота 0,5 м). Эти результаты были учтены при установке сенсора в бак.

Шаг 3: Водяной бак

Вода в систему полива будет поступать самотеком. Поэтому бак должен быть установлен выше уровня пола. Бак сделан из метровой канализационной трубы диаметром 16 см. Труба разделена на две секции. В нижней секции располагаются клапана, верхняя будет собственно резервуаром с водой. В качестве крышки резервуара используется заглушка. К заглушке крепится ультразвуковой датчик измерения расстояния. Для устойчивости бак установлен в деревянный короб, в котором установлена электроника и аккумулятор.

Высоту столба жидкости кодируем в процентах, точкой отсчета будут показания счетчика от 6 см (100%), и до 56 см (0%), 6 см – удаление от поверхности воды.

Бак сделан из трубы для простоты вычислений объема (цилиндиреская форма без изменений диаметра).

Шаг 4: Схема соединения ультразвукового датчика и контроллера

Сначала припаиваем к ультразвуковому датчику провода (витая пара, без экранирующего покрытия или фольгированная). Потом помещаем датчик в самодельный корпус из оргстекла. Корпус герметизируем и крепим на крышку бака. Корпус сделан по ходу дела и не является обязательной деталью, поэтому его нет на фото и нет инструкций по изготовлению, так что импровизируйте, если решили сделать его.

Следуя приложенной схеме, подключите датчик к контроллеру.

Шаг 5: Программа

Программа по измерению расстояния конвертирована в программу по определению уровня воды.

Сначала посылается сигнал, затем он возвращается, измеряется время между передачей и приемом сигнала, а полученные данные преобразуются в сантиметры. Сантиметры, в свою очередь, преобразуются в проценты и через последовательное соединение эти данные передаются на компьютер. Также можно подсчитать оставшийся в резервуаре объем воды.

Файлы

Шаг 6: Проверка

Так как потом этот водяной бак будет использоваться в автоматической системе полива с двухступенчатым регулятором, необходимо измерить показатели потока. Выходной поток из бака зависит от гидростатического давления внутри него.

Любой человек, знакомый с основами гидродинамики, знает, что гидростатическое давление уменьшается при снижении уровня воды. Чтобы полив растений осуществлялся одинаковым объемом воды, нужно иметь возможность контролировать время, в течение которого клапан остается открытым. Зная показатели потока, можно подсчитать, какой объем воды может вытечь из бака за определённое время, и таким образом определить время, в течение которого клапан должен быть открытым.

Чтобы проверить точность работы нашего измерителя уровня воды наполните резервуар водой до максимального уровня. Затем откройте клапан, чтобы вся вода вытекла. Бак опустел до 2% из-за того, что конструкция сделана таким образом, чтобы предотвратить вытекание остатков. На картинке приложена диаграмма ступенчатой функции, по этой диаграмме мы можем приблизительно оценить на каком уровне воды происходит изменение (с помощью Excel, Matlab или другой вычислительной программы).

Датчик уровня воды, собранный своими руками работает в соответствии с ожиданиями.

Шаг 7: Применение в проектах

Собранный измеритель уровня воды с ультразвуковым датчиком является образцом. Если мы хотим применять измеритель в проектах, как самодельных, так и полупромышленных, нужно провести испытания на износостойкость и водостойкость. После проведения испытания будет ясно, подходит ли измеритель для использования в каких-либо проектах. Прямо сейчас я могу лишь сказать, что датчик работает нормально то время, которое прошло после сборки.

Из-за того, что метод измерения уровня воды бесконтактный, вода не загрязняется. Сам датчик вышел совсем недорогим по себестоимости, а это значит, что его можно использовать в самодельных проектах.

Данное устройство было разработано для септика загородного дома, в качестве индикатора, для слежения за уровнем наполнения канализации. Задача была создать надежный датчик, который должен работать в условиях влаги и в разных температурных режимах. В начале, думал применить принцип поплавка в цилиндре, взяв за основу емкость из под силикона (как видно на рисунке возможных вариантов исполнения датчика уровня жидкости). Но, сама жизнь, направляет и подсказывает нужные пути, нужно только уметь осознавать это! Исходя из того, что в моем септике уже имелся вывод канализационных труб на 110мм и на 50мм, решение пришло само по себе. Таким образом, появилась возможность закрепить устройство на 50мм-й трубе, исключив другие варианты крепления. Все материалы должны быть из пластмассы, алюминия, бронзы, нержавейки, и так далее – устойчивыми к среде, к которой вы их собирайтесь применить!

