Принцип работы поплавкового датчика уровня

Поплавковый уровнемер: подробно простым языком

Поплавковый уровнемер — это прибор для измерения уровня жидкости, сконструированный так, что он плавает наполовину погруженным в жидкость, другая же половина находится над поверхностью жидкости.

Поплавки — это пустотелые предметы, которые всегда входят в непосредственный контакт с измеряемой жидкостью. Можно использовать вертикальные перемещения поплавка в качестве непосредственного измерения эквивалентного изменения. Перемещения поплавка могут передаваться на ряд различных устройств, с помощью которых осуществляется или непрерывное измерение уровня или же определение уровня с уставками.

Поплавковый уровнемер Рекомендуем разобраться что такое уровень, а также обратить внимание на другие приборы для измерения уровня.

Принцип работы поплавкового уровнемера

Плавучесть — это направленная вверх сила или подъемная сила, выталкивающая вверх погруженный в жидкость предмет. На любой предмет, погруженный в жидкость действует подъемная сила, равная по величине весу вытесненной жидкости.

Демонстрационный показ вытеснения, подъемной силы и кажущейся потери веса

На рисунке выше проиллюстрированы взаимоотношения между вытеснением, подъемной силой и весом, а также показано, как у предмета, погруженного в жидкость происходит кажущаяся потеря веса, соответствующая по величине весу вытесненной им жидкости.

На рисунке изображены: предмет цилиндрической формы, подвешенный на весах; большой сосуд, заполненный жидкостью до уровня переточной трубы; пустой сосуд размером поменьше для сбора вылившейся из большого сосуда жидкости, при условии вытеснения жидкости из большого сосуда. Вес предмета показан на шкале весов.

При погружении предмета в жидкость часть жидкости выливается в пустой сосуд. Изменение показания веса на весах указывает на то, что вес предмета уменьшается. Величина этой кажущейся потери веса равна весу жидкости, вытесненной в пустой сосуд.

Если вес предмета больше веса вытесненной им жидкости, предмет будет находится в погруженном состоянии, но потеря его веса будет по-прежнему равняться весу вытесненной им жидкости. Если предмет (при полном погружении) весит меньше, чем объем вытесненной им жидкости, предмет поднимется на поверхность и будет держаться на поверхности жидкости. Дрейфующий предмет будет плавать именно на том уровне, на котором вес вытесненной им жидкости будет точно равняться весу самого предмета.

Плавучесть на примере двух предметов

На рисунке выше проиллюстрировано явление плавучести на примере двух подвешенных предметов, спускающихся в резервуар с жидкостью. Предмет, находящийся слева, плавает: подъемная (выталкивающая) сила жидкости по величине больше веса предмета. Действие предмета, находящегося справа, подобно действию вытеснителя. По мере повышения уровня жидкости он будет погружаться в жидкость, поскольку выталкивающая сила жидкости по величине меньше веса предмета.

Сигналы перемещения поплавкового уровнемера в результате его подъема или снижения в соответствии с изменением уровня жидкости могут переводится в показания уровня с помощью ряда различных устройств, включая откалиброванные стержни; рычажные соединения; ленты (или цепи); шкивы и противовесы; канаты и скользящие стрелки-указатели; подъемные механизмы и механические выключатели.

Стержень со стрелкой-указателем и шкалой монтируются на внешней стороне резервуара. Поплавковый уровнемер, который закрепляется внизу стержня, виден в этом примере через отверстие, закрываемое крышкой, наверху резервуара. Любое изменение положения поплавка показывается смещением стрелки вдоль шкалы.

А также поплавок может быть подсоединен непосредственно к индикаторной стрелке с помощью рычажного соединения. Это механическое соединение выведено с выходом прямо на стрелку на индикаторном устройстве. При поднимании или опускании поплавка внутри резервуара рычажная передача смещает стрелку вдоль шкалы на индикаторе.

Устройство и принцип работы датчиков уровня

Какие датчики уровня наиболее точны. Какие могут использоваться для в агрессивных средах. Устройство, принцип действия различных датчиков уровня. В чем у каждого из них преимущество и недостатки.
Вы также можете посмотреть другие статьи. Например, «Датчики перемещения (индуктивный, оптический, емкостной и другие типы)» или «Виды анемометров».

Датчики уровня — это устройства, позволяющие отслеживать количество жидкого или сыпучего вещества по уровню его поверхности в некоторой ёмкости. Датчики уровня могут выдавать дискретный (по достижении некоторого уровня) или непрерывный сигнал (абсолютная высота текущего уровня) в зависимости от принципа действия, что сказывается на их технической сложности, а также на цене. Кроме того, датчики уровня могут быть контактными и бесконтактными, что также сказывается на стоимости и на области их применения.

