Контроль уровня воды в емкости

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.

Область применения датчиков уровня воды

• 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.

Рис. 1 Принцип действия поплавкового датчика уровня (ПДУ)

• 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.

Виды датчиков уровня воды

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. 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. 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.

Покупая пластиковые резервуары для душа или для полива мы чаще всего надеемся на прогрев воды естественным способом – с помощью солнечных лучей. При этом, вода в бак должна доливаться автоматически из общего водопровода, по мере ее расхода. Если в первом случае с баком для воды это немного проблематично учитывая его плоские формы, то те, у кого есть пластиковая бочка для полива и некоторые комплектующие, без труда смогут собрать оборудование, автоматически регулирующее уровень воды в емкости на вашем участке.

В реалии, все сводится к использованию электрических или механических средств. Все зависит от стоимости системы и вашего выбора. Простой пластиковый поплавок, который контролирует уровень воды в емкости по принципу туалетного, бачка обойдется не дорого и не требует никакого электричества. Он обеспечивает контроль уровня воды в баке, и по мере его понижения доливает необходимое количество воды. Однако производитель в паспорте изделия дает ограничения на установку его в систему с давлением до 5 бар (В данном случае подразумевается статическое давление в трубе при закрытом кране). Поэтому он подходит не для всех систем водоснабжения. На этот параметр стоит обратить внимание.

Система, которая обеспечивает контроль уровня воды в баке при давлении до 10 бар, весьма популярна и хорошо себя зарекомендовала в инженерных системах. Она состоит из электрического поплавка на гибком трехжильном проводе, сетчатого фильтра и электромагнитного клапана. В место клапана можно применять электрический шаровой вентиль. Функционал работы системы при этом не изменится. Фильтр ставится в начале системы, далее монтируется электромагнитный клапан или вентиль, после трубопровод подсоединяется к верхней части емкости с помощью отвода из бака. Электрический поплавок подсоединяется к клапану и контролирует его открытие или закрытие, по мере того как меняется уровень воды в емкости.

Такая система энергозависима и требует постоянного источника питания на 24 или 220 В. В садовых условиях это не всегда возможно, особенно когда речь идет о небольшом садовом участке или огороде в поле. Поэтому простейшая система в которой применяется калапан поплавковый весьма удобна и популярна.

К недостаткам использования механического поплавка также следует отнести его малую пропускную способность. При заборе воды по врезке в 32 мм приток воды мы получаем всего из 10 мм отверстия механического поплавка. В этом случае энергозависимая система была бы кстати и весьма уместна. Но если нет таковой возможности, то на практике рекомендуется ставить два механических поплавка на одну емкость. Таким образом, мы увеличиваем приток воды в два раза, не меняя при этом параметров его водозабора. Быстрое наполнение резервуара обеспечивает минимальные сроки прогрева воды, а значит полив теплой водой возможен не только утром, но и в вечернее время, как это и положено.

При доливе воды в емкость не забывайте заботиться о ее предварительной очистке и фильтрации. Вода из водоема имеет органические взвеси из водорослей и песка. Сетчатые фильтры быстро забьются, и не буду обеспечивать нужной пропускной способности. Рекомендуется использовать дисковые или песчано-гравийные фильтры с обратной промывкой ручного или автоматического типа.

Следует помнить, что уровень воды в емкости должен контролироваться автоматически и при сбое работы оборудования оставаться на прежнем месте. Перелив воды из бака в помещении может привести к затоплению, а постоянное вытекание воды из емкости на участке приведет к подтоплению почвы и гибели многих видов растений. Средства, обеспечивающие контроль уровня воды в баке должны подбираться и монтироваться специалистами, а так же подлежать сезонному сервисному обслуживанию. Замена элементов контроля уровня воды – это гарантия безопасности вашего участка и загородного дома.

Для владельцев частных домов и дач очень важно знать количество оставшейся воды в скважинах, колодцах, котлах системы отопления. Это необходимо, чтобы не остаться без воды в самый неподходящий момент. Для этого мы предлагаем установить в этих емкостях для измерения предельного уровня воды датчики, оповещающие о заполнении или опустошении.

Контроль уровня воды в скважине

Уровень воды в скважине очень важно отслеживать и контролировать с целью продления срока службы погружного насоса. Для того чтобы знать моменты наполнения и опустошения скважины и предотвратить сухой ход насоса, вы можете купить датчики уровня воды.

Но из-за малого пространства для установки и работы сигнализаторов следует выбрать либо погружные гидростатические датчики уровня, либо кондуктивные сигнализаторы. Подробнее об измерении уровня читайте в статье: «Датчики динамического уровня воды в скважине».