Принцип работы датчика уровня жидкости основан на магните и герконах. Перемещением магнита вдоль двух герконов, происходит срабатывание датчиков и соответственно свечение светодиодов определенным цветом, указывая о мере заполнения резервуара жидкостью. Я пытался максимально упростить схему изделия, и добился использования всего двух герконов. Также, было важно применить как можно меньше деталей для надежной, долгосрочной эксплуатации.

Схема датчика уровня жидкости

Принцип работы датчика уровня жидкости

Возможные варианты исполнения датчика уровня жидкости

По схемам видно, что в нижнем положении поплавка, когда горит зеленый светодиод HL1, задействован 2-йгеркон. То есть уровень жидкости находится ниже поплавка, который ограничен стопором и соответственно магнит замыкает контакты геркона. По мере поднятия уровня жидкости (заполнения резервуара), происходит перемещение магнита и переключение 2-го геркона, который подключает желтый светодиод HL2 и выключает HL1. При достижении критического уровня, магнит задействует 1-й геркон, загорится красный светодиод HL3, а желтый погаснет, оповещая вас о заполнении резервуара. При какой-либо неисправности с поплавком или магнитом, должен будет гореть желтый светодиод (например, опрокидывание поплавка или смешением магнита, поломки стопора, и т.д.). Добавив реле в схему, можно будет применить его в качестве исполнительного устройства для подключения более мощных нагрузок. Также, можно подключить ко 2-у геркону зуммер, для звукового оповещения или мобильный телефон и так далее.

Питание девайса от любого источника 3-12В. Например от телефонной зарядки с импульсным блоком питания на 5 вольт или двух батареек по 1,5В, также подойдет более компактная на 3В. При этом, надо будет снизить сопротивление резистора R1. Кнопка или выключатель подберите поменьше, хотя можно обойтись и без него, держа индикатор включенным постоянно. Монтаж навесной, в доме, например в электрощите. Заранее проведите проводку (она у меня была уже наготове). Таким образом, можно обойтись очень простой схемотехникой, без микроконтроллеров и т.п. Ведь чем проще – тем надежнее!

Итак, нам понадобится следующие материалы:

Муфта соединительная для канализационных труб ПП d=50mm х2шт.
- заглушка канализационная d=50mm х2шт.
- хомут пластиковый (браслет) х1шт.
- профили пластмассовые U-образные (из мебельной фурнитуры).
- термоусадочный кембрик d=30-40mm, d=3-10mm.
- пластмассовая или текстолитовая пластина =4-6mm.
- заклепки алюминиевые х10шт.
- магнит неодиновый (от жесткого диска компьютера) х1шт.
- герконы 3-хконтактные х2шт.
- кнопка или выключатель низковольтный х1шт.
- резистор 680-1,5к. х1шт.
- светодиоды х3шт.
- провода низковольтные (например для охранной сигнализации, 5-и жильный).
- штекер на 4 ножки (например от диммера для RGB LED).
- термоклей или силикон.
- питание 12В или батарейка на 3В (от компьютера).

Из инструмента:

Дрель
- фен строительный
- термопистолет
- паяльник
- также другой подручный инструмент, который найдется у любого мастера.

Изготовление

Сперва надо найти все нужные материалы и запастись терпением. У меня работа заняла дня три, включительно разработка и эксперименты. Схему устройства советую сперва испытать, а потом уже собирать. Будьте внимательны при работе с герконами, очень легко разбить стеклянный корпус при сгибании ножек. Используя пластиковый хомут, закрепите герконы термоклеем. Расстояние для них, подберите экспериментально, оно должно обеспечить срабатывание герконов при прохождении магнита. За герметизируйте соединение термоусадкой и термоклеем или силиконом. Готовый браслет одевается на муфту и позволяет регулировку наилучшего положения срабатывания. Также, его легко заменить при неисправности отсоединением штекера. Штекер найдите влагоустойчивый, на четыре или более ножек. Если штекер подвержен воздействию влаги, закройте его термоусадкой или засиликоньте. Можно обойтись и без него, припаяв провода напрямую.