По принципу действия датчики уровня могут быть:

Емкостными
Поплавковыми
Радарного типа
Ультразвуковыми
Гидростатическими

Ниже кратко рассмотрены основные виды.

Емкостной датчик уровня

В основу работы данного типа датчика положено свойство конденсатора изменять свою ёмкость при изменении состава и распределения материала диэлектрика, разделяющего пластины конденсатора. Это свойство применяется во многих емкостных детекторах например в емкостных датчиках влажности.

Предположим, имеется коаксиальный конденсатор, помещённый в жидкость (Рисунок 1), которая может свободно проникать в пространство между пластинами. Если известна диэлектрическая проницаемость жидкости, то можно составить следующее равенство:

С – Общая ёмкость конденсатора
С – Ёмкость участка конденсатора, не содержащего жидкость
С_l – Ёмкость участка конденсатора, содержащего жидкость
ε – Диэлектрическая проницаемость газовой среды
ε_l – Диэлектрическая проницаемость жидкой среды
G – Геометрический коэффициент участка конденсатора, не содержащего жидкость
G_l – Геометрический коэффициент участка конденсатора, содержащего жидкость

При изменении уровня жидкости величина суммарной ёмкости конденсатора также изменятся. Если конденсатор включен в электрическую цепь, не составляет труда отследить изменение ёмкости, по которому можно однозначно судить об изменении уровня жидкости.

Рисунок 1. Общая схема емкостного датчика уровня

Емкостные датчики лишены подвижных элементов, поэтому достаточно надёжны и долговечны. К их недостаткам следует отнести значительную температурную зависимость (которая, впрочем, может быть скомпенсирована), а также необходимость погружения в жидкость.

Поплавковый датчик уровня

Датчики данного типа имеют достаточно простое устройство. Существует несколько конфигураций, выдающих на выход как дискретный, так и непрерывный сигнал, последние можно разделить на две категории – механические и магнитострикционные. В магнитострикционных датчиках в качестве одного из элементов также используется поплавок, в остальном же они довольно сильно отличаются от обычных механических поплавковых датчиков.

Дискретные поплавковые датчики уровня

В реализации датчика, выдающего дискретный сигнал, обычно используется набор поплавков, расположенных на различных уровнях резервуара. При достижении жидкостью уровня, на котором располагается поплавок, он выталкивается за счёт силы Архимеда, направленной вверх. Это приводит в движение механическую систему или электромеханическую систему, и выходной сигнал появляется, например, при замыкании электрических контактов герконового реле.

В альтернативной конфигурации присутствует направляющая, содержащая набор реле. Вдоль направляющей вслед за уровнем жидкости перемещается поплавок, содержащий постоянный магнит. Приближение поплавка к реле вызывает его срабатывание (Рисунок 2).

Рисунок 2. Общая схема поплавкового датчика уровня с дискретным выходом

Дискретный выходной сигнал может быть использован для «пошагового» мониторинга уровня жидкости в резервуаре — датчик просто сообщает, достиг ли уровень жидкости конкретной отметки или нет. Также датчик уровня с дискретным выходным сигналом может служить элементом автономного регулятора в случае, например, когда необходимо поддерживать постоянный уровень жидкости в резервуаре – для реализации данной схемы выходной сигнал может непосредственно управлять силовым реле, открывающим/закрывающим входной/выходной клапан резервуара.

Дискретные поплавковые датчики дёшевы, просты и достаточно надёжны, однако требуют погружения в жидкость и имеют подвижную механику.

Магнитострикционные поплавковые датчики

Поплавковые датчики, выдающие непрерывный сигнал, обычно относятся к датчикам магнитострикционного типа и имеют довольно сложное устройство (Рисунок 3). Основным элементом конструкции по-прежнему является поплавок, в данном случае он содержит постоянный магнит. Поплавок может свободно передвигаться вдоль направляющей, внутри которой располагается волновод из магнитострикционного материала. С определённой периодичностью блок электроники датчика генерирует импульс тока, который распространяется вдоль волновода. Когда импульс достигает области, где располагается поплавок, магнитное поле поплавка и магнитное поле импульса взаимодействуют, что приводит к возникновению механических колебаний, которые распространяются обратно по волноводу и фиксируются чувствительным пьезоэлементом. По временной задержке между отправкой импульса тока и получением механического импульса можно судить о расстоянии до поплавка, а значит и об уровне жидкости в резервуаре.

Рисунок 3. Общая схема магнитострикционного датчика уровня

Магнитострикционные датчики очень точны, выдают непрерывный сигнал, а также могут использоваться с гибким волноводом, что расширяет сферу их применения. К их недостаткам можно отнести их стоимость, техническую сложность и