Контроль уровня воды в колодце

Использование колодца в качестве источника водоснабжения также требует доставки воды до дома либо до промежуточного резервуара с целью ее дальнейшего хранения, что требует установки погружного насоса. А, соответственно, возникают те же проблемы, что и в скважине (сухой ход насоса и перелив).

Существует множество решений, где в колодце датчики уровня воды управляют насосами. С одним из самых дешёвых способов вы можете ознакомиться в статье: «Применение датчиков уровня воды в колодцах».

Контроль уровня сточных вод

Владельцам частных домов очень важно знать, когда заполнится выгребная яма, для того чтобы заказать соответствующие услуги по её опустошению. Так как в решении данной задачи нам не требуется знать точное количество сточных вод, то можно установить один поплавковый кабельный сигнализатор уровня на заполнение. Чтобы получать корректные данные об уровне сточных вод в колодце, сигнализатор должен быть выбран из материала, исключающего налипания.

Контроль уровня воды в отопительном котле

Если вы используете внутреннюю систему отопления, очень важно не остаться без горячей воды. Установки индикатора уровня воды будет более чем достаточно. Важным моментом, на который нужно обратить внимание, будут технические характеристики датчика по температуре.

Таким образом, после установки системы контроля за уровнем воды вы не останетесь без тепла и водоснабжения в самый неподходящий момент.

Подытожим: если вам не важна высокая точность при измерении количества воды, тогда большую часть задач могут решить сигнализаторы уровня.

Список деталей

• Транзистор можно применить любой из этих: КТ815А или Б. TIP29A. TIP61A. BD139. BD167. BD815.
• ГК1 – геркон нижнего уровня.
• ГК2 – геркон верхнего уровня.
• ГК3 – геркон аварийного уровня.
• D1 – любой красный светодиод.
• R1 – резистор 3Ком 0.25 ватт.
• R2 – резистор 300 Ом 0.125 ватт.
• К1 – любое реле на 12 вольт с двумя парами нормально разомкнутыми контактами.
• К2 – любое реле на 12 вольт с одной парой нормально разомкнутых контактов.
• В качестве источников сигнала для пополнения воды в ёмкость, я применил поплавковые герконовые контакты. На схеме обозначаются ГК1, ГК2 и ГК3. Китайского производства, но очень приличного качества. Ни одного плохого слова сказать не могу. В ёмкости, где они стоят, у меня происходит обработка воды озоном и за годы работы на них ни малейшего повреждения. Озон является крайне агрессивным химическим элементом и многие пластики он растворяет совершенно без остатка.

Теперь рассмотрим работу схемы в автоматическом режиме.
При подаче питания на схему, срабатывает поплавок нижнего уровня ГК1 и через его контакт и резисторы R1и R2 подаётся питание на базу транзистора. Транзистор открывается и тем самым подаёт питание на катушку реле К1. Реле включается и своим контактом К1.1 блокирует ГК1 (нижний уровень), а контактом К1.2 подаёт питание на катушку реле К2, которое является исполнительным и включает своим контактом К2.1 исполнительный механизм. Исполнительным механизмом может быть насос для воды или электрический клапан, которые подают воду в ёмкость.
Вода пополняется и когда превысит нижний уровень, выключится ГК1, тем самым подготавливая следующий цикл работы. Достигнув верхнего уровня, вода поднимет поплавок и включит ГК2 (верхний уровень) тем самым замыкая цепочку через R1, К1.1, ГК2. Питание на базу транзистора прервётся, и он закроется, выключив реле К1, которое своими контактами разомкнёт К1.1 и выключит реле К2. Реле, в свою очередь выключит исполнительный механизм. Схема подготовлена к новому циклу работы. ГК3 является поплавком аварийного уровня и служит страховкой, если вдруг не сработает поплавок верхнего уровня. Диод D1 является индикатором работы устройства в режиме наполнения воды.
А теперь приступим к изготовлению этого очень полезного устройства.

Размещаем детали на плату.

Все детали размещаем на макетной плате, чтобы не делать печатную. При размещении деталей, нужно учитывать, чтобы паять как можно меньше перемычек. Нужно максимально использовать проводники самих элементов для монтажа.

Схема управления уровнем воды запаяна.

Схема готова к испытаниям.

Подключаем к аккумулятору и имитируем срабатывание поплавков.

Всё работает нормально. Смотрите видео об испытаниях в работе этой системы.

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.