Водопостачання і водовідведення є невід'ємною частиною побуту і виробництва. Практично кожен, хто займався фермерським господарством або благоустроєм побуту, хоч раз стикався з проблемою підтримки рівня води в тій чи іншій ємності. Деякі роблять це вручну, відкриваючи й закриваючи засувки, але набагато простіше і ефективніше використовувати для цих цілей автоматичний датчик рівня води.
Типи датчиків рівня
Залежно від поставлених завдань для контролю за рівнем рідини використовуються контактні та безконтактні датчики. Перші, як можна здогадатися з їх назви, мають контакт з рідиною, другі отримують інформацію дистанційно, використовуючи непрямі методи вимірювання - прозорість середовища, її ємність, електропровідність, щільність та ін. За принципом дії же все датчики можна розділити на основних 5 типів:
- Поплавковий.
- Електродний.
- Гідростатичний.
- Ємнісний.
- Радарний.
Перші три можна віднести до приладів контактного типу, оскільки вони безпосередньо взаємодіють з робочим середовищем (рідиною), четвертий і п'ятий - безконтактні.
поплавкові сенсори
Мабуть, найпростіші по конструкції. Являють собою поплавкову систему, яка знаходиться на поверхні рідини. У міру зміни рівня поплавок рухається, тим чи іншим чином замикаючи контакти механізму контролю. Чим більше контактів знаходиться по шляху руху поплавця, тим точніше свідчення сигналізатора:
Принцип роботи поплавкового датчика рівня води в баку
З малюнка видно, що показання індикатора такого пристрою дискретні, а кількість значень рівня залежить від числа вимикачів. На наведеній схемі їх два - верхній і нижній. Цього, як правило, цілком достатньо для автоматичної підтримки рівня в заданому діапазоні.
Існують поплавкові прилади й для безперервного дистанційного контролю. У них поплавок управляє двигуном реостата, а рівень обчислюється виходячи з поточного опору. Такі пристрої до недавнього часу широко використовувалися, наприклад, для вимірювання кількості бензину в паливних баках автомобілів:
Пристрій реостатного рівнеміра, де:
- 1 - дротяний реостат;
- 2 - повзунок реостата, механічно пов'язаний з поплавком.
Електродні датчики рівня
Пристрої цього типу використовують електричну провідність рідини і є дискретними. Датчик являє собою кілька електродів різної довжини, занурених у воду. Залежно від рівня в рідини виявляється ту чи іншу кількість електродів.
Трьохелектродна система датчиків рівня рідини в резервуарі
На малюнку, наведеному вище, два правих датчика занурені в воду, а значить, між ними є опір води - насос зупинений. Як тільки рівень опуститься, середній датчик виявиться сухим, а опір ланцюга збільшиться. Автоматика запустить насос підкачки. Коли ємність виявиться заповненою, найкоротший електрод потрапить у воду, його опір щодо загального електрода зменшиться і автоматика зупинить насос.
Цілком зрозуміло, що кількість контрольних точок нескладно збільшити, додавши в конструкцію додаткові електроди і відповідні канали контролю, наприклад, для аварійної сигналізації переповнення або пересихання.
Гидростатическая система контролю
Тут датчик являє собою відкриту трубку, в якій встановлений сенсор тиску того чи іншого типу. При збільшенні рівня змінюється висота водяного стовпа в трубці, а значить, і тиск на сенсор:
Принцип роботи гідростатичної системи контролю рівня рідини
Такі системи мають безперервної характеристикою і можуть використовуватися не тільки для автоматичного управління, а й для дистанційного контролю рівня.
Ємнісний метод вимірювання
У датчиках цього типу в якості сенсора використовується конденсатор, електрична ємність якого змінюється в залежності від діелектричних властивостей навколишнього середовища. Якщо поруч з обкладинками вимірювального конденсатора знаходиться вода, він має одну електричну ємність, повітря - іншу.
Система контролю постійно вимірює електроємність датчика і при її зміні приймає те чи інше рішення. Вимірювачі такого типу є дискретними і можуть використовуватися лише для контролю за конкретним рівнем рідини. Якщо ємність для води виконана з діелектрика, то вимірювання можуть проводитися безконтактно - через стінку бака або водомірної трубки. В іншому випадку ємнісний датчик встановлюється всередину бака.
Принцип роботи ємнісного датчика з металевої (зліва) і діелектричної ванній
За схожим принципом працюють і індукційні покажчики, але в них роль сенсора виконує котушка, індуктивність якої змінюється в залежності від присутності рідини. Основним недоліком подібних пристроїв є те, що вони годяться тільки для контролю за речовинами (рідини, сипучі матеріали тощо.), Що мають досить високу магнітну проникність. У побуті індуктивні сенсори практично не використовуються.
радарний контроль
Основна перевага цього методу - відсутність контакту з робочим середовищем. Причому сенсори можуть відстояти від рідини, рівень якої необхідно контролювати, досить далеко - метри. Це дозволяє використовувати датчики радарного типу для контролю за виключно агресивного, отруйною або гарячої рідинами. Про принцип роботи таких датчиків говорить сама їх назва - радарні. Прилад складається з передавача і приймача, зібраних в одному корпусі. Перший випромінює той чи інший тип сигналу, інший приймає відбитий і підраховує час затримки між відправленим і прийнятим імпульсами.