Исходя от длины держателя поплавка, зависит ход срабатывания устройства. В моем случае, длина составляет примерно 40см. Профиль поплавка надо нагреть строительным феном и уложить на муфту (это делается быстро), в последствии склеить и соединить заклепками. Получившейся хомут, должен обеспечить легкое вращение относительно муфты с герконами. Сам поплавок, установив заглушки, просто крепится к профилю заклепками. То, что конструкция поплавка имеет определенную гибкость, предотвратит, в дальнейшем его поломку. Также крепится к конструкции неодиновый магнит, так чтобы он находился на расстоянии срабатывания герконов. Просверлив отверстия в муфте, установите стопор поплавка, он нужен для правильного положения срабатывания при работе аппарата.

Жидкость - вещество, обладающее свойством течь и принимать форму сосуда, в котором оно находится.

Датчики уровня жидкостей необходимы для контроля уровня жидкостей в ёмкостях или трубопроводах. По функционалу датчики уровня делятся на уровнемеры и сигнализаторы.

Интерактивный подбор датчика уровня жидкости

Чтобы получить оптимальное решение вашей задачи, заполните опросный лист,
и наши специалисты свяжутся с Вами, чтобы предложить готовый ответ.

Датчики уровня жидкостей делятся на два типа: контактные (весь датчик или его часть контактирует с измеряемой средой) и бесконтактные (измерение происходит без контакта с жидкой средой). Каждый из этих типов имеет достоинства и недостатки и находит своё применение в той или иной области.

Контактный тип датчиков как правило применяется в процессах, которые имеют факторы, затрудняющие работу оборудования.

К таким факторам можно отнести:

• температуры свыше +90°С;
• давление свыше 3 бар.

В том числе преимущественно контактные датчики используют для измерения уровня пенящихся жидкостей (молоко, пиво, соки, газ. вода и др.). Ввиду рассеяния сигнала и получения некорректных результатов при измерение бесконтактным методом, уровень жидкости в высоких узких резервуарах также рекомендовано контролировать при помощи контактных приборов.

Применяются там, где необходимо избежать пагубного влияния физико-химических свойств измеряемой жидкости. На процесс измерения и работоспособность датчика могут влиять:

• вязкие жидкости (сгущёнка, варенье, нефтепродукты, глицерин и др.);
• агрессивные жидкости (щёлочи, кислоты).

Все датчики уровня жидкостей различаются не только по функционалу (уровнемеры/сигнализаторы), типу (контактные/бесконтактные), но и самое главное - по принципу действия.

Подробное описание каждого принципа действия, их преимущества и недостатки вы сможете найти на страницах нашего сайта, в этой статье остановимся на ключевых отличиях и применениях того или иного датчика уровня жидкостей.

Емкостные датчики уровня - это экономичное решение для контроля уровня там, где не возникает вспенивания и налипания среды на датчик, а также там, где не требуется высокая точность измерения уровня. Как правило применяется для измерения уровня жидкости в небольших резервуарах. Для пищевых продуктов и агрессивных сред рекомендованы модели с пластиковым покрытием измерительного зонда. Существенным недостатком является высокая погрешность при измерении жидкостей с низкой диэлектрической проницаемостью (ε=1,5…3,0), а также неспособность работать с диэлектрическими жидкостями.

Однако производителям удалось решить проблему обнаружения жидкостей с низкой диэлектрической проницаемостью и проблему определения границы раздела сред с близкими значениями диэлектрической константы. Емкостно-частотный сигнализатор в отличие от емкостного, благодаря RF-технологии и тонкой настройке способен детектировать слабопроводящие жидкости и одновременно не реагировать на пену.

Гидростатические уровнемеры и сигнализаторы имеют более высокую точность измерения по сравнению с емкостными и такую же невысокую стоимость. Поэтому являются оптимальным выбором по соотношению цена/качество. Вычисление значения уровня происходит благодаря измерению давления столба жидкости, поэтому гидростатические датчики применяются в открытых резервуарах или в закрытых, но в которых давление воздушной среды соответствует атмосферному, в противном случае уровнемер выдаст некорректные результаты. В том числе на определение уровня влияет плотность жидкости, для применения гидростатических уровнемеров необходимо быть уверенным, что её значение остаётся постоянным на протяжение всего времени измерения. Поэтому не рекомендуется использовать гидростатический метод определения уровня для жидкостей с переменной плотностью (радиохимическое производство, нефтепродукты при изменении температуры). Применяются для контроля уровня чистых и сточных вод, жидких пищевых продуктов или химических веществ, не реагируют на пену. Являются фактически безальтернативным решением для измерения уровня жидкости в скважинах.

