Емкостный датчик уровня воды своими руками

Виды датчиков-уровнемеров для определения уровня жидкости в емкостях

Чтобы автоматизировать некоторые производственные процессы, требуется контроль уровня жидкости. Подобные измерения выполняются с применением специальных уровнемеров для емкостей, которые подают сигнал при достижении определенного уровня воды. Существует несколько типов этих приспособлений.

Конструктивные особенности и принцип работы

Конструкция измерителей уровня жидкости в резервуаре определяется такими характеристиками:

• Функциональностью. По этому параметру все измерительные устройства этого класса классифицируют на уровнемеры и сигнализаторы уровня жидкости. Последние определяют конкретную точку наполненности емкости (максимальную и минимальную), а первые — постоянно контролируют уровень жидкости.
• Принципом работы. В основу этого параметра заложена акустика, оптика, магнетизм, электропроводность и так далее. От принципа действия устройства зависит область его применения.
• Методика измерения (бесконтактная или контактная).

Кроме того, конструктивные особенности устройства определяют тип технологической среды. Например, уровнемеры в баках с питьевой водой отличаются от приспособлений, которые предназначены для измерения наполненности резервуаров с промышленными стоками.

Разновидности датчиков

Все уровнемеры классифицируются по принципу их действия. Основные типы измерительных устройств:

• Поплавковый. Это самый простой вариант измерения уровня воды в баке. Конструкция поплавкового уровнемера включает в себя 2 геркона, магнит и поплавок. Когда уровень жидкости увеличивается, поплавок поднимается до первого геркона, который отключает реле двигателя. Если резервуар опустошается, поплавок опускается до второго геркона, который запускает реле и включает насос, перекачивающий жидкость из скважины. Герконовый датчик предельного уровня жидкости можно сделать своими руками. При этом он будет работать, даже если в резервуаре будет объемный слой пены.
• Ультразвуковой. Эта разновидность измерительных устройств применяется как для сухой, так и для жидкой среды. Ультразвуковые датчики могут иметь дискретный или аналоговый выход. То есть приспособление может постоянно контролировать уровень воды или ограничивать наполнение емкости при достижении конкретной точки. Такой уровнемер состоит из приемника, УЗ-излучателя и контроллера, отвечающего за обработку сигнала. Сигнализаторы ультразвукового типа являются беспроводными и бесконтактными, поэтому их можно устанавливать даже во взрывоопасных и агрессивных жидкостях.
• Электродный (кондуктометрический). Такие уровнемеры не подходят для емкостей с дистиллированной водой. Стандартная конструкция оснащена трехуровневым сигнализатором, в котором наполнение резервуара контролирует пара электродов, а третий — предназначен для аварийных ситуаций, для запуска режима активной откачки.
• Емкостный. С использованием таких уровнемеров можно точно идентифицировать предельное наполнение резервуара. Они подходят как для жидкостей, так и для сыпучих субстанций. Емкостные уровнемеры функционируют по такому же принципу, что и конденсаторы: измерение выполняется между пластинками чувствительного элемента. При достижении пикового значения на контроллер отсылается соответствующий сигнал. Иногда емкостные сигнализаторы работают по принципу «сухого контакта», при котором устройство срабатывает через стенку резервуара. Эти приспособления могут эффективно работать в очень обширном диапазоне температур, на их функционирование не влияет электромагнитное излучение. Такие эксплуатационные свойства расширяют область использования емкостных уровнемеров.
• Радарный. Эта разновидность сигнализаторов является универсальной, так как она работает с любыми видами технологических сред, включая взрывоопасные и агрессивные жидкости. При этом показания не будут изменяться под воздействием температуры и давления. Прибор излучает радиоволны в определенном частотном диапазоне. Приемник улавливает отраженный радиосигнал и определяет заполненность резервуара, руководствуясь периодом задержки сигнала. На датчик-измеритель не влияет температура и давление. Запыленность технологической среды тоже не сказывается на показаниях. Специалисты отмечают, что радарные приспособления обладают максимальной точностью, так как их погрешность не превышает 1 мм.
• Гидростатический. Этот тип сигнализатора позволяет измерять как текущее, так и предельное наполнение емкостей. Принцип работы гидростатического устройства базируется на измерении давления столба жидкости. Популярность таких датчиков обусловлена небольшой ценой и достаточной точностью.

Существуют и другие типы устройств, но они обладают специфичным назначением.

Правила выбора

Выбирать уровнемер для резервуаров необходимо с учетом большого количества факторов. Среди них:

• состав воды;
• объем емкости и материал, который был использован для ее изготовления;
• потребность в контроле предельного и минимального уровня жидкости или мониторинг действительного состояния;
• возможность внедрения автоматического управления в систему;
• коммутационные возможности приспособления.

Для выбора бытовых устройств важно учитывать объем емкости, схему управления и принцип срабатывания.

