Для автоматизации многих производственных процессов необходимо контролировать уровень воды в резервуаре; измерение осуществляется с помощью специального датчика, который подает сигнал при достижении технологической средой определенного уровня. Без уровнемеров в быту обойтись невозможно; Ярким примером тому является запорный кран бачка унитаза или автоматическая система отключения колодезного насоса. Давайте рассмотрим различные типы датчиков уровня, их конструкцию и принцип работы. Эта информация будет полезна при выборе устройства для конкретной задачи или самостоятельном создании датчика.
Различные типы датчиков уровня
Конструкция и принцип действия
Конструкция измерительных блоков этого типа определяется следующими параметрами:
- Функционал, в зависимости от данного устройства, обычно делится на сигнализацию и уровнемер. Первый контролирует конкретную точку наполнения бака (минимальную или максимальную), а второй постоянно контролирует уровень.
- В основе принципа действия могут лежать: гидростатика, электропроводность, магнетизм, оптика, акустика и т д. Это собственно основной параметр, определяющий область применения.
- Метод измерения (контактный или бесконтактный).
Кроме того, особенности конструкции определяются характером технологической среды. Одно дело измерять высоту питьевой воды в баке, другое дело проверять наполнение баков для промышленных отходов. В последнем случае необходима соответствующая защита.
Виды датчиков уровня
В зависимости от принципа действия сигнализации принято разделять на следующие виды:
- поплавковый тип;
- использование ультразвуковых волн;
- устройства с емкостным принципом определения уровня;
- электрод;
- тип радара;
- работает по гидростатическому принципу.
Поскольку эти виды являются наиболее распространенными, давайте рассмотрим каждый из них отдельно.
Поплавковый
Это самый простой, но эффективный и надежный способ измерения жидкости в резервуаре или другой емкости. Пример реализации можно найти на рисунке 2.
Рис. 2. Поплавковый датчик управления насосом
Конструкция состоит из поплавка с магнитом и двух герконов, установленных в точках управления. Кратко опишем принцип работы:
- Контейнер опорожняется до критического минимума (А на рис. 2), при этом поплавок опускается до уровня, где находится геркон 2, он включает реле, подающее питание на насос, откачивающий воду из скважины.
- Вода достигает максимального уровня, поплавок поднимается в положение геркона 1, он срабатывает и реле отключается, вследствие чего двигатель насоса перестает работать.
Такой геркон довольно легко сделать самостоятельно, а его настройка сводится к настройке уровней включения-выключения.
Учтите, что если вы правильно выберете материал для поплавка, датчик уровня воды будет работать, даже если в резервуаре есть слой пены.
Ультразвуковой
Этот тип счетчика может использоваться как для жидких, так и для сухих сред и может иметь аналоговый или дискретный выход. То есть датчик может ограничивать наполнение при достижении определенной точки или контролировать его постоянно. Устройство включает в себя ультразвуковой передатчик, приемник и контроллер обработки сигналов. Принцип действия сигнализации показан на рисунке 3.
Рис. 3. Принцип работы ультразвукового датчика уровня
Система работает следующим образом:
- излучается ультразвуковой импульс;
- принимается отраженный сигнал;
- анализируется длительность затухания сигнала. Если бак полный, то его будет мало (А Рис. 3), а по мере опустошения он начнет увеличиваться (Б Рис. 3).
Ультразвуковой сигнализатор является бесконтактным и беспроводным, поэтому его можно использовать даже в агрессивных и взрывоопасных средах. После первоначальной настройки такой датчик не требует специального обслуживания, а отсутствие движущихся частей существенно продлевает срок его службы.
Электродный
Электродные (кондуктометрические) сигнализаторы позволяют контролировать один или несколько уровней электропроводящей среды (т е не подходят для измерения наполнения резервуара дистиллированной водой). Пример использования устройства показан на рисунке 4.
Рисунок 4. Измерение уровня жидкости кондуктометрическими датчиками
В приведенном примере использована трехуровневая сигнализация, где два электрода контролируют наполнение емкости, а третий – аварийный для включения режима интенсивной откачки.
Емкостной
С помощью этих сигнализаторов можно определить максимальное заполнение емкости, а в качестве технологической среды могут выступать как жидкие, так и сыпучие вещества смешанного состава (см рис. 5).