Работа байпасных уровнемеров основана на принципе сообщающихся сосудов, что делает процесс измерения весьма наглядным и понятным. Такие уровнемеры применяются в небольших резервуарах, находящихся под давлением с температурой рабочей среды до +250 °С. Могут использоваться совместно с магнитострикционными уровнемерами, что позволит их интегрировать в АСУ. Байпасные уровнемеры не следует применять с вязкими жидкостями или жидкостями вязкость которых повышается при снижении температуры, так как температура жидкости в байпасной камере из-за тепловых перемычек в соединительной арматуре ниже чем в сообщающимся с ним сосуде.

Магнитострикционные и магнитные уровнемеры относятся к типу поплавковых, это значит, что поплавок «лежит» на поверхности жидкости и измерение уровня происходит относительно положения этого поплавка. Такие уровнемеры отличаются большей точностью, особенно магнитострикционные. Их целесообразно применять при коммерческом учёте светлых нефтепродуктов, химических веществ и других дорогостоящих жидкостей. Поплавковые уровнемеры подходят для измерения уровня пенящихся жидкостей, однако не применим с вязкими жидкостями.

Микроволновые рефлексные уровнемеры конструктивно состоят из электронного блока и волновода. Длина волновода должна соответствовать высоте резервуара, что ограничивает применение датчиков в высоких резервуарах. С такой бедой сталкиваются все датчики с аналогичной конструкцией (емкостные, магнитные, магнитострикционные). Однако принцип действия и конструкция рефлексного датчика делает его высокоточным и пригодным для использования в тяжёлых условиях (высокая температура и давление), а также с пенящимися и налипающими жидкостями. Этот вид уровнемеров можно назвать наиболее универсальным, подходящими для применения фактически с любыми жидкостями, не зависимо от давления воздушной среды над поверхностью жидкости или диэлектрической проницаемости среды.

Буйковые уровнемеры - это датчики для тяжёлых условий, в которых ко всему прочему требуется высокая точность измерений. Принцип работы буйковых уровнемеров схож с работой поплавковых датчиков и основан на использовании закона Архимеда. Некоторые модели способны обеспечивать непревзойдённые результаты измерения при температурах от -196 °С до + 500 °С и давление рабочей среды до 414 атмосфер. От сюда складывается высокая стоимость. Как правило используются на нефтехранилищах и в химической промышленности.

Это универсальное устройство непрерывного измерения уровня жидкостей. Обладает всеми преимуществами бесконтактного метода измерения и отличается крайне высокой точностью. Применим со всеми жидкими средами, исключением в некоторых случаях может стать пена. Помехой для импульс-радарного уровнемера может стать газовая подушка над поверхностью жидкости, в таком случае следует применять FMCW-радарные уровнемеры. Наилучшее применение таких датчиков - это резервуары с медленным изменением уровня жидкости, где важна высокая точность измерения. Недостатком может стать их высокая стоимость.

Ультразвуковые датчики уровня ещё один бесконтактный тип датчиков. По большому счёту, именно ультразвуковые датчики наиболее часто применяются для бесконтактного контроля уровня жидкостей. Ведь далеко не всегда важна очень высокая точность измерения как у радарных датчиков, а стоимость таких устройств в несколько раз ниже. Ограничение на применение накладывают пенящиеся жидкости и ёмкости в которых образуется газовая подушка (емкости с азотной кислотой), собственно, как и в случае с импульс-радарными уровнемерами.

Оптические сигнализаторы уровня жидкостей - это миниатюрные датчики, предназначенные для контроля уровня в небольших ёмкостях и резервуарах, находящихся под вибрацией.

Вибрационные сигнализаторы или как их ещё называют «вибровилки» врезаются в ёмкость на требуемых уровнях. Чувствительный элемент постоянно вибрирует, что позволяет использовать датчик с вязкими и пенящимися жидкостями, не боясь ложных срабатываний. Такие датчики имеют среднюю точность и стоимость, относительно других сигнализаторов.

Поплавковые сигнализаторы наиболее простые и экономичные устройства контроля уровня жидкости и сточных вод, а также слабоагрессивных жидких сред. Поплавковые сигнализаторы делятся на два типа - это поплавковые кабельные и поплавковые магнитные сигнализаторы. Отличие заключается в том, что кабельные имеют определённую длину кабеля и погружаются в жидкость через верх резервуара, а магнитные врезаются в боковую стенку ёмкости на требуемом уровне. Для агрессивных сред поплавок и кабель изготавливаются из различных пластиков. Как правило их применяют для включения/отключения насосов. Отличаются низкой ценой и невысокой точностью.