Популярные модели

Современный рынок предлагает много моделей сигнализаторов. Самые популярные из них:

• ДЕ-1 (датчик емкостный). Чаще всего этот сигнализатор используется в агрессивных средах химической и металлургической промышленности. Он позволяет контролировать температуру и уровень сыпучих и жидких веществ. Нередко используется в установках аварийной защиты.
• ЭСУ-1 (электронный сигнализатор уровня). Корпус этой модели изготовлен из высококачественной стали и фторопласта. Чаще всего ЭСУ-1 устанавливают во взрывоопасных и агрессивных средах. Источник электропитания находится за пределами технологической среды. Датчик измеряет уровень нефти, спирта и воды. Блок питания выполнен из прочного алюминиевого сплава.
• РУ-305 (реле уровня). Этот прибор предназначен для контроля состояния жидких сред. Его корпус выполнен из особого материала и может с легкостью выдерживать температуры от -50 до +50 градусов Цельсия. Однако РУ-305 запрещается применять в агрессивных химических средах. Из недостатков этого уровнемера потребители отмечают лишь то, что он работает только в одном положении, без наклона. Измерение уровня осуществляется посредством перемещения магнита с поплавком и срабатывания герконом. Измерения имеют точность не более 5 мм.
• СУ-100 (сигнализатор уровня). Датчик для измерения уровня сыпучих и жидких веществ. В конструкции СУ-100 присутствует электромагнитное реле.
• Rosemount 5600. Этот радарный датчик уровня позволяет бесконтактно измерять любую разновидность веществ. Чтобы добиться максимально точных показаний, уровнемер необходимо правильно установить. Точность показаний устройства может ухудшаться из-за воздействия электромагнитного излучения. Корпус обладает взрывозащитной конструкцией и дисплеем, на котором отображается вся необходимая информация. Rosemount 5600 может использоваться для измерения температурных показателей в резервуаре. Чтобы в полной мере оценить возможности этого оборудования, ему необходима квалифицированная настройка с учетом диаметра трубопровода, длины уровнемера и расстояния между уровнем и опорной точкой.

Сложные модели целесообразно приобретать лишь для промышленного применения. Для бытовых целей подходят простейшие варианты уровнемеров.

Ёмкостный измеритель уровня жидкости

Контролировать уровень жидкости приходится и в дождевых бочках на даче, и в баках с нефтепродуктами, и во многих других случаях. Работа датчиков уровня основана на самых разных принципах. Используются и поплавки, плавающие на поверхности жидкости и механически перемещающие указатель уровня, и измерители электрического сопротивления между погружёнными в жидкость электродами, и оптические и ультразвуковые измерители расстояния до поверхности жидкости. В предлагаемой статье описан прибор, измеряющий уровень жидкости ёмкостным методом.

Этот метод заключается в измерении электрической ёмкости между двумя электродами, помещёнными в резервуар с жидкостью, которая покрывает их в большей или меньшей степени. С погружением электродов в жидкость ёмкость образованного ими конденсатора растёт, причём тем сильнее, чем больше относительная диэлектрическая проницаемость жидкости.

Описываемый ниже прибор позволяет измерять глубину погружения датчика в жидкость от 0 до 330 мм с дискретностью 1 мм. Имеется также режим измерения относительной диэлектрической проницаемости жидкости от 1 до 99. Кроме того, на индикатор могут быть выведены текущие значения частоты генератора датчика (или другого генератора) от 1 до 999 кГц и ёмкости датчика от 1 до 600 пФ. Выбор измеряемого параметра — ручной. Предусмотрена возможность калибровки прибора по глубине погружения, диэлектрической проницаемости и ёмкости.

Конструктивно прибор состоит из трёх узлов: выносного генератора с датчиком, погружаемым в жидкость, собственно измерителя и внешнего источника питания (рис. 1). Генератор соединён с измерителем трёхпроводным кабелем, по которому подаётся напряжение питания, а обратно в измеритель — генерируемый сигнал.

На рис. 2 изображена схема генератора, который построен на базе компаратора напряжения К554СА3А (DA2). Напряжение его питания 5 В стабилизировано интегральным стабилизатором КР142ЕН5А (DA1), поэтому внешнее напряжение питания может быть нестабилизированным и находиться в пределах от 9 до 12 В. Диод VD1 предназначен для защиты от переполюсовки питания. Частотозадающим элементом генератора служит колебательный контур, образованный ёмкостью датчика Cx и катушкой индуктивности L1. Компаратор охвачен положительной обратной связью через резистор R3. Рабочая точка компаратора задана делителем напряжения R1R2 и стабилизирована отрицательной обратной связью по цепи R4С4, не пропускающей переменную составляющую выходного напряжения компаратора. 
На выходной разъём XP1 генерируемые импульсы поступают через буферный усилитель на транзисторе VT1. Резистор R8 ограничивает ток транзистора при замыкании в его коллекторной нагрузке.

