Принцип работы датчика уровня жидкости

Содержание

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.

Схема подключения герконового датчика уровня воды

Герконовые переключатели являются маломощными устройствами и неспособны коммутировать большие токи, поэтому они не могут быть использованы непосредственно для отключения и включения насоса. Обычно они задействованы в низковольтной схеме коммутации работы мощного реле насоса, помещенной в шкаф управления.

На рисунке представлена простейшая схема с датчиком, реализующая управление дренажным насосом в зависимости от водного уровня при откачке, состоящая из двух герконов SV1 и SV2.

При достижении жидкостью верхнего уровня магнит с поплавком включает верхний геркон SV1 и на катушку реле P1 подается напряжение. Ее контакты замыкаются, происходит параллельное подключение к геркону и реле самозахватывается.

Функция самозахватывания не дает возможность отключиться питанию катушки реле при размыкании контактов включающей кнопки (в нашем случае это геркон SV1). Это происходит в том случае, если нагрузка реле и его катушка подключены в одну цепь.

Напряжение поступает на катушку мощного реле в цепи электропитания насоса, его контакты замыкаются и электронасос начинает работать. При падении уровня воды и достижении поплавка с магнитом нижнего геркона SV2 он включается и на катушку реле P1 с другой стороны также подается положительный потенциал, ток перестает течь и реле P1 отключается. Это вызывает отсутствие тока в катушке силового реле P2 и как следствие прекращение подачи напряжения питания на электронасос.

Читайте также:  Перемычка шунтирующая длина провода м 0 2

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.

Как и уровнемеры-сигнализаторы (выключатели) предельного уровня жидкости датчики непрерывного контроля уровня жидкости бывают контактными и бесконтактными по способу размещения измеряющего элемента датчика уровня жидкости относительно измеряемой среды, моноблочными и модульными в зависимости от компоновки и взаимного расположения блока измерения и блока преобразования/регистрации полученных данных, работают на базе основных физических методов измерения – емкостном, фазово-емкостном, фотоэлектрическом, электроконтактном, гидростатическом, радиоволновом, ультразвуковом, механическом, электромеханическом или их комбинациях.

Ключевыми преимуществами средств (датчиков) непрерывного контроля уровня жидкости в сравнении с уровнемерами-сигнализаторами предельного уровня является возможность непрерывного контроля уровня заполнения резервуара/емкости и полная интеграция датчиков уровня жидкости в системы автоматизации производственно-технологических процессов, что дает возможность, как настройки, получения/обработки результатов дистанционно по коммуникациям цифровых сетей, так и контролируемой автоматикой коммутации датчиков с исполнительными механизмами/устройствами (мешалками, запорной арматурой, электронасосами).

На отечественном рынке средств контроля и измерения можно купить датчик уровня жидкости на базе практически всех известных физических способов, но наиболее популярны на текущий момент зонды и датчики непрерывного контроля уровня жидкости: поплавковые (и буйковые), в том числе герконовые датчики уровня жидкости (около 24% объема продаж), вибрационные датчики уровня жидкости (около 21%), гидростатические, кондуктометрические, емкостные датчики непрерывного контроля уровня жидкости (20%, 5% и 15% соответственно), средства и датчики непрерывного контроля уровня жидкости на основе измерения и регистрации времени прохождения сигнала (радиоволновые, направленного электромагнитного излучения, ультразвуковые – порядка 15%).

Контактные датчики непрерывного измерения уровня жидкости.

Механические датчики уровня жидкости.

Простейший контактный датчик контроля уровня жидкости – буйковый и построен на механическом способе измерения глубины погружения буйка.

Равновесие сил на погруженном в жидкую среду буйке описывается уравнениями: F(A) – F(G) + F(R) = 0; F(A) = g*(V1*p1 + V2*p2); F(G) = g*m(s), где F(A) – подъемная сила, F(G) – сила тяжести буйка, F(R) – сила реакции измерительного прибора, p1 и p2 – плотности жидкой среды и воздуха соответственно, V1 и V2 – частичные объемы буйка в жидкости и воздухе соответственно (V1 + V2 = Vбуйка). Изменение частичных объемов буйка при известном сечении буйка позволяет определять глубину его погружения в жидкость: ∆ V1 = – ∆ V2 = – А*∆Н, где А – площадь сечения буйка.

Как правило, такие буйковые датчики оборудуются механическим способом передачи и регистрации данных, используются для измерения уровня жидкости в открытых резервуарах с однородными и не налипающими на измерительный элемент жидкими средами.

Достоинства механических датчиков уровня жидкости: простота конструкции, установки, регистрации.

Недостатки механических датчиков уровня жидкости: невысокая точность измерения, существенная зависимость от температуры среды, давления воздуха, вязкости, химической агрессивности, физической однородности жидкости, скорости заполнения/опорожнения резервуара.