Водоснабжение и водоотвод является неотъемлемой частью быта и производства. Практически каждый, кто занимался фермерским хозяйством или благоустройством быта, хоть раз сталкивался с проблемой поддержания уровня воды в той или иной емкости. Некоторые делают это вручную, открывая и закрывая задвижки, но намного проще и эффективнее использовать для этих целей автоматический датчик уровня воды.

Типы датчиков уровня

В зависимости от поставленных задач для контроля за уровнем жидкости используются контактные и бесконтактные датчики. Первые, как можно догадаться из их названия, имеют контакт с жидкостью, вторые получают информацию дистанционно, используя косвенные методы измерения – прозрачность среды, ее емкость, электропроводность, плотность и пр. По принципу действия же все датчики можно разделить на основных 5 типов:

1. Поплавковый.
2. Электродный.
3. Гидростатический.
4. Емкостный.
5. Радарный.

Первые три можно отнести к приборам контактного типа, поскольку они непосредственно взаимодействуют с рабочей средой (жидкостью), четвертый и пятый – бесконтактные.

Поплавковые сенсоры

Пожалуй, самые простые по конструкции. Представляют собой поплавковую систему, которая находится на поверхности жидкости. По мере изменения уровня поплавок движется, тем или иным образом замыкая контакты механизма контроля. Чем больше контактов находится по пути движения поплавка, тем точнее показания сигнализатора:

Принцип работы поплавкового датчика уровня воды в баке

Из рисунка видно, что показания индикатора такого устройства дискретны, а количество значений уровня зависит от числа выключателей. На приведенной схеме их два – верхний и нижний. Этого, как правило, вполне достаточно для автоматического поддержания уровня в заданном диапазоне.

Существуют поплавковые приборы и для непрерывного дистанционного контроля. В них поплавок управляет движком реостата, а уровень вычисляется исходя из текущего сопротивления. Такие устройства до недавнего времени широко использовались, к примеру, для измерения количества бензина в топливных баках автомобилей:

Устройство реостатного уровнемера, где:

• 1 – проволочный реостат;
• 2 – ползунок реостата, механически связанный с поплавком.

Электродные датчики уровня

Устройства этого типа используют электрическую проводимость жидкости и являются дискретными. Датчик представляет собой несколько электродов различной длины, погруженных в воду. В зависимости от уровня в жидкости оказывается то или иное количество электродов.

Трехэлектродная система датчиков уровня жидкости в резервуаре

На рисунке, приведенном выше, два правых датчика погружены в воду, а значит, между ними присутствует сопротивление воды – насос остановлен. Как только уровень опустится, средний датчик окажется сухим, а сопротивление цепи увеличится. Автоматика запустит насос подкачки. Когда емкость окажется заполненной, самый короткий электрод попадет в воду, его сопротивление относительно общего электрода уменьшится и автоматика остановит насос.

Вполне понятно, что количество контрольных точек несложно увеличить, добавив в конструкцию дополнительные электроды и соответствующие каналы контроля, к примеру, для аварийной сигнализации переполнения или пересыхания.

Гидростатическая система контроля

Здесь датчик представляет собой открытую трубку, в которой установлен сенсор давления того или иного типа. При увеличении уровня изменяется высота водяного столба в трубке, а значит, и давление на сенсор:

Принцип работы гидростатической системы контроля уровня жидкости

Такие системы обладают непрерывной характеристикой и могут использоваться не только для автоматического управления, но и для дистанционного контроля уровня.

Емкостный метод измерения

Принцип работы емкостного датчика с металлической (слева) и диэлектрической ванной

По сходному принципу работают и индукционные указатели, но в них роль сенсора исполняет катушка, индуктивность которой изменяется в зависимости от присутствия жидкости. Основным недостатком подобных устройств является то, что они годятся только для контроля за веществами (жидкости, сыпучие материалы и пр.), имеющими достаточно высокую магнитную проницаемость. В быту индуктивные сенсоры практически не используются.

Радарный контроль

Основное достоинство этого метода – отсутствие контакта с рабочей средой. Причем сенсоры могут отстоять от жидкости, уровень которой необходимо контролировать, достаточно далеко – метры. Это позволяет использовать датчики радарного типа для контроля за исключительно агрессивной, ядовитой или горячей жидкостями. О принципе работы таких датчиков говорит само их название – радарные. Прибор состоит из передатчика и приемника, собранных в одном корпусе. Первый излучает тот или иной тип сигнала, другой принимает отраженный и подсчитывает время задержки между отправленным и принятым импульсами.

