Выбираем датчик уровня воды в резервуаре и емкости

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.

Различные виды датчиков уровня

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.

Измерение уровня радарным датчиком

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.

Схема управления водозабоным насосом

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.

Разновидности датчиков уровня воды

В промышленных и бытовых условиях есть необходимость контролировать уровень жидкости в емкостях. Для этого используют специальные измерительные устройства — датчики уровня жидкости. Они могут быть контактными и бесконтактными. Оба варианта располагаются на заданной высоте емкости и, если вода поднимается выше установленной точки, срабатывает датчик, сигнализируя об этом пользователю. Бывает несколько типов приборов, которые отличаются функциональностью и принципом работы. В статье пойдет речь о разновидностях датчиков, контролирующих уровень воды. Также будет затронута тема, как сделать датчик уровня жидкости своими руками.

Классификация

Все выпускаемые датчики делятся на два класса: уровнемеры и сигнализаторы.

Задача первых — постоянное измерение уровня жидкости в настоящем времени. В их конструкции предусмотрены сенсоры, которые и принимают сигнал. Данные обрабатываются аналоговой или цифровой электронной схемой, входящей в состав датчика. Показатели выводятся на элементы индикации.

У сигнализаторов иная задача — они сигнализируют, когда уровень воды в емкости достиг заранее установленного значения. Такие датчики уровня жидкости, срабатывая, передают данные о прекращении подачи воды. Выходной сигнал в них — дискретный. Сигнализация — звуковая или световая.

Как измеряется уровень

Существует несколько методов измерения. Все зависит от того, какими свойствами обладает жидкость в резервуаре:

• Контактный. В этом случае датчик уровня напрямую взаимодействует с водой, находящейся в емкости.
• Бесконтактный. Без прямого контакта с жидкостью. Приборы этого типа используют для измерения уровня вязкой среды или обладающей агрессивными свойствами.

Контактные измерители устанавливают в саму емкость: на поверхности (поплавок), в глубине (манометры гидростатического образца) или крепят на стенку (пластинчатые). Бесконтактные датчики измерения уровня жидкости не должны соприкасаться с водой, поэтому их размещают таким образом, чтобы была возможность «наблюдать» за поверхностью среды.

Поплавковые измерители

Наиболее распространенные, при этом надежные и доступные измерительные приборы, выполненные в виде поплавка (более известны как ПДУ). В зависимости от конструкции бывают вертикальными и горизонтальными.

Вертикальный поплавковый датчик для измерения уровня воды называется так, потому что его шток расположен вертикально. В его корпусе находится магнит круглой формы. Шток — полая пластиковая трубка, внутри которой стоят герконы.

Поплавковые устройства размещают на поверхности измеряемой воды. Когда магнитное поле подходит к геркону, срабатывают контакты датчика — это и есть сигнал о том, что емкость заполнилась до обозначенного объема. Контактные пары можно последовательно соединить друг с другом, используя резисторы. Это даст возможность отслеживать уровень жидкости, опираясь на общее сопротивление цепи. Параметр стандартного сигнала в этом случае — 4–20 мА. Как правило, датчики уровня воды поплавкового типа применяются в резервуарах длиной до 3 м.

Даже если визуально измерители похожи, в них могут быть установлены разные электрические схемы с герконами. Датчики ставят на разных уровнях емкости, чтобы получать сигнал по мере наполнения. Встречаются линейные устройства, передающие сигнал непрерывно.

Не всегда можно реализовать поверхностную установку. В таких ситуациях применяют поплавковые датчики для измерения уровня жидкости, но горизонтального положения, которые крепят на стене. Магнит и поплавок располагаются на рычаге с шарниром, а геркон «прячут» в корпус. При повышении уровня жидкости начинает действовать магнит, подходя к контактам, что и приводит к срабатыванию датчика.

Если жидкость загрязненная или подвергается замерзанию, используют «усиленные» поплавковые измерители на гибком тросе. Конструкция: герметичная емкость, располагаемая на глубине, в ней — тумблер или металлический шар с герконом. Когда уровень жидкости совпадает с положением датчика, емкость переворачивается и вместе с этим срабатывает контакт.

Наиболее точные и надежные поплавковые устройства — магнитострикционные. Они оснащены поплавком и магнитом, скользящими вдоль металлического стержня. Рабочий принцип сводится к изменению продолжительности прохождения ультразвукового импульса через стержень. Так как в конструкции нет электрических контактов, ультразвуковой датчик уровня срабатывает четче.

Емкостные

Емкостной датчик измерения уровня жидкости имеет вид пластин, располагающихся с обеих сторон резервуара. Сигнализаторы этого вида могут определить максимальный уровень заполнения. В качестве технологической среды выступает вода или сыпучие, смешанные вещества.

Емкостной измеритель работает по аналогии с конденсатором: емкость измеряется между пластинами. Когда вода в баке достигнет пороговой отметки, на контроллер поступает сигнал. Может быть использован и «сухой контакт» — датчик срабатывает через стенку емкости, будучи изолированным от рабочей среды.