Гидростатические датчики непрерывного измерения уровня жидкости.

Контактные датчики непрерывного измерения уровня жидкости такого типа основаны на измерении и регистрации изменений гидростатического давления жидкой среды на дно резервуара/емкости (p), которое зависит от высоты столба среды над измерительным элементом датчика (h) и плотности жидкой среды (ρ), и для неподвижных сред определяется уравнением p=ρ*g*h, откуда соответственно h=p/(ρ*g). Наиболее распространены сегодня мембранные датчики гидростатического давления и гидростатические зонды.

Типовые гидростатические зонды имеют встроенный преобразователь сопротивления из проволоки специального материала для определения температуры в месте измерения, измерительный элемент с керамической диафрагмой, смещающейся при изменении давления на 0,005 мм, а также специальную трубку для компенсации давления на тыльной стороне диафрагмы.

Перемещение диафрагмы под воздействием давления столба жидкой среды вызывает изменение емкости измерительного элемента, которое преобразуется электронным блоком в регистрируемые электрические сигналы, пропорциональные текущим значениям давления и, соответственно высоты столба/уровня жидкости в резервуаре.

Мембранные гидростатические датчики непрерывного измерения уровня жидкости имеют чувствительный измерительный элемент – керамическую или металлическую диафрагму и емкостной первичный преобразователь, могут исполняться в виде моноблока или зонда с чувствительным элементом на тросе или стержне, устанавливаться снизу, сбоку резервуара или подвешиваться/фиксироваться на крышке резервуара/емкости.

Читайте также:  Анкерные болты по бетону размеры гост

Достоинства мембранных датчиков гидростатического давления и гидростатических зондов: высокая точность измерений, могут использоваться для контроля уровня загрязненных жидкостей, в том числе с осадком и слоем плавающих фракций, не имеют подвижных деталей/узлов, просто монтируются и обслуживаются.

Недостатки мембранных датчиков гидростатического давления и гидростатических зондов: точность измерений зависит от стабильности среды (уровень подвижных сред регистрируется с ошибками), необходима компенсация атмосферного давления на чувствительном элементе, зависимость точности измерений от плотности жидкой среды.

Емкостные контактные датчики непрерывного измерения уровня жидкости.

Емкостные контактные датчики непрерывного измерения уровня жидкости, как правило исполняют в виде погружных зондов (см. рис. ниже) с частично или полностью изолированным электродом (1 на рис. ниже), трубчатым электродом (2 на рис. ниже), электродом в виде тросика (3 на рис. ниже), электродом противоположного знака (4 на рис. ниже), электродом в виде металлической ленты (5 на рис. ниже). Вторым электродом «конденсатора-резервуара» служит корпус (6 на рис. ниже).

По сути, при таком способе измерения уровня жидкости в резервуаре одновременно анализируются емкости двух «конденсаторов» (или многослойного конденсатора), образованных зондом и корпусом резервуара – конденсатора с воздухом (выше уровня жидкости) и конденсатора с жидкой средой, имеющей свою относительную диэлектрическую проницаемость.

Достоинства емкостных погружных зондов (датчиков) непрерывного измерения уровня жидкости: отсутствие подвижных элементов/узлов, простота монтажа/обслуживания, достаточно высокая точность измерения уровня сравнительно неподвижных однородных сред без слоя плавающих фракций.

Недостатки емкостных погружных зондов (датчиков) непрерывного измерения уровня жидкости: зависимость точности измерений от подвижности, температуры среды, наличия слоя плавающих фракций, необходимость использования токов высокой частоты при измерении емкости, практическая непригодность для измерения сильнозагрязненных сред с крупными фракциями из разных материалов, имеющих различную относительную диэлектрическую проницаемость.

Справка: Аналогичную конструкцию и способ монтажа, а также почти идентичные достоинства/недостатки имеют погружные зонды – кондуктометрические датчики непрерывного измерения уровне жидкости, регистрирующие изменения электрического сопротивления «двухслойной» среды – воздуха над жидкостью и жидкости.

Погружные магнитные зонды (герконовые датчики) непрерывного измерения уровня жидкости.

Погружные магнитные зонды непрерывного измерения уровня жидкости или герконовые датчики конструктивно исполняют в виде направляющей трубы с модулями язычковых герметизированных контактов (ГерКон – ГЕРметизированныйКОНтакт), замыкаемыми или размыкаемыми магнитным полем тороидального магнита, установленного в двигающимся по направляющей трубе поплавке.

Рис. Погружные магнитные зонды (герконовые датчики) непрерывного измерения уровня жидкости

Достоинства погружных магнитных зондов – герконовых датчиков непрерывного измерения уровня жидкости: простой принцип действия, монтаж и обслуживание, нет необходимости в регулировках по месту установки, малая чувствительность к дисперсности, загрязнениям, турбулентности, температуре измеряемой среды.