Принцип работы ультразвукового сигнализатора уровня радарного типа

Сигналом в зависимости от поставленных задач может служить свет, звук, радиоизлучение. Точность таких сенсоров достаточно велика – миллиметры. Единственным, пожалуй, недостатком можно считать сложность радарного оборудования контроля и достаточно высокую его стоимость.

Самодельные регуляторы уровня жидкости

Благодаря тому, что некоторые из датчиков исключительно просты по конструкции, создать реле уровня воды своими руками совсем несложно . Работая совместно с водяными насосами, такие приборы позволят полностью автоматизировать процесс подкачки воды, к примеру, в дачную водонапорную башню или автономную систему капельного полива.

Поплавковый автомат управления насосом

Для реализации этой идеи используется самодельный герконовый датчик уровня воды с поплавком. Он не требует дорогостоящих и дефицитных комплектующих, прост в повторении и достаточно надежен. Прежде всего, стоит рассмотреть конструкцию самого сенсора:

Конструкция двухуровневого поплавкового датчика воды в баке

Он состоит из собственно поплавка 2, который закреплен на подвижном штоке 3. Поплавок находится на поверхности воды и в зависимости от ее уровня движется вместе со штоком и закрепленным на нем постоянным магнитом 5 вверх / вниз в направляющих 4 и 5. В нижнем положении, когда уровень жидкости минимален, магнит замыкает геркон 8, а в верхнем (бак полон) – геркон 7. Длина штока и расстояние между направляющими выбирается исходя из высоты водяного бака.

Осталось собрать устройство, которое будет автоматически включать и выключать насос подкачки в зависимости от состояния контактов. Схема его выглядит следующим образом:

Схема управления водяным насосом

Предположим, что бак полностью заполнен, поплавок находится в верхнем положении. Геркон SF2 замкнут, транзистор VT1 закрыт, реле К1 и К2 отключены. Водяной насос, подключенный к разъему ХS1, обесточен. По мере расхода воды поплавок, а вместе с ним и магнит будут опускаться, геркон SF1 разомкнется, но схема останется в прежнем состоянии.

Как только уровень воды упадет ниже критического, замкнется геркон SF1. Транзистор VT1 откроется, реле К1 сработает и встанет на самоблокировку контактами К1.1. Одновременно контакты К1.2 этого же реле подадут питание на пускатель К2, включающий насос. Началась подкачка воды.

По мере увеличения уровня поплавок начнет подниматься , контакт SF1 разомкнется, но заблокированный контактами К1.1 транзистор останется открытым. Как только емкость наполнится, замкнется контакт SF2 и принудительно закроет транзистор. Оба реле отпустят, насос отключится, а схема перейдет в ждущий режим.

При повторении схемы на месте К1 можно использовать любое маломощное электромагнитное реле на напряжение срабатывания 22-24 В, к примеру, РЭС-9 (РС4.524.200). В качестве К2 подойдет РМУ (РС4.523.330) или любое другое на напряжение срабатывания 24 В, контакты которого выдерживают пусковой ток водяного насоса. Герконы пойдут любые, работающие на замыкание или переключение.

Реле уровня с электродными датчиками

При всем своем достоинстве и простоте, предыдущая конструкция уровнемера для емкостей имеет и существенный недостаток – механические узлы, работающие в воде и требующие постоянного обслуживания. Этот недостаток отсутствует у электродной конструкции автомата. Она намного надежнее механической, не требует никакого обслуживания, а схема ненамного сложнее предыдущей.

Здесь в качестве датчиков используются три электрода, выполненные из любого токопроводящего нержавеющего материала. Все электроды электрически изолированы друг от друга и от корпуса емкости. Конструкция сенсора хорошо видна на рисунке, приведенном ниже:

Конструкция трехэлектродного сенсора, где:

• S1 – общий электрод (всегда в воде)
• S2 – сенсор минимума (бак пуст);
• S3 – сенсор максимального уровня (бак полон);

Схема же управления насосом будет выглядеть следующим образом:

Схема автоматического управления насосом при помощи электродных сенсоров

Если бак полон, то все три электрода находятся в воде и электрическое сопротивление между ними невелико. При этом транзистор VT1 закрыт, VT2 открыт. Реле К1 включено и своими нормально замкнутыми контактами обесточивает насос, а нормально разомкнутыми подключает сенсор S2 параллельно S3. Когда уровень воды начинает падать, оголяется электрод S3, но S2 еще в воде и ничего не происходит.