Емкостные уровнемеры работают в разных диапазонах температур, срабатывают даже на больших расстояниях и на них не воздействуют электромагнитные поля. Благодаря этим характеристикам расширяется сфера применения. То есть, датчик может быть использован даже в тяжелых условиях.

Электродные

Эти измерители используют для контроля уровня электропроводных жидкостей. Рабочий принцип: посредством переменного напряжения следят, как меняется сопротивление воды между погруженными однополюсными электродами.

Конструкция датчика: один маленький и два длинных электрода, закрепленные в коробке зажимов. Тот что меньше — контакт верхнего уровня воды, длинные — нижнего. С реле и схемой насоса электродный датчик уровня соединяется проводами.

Когда вода контактирует с маленьким электродом, насос выключается. И включается при понижении уровня до длинных электродов.

В зависимости от конструкции бывают:

• Одностержневыми. Применяются в тех ситуациях, когда бак, емкость или цистерна для хранения рабочей среды имеют проводящие стенки. Роль стенки — контрольный электрод. Такие приборы контролируют одно значение уровня.
• Многостержневыми. В их конструкции несколько электродов, что позволяет отслеживать несколько контрольных точек.

Если стены резервуара не проводящие, то применяется уровнемер с дополнительным контрольным электродом. Контакты устройства, расположенные в воде, могут окисляться. Для уменьшения этого влияния используется нержавеющая сталь или стержни графита.

Гидростатические

Принцип работы этих уровнемеров — измерение давления или перепада давления в жидкости. В рабочей среде действует гидростатическое давление, и оно меняется в зависимости от погруженности. Одна мембрана устройства ставится на емкости, а вторая — в месте избыточного давления (закрытый резервуар) или на подаче атмосферного (открытый). Гидростатический датчик подходит для контроля уровня вязких жидкостей. При этом чувствительный элемент прибора контактирует с измеряемой средой.

Бывает два вида конструкции:

• Погружной преобразователь давления. Имеет вид двух блоков, соединенных компенсационным кабелем. Измерителем выступает погружной зонд. Применяют такой датчик уровня воды в скважине, колодце, водоеме и других открытых источниках. Материалы изготовления: корпус — полимерный или стальной, мембрана — стальная или керамическая. В компенсационном кабеле размещается трубка опорного давления, выполненная из тефлона, полиуретана или ПВХ.
• Врезной преобразователь давления. Устанавливается на стенку резервуара в горизонтальном положении. Бывают контактные и бесконтактные датчики измерения уровня жидкости, с открытой торцевой мембраной.

Погружные устройства основываются на измерении гидростатического давления. При помощи этого метода определяется высота столба воды в зависимости от давления, действующего на стенки сосуда или его дно.

Гидростатический уровнемер применяется, если нужно измерить столб жидкости глубиной до 250 м. Есть устройства специального исполнения — для глубоководных замеров.

Радарные

Универсальные сигнализаторы, которые применяются для замера уровня любых технических сред. Жидкость может быть агрессивной и взрывоопасной, при этом ни давление, ни температура не отражаются на показателях.

Принцип работы не сложен. От датчика исходят радиоволны узкого диапазона (несколько ГГц), в это время приемник ловит сигнал и, основываясь на времени задержки, определяет насколько заполнена емкость. Давление, температура и свойства рабочей среды не оказывают влияния на измеритель. То же самое касается и запыленности. Радарные датчики — высокоточные приборы с погрешностью не больше 1 мм.

Сегодня это один из технологичных и совершенных методов измерения, о чем говорят его преимущества:

• отсутствуют подвижные элементы;
• бесконтактный способ замера;
• универсальный (практически для любых сред, независимо от условий);
• высокоточный.

Вот только стоят такие уровнемеры недешево.

Ультразвуковые

Ультразвуковой датчик замера уровня жидкости работает по методу возвращенного сигнала, как радарный. Его устанавливают в верхней части резервуара, параллельно поверхности рабочей среды. Прибор посылает и принимает импульсы, замеряя, за сколько времени проходит сигнал. Дальнейший расчет параметров основывается на полученных данных.

Ультразвуковые устройства применяются для контроля уровня воды в условиях производства, где установлены огромные резервуары. С их помощью удаленно определяется точное число канализационных стоков и сточных вод. При достижении жидкостью максимального уровня, прибор сигнализирует о проблеме по СМС, GSM или GPS.

Предназначены для работы с водой и другими жидкостями. Измерять уровень сыпучих веществ ими не получится. Чтобы прибор работал точнее, требуется компенсация внешних воздействий (ветер, вода с пенным слоем).

Кондуктометрические

Кондуктометрические датчики предназначены для замера уровня электропроводящей жидкости, имеющей проводимость более 0,2 См/м. Речь идет о питьевой и технической воде, слабых щелочных растворах, кислотах, сточных водах и питьевых жидкостях (квас, пиво).

Принцип их работы: жидкость, достигшая определенной отметки, приводит к замыканию электрода датчика на корпус емкости или электрод самого измерителя. В результате в цепи датчика образуется электрический ток. Из-за замыкания цепи срабатывает реле, управляющее схемой.

Кондуктометрический датчик уровня способен работать при температурах рабочей среды до +350 градусов Цельсия и давлениях не более 6,3 МПа, все зависит от того, из какого материала сделан изолятор электрода. С помощью этих измерителей контролируют один или несколько уровней (одно- или многоэлектродные). Их принцип сводится к тому, что у жидкости иная электропроводность, чем у воздуха, что и фиксируют электроды.

Простейшим видом такого датчика являются электроды из нержавейки, один из которых помещается в емкость, контактируя с жидкостью, а другие используются в качестве сигнальных.

Оптические

Эти измерители, чтобы обнаружить уровень жидкости, ориентируются на видимый инфракрасный или свет лазера. Основа их работы заключается в том, что измеряемая субстанция пропускает, отражает и преломляет лучи света.

Бывают контактные и бесконтактные устройства. Бесконтактные системы работают так: свет направляется на поверхность жидкости, а отраженные лучи фиксирует фотоэлемент. Если система состоит из нескольких фотоэлементов, это позволяет обнаруживать рабочую среду на разных уровнях. Оптические приборы популярны за счет высокой точности и практически мгновенному отклику.

С их помощью обнаруживают высокий уровень пены или специфические материалы. Также они позволяют определить, достигла ли наблюдаемая среда необходимой вязкости, плотности, прозрачности или уровня теплопроводности.

Как выбрать измеритель

Разнообразные датчики применяются для отслеживания уровня воды и водных растворов, нефтепродуктов и смазочных материалов, пищевых напитков и соков. Если корпус устройства достаточно защищен или применяется бесконтактный замер, то можно отслеживать уровни щелочи, кислоты, вязкой или агрессивной среды. Один тип датчика может быть применен в разных условиях.

Для замера уровня воды и любых невязких жидкостей лучше пользоваться ультразвуковыми, поплавковыми, вибрационными, оптическими, емкостными и гидростатическими сигнализаторами и уровнемерами. Для кислотных растворов подойдут емкостные, вибрационные и герконовые устройства. Пенные и липкие среды удобно контролировать емкостными радиочастотными приборами. Если рабочая среда с высокой вязкостью, пользуются вибрационными или ультразвуковыми бесконтактными разновидностями.

Что и в какой последовательности нужно учитывать, чтобы выбрать конкретное устройство:

1. Состав и физико-химические свойства рабочей среды.
2. Особенности резервуара для хранения (объем, форма, из чего сделаны стенки). Есть датчики, подразумевающие врезку в стенки, но не каждая емкость подойдет для таких целей.
3. Требуется постоянный мониторинг или хватит сигнализации при достижении заданного уровня.
4. Будет ли интегрироваться прибор в общую систему контроля.

С бытовыми задачами успешно справляются энергонезависимые устройства, неприхотливые, надежные и долго служащие. Если цель — отследить уровень воды насоса, колодца, декоративного водоема или бассейна, подойдет поплавковый датчик. При необходимости постоянно замерять уровень воды в скважине, устанавливают уровнемеры гидростатического типа.

Способы изготовления датчика уровня воды своими руками

Датчик замера уровня воды при необходимости можно сделать своими руками. Самодельный прибор проигрывает в плане точности современным выпускаемым устройствам, но обходится намного дешевле. Сборка:

• Берутся выпрямительные диоды, с них аккуратно спиливается верхняя колба и получается трубчатое соединение.
• Сверлом 1,5 мм в корпусе соединения проделывается отверстие.
• Берут проволоку и продевают ее во фторопластовую трубку (ее толщина должна равняться диаметру отверстия — 1,5 мм).
• Один вывод шнура запаивается, а второй заклеивается клеем. Образуется «петля».

Внутренний проводник можно увеличить в размерах. Готовое устройство соединяют со схемой и подключают к индикатору. Им может выступить стрелочный циферблат или компактный монитор.

Есть еще один способ сделать датчик уровня воды, например, для управления насосом. Так как в скважине, колодце или любом другом резервуаре вода накапливается, насос следует автоматизировать — сделать так, чтобы он сам выключался после заполнения. Собирается уровнемер из магнитного пускателя с катушкой на 220 В и двух герконов: минимальный идет на замыкание, максимальный — размыкание. Как это работает:

1. Набирается вода, в это время поднимается поплавок с магнитом.
2. Жидкость доходит до геркона, выставленного на максимальном уровне. Под воздействием магнитного поля он размыкается, отключается катушка пускателя и как итог — обесточивается двигатель насоса.
3. Действует это и в обратном порядке. В резервуаре кончается вода, в это время опускается поплавок и, когда он доходит до минимального уровня, контакты геркона замыкаются. Подается напряжение на катушку — включается насос.

Такой простой датчик может служить годами. Необходимые детали можно отыскать практически в любом городе, не говоря о Москве.

Заключение

Датчики уровня жидкости — порой незаменимые устройства. Несмотря на маленький размер, им отведена ответственная задача: отслеживание уровня жидкости в резервуарах, обнаружение утечки или перезаполнения, сигнализация разных уровней наполненности и так далее. Уровнемеры используются не только в быту, но и на крупных предприятиях: производства продуктов питания, химические, фармацевтические промышленности, топливно-энергетические отрасли.

Видео по теме