С такой катушкой генератор по применённой схеме работает даже с контурной ёмкостью 100000 пФ. А при отключённой ёмкости датчика Cx он возбуждается на частоте около 330 кГц, что соответствует ёмкости контура 20 пФ (15 пФ ёмкости катушки плюс 5 пФ входной ёмкости компаратора и ёмкости монтажа).

Схема измерителя, изображённая на рис. 3, довольно проста. Микроконтроллер DD1 воспринимает сигнал измерительного генератора по входу RA4, остальные линии его портов использованы для управления индикаторами HG1 — HG4 и приёма сигналов от кнопок управления SB1—SB3.

Напряжение питания 9.12В поступает от внешнего нестабилизированного источника. Потребляемый ток — до 200 мА. Прибор включают выключателем SA1. Дроссели L1 и L2 предназначены для устранения паразитной связи между генератором и измерителем через источник питания. Стабилизированное напряжение +5 В для питания микроконтроллера и индикаторов обеспечивает интегральный стабилизатор DA1.

Кварцевый резонатор ZQ1 и конденсаторы С1 и С4 — элементы тактового генератора микроконтроллера. Вход MCLR микроконтроллера через резистор R7 подключён к плюсовому проводу его питания. Это сделано для того, чтобы наводки на этот вход, имеющий высокое входное сопротивление, не приводили к неожиданным перезапускам микроконтроллера.

Индикация организована по классическому динамическому принципу. Низкие логические уровни, поочерёдно устанавливаемые программой на выходах RA0—RA3 микроконтроллера, включают с помощью транзисторов VT1 — VT4 семиэлементные светодиодные индикаторы с общим анодом HG1—HG4. Элементы индикаторов включаются в зависимости от уровней, устанавливаемых программой на линиях RB1—RB7.

Ввиду того что число выводов микроконтроллера ограничено, кнопки SB1 — SB3 пришлось подключить к линиям порта B, уже использованным для управления индикатором. Чтобы совместить две функции, программа каждые 0,2 с на очень короткое (несколько десятков микросекунд) время устанавливает на линиях RA0—RA3, RB2—RB5 высокие уровни напряжения, выключая этим индикаторы, а линии RB1, RB6 и RB7 перенастраивает с вывода на ввод сигналов. Теперь уровни на этих входах зависят от состояния соединённых с ними кнопок (высокий — кнопка нажата, низкий — кнопка не нажата). Определив состояние кнопок, программа возобновляет работу индикаторов.

В режиме индикации через резисторы R15—R17, предназначенные для поддержания низкого уровня на входах, соединённых с ненажатыми кнопками, протекает небольшой ток, который может вызвать подсветку соответствующих элементов индикаторов. Однако сопротивление этих резисторов выбрано достаточно большим, что делает её практически незаметной.

Резистор R4 — нагрузочный для измерительного генератора импульсов. Сигнал, сформированный на нём, через развязывающий резистор R6 поступает на вход RA4 микроконтроллера, переведённый программой в режим входа внешнего тактового сигнала T0CKI для таймера TMR0. Таймер настроен на счёт импульсов по их спадающим перепадам. Параллельно выходу генератора к входу RA4 подключён вывод RB0 микроконтроллера. В течение времени счёта, равного 0,1 с, RB0 работает в режиме входа, импульсы генератора свободно проходят наT0CKI. По завершении этого интервала программа переводит RB0 в режим выхода, низкое выходное сопротивление которого блокирует прохождение через резистор R6 импульсов генератора. Вместо них на вход T0CKI поступают импульсы, сформированные программно на выходе RB0. Каждый из этих импульсов увеличивает на единицу содержимое регистра предварительного делителя таймера, пока этот регистр не переполнится, что фиксируется по увеличению на единицу содержимого основного счётного регистра. Таким способом удаётся определить, каким было состояние недоступного программе предварительного делителя в момент окончания счётного интервала времени — младший байт числа импульсов генератора, пришедших на вход TOCKI в течение этого интервала. Далее цикл измерения повторяется.

Программа микроконтроллера написана на языке C в среде разработки программ MPLAB IDE версии 8.20, дополненной компилятором PICC версии 9.50 Lite. Программа производит инициализацию микроконтроллера, затем измеряет частоту сигнала, поступающего от генератора. Полученное значение обрабатывается цифровым фильтром для уменьшения влияния случайных помех. По нему программа вычисляет ёмкость датчика, а затем глубину погружения датчика в жидкость или её относительную диэлектрическую проницаемость. С периодом около 4 мс выполняются циклы динамической индикации, а каждые 200 мс происходит опрос состояния кнопок управления. Все действия, за исключением инициализации, выполняются в бесконечном цикле.

Процедура инициализации начинается после подачи питания на микроконтроллер. При этом линия RA4 конфигурируется как вход, а линии RA0—RA3 и RB0—RB7 — как выходы. Таймер TMR0 переводится в режим счёта спадающих перепадов импульсов, поступающих на вход RA4 (T0CNT), с предварительным делителем на 256, а таймер TMR1 — в режим счёта с предварительным делителем на восемь внутренних тактовых импульсов, следующих с частотой в четыре раза ниже частоты кварцевого резонатора ZQ1. Разрешаются прерывания по переполнению регистра таймера TMR1.