Вода продолжает расходоваться и, наконец, оголяется электрод S2. Благодаря резистору R1 транзисторы переходят в противоположное состояние. Реле отпускает и запускает насос, одновременно отключая датчик S2. Уровень воды постепенно повышается и сначала замыкает электрод S2 (ничего не происходит – он отключен контактами К1.1), а затем и S3. Транзисторы снова переключаются, реле срабатывает и отключает насос, одновременно подключая сенсор S2 в работу для следующего цикла.

В устройстве можно использовать любое маломощное реле, срабатывающее от 12 В, контакты которого способны выдержать ток пускателя насоса.

При необходимости эту же схему можно применить и для автоматической откачки воды, скажем, из подвала. Для этого дренажный насос нужно подключить не к нормально замкнутым, а к нормально разомкнутым контактам реле К1. Никаких других изменений схема не потребует.

Когда возникает необходимость контроля уровня жидкости, многие выполняют эту работу вручную, а ведь это крайне неэффективно, отнимает уйму времени и сил, а последствия недосмотра могут обойтись очень дорого: например, затопленная квартира или сгоревший насос. Этого можно легко избежать, используя поплавковые датчики уровня воды. Это простые по конструкции и принципу действия устройства, доступные по цене.

В домашних условиях датчики этого типа позволяют автоматизировать такие процессы, как:

• контроль уровня жидкости в расходном баке;
• откачка грунтовых вод из погреба;
• отключение насоса, когда уровень в колодце падает ниже допустимого, и некоторые другие.

Принцип действия поплавкового датчика

В жидкость помещается предмет, который в ней не тонет. Это может быть кусок дерева или пенопласта, полая герметичная сфера из пластмассы или металла и многое другое. При изменении уровня жидкости этот предмет будет подниматься или опускаться вместе с ней. Если поплавок соединить с исполнительным механизмом, то он будет выполнять функции датчика уровня воды в ёмкости.

Классификация оборудования

Поплавковые датчики могут самостоятельно осуществлять контроль над уровнем жидкости или подавать сигнал в схему контроля. По этому принципу их можно разделить на две большие группы: механические и электрические.

Механические устройства

К механическим относятся самые разнообразные поплавковые клапаны уровня воды в баке. Принцип их действия состоит в том, что поплавок соединён с рычагом, при изменении уровня жидкости поплавок перемещает вверх или вниз этот рычаг , а он, в свою очередь, воздействует на клапан, который и перекрывает (открывает) подачу воды. Такие клапаны можно увидеть в сливных бачках унитазов. Их очень удобно использовать там, где нужно постоянно добавлять воду из центральной системы водоснабжения.

Механические датчики обладают рядом преимуществ:

• простота конструкции;
• компактность;
• безопасность;
• автономность - не требуют никаких источников электроэнергии;
• надёжность;
• дешевизна;
• лёгкость установки и настройки.

Но у этих датчиков есть один существенный недостаток: они могут контролировать только один (верхний) уровень, который зависит от места монтажа, и регулировать его, если и можно, то в очень небольших пределах. В продаже такой клапан может называться «кран поплавковый для ёмкостей».

Электрические датчики

Электрический датчик уровня жидкости (поплавковый), отличается от механического тем, что сам он воду не перекрывает. Поплавок, перемещаясь при изменении количества жидкости, воздействует на электрические контакты, которые включены в схему управления. На основании этих сигналов автоматическая система контроля принимает решение о необходимости тех или иных действий. В простейшем случае такой датчик имеет поплавок. Этот поплавок воздействует на контакт, через который происходит включение насоса.

В качестве контактов чаще всего применяют герконы . Геркон - это стеклянная герметичная колба с контактами внутри. Переключение этих контактов происходит под действием магнитного поля. Герконы имеют миниатюрные размеры и легко размещаются внутри тонкой трубки из немагнитного материала (пластик, алюминий). По трубке под действием жидкости свободно перемещается поплавок с магнитом, при приближении которого контакты срабатывают. Вся эта система устанавливается вертикально в резервуар . Меняя положение геркона внутри трубки, можно регулировать момент срабатывания автоматики.

Если нужно следить за верхним уровнем в резервуаре, то датчик устанавливают вверху. Как только уровень опустится ниже установленного, контакт замкнётся, насос включится. Вода начнёт прибавляться, и когда уровень воды дойдёт до верхнего предела, поплавок вернётся в исходное состояние, и насос отключится. Однако на практике такую схему применять нельзя. Дело в том, что датчик срабатывает при малейшем изменении уровня, вслед за этим включается насос, уровень поднимается, и насос отключается. Если расход воды из ёмкости меньше , чем подача, возникает ситуация, когда насос постоянно включается и отключается, при этом он быстро перегревается и выходит из строя.