Рис. 5. Емкостный датчик уровня
Принцип действия сигнализатора такой же, как и у конденсатора: Емкость измеряется между обкладками чувствительного элемента. Когда оно достигает порогового значения, на контроллер подается сигнал. В некоторых случаях применяется конструкция «сухой контакт», то есть уровнемер работает через изолированную от технологической среды стенку резервуара.
Эти устройства могут работать в широком диапазоне температур, не подвержены влиянию электромагнитных полей и могут работать на больших расстояниях. Такие свойства существенно расширяют сферу использования вплоть до тяжелых условий эксплуатации.
Радарный
Этот тип сигнализатора по праву можно назвать универсальным, поскольку он может работать со всеми технологическими средами, в том числе агрессивными и взрывоопасными, а давление и температура не будут влиять на показания. Пример работы устройства показан на рисунке ниже.
Измерение уровня с помощью радарного датчика
Устройство излучает радиоволны в узком диапазоне (несколько гигагерц), приемник улавливает отраженный сигнал и по времени задержки определяет, насколько заполнен контейнер. На измерительный датчик не влияют давление, температура или природа технологической жидкости. Пыль также не влияет на показания, чего нельзя сказать о лазерных сигнализаторах. Также необходимо отметить высокую точность приборов этого типа; их погрешность не более миллиметра.
Гидростатический
Эти сигнализаторы могут измерять как максимальное, так и текущее заполнение резервуаров. Принцип их работы показан на рисунке 7.
Рисунок 7. Заполнение измерения гиростатическим датчиком
Устройство построено по принципу измерения уровня давления, создаваемого столбом жидкости. Приемлемая точность и невысокая стоимость сделали этот тип довольно популярным.
В рамках статьи мы не можем рассмотреть все виды сигнализаций, например, вращающиеся флажки для выявления сыпучих веществ (сигнал подается при застревании лопасти вентилятора в сыпучей среде, после предварительного вырывания ямы). Также нет смысла рассматривать принцип действия радиоизотопных счетчиков и тем более рекомендовать их для проверки уровня питьевой воды.
Как выбрать
Выбор датчика уровня воды в баке зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются:
- Состав жидкости. В зависимости от содержания посторонних примесей в воде может меняться плотность и электропроводность раствора, что, вероятно, отразится на показаниях.
- Объем бака и материал, из которого он изготовлен.
- Функциональное назначение емкости – сбор жидкости.
- Необходима необходимость контроля минимального и максимального уровня или мониторинга текущего состояния.
- Допускается интеграция в автоматизированную систему управления.
- Варианты обмена на агрегат.
Это далеко не полный список для выбора средств измерений данного типа. Естественно, для бытового использования можно существенно сократить критерии выбора, ограничив их объемом бака, типом работы и схемой управления. Значительное снижение требований дает возможность производить такое устройство самостоятельно.
Делаем датчик уровня воды в резервуаре своими руками
Допустим, есть задача автоматизировать работу погружного насоса для подачи воды на дачу. Как правило, вода течет в накопительный бак, поэтому мы должны обеспечить автоматическое отключение насоса при его наполнении. Для этой цели вовсе не обязательно приобретать лазерный или радарный указатель уровня; вам на самом деле не нужно ничего покупать. Простая задача требует простого решения, оно показано на рисунке 8.
Схема управления водяным насосом
Для решения проблемы необходим магнитный пускатель с катушкой на 220 Вольт и двумя герконами: минимальный уровень на включение, максимальный уровень на открытие. Схема подключения насоса проста, а главное безопасна. Принцип работы был описан выше, но повторим:
- По мере сбора воды поплавок с магнитом постепенно поднимается, пока не достигнет геркона максимального уровня.
- Магнитное поле размыкает геркон и выключает катушку стартера, обесточивая двигатель.
- По мере течения воды поплавок опускается до достижения минимальной отметки на противоположной стороне нижнего геркона, контакты замыкаются, и на пусковую катушку подается напряжение, подающее напряжение на насос. Такой датчик уровня воды в баке может работать несколько десятков лет, в отличие от электронной системы управления.