Далее программа читает из EEPROM калибровочные коэффициенты и рассчитывает коэффициент _k, необходимый для вычисления ёмкости датчика.

Для устранения случайных флюктуаций результата измерения применена его двухступенчатая цифровая фильтрация. Её первый этап ограничивает скорость изменения результата. Если очередное измеренное значение отличается от предыдущего больше, чем на хранящуюся в памяти микроконтроллера константу F_b, то за результат этого измерения принимается результат предыдущего, увеличенный или уменьшенный (в зависимости от направления изменения) на величину этой константы.

На втором этапе вычисляется среднее арифметическое результатов нескольких последовательных измерений, число которых задано константой S. Полученное усреднённое значение используется в дальнейших вычислениях.

При вычислении ёмкости Cu в пикофарадах частное от деления коэффициента _k на квадрат удесятерённого значения частоты в герцах делится на 1000. Такое усложнение вычислений необходимо для того, чтобы их результаты, в том числе промежуточные, представлялись целыми числами, не выходящими за пределы разрядной сетки микроконтроллера. Последовательность действий в этом случае тоже очень важна. Альтернативой могло бы стать представление чисел в формате с плавающей запятой, но это значительно замедлило бы работу восьмиразрядного микроконтроллера и чрезмерно увеличило объём его программы.

где L — калибровочная глубина погружения, мм; C — измеренная ёмкость датчика, пФ/100; С0 — ёмкость пустого датчика пФ/100; Ch — ёмкость датчика при калибровочной глубине погружения, пФ/100.

Относительная диэлектрическая проницаемость жидкости, заполняющей датчик, программа определяет по формуле

где егкал — относительная диэлектрическая проницаемость жидкости, в которой производилась калибровка.

При кратких нажатиях на кнопку SB3 “Р” (режим) программа обеспечивает последовательный перебор четырёх режимов измерения: глубины погружения в миллиметрах, ёмкости датчика в пикофарадах, частоты измерительного генератора в килогерцах и относительной диэлектрической проницаемости жидкости. При нажатиях длительностью более 2 с поочерёдно устанавливаются пять калибровочных режимов, которые будут описаны ниже.

где E0 = 8,854-10-12 Ф/м — абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; Er — относительная диэлектрическая проницаемость материала, которым заполнено пространство между обкладками конденсатора; I — длина цилиндра; D — внутренний диаметр наружного электрода; d — диаметр внутреннего электрода.

Если подставить в эту формулу значения констант и выразить длину конденсатора в миллиметрах, то формула для вычисления его ёмкости в пикофарадах примет вид

Цилиндрический конденсатор, погружённый в жидкость на глубину H, меньшую его длины I, можно представить как два конденсатора, соединённых параллельно. Один из них длиной H заполнен жидкостью, а второй длиной l-H — воздухом с диэлектрической проницаемостью, равной 1. Поскольку диэлектрическая проницаемость жидкости больше, чем воздуха (у воды при 10°C она около 83), ёмкость датчика при погружении его в жидкость значительно растёт.

Если жидкость, в которую погружается датчик, электропроводна или агрессивна, электроды датчика необходимо защитить от непосредственного соприкосновения с нею, нанеся на них по возможности тонкий слой изоляции.

В рассматриваемом случае было решено ограничиться защитой внутреннего электрода, изготовив его из изолированного провода. При расчётах такой конденсатор следует представлять двумя, соединёнными последовательно. Первый — заполненный воздухом или измеряемой жидкостью с внутренней обкладкой, диаметр которой равен диаметру провода по изоляции. Второй — с внешней обкладкой такого же диаметра и внутренней с диаметром, равным диаметру провода по меди. Диэлектрик второго конденсатора — изоляция провода.

Датчик объединён в один конструктивный узел с генератором. Печатная плата генератора изготовлена из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита по чертежу, показанному на рис. 4. Все детали размещены на одной её стороне, отверстия для их выводов не предусмотрены. Пайка выводов выполнена “внакладку”. Использованы резисторы МЛТ или аналогичные, оксидные конденсаторы — К50-35, остальные конденсаторы — керамические КМ, К10-7Б. Противоположная деталям сторона платы полностью покрыта фольгой и используется как общий провод.

Эскиз конструкции датчика показан на рис. 5. В дугообразные пазы печатной платы генератора 1 вставлены выступы медной трубки 2 внутренним диаметром 8 мм, служащей внешней обкладкой конденсатора-датчика. Сама трубка по периметру её среза и выступы припаяны к фольге с обеих сторон платы. Длина трубки — 350 мм. В верхней её части сделано отверстие диаметром 2.3 мм для свободного прохода воздуха при изменении уровня жидкости внутри датчика.
В качестве внутренней обкладки конденсатора используется отрезок одножильного провода 3 диаметром по меди 0,3 мм в полиэтиленовой изоляции 4 толщиной 0,3 мм. Неплохой вариант — использовать внутренний проводник тонкого коаксиального кабеля вместе с его изоляцией.

В нижней (открытой) части трубки датчика имеются два диаметрально расположенных паза, в которые вставлена стеклотекстолитовая пластина 5. Через отверстие в её центре пропущен очищенный от изоляции нижний конец внутреннего провода. Он загнут в обратную сторону, обвит двумя-тремя витками вокруг провода, подходящего к отверстию, и пропаян. Пайка и вся свободная от изоляции часть провода покрыты несколькими слоями клея БФ-6 или герметика, стойкого к жидкости, уровень которой будет измеряться. Например, клей БФ-6 стоек к слабощелочным и кислотным растворам, но легко растворяется этиловым спиртом. Второй конец провода, пропущенного сквозь трубку, вставлен в отверстие платы 1, натянут и припаян к имеющейся на плате контактной площадке.

Чертёж печатных проводников платы измерителя изображён на рис. 6, а расположение деталей на ней — на рис. 7. Переходные отверстия в плате имеют диаметр 0,5 мм. В них вставлены, расклёпаны и пропаяны с двух сторон отрезки выводов от резисторов МЛТ-0,25. Для микроконтроллера DD1 желательно предусмотреть панель с цанговыми контактами. Стабилизатор DA1 установлен параллельно поверхности платы, а его теплоотводящий фланец припаян к фольге общего провода.

Использованы резисторы МЛТ или аналогичные. Оксидные конденсаторы — К50-24, остальные — КМ и К10-7. Кварцевый резонатор в корпусе HC-49S. Кнопки малогабаритные тактовые SWT2, TS-A1PS-130. Светодиодные индикаторы TR319K можно заменить другими с общими анодами и такими же расположением и назначением выводов, например SA05-11HWA. Разъём XS1 — стандартное стереогнездо под штекер диаметром 2,5 мм.

Плата помещена в корпус от мультиметра M-838. Для питания используется выносной выпрямитель (в сетевой вилке) БП7Н-12-300. Можно применить и другой, обеспечивающий выходное напряжение 9.24 В при токе до 200 мА.

Налаживание измерителя начинают, не устанавливая микроконтроллер в панель на плате. Выключателем SA1 включают питание, проверяют наличие и полярность напряжения 5 В между контактами 14 и 5 панели микроконтроллера. Напряжение на контактах 1—4, 17, 18 относительно контакта 5 должно быть почти равно напряжению питания, а на контактах 6—13 близко к нулю. Затем проверяют работоспособность кнопок SB1—SB3. Нажимая на них, контролируют появление высокого уровня соответственно на контактах 12, 13 и 7. Цепи динамической индикации проверяют соединением с контактом 5 контактов 1, 2, 17, 18 (выбор индикатора) и контактов 7—13 (выбор элемента). Наблюдают свечение соответствующего элемента выбранного разряда.

Затем при выключенном питании вставляют запрограммированный микроконтроллер в панель, подключают проверенный генератор и включают прибор. В старшем разряде индикатора должна появиться буква Н (измерение глубины погружения), а за ней — трёхразрядное число. При коротких нажатиях на кнопку SB3 в старшем разряде индикатора должны поочерёдно выводиться буквы C (измерение ёмкости), F (измерение частоты) и E (измерение относительной диэлектрической проницаемости).

При нажатиях длительностью более 2 с поочерёдно (по кругу) выбираются пять калибровочных режимов:

• h — ёмкость при калибровочной глубине погружения;
• о — ёмкость при нулевой глубине погружения;
• L — калибровочная глубина погружения;
• с — калибровочный коэффициент ёмкости;
• e — относительная диэлектрическая проницаемость измеряемой жидкости.

При погружении датчика в жидкость показания в режимах измерения глубины и ёмкости должны увеличиваться, а в режиме измерения частоты уменьшаться. Это свидетельствует о работоспособности прибора и его готовности к калибровке.

Измерив частоту генератора F0 при пустом датчике и зная индуктивность катушки L1 с погрешностью не хуже ± 1%, необходимо рассчитать фактическую ёмкость пустого датчика по формуле

При частоте в килогерцах и индуктивности в миллигенри ёмкость будет получена в пикофарадах. Если полученное значение не совпадёт с показанным прибором в режиме измерения ёмкости, следует перейти в режим установки калибровочного коэффициента ёмкости. При измеренной прибором ёмкости, меньшей вычисленной по формуле, этот коэффициент нужно увеличить, а в противном случае — уменьшить. Изменяют коэффициент нажатиями на кнопки SB1 и SB2, а записывают его в EEPROM микроконтроллера одновременным нажатием на обе эти кнопки.

Далее задают максимальную глубину погружения датчика в миллиметрах. Этот параметр зависит от длины его трубки и в нашем случае равен 330 мм. Затем вводят значение относительной диэлектрической проницаемости жидкости, с которой предстоит работать. Ёмкость пустого и полностью погруженного в жидкость датчика, измеренную прибором в соответствующих калибровочных режимах, изменять не нужно. Эти значения записывают в EEPROM одновременным нажатием на кнопки SB1 и SB2.

По завершении калибровки прибор готов к работе. Измерять относительную диэлектрическую проницаемость следует при погружении датчика в жидкость именно на ту глубину, при которой производилась калибровка.

Проект MpLab, исходный код программы на СИ и прошивка микроконтроллера PIC16F628A доступны по этой ссылке.

1. Rudolph W., Pretzenbacher R., Kainka B. Brim Full. — Elektor Electronics, 2009, № 5, p. 40—46.
2. FASTRON Radial Coils and Wideband Chokes. — URL: http://www.cpcares.com/pdf/769.pdf (09.06.14).
3. PIC16F627A/628A/648A Flash-Based, 8-Bit CMOS Microcontrollers with nanoWatt Technology. — URL: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/40044G.pdf (30.04.14).
4. D’Souza S. Frequency Counter Using PIC16C5X. — URL: http://kazus.ru/datasheets/pdf-data/3579970/MICROCHIP/PIC16F628A-I/P.html.

C этой схемой также часто просматривают:

Быстродействующий измеритель температуры

Измеритель R, C, L на микросхемах

Индикатор уровня сигнала

Индикатор уровня жидкости

Термометр с четырьмя датчиками DS18B20

Два вывода микроконтроллера PIC управляют шестью светодиодами

Два E-CW-ключа на микроконтроллере PIC12F675

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.

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

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

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

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

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

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.

Датчик уровня на герконах схема

Для контроля работы механизмов и систем автомобиля требуются специальные устройства. Одним из основных подобных приборов является датчик уровня жидкости.

Герконовый датчик уровня охлаждающей жидкости – это устройство, которое необходимо для измерения охлаждающей жидкости в расширительном бачке или другой емкости (ПМП-066, ДРУ-1ПМ и прочие). Принципиально контактный датчик представляет собой геркон с сопротивлением до 3300 Ом. Конструкция прибора представляет собой корпус, пластмассовый поплавок и магнитное кольцо. Его еще называют датчик-реле уровня жидкости (RSF).

Фото – поплавковый датчик ДРУ

Также устройство имеет два контакта, которые в зависимости от уровня жидкости замыкаются и размыкаются. Контакты подключены к монитору, выведенному на приборную панель. При нарушении работу системы, сразу же подается сигнал на этот дисплей. В зависимости от типа Вашего автомобиля, это может быть механический циферблат (ВАЗ-2101, МАЗ) или электронный монитор (Форд Фокус, Kia, Opel Passat, Audi, Mercedes, БМВ, Мазда, Вольво).

Фото – датчик уровня жидкости для авто

Помимо этого, бывает еще и бесконтактный оптический датчик, это устройство не используется для измерения уровня тормозной жидкости. В основном его применяют для определения уровня жидкости в емкости на производстве, скажем, кислоты, нефти и т. д. Он устанавливается на боковую часть резервуара и определяет уровень при помощи лазера или ультразвукового сигнала. Лазерные приборы можно видеть на водонапорной станции, нефтяных предприятиях, химических заводах и т. д.

Фото – принцип работы датчиков-реле

В быту часто используются электродные датчики уровня жидкости в котле ДУЖЭ, ДУЖ, ДУ-200. Они необходимы для контроля работы котельного оборудования и его настройки. В промышленности необходимы различные индуктивные датчики, которые измеряют уровень электропроводящих жидкостей. Схема их подключения выглядит следующим образом:

Фото – схема подключения индуктивного датчика

Любые датчики омывателя, топлива, охлаждающей жидкости делятся на пороговые и линейные:

• Охлаждающий сигнализатор в автомобиле – это зачастую дискретный магнитный двухпозиционный датчик типа KSL-35 или LFL (BMW, Ford, Rio, Опель Астра и Пассат, Приора, Ауди, Киа, Мерседес);
• Ультразвуковой датчик уровня предельного давления жидкости в резервуаре – это в большинстве случаев, линейный измеритель (сигнализатор аварийного уровня Siemens и т. д.).

Менее распространены вибрационный и гидростатический датчики. Они в основном нужны для измерения уровня давления жидкости.

Принцип действия и измерения

В основном в автомобиле используются поплавковые датчики уровня жидкости. В момент, когда охлаждающая жидкость находится на нормальном уровне, магнитное кольцо воздействует на геркон (это магнитный переключатель, оснащенный контактами). В этот момент контакты датчика размыкаются, сопротивление находится в пределах 3300 Ом. Когда уровень омывающей жидкости падает, то поплавок вместе с магнитом опускается до уровня геркона, и тот замыкается контакты датчика. В этот момент раздается сигнал на приборной панели, контакты которой замыкаются на массе.