Поэтому датчики уровня воды для управления насосом работают иначе. В ёмкости располагают минимум два контакта. Один отвечает за верхний уровень, он отключает насос. Второй определяет положение нижнего уровня, при достижении которого насос включается. Таким образом, значительно сокращается число пусков, что обеспечивает надёжную работу всей системы. Если разница уровней небольшая, то удобно использовать трубку с двумя герконами внутри и один поплавок, который их коммутирует. При разнице больше метра применяют два отдельных датчика, установленных на требуемых высотах.

Несмотря на более сложную конструкцию и необходимость схемы управления, электрические поплавковые датчики позволяют полностью автоматизировать процесс управления уровнем жидкости.

Если через такие датчики подключить лампочки , то их можно использовать для визуального контроля количества жидкости в резервуаре.

Самодельный поплавковый выключатель

Если у вас есть время и желание, то простейший поплавковый датчик уровня воды можно сделать своими руками, и расходы на него будут минимальны.

Механическая система

Для того чтобы максимально упростить конструкцию, в качестве запирающего устройства будем использовать шаровый клапан (кран). Хорошо подойдут самые маленькие клапаны (полудюймовые и меньше). Такой кран имеет ручку, которой он закрывается. Для переделки его в датчик необходимо удлинить эту ручку полоской металла. Полоска крепится к ручке через просверлённые в ней отверстия соответствующими винтами. Сечение этого рычага должно быть минимальным, но при этом он не должен изгибаться под действием поплавка. Длина его около 50 см. Поплавок крепится на конце этого рычага.

В качестве поплавка можно использовать двухлитровую пластиковую бутылку от газировки. Бутылка наполовину заполняется водой.

Проверить работу системы можно, не устанавливая её в резервуар. Для этого установите кран вертикально, а рычаг с поплавком поставьте в горизонтальное положение. Если все сделано правильно, то под действием массы воды в бутылки, рычаг начнёт двигаться вниз и займёт вертикальное положение, вместе с ним провернётся и ручка клапана. Теперь погрузите устройство в воду. Бутылка должна всплыть и повернуть ручку клапана.

Так как клапаны различаются размерами и усилием, которое нужно приложить для их переключения, возможно, нужно будет провести настройку системы. В случае если поплавок не может провернуть клапан, можно увеличить длину рычага или взять бутылку большего объёма .

Монтируем датчик в ёмкости на необходимом уровне в горизонтальном положении, при этом в вертикальном положении поплавка клапан должен быть открыт, а в горизонтальном - закрыт.

Датчик электрического типа

Для самостоятельного изготовления датчика этого типа, кроме обычного инструмента, понадобится:

Последовательность изготовления следующая:

При изменении уровня жидкости вместе с ней перемещается и поплавок, который действует на электрический контакт для контроля уровня воды в баке. Схема управления с таким датчиком может иметь вид, представленный на рисунке. Точки 1, 2, 3 — это точки подключения провода, который идёт от нашего датчика. Точка 2 — это общая точка.

Рассмотрим принцип действия самодельного устройства. Допустим, в момент включения резервуар пуст, поплавок находится в положении нижнего уровня (НУ), этот контакт замыкается и подаёт питание на реле (Р).

Реле срабатывает и замыкает контакты Р1 и Р2. Р1 — это контакт самоблокировки. Он нужен для того, чтобы реле не отключилось (насос продолжал работать), когда вода начнёт прибывать, и контакт НУ разомкнётся. Контакт Р2 подключает насос (Н) к источнику питания.

Когда уровень поднимется до верхнего значения, сработает геркон и разомкнёт свой контакт ВУ. Реле будет обесточено, оно разомкнёт свои контакты Р1 и Р2, и насос отключится.

С уменьшением количества воды в резервуаре поплавок начнёт опускаться, но пока он не займёт нижнее положение и не замкнёт контакт НУ, насос не включится. Когда это произойдёт, цикл работы повторится заново.

Вот так работает поплавковый выключатель контроля уровня воды .

В процессе эксплуатации необходимо периодически очищать трубу и поплавок от загрязнений. Герконы выдерживают огромное количество переключений, поэтому такой датчик прослужит долгие годы.