Принцип роботи ультразвукового сигналізатора рівня радарного типу
Сигналом в залежності від поставлених завдань може служити світло, звук, радіовипромінювання. Точність таких сенсорів досить велика - міліметри. Єдиним, мабуть, недоліком можна вважати складність радарного устаткування контролю і досить високу його вартість.
Саморобні регулятори рівня рідини
Завдяки тому, що деякі з датчиків виключно прості за конструкцією, створити реле рівня води своїми руками зовсім нескладно. Працюючи спільно з водяними насосами, такі прилади дозволять повністю автоматизувати процес підкачки води, наприклад, в дачну водонапірну вежу або автономну систему крапельного поливу.
Поплавковий автомат управління насосом
Для реалізації цієї ідеї використовується саморобний герконовий датчик рівня води з поплавком. Він не вимагає дорогих і дефіцитних комплектуючих, простий в повторенні і досить надійний. Перш за все, варто розглянути конструкцію самого сенсора:
Конструкція дворівневого поплавкового датчика води в баку
Він складається з власне поплавка 2, який закріплений на рухомому штоку 3. Поплавок знаходиться на поверхні води і в залежності від її рівня рухається разом зі штоком і закріпленим на ньому постійним магнітом 5 вгору / вниз в направляючих 4 і 5. У нижньому положенні, коли рівень рідини мінімальний, магніт замикає геркон 8, а в верхньому (бак повний) - геркон 7. Довжина штока і відстань між напрямними вибирається виходячи з висоти водяного бака.
Залишилося зібрати пристрій, який буде автоматично включати і вимикати насос підкачки в залежності від стану контактів. Схема його виглядає наступним чином:
Схема управління водяним насосом
Припустимо, що бак повністю заповнений, поплавок знаходиться у верхньому положенні. Геркон SF2 замкнутий, транзистор VT1 закритий, реле К1 і К2 відключені. Водяний насос, підключеного до гнізда ХS1, знеструмлено. У міру витрати води поплавок, а разом з ним і магніт будуть опускатися, геркон SF1 розімкнеться, але схема залишиться в колишньому стані.
Як тільки рівень води впаде нижче критичного, замкнеться геркон SF1. Транзистор VT1 відкриється, реле К1 спрацює і встане на самоблокування контактами К1.1. Одночасно контакти К1.2 цього ж реле подадуть харчування на пускач К2, що включає насос. Почалася підкачка води.
У міру збільшення рівня поплавок почне підніматися, контакт SF1 розімкнеться, але заблокований контактами К1.1 транзистор залишиться відкритим. Як тільки ємність наповниться, замкнеться контакт SF2 і примусово закриє транзистор. Обидва реле відпустять, насос відключиться, а схема перейде в режим очікування.
При повторенні схеми на місці К1 можна використовувати будь-який малопотужний електромагнітне реле на напругу спрацьовування 22-24 В, наприклад, РЕМ-9 (РС4.524.200). Як К2 підійде РМУ (РС4.523.330) або будь-яке інше на напругу спрацьовування 24 В, контакти якого витримують пусковий струм водяного насоса. Геркони підуть будь-які, що працюють на замикання або перемикання.
Реле рівня з електродними датчиками
При всій своїй гідності та простоті, попередня конструкція рівнеміра для ємностей має і суттєвий недолік - механічні вузли, що працюють у воді і вимагають постійного обслуговування. Цей недолік відсутній у електродної конструкції автомата. Вона набагато надійніше механічної, не вимагає ніякого обслуговування, а схема ненабагато складніше попередньої.
Тут в якості датчиків використовуються три електрода, виконані з будь-якого струмопровідного нержавіючого матеріалу. Всі електроди електрично ізольовані один від одного і від корпусу ємності. Конструкція сенсора добре видно на малюнку, наведеному нижче:
Конструкція трьохелектродної сенсора, де:
- S1 - загальний електрод (завжди в воді)
- S2 - сенсор мінімуму (бак порожній);
- S3 - сенсор максимального рівня (бак повний);
Схема ж управління насосом буде виглядати наступним чином:
Схема автоматичного керування насосом за допомогою електродних сенсорів
Якщо бак повний, то все три електрода знаходяться у воді і електричний опір між ними невелика. При цьому транзистор VT1 закритий, VT2 відкритий. Реле К1 включено і своїми нормально замкнутими контактами обезструмлює насос, а нормально роз'єднаними підключає сенсор S2 паралельно S3. Коли рівень води починає падати, оголюється електрод S3, але S2 ще в воді і нічого не відбувається.
Вода продовжує витрачатися і, нарешті, оголюється електрод S2. Завдяки резистору R1 транзистори переходять в протилежний стан. Реле відпускає і запускає насос, одночасно відключаючи датчик S2. Рівень води поступово підвищується і спочатку замикає електрод S2 (нічого не відбувається - він відключений контактами К1.1), а потім і S3. Транзистори знову переключаються, реле спрацьовує і відключає насос, одночасно підключаючи сенсор S2 в роботу для наступного циклу.
У пристрої можна використовувати будь-який малопотужний реле, що спрацьовує від 12 В, контакти якого здатні витримати струм пускача насоса.
При необхідності цю ж схему можна застосувати і для автоматичної відкачування води, скажімо, з підвалу. Для цього дренажний насос потрібно підключити не до нормально замкнутим, а до нормально розімкненим контактам реле К1. Ніяких інших змін схема не потребує.