Фото – показания датчика

При этом кондуктометрические датчики и прочие измерительные устройства охлаждающей жидкости опрашиваются блоком управления каждую секунду. В случае неисправности измерителя или во время недостаточного сопротивления, для определения уровня не хватает данных.

Фото – датчик уровня топлива

Диагностика и ремонт

Проверить работоспособность датчика довольно просто. В большинстве случаев, система при его неисправности сразу же оповещает при помощи светового сигнала на приборной панели. Типичные признаки неисправности датчика температуры и уровня охлаждающей жидкости:

• Атипичное положение механического указателя или определенные коды при автоматическом контроле автомобиля;
• Перебои в работы двигателе на холостом ходу;
• Невозможность завести мотор;
• При работе горит радиатор;
• Громкие, необычные звуки двигателя при работе.

Емкостные датчики уровня жидкости расположены перед выходом на баке с топливом, иногда он стоит на его входе. Если вовремя не заметить неполадок в его работе, то машина начнет потреблять больше топлива, перегреваться, перестанет работать.

Фото – датчик аварийного уровня тормозной жидкости

Проверить датчик можно еще при помощи омметра, цена такой диагностики даже на профессиональном СТО до 300 рублей. Его провода присоединяют к контактам измерителя, после заводят двигатель. Следите за тем, чтобы в пределах измерения не было движущихся частей авто. Если сопротивление имеет нестандартную величину, то необходим ремонт или замена датчиков.

Чтобы починить датчик уровня жидкости, нужно его снять:

• Отключите провод от аккумулятора;
• Пробка из датчика в бачке откручивается против часовой стрелки;
• После его нужно аккуратно вынуть из отверстия;
• Протрите место снятия и сигнализатор для дальнейшей работы.

Ремонт датчиков уровня жидкости у многих машин (ВАЗ-2114 и ВАЗ-2110, МАЗ, и прочих) не всегда требует полной замены. Часто проблема заключается в расширении пластмассовых частей, из которых состоит корпус сигнализатора. Во время их нагрева на пластмассе образуются микротрещины, которые пропускают топливо и, соответственно, поплавок датчика всегда опущен. Чтобы это исправить, Вам нужно снять датчик, разобрать его. После места соединения смазать герметиком и прижать для лучшего укрепления. При желании немного обжечь участок вокруг паяльником и ставить на место.

Если проблема заключается в том, что геркон стал пропускать топливо – нужно заменить его. Для этого Вы можете купить специальную деталь для датчика уровня жидкости (продается в ОВЕН-Авто или прочих магазинах) либо поменять эту пластину на пластмассовую. С таким аналоговым устройством работа автомобиля станет более тихой и надежной.

Фото – разные датчики жидкости

Как сделать датчик самому

Сделать простой датчик уровня жидкости своими руками довольно просто, при этом установка может производиться практически в любой емкости. Конечно, самодельный прибор будет несколько уступать фирменным в точности, но зато он обойдется Вам в копейки.

• Вам понадобятся выпрямительные диоды. Берете ненужные детали и очень осторожно спиливаете с них верхнюю колбу, получается трубчатое соединение;
• Далее, нужно тонким сверлом 1,5 мм проделать отверстие в корпусе трубчатого вывода;
• Взять проволоку и продеть её в трубочку из фторопласта, толщина которой соответствует диаметру отверстия, в нашем случае – это 1,5 мм;
• Один вывод провода нужно запаять, а второй заклеить клеем, чтобы образовалась петля как на фото; Фото – как сделать датчик своими руками
• При необходимости можно увеличить размер внутреннего проводника.

После датчики такого типа соединяются со схемой и подключаются к индикатору. Для этого можно использовать стрелочный циферблат или специальный монитор. Такой прибор подойдет для контроля уровня воды насоса или бачка. Можно в емкости установить два и более устройства.

Всем привет. Сегодня речь пойдет об очень простом наборе для самостоятельной сборки прибора, для контроля уровень воды. Данный набор может с успехом распаять школьник 5-7 класса за один вечер. Можно конечно сделать и полностью самостоятельно, включая плату, но я решил сэкономить время, поэтому был заказан набор.

Набор был приобретен с целью хоть как то автоматизировать набор воды в бочку на даче. При чем это не совсем бочка, а скорее труба, уходящая вниз на 2.5-3 метра, поэтому запасы воды там приличные (для простоты пусть будет бочка). Задумка была простая, пока нет регулярного водоснабжения электроклапан открывается и набирает в бочку воды по заданный уровень. Расход воды ведрами по необходимости и автоматический долив в бочку. Для того что бы клапан часто не срабатывал от колебаний воды, задумано несколько уровней. Нижний при котором включается клапан и верхний при котором выключается. Т.е. есть определенная мертвая зона при которой расход воды есть, а подача воды в бочку пока отсутствует. Кстати, эта мертвая зона и есть фактически такое понятие, как гистерезис. В прошлом году эту функцию выполняло такое пардон устройство, как поплавковый механизм из бачка унитаза. Работало исправно, изредка засорялось, поскольку вода поступает по трубам прямиком из реки. Но в итоге зиму не пережило, поскольку было выполнено из пластмассы и развалилось от мороза. Данный набор был призван заменить вышедший из строя механизм.

По мере хранения собранной платы и ожидании дачного сезона, была произведена попытка применить собранную плату на производстве, вот на такой установке.

Продукция между прочим представляет из себя свиные желудки и кудрявку (часть кишков). Насколько я знаю желудки чем то набивают и употребляют в пищу, с кишками примерно то же самое — в том числе и колбасы с сосисками.

Это дело варится и повторно замораживается. Далее отправляется в Китай. Вот так вот, круговорот товара в природе. Мы им натуральные субпродукты, а в ответ электронику.

Назрел вопрос перевести нагрев кастрюли на пар. Так экономнее и мощность выше. Производительность вырастает в разы. Вот тут и потребовался датчик уровня, что бы никого паром не обварило и пар подавался только тогда, когда в емкости присутствует хотя бы минимальное количество воды.

Однако я вовремя спохватился и отказался от окончательной установки, хотя испытания показали работоспособность платы. Применять на производстве самоделки противопоказано. Поэтому нашли менее оперативно нужный прибор, который выполняет те же функции, но имеет еще и сертификат. Принцип работы заводского прибора практически соответствует набору с интернет магазина и в конкретном случае выполняет те же функции. Этот прибор отечественного производства Овен САУ-М7.

В небольшом пакетике «кучка» деталей, плата и провода.

По номиналам я не сортировал, просто разложил для наглядности.

Схема не простая, а очень простая. Используется 4 элемента 2И-НЕ, при чем два из них выполняют функцию триггера. Он нужен для формирования петли гистерезиса. Контакты 1 и 2 разъема J3 дают сигнал о нижнем уровне и включают реле. Контакты J4 1 и 2 — верхний уровень и аварийный, при срабатывании любого из них реле выключается. Срабатывание реле дублируется зажиганием светодиода. Схема уверенно срабатывает на водопроводную воду и так же уверенно на воду после водоподготовки, в которой солей меньше. Я собирал плату практически не глядя в схему, разве что номинал резисторов посмотрел. Перепутать выводы маловероятно и даже установить такие детали, как разъемы или транзисторы неправильно помешает нанесенная шелкография. Единственный минус при монтаже — я перепутал местами светодиоды. Но это так, мелочи, на работоспособность не влияют.

В качестве датчиков были применены самодельные датчики уровня кондуктометрического типа. Примерно вот так они выглядят в сборе:

На плате со стороны установки деталей нанесена шелкография, вполне качественная.

Использовал припой типа ПОС 61 с канифолью. Насвинячил немного.

Провода питания зафиксировал герметиком, что бы не обломались на выходе из отверстий. Провода, что шли в комплекте, мне показались слишком короткими.

Плату помыл растворителем со спиртом и покрыл слоем Plastik 70. Сразу заметил разницу между моими прежними платами и этой. Поверхность блестит и контакты покрыты слоем пленки. Выявился некоторое неудобство, которое на самом деле является плюсом. Хотел снять видео о работе платы с использованием мультиметра, а получил проблему в виде того, что цупы, банально не продавливают покрытие защитное. Поэтому в видео отсутствует мультиметр.

Видео демонстрации работы платы:

Upd:” пока писал обзор, на страницу с товаром даже не обращал внимание, как обычно. И только после написания обзора обратил внимание на товар. Плата не совпадает с той, что мне прислали и судя по комментариям многим высылают два разных варианта платы. На функционале это не сказывается. Обе платы работоспособны.

Итоги: Простейший набор, доступен для школьников, так же имеет практическое применение. К покупке рекомендую. Осадок небольшой остался из за того, что плата пришла не та, которая в описании.

В моем случае оказались лишними провода. Вероятно они планировались для вывода из платы светодиодов на переднюю панель и подключения источника питания.

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

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. 2 Виды датчиков уровня

В быту наибольшее применение нашли недорогие контактные устройства поплавкового типа, отслеживающий элемент которых выполнен на герконах. В зависимости от расположения в емкости с водой подобные устройства делятся на две группы.

Вертикальные. В подобном устройстве в вертикальном штоке расположены герконовые элементы, а сам поплавок с кольцевым магнитом перемещается вдоль трубки и включает или отключает герконы.

Горизонтальные. Крепятся за верхний край сбоку стены резервуара, при наполнении емкости поплавок с магнитом поднимается на шарнирном рычаге и подходит к геркону. Устройство срабатывает и коммутирует электрическую цепь, помещенную в шкаф управления, она отключает питание электронасоса.

Рис. 3 Вертикальные и горизонтальные герконовые датчики