Недостатки погружных магнитных зондов – герконовых датчиков непрерывного измерения уровня жидкости: подъемная сила определяется размерами поплавка, зависимость точности измерений от плотности измеряемой среды, ограничения по длине направляющей трубы (обычно не более 3 м) и плотности измеряемой среды (не менее 0.6 г/см3), плохая пригодность к измерениям сильно загрязненных сред с налипающими фракциями.

Контактные датчики непрерывного контроля уровня жидкости на базе метода направленного электромагнитного излучения.

Контактные датчики непрерывного контроля уровня жидкости на базе метода направленного электромагнитного излучения используют способ измерения коэффициента отражения электромагнитных волн посредством совмещения прямого и отраженного испытательных сигналов (time-domain reflectometry). В отличие от микроволновых радарных датчиков (см. ниже) на базе метода измерения и регистрации времени прохождения сигнала (генерируемых передатчиком электромагнитных волн) в контактных датчиках непрерывного контроля уровня жидкости на базе метода направленного электромагнитного излучения генерируемый микроволновой поток фокусируется специальным волноводом (погружным зондом) в виде троса или стержня, благодаря чему практически полностью нивелируются основные недостатки ультразвуковых и электромагнитных (радарных) бесконтактных датчиков – сильное рассеивание излучаемого сигнала в резервуара и снижение точности измерений из-за ложных показаний отражений от стенок резервуара.

Достоинства контактных датчиков непрерывного контроля уровня жидкости на базе метода направленного электромагнитного излучения: универсальность (используются для измерения уровня и сыпучих, и жидких сред), высокая точность измерения даже при наличии на поверхности среды пены (плавающих фракций), возможность эффективного нивелирования паразитных отражений от стен резервуара, арматуры, наростов, независимость измерений от плотности, диэлектрической постоянной, проводимости, химической агрессивности, температуры, давления среды, а также пыли, тумана в воздухе над измеряемой жидкой средой.

Недостатки контактных датчиков непрерывного контроля уровня жидкости на базе метода направленного электромагнитного излучения: диэлектрическая постоянная жидкой среды должна быть больше 1.6, клейкие вещества в среде могут привести к отказам в работе, жесткие требования к монтажу (см. рис. ниже).

Бесконтактные датчики непрерывного контроля уровня жидкости.

Наиболее популярные на текущий момент бесконтактные датчики непрерывного контроля уровня жидкости базируются на методах измерения и регистрации времени прохождения сигнала – ультразвукового или электромагнитного и соответственно этому делятся на ультразвуковые датчики непрерывного контроля уровня жидкости и радарные электромагнитные датчики (микроволновые радарные уровнемеры).

Бесконтактные ультразвуковые датчики непрерывного измерения уровня жидкости в большинстве случаев располагают вверху резервуара, уровень жидкости определяется, как разность расстояний от крышки до дна резервуара и от излучателя/приемника ультразвуковых волн по поверхности измеряемой среды, а расстояние от излучателя/приемника ультразвуковых волн по поверхности измеряемой среды – по времени прохождения ультразвуковой волны от передатчика датчика к поверхности среды и обратно к приемнику-регистратору.

Читайте также:  Источник постоянного напряжения обозначение на схеме

Ультразвуковые датчики исполняют с одной (передатчик одновременно является приемником ультразвука) или двумя головками (отдельные передатчик и приемник ультразвука), что минимизирует границу «слепой зоны» – расстояния от датчика до среды, при котором излучаемый и обратный сигнал накладываются друг на друга. Все ультразвуковые датчики непрерывного измерения уровня жидкости характеризуются значительным рассеиванием излученного сигнала, что приводит к появлению существенного числа паразитных отражений от стенок, арматуры и конструктивных элементов корпуса, наслоений на стенках и пр.

Достоинства ультразвуковых датчиков непрерывного контроля уровня жидкости: нет контакта с измеряемой средой, могут использоваться для измерения уровня сильнозагрязненных сред, малая зависимость от плотности измеряемой среды.

Недостатки ультразвуковых датчиков непрерывного контроля уровня жидкости: значительное рассеивание излучаемого потока ультразвуковых волн, что обуславливает большое количество паразитных сигналов, большая зависимость точности измерений от температуры, состава воздуха, наличия в нем пыли, грязи, водных паров, искажение результатов измерений при наличии пены на поверхности измеряемой среды, зависимость точности от турбулентности измеряемой среды, достаточно большие «слепые» зоны из-за сравнительно малой скорости ультразвука (в сравнении, например, с микроволновым электромагнитным излучением).

Таблица. Время прохождения расстояний ультразвуковыми и электромагнитными волнами.

Радарные электромагнитные датчики (микроволновые радарные уровнемеры) отличаются от ультразвуковых датчиков непрерывного измерения уровня жидкости: использованием передатчика/приемника микроволнового излучения электромагнитного спектра, меньшими размерами «слепой зоны» благодаря более высокой скорости прохождения через воздух электромагнитной волны, независимостью работы и измерений от пакета факторов, влияющих на распространение ультразвука в воздухе.

Достоинства и недостатки радарных электромагнитных датчиков непрерывного измерения уровня жидкости почти аналогичны датчикам на базе измерения и регистрации времени прохождения ультразвукового сигнала.

Содержание

Что такое датчик уровня воды «Геркон»

Геркон («герметичный контакт») представляет собой электронное устройство в виде вытянутой стеклянной колбочки с откачанным воздухом, в которой находятся два металлических ферромагнитных контакта. Контакты в обычном состоянии разомкнуты. Они замыкаются и замыкают цепь тогда, когда попадают в магнитное поле.

К преимуществам герконов отнесем:

  • надежность, которая в 100 раз больше, чем у обычных открытых контактов;
  • быстродействие;
  • срок службы, достигающий 5 млрд. срабатываний, намного превышает обычные контакты.
  • малая коммутируемая мощность;
  • малое число контактных групп в одном баллоне;
  • хрупкость стеклянного баллона;
  • чувствительность к внешним полям.

Преимущества Герконов намного превосходят его недостатки.


Прин

Как собрать датчик уровня воды

Вариант 1

Для сборки датчика уровня воды понадобится:

  1. два одноразовых шприца 10 мл и 2 мл;
  2. прозрачная гелевая ручка;
  3. неодимовый магнит небольшого размера;
  4. герконы — 2 шт.

Два Геркона необходимо для отслеживания повышения и понижения уровня воды. Если нужно контролировать либо повышение, либо понижение уровня, то достаточно одного Геркона. Если несколько Герконов установить последовательно, то можно отслеживать ступенчатое изменение уровня воды.

Подробную сборку и испытания датчика в работе можно посмотреть на видео в конце страницы.

Вариант 2

Еще один пример самостоятельного изготовления датчика уровня воды. Датчик был установлен на пластиковой трубе канализационного септика частного загородного дома. Назначение датчика — контроль заполнения резервуара септика сточной водой.

Работа датчика основана на перемещении магнита по оси, на которой закреплены два Геркона. При замыкании контактов Геркона включается световой сигнал определенного цвета, сигнализирующий о степени заполнения септика.

Когда поплавок находится в нижнем положении, горит светодиод зеленого цвета HL1 и работает второй Геркон. Уровень жидкости находятся ниже поплавка, ограниченного стопором, и контакты Геркона замкнуты магнитом. По мере заполнения септика и поднятия уровня сточной воды магнит перемещается и включает желтый светодиод HL2, отключив HL1. При максимальном уровне жидкости включается светодиод красного цвета HL3, а желтый отключится. Если поплавок или магнит несправны (поломка стопора, смещение магнита, опрокидывание поплавка), то гореть должен будет желтый светодиод. Если в схеме использовать реле, то можно применять его, как исполнительное устройство для более мощных нагрузок. Ко второму Геркону также можно подключить зуммер или сотовый телефон и т.д.

Материалы для изготовления датчика уровня воды

  1. муфта соединительная д. 50 мм, 2 шт.;
  2. заглушка д. 50 мм, 2 шт.;
  3. хомуты пластиковые, 2 шт.;
  4. профили пластиковые мебельные;
  5. кембрик термоусадочный д.30-40 мм;
  6. пластмассовая пластина т. 4-6 мм;
  7. заклепки 10 шт.;
  8. магнит неодимовый 1 шт.;
  9. герконы 3 контакта, 2 шт.;
  10. кнопка (выключатель) низковольтный 1 шт.;
  11. резистор 680-1,5к. 1 шт.;
  12. светодиоды, 3 шт.;
  13. провода низковольтные 5-и жильные;
  14. штекер 4 ножки;
  15. термоклей, силикон;
  16. питание 12В, батарейка на 3В.

Из инструментов понадобятся:

  • электродрель;
  • термопистолет;
  • строительный фен;
  • паяльник;
  • отвертки, пассатижи и т.д.

Схема датчика уровня воды

Схему датчика уровня воды для изготовления своими руками следует выбирать в зависимости от технологических задач, которые предстоит решать датчику, и условий, в которых он будет работать. Вариантами схем может быть светодиодная индикация, управление насосным оборудованием в автоматическом и ручном режиме, звуковая сигнализация и т.д. Любые варианты схем можно легко найти на интернет сайтах соответствующей тематики.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector