Изготовление ультразвуковых датчиков уровня жидкости своими руками и как подобрать нужный

Датчик уровня воды в условиях современной техники выполняет функцию одного из органов чувств человека. От того, насколько правильно удается управлять и контролировать состояние водного потока, зависит исправная работа всего механизма. Важность надежности устройства сенсора сложно переоценить, хотя бы потому, что прибор, контролирующий воду, как правило, становится тем самым «узким» звеном современной техники.

Конструкция и принцип действия

Независимо от того, какой принцип действия положен в основу устройства, работает ли оно только в режиме сигнализатора или параллельно выполняет функции сторожа, автомата или управляющего механизма, конструкция прибора всегда состоит из трех основных узлов:

• Чувствительного элемента, способного реагировать на характеристики водяного потока. Например, фактическое наличие воды, высота столба или уровень в баке, факт движения водяного потока в трубе или магистрали;
• Балластного элемента, уравновешивающего сенсорную часть датчика. Без балласта чувствительный сенсор срабатывал бы при малейшем толчке или случайной капле воды;
• Передающая или исполнительная часть, преобразующая сигнал сенсора, вмонтированного в датчик воды, в конкретный сигнал или действие.

Примерно 90% всей водной техники, так или иначе, связано с электрическими исполнительными механизмами – насосами, клапанами, нагревателями и управляющими электронными автоматами. Понятно, что такое устройство, работающее с водяными потоками, должно быть в первую очередь безопасным.

Из всех сигнальных систем датчик, контролирующий состояние воды, считается наиболее простым и доступным в настройке и ремонте. В отличие от сенсоров и устройств, работающих с измерениями температуры, давления или расхода, датчик воды очень просто контролировать с помощью простейших устройств, или, на крайний случай, увидеть уровень или прокачанный поток своими глазами.

Принцип действия

Датчик работает на явлении отражения ультразвуковой волны от границы жидкой и газовой сред. Прибор излучает звуковые колебания частотой более 20000 герц, принимает эхо и измеряет время прохождения сигнала. Расстояние до границы сред рассчитывается по формуле: R= tV/2, где t – время от начала излучения до приема эха, V — скорость звука. Необходимо делить на 2, потому что звуковые волны проходят двойную дистанцию между поверхностью жидкости и излучателем.

Скорость звука в воздухе — 331 м/сек. При изменении температуры этот показатель также меняется. Поэтому ультразвуковые сенсоры уровня имеют в конструкции термометр, показатели которого учитывается электронной схемой прибора при расчете значения уровня жидкости.

Виды датчиков уровня

Одним из условий успешной работы сенсора является высокая чувствительность датчика, чем выше, тем лучше, тем точнее удается считать контролируемый параметр воды. Поэтому в качестве величины, измеряемой сенсором, стараются выбирать ту, которая сильнее всего меняется за время измерения.

На сегодня существует около двух десятков различных способов и методов измерения механических характеристик воды, но все они используются для получения сведений:

• Высоты уровня водяного столба в емкости или баке;
• Скорости движения потока или расхода воды;
• Факта наличия-отсутствия воды в закрытой емкости, резервуаре, трубе или теплообменнике.

Разумеется, промышленные сенсоры могут быть достаточно сложными конструктивно, но используемые в них принципы работы такие же, как и в бытовой, садово-огородной или автомобильной технике.

Поплавковый тип датчика перелива

Наиболее простой способ измерять уровень воды используется в нехитрой механической конструкции, состоящей из герметичного поплавка, качающегося рычага или кулисы и запорного клапана. В данном случае датчиком является поплавок, балластом считается пружина и поплавковый утяжелитель, а исполнительным механизмом выступает сам клапан.

Во всех поплавковых системах датчик или поплавок регулируется на определенную высоту срабатывания. Вода, поднявшаяся в баке до контрольного уровня, поднимает поплавок и открывает клапан.

Поплавковая система может быть оборудована электрическим исполнительным устройством. Например, внутрь поплавкового датчика устанавливают вкладыш-магнит, при подъеме воды до рабочего уровня магнитное поле заставляет вакуумный геркон замыкать контакты, и тем самым включает или выключает электрическую цепь.

Поплавковый датчик может также выполняться по свободной схеме, как, например, в погружных насосах. В этом случае геркон замыкается не под воздействием магнитного поля вкладыша, а только за счет перепада давлений внутри корпуса насоса и на уровне поплавка. На сегодня магнитно-поплавковый датчик с электрическим исполнительным реле считается одним из самых безопасных и надежных вариантов контроля уровня жидкости.

Ультразвуковой сенсор

Конструкция датчика воды предусматривает наличие двух устройств – источника ультразвука и приемника сигнала. Звуковая волна направляется на поверхность воды, отражается и возвращается на датчик приемник.

На первый взгляд, идея использовать ультразвук для изготовления датчика контроля уровня или скорости движения воды выглядит не очень удачной. Ультразвуковая волна способна отражаться от стен бака, преломляться и создавать помехи в работе приемного датчика, а кроме того, потребуется сложное электронное оборудование.

На самом деле ультразвуковой сенсор для измерения уровня воды или любой другой жидкости помещается в коробку чуть больше пачки сигарет, при этом использование ультразвука в качестве датчика дает определенные преимущества:

• Возможность измерять уровень, и даже скорость воды при любой температуре, в условиях вибраций или движения;
• Ультразвуковой датчик может измерять расстояние от сенсора до поверхности воды даже в условиях сильного загрязнения, с переменным уровнем жидкости.

Кроме того, датчик может измерять уровень воды, расположенной на значительной глубине, при этом точность измерения достигается 1-2 см на каждые 10 м высоты.

Электродный принцип контроля воды

Тот факт, что вода обладает электропроводностью, успешно используется для изготовления контактных датчиков уровня жидкости. Конструктивно система представляет собой несколько электродов, установленных в емкости на разной высоте и соединенных в одну электрическую цепь.

По мере заполнения емкости водой жидкость последовательно замыкает пару контактов, что включает цепь управляющего реле насоса. Как правило, у датчика воды имеется два-три электрода, поэтому измерение потока воды получается слишком дифференцированным. Датчик сигнализирует лишь о достижении минимального уровня и запускает мотор насоса, или о полном заполнении емкости и отключает его, поэтому подобные системы используются для контроля резервных или поливных цистерн с водой.

Емкостной тип датчика воды

Конденсаторный или емкостной тип сенсора используется для измерения уровня воды в узких и глубоких емкостях, это может быть колодец или скважина. С помощью емкостного датчика можно определить высоту водяного столба в скважине с точностью до десятка сантиметров.

Конструкция сенсора состоит из двух коаксиальных электродов, фактически трубы и внутреннего металлического электрода, погруженных в ствол скважины. Вода заполняет часть внутреннего пространства системы, меняя тем самым его емкость. С помощью подключенной электронной схемы и катушки колебаний с кварцем можно точно определить емкость датчика и количество воды в скважине.

Радарный измеритель

Волновой, или радарный датчик используется для работы в наиболее сложных условиях, например, если нужно измерить уровень или объем жидкости в резервуаре, открытом водоеме, колодце несимметричной и неправильной формы.

Принцип действия не отличается от ультразвукового прибора, а использование электрического импульса позволяет выполнить измерение с большой точностью.

Гидростатический вариант сенсора

Один из вариантов гидростатического датчика приведен на схеме.

К сведению! Подобный сенсор используется в стиральных машинах и бойлерах, где очень важно контролировать высоту водяного столба внутри бака.

Гидростатический датчик представляет собой коробку с эластичной подпружиненной мембраной, делящей корпус датчика на два отделения. Одну из секций соединяют прочной полиэтиленовой трубкой со штуцером, впаянным в днище бака.

Давление водяного столба передается по трубке на мембрану и заставляет замыкаться контакты пускового реле, чаще всего для запуска исполнительного механизма используется пара — магнитный вкладыш и геркон.

Недорогие приборы промышленного производства

Существуют также недорогие модели датчиков контроля уровня жидкости, которые возможно приобрести в магазинах по цене около 2 тыс. рублей

Различные модификации АРС

Такие поплавковые датчики применяются, как правило, в водоёмах. Измерительная головка в приборах этого типа небольшая, что делает прибор компактным. Нагрузочная возможность применения, согласно инструкции по эксплуатации, может достигать 1 ампера. Ввод провода в устройства герметичный. Корпус сделан из пластика. Рабочий дифференциал срабатывания равен 45 градусам. Максимальное давление для корректной работы приборов — 3 бара. Стоимость около 2 тыс. рублей в зависимости от модификации.

Устройства контроля заполнения ёмкости «Кристалл»

Эти датчики поплавкового типа можно применять в агрессивных средах. Очень компактны. Измерительная головка 2.3 сантиметра в диаметре. Максимальное давление корректной работы достигает 3.3 бара. Проводной вход выполнен в виде пластикового уплотнителя. Приборы оснащены барьером искрозащиты. Могут работать в горячей среде. Цена чуть выше 2 тыс. рублей, в зависимости от модификации.

Приборы Burkle

Эти устройства предназначены для загрязнённых сред, но также могут быть использованы и в чистых водоёмах, и резервуарах с чистой водой. Максимальное давление корректной работы составляет 4.1 бара. Максимально возможная нагрузка равна 1А. Возможна работа в средах, нагретых до 170 градусов, в жидкостях плотностью до 3 кг на кв. см. Средняя цена прибора составляет 2200 рублей и зависит от незначительных модификаций, вносимых производителем.

Датчики Fine Tek и Wilo

Приборы Wilo поплавкового типа наиболее дёшевы, но функционально не предназначены для агрессивных сред применения и могут быть использованы только в чистой воде. Датчики обладают небольшими измерительными головками и имеют компактный вид. Максимальная температура использования равна 140 градусам. Рабочий дифференциал равен всего 30 градусам. Максимальное рабочее давление не превышает 2 бара. Цена таких датчиков колеблется в районе 1900 рублей.

Датчик давления воды

Гидростатическое давление определяется в условиях, когда поток или определенный объем воды находится в состоянии покоя. Чаще всего гидростатический сенсор используется в нагревательных и отопительных приборах – бойлерах, котлах отопления.

Устройство датчика давления воды

Такие устройства чаще всего работают в режиме триггера:

• При высоком давлении воды сенсор замыкает контакты реле и разрешает работу насоса или нагревателя;
• При низком давлении в сенсоре блокируется даже физическая возможность включения исполнительного механизма, то есть никакие удары или временные скачки напора не заставят устройство заработать.

При исправном датчике давления воды сенсор выдаст сигнал на запуск мотора, только если нагрузка на сильфон сохраняется более трех секунд.

Типовое устройство «умного» сенсора представлено на схеме.

Чувствительным элементом системы является диафрагма, соединенная с сильфоном, центральный шток может подниматься и опускаться в зависимости от величины давления, и тем самым менять емкость встроенного конденсатора.

Подключение датчика давления воды

Упрощенная модель сенсора используется в домашних системах «гидроаккумулятор — скважинный насос». Внутри прибора находится коробка с мембраной, соединенной с качающимся рычагом и двумя балансирующими пружинами.

Конструкция наворачивается на выходной штуцер гидроаккумулятора. С увеличением внутреннего давления мембрана поднимается и размыкает главную пару контактов, чтобы система исправно реагировала на давление воды, момент выключения и включения необходимо отрегулировать осадкой малой и большой пружины в соответствии с показаниями стрелочного манометра.

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.

Читать также: В каких микросхемах есть золото

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.

Датчик протечки воды

Уже из названия становится понятным, что речь идет об устройстве, фиксирующем наличие утечки воды из водопроводных коммуникаций. Принцип работы устройства напоминает электродную систему. Внутри пластиковой коробки в специальном кармане установлена одна или несколько пар электродов. В случае аварии скапливающая на полу вода затекает внутрь кармана и замыкает контакты. Срабатывает электронная схема, и по сигналу сенсора в работу вступают шаровые краны с электроприводом.

Понятно, что датчик, сам по себе, — вещь бесполезная, если используется без системы управления и автоматических отсекателей воды, установленных на вводе в дом или на одной из веток водопровода.

В качестве примера можно привести одну из наиболее популярных систем защиты — датчик протечки воды Нептун. В систему входят три основных блока:

• Сам датчик протечки Нептун в проводной или беспроводной модификации, обычно в комплект входит три отдельных сенсора;
• Шаровой кран с электроприводом, производства итальянской , в количестве двух штук;
• Блок управления «Neptun Base».

Наиболее ценная часть комплекта — автоматические краны, их выпускают для установки на полудюймовой и дюймовой трубной резьбе. Конструкция выдерживает давление до 40 Атм., а итальянское качество привода гарантирует не менее 100 тыс. циклов открывания-закрывания.

Сам датчик выглядит, как две латунные пластины в коробке, к которым подведено низковольтное напряжение с очень высоким сопротивлением входа, при замыкании сенсора ток ограничен 50 мА. Сама конструкция выполнена по протоколу IP67, поэтому является абсолютно безопасной для человека.

Установка беспроводных датчиков протечки воды

В системе «Нептун» датчик может быть удален от блока управления на расстояние более 50 м. В более совершенных беспроводных системах NEPTUN PROW+ вместо системы проводов используются датчики протечки воды, оборудованные модулем WF.

Блок управления оборудован защищенным от помех и влаги каналом, системой включения-выключения шаровых кранов. Считается, что никакие помехи или случайные капли влаги, конденсат не влияют на работу датчиков.

Коробки с сенсором протечки устанавливают на удалении от труб не более чем на 2 м, сенсоры нельзя экранировать металлической сантехникой или мебелью.

Беспроводной датчик протечки воды

Устройство беспроводного измерителя сложнее, чем обычного двухэлектродного варианта с проводным подключением. Внутри установлен контроллер, который непрерывно сравнивает ток, протекающий между электродами, с эталонным значением, зашитым в память. При этом эталонное значение «сухой пол» можно настраивать по собственному выбору.

Очень удобное решение, учитывая, что уровень влажности в ванной комнате может быть очень высоким, а регулярно выпадающий конденсат может привести к ложным срабатываниям.

Как только контроллер определяет уровень, соответствующий затоплению, прибор контроля воды отправляет на базовый блок сигнал об аварии. Наиболее продвинутые модели способны дублировать команду СМС-сообщением по GSM каналу.

Датчик протока воды

Во многих случаях для стабильной и безаварийной работы техники мало датчика наличия воды, требуется информация о том, движется ли поток по трубопроводу, какова его скорость и напор. Для этих целей используются датчики протока воды.

Виды датчиков протока воды

В бытовой и наиболее простой промышленной технике используют четыре основных вида датчиков протока:

• Напорный измеритель;
• Лепестковый тип сенсора;
• Лопаточная схема измерения;
• Ультразвуковая система.

Иногда используется устаревшая конструкция на основе трубки Пито, но для ее надежной работы требуется как минимум отсутствие загрязнений и ламинарный характер течения воды. Первые три датчика являются механическими, поэтому часто подвергаются засорению или водяной эрозии чувствительного элемента. Последний тип сенсора, ультразвуковой, способен работать практически в любых условиях.

Принцип работы ультразвукового измерителя можно понять из схемы. Внутри трубки расположен излучатель волн и приемник. В зависимости от скорости потока звуковая волна может отклоняться от первоначального направления, что и служит основанием для измерения характеристик потока.

Устройство и принцип работы

Простейшие лепестковые датчики потока работают по принципу гребного весла. В поток погружается лепесток, подвешенный на шарнире. Чем выше скорость потока, тем сильнее отклоняется лепесток датчика.

В более точных лопаточных датчиках применяется крыльчатка или турбинка из полиамида или алюминиевого сплава. В этом случае удается измерять скорость потока по частоте вращения подвижного элемента. Единственным недостатком является повышенное сопротивление, создаваемое лепестками и лопатками в потоке воды.

Напорный сенсор работает с использованием динамического давления потока. Под напором воды подвижный элемент с магнитным вкладышем выдавливается вверх, освобождая тем самым пространство для движения жидкости. Установленный в головке геркон моментально реагирует на магнитное поле вкладыша и замыкает цепь.

Датчик уровня воды своими руками

Простейший вариант устройства, способного сигнализировать о наполнении водой бака или любой другой емкости, приведен на схеме ниже.

Конструктивно определитель уровня состоит из трех металлических электродов, установленных на текстолитовой пластинке. Схема, собранная на обычном маломощном транзисторе, позволяет определять предельно допустимый верхний и нижний уровень воды в емкости.

Конструкция абсолютно безопасна в пользовании и не требует каких-либо дорогостоящих деталей или приборов управления.

Уровнемеры для непрерывного измерения уровня воды

Эти приборы непрерывно показывают степень заполнения ёмкости. Уровнемеры могут использоваться для:

• мониторинга количества воды в различных резервуарах,
• дозирования,
• управления технологическими процессами.

Большинство уровнемеров (за исключением микроволновых, акустических и радарных) используют для измерения зонд, погружённый в жидкость. Именно здесь начинаются различия принципов действия. В нашем каталоге представлены уровнемеры paзличнoгo назначения. Выбор нужного зависит от многих факторов, таких как: тип емкости, условия и место эксплуатации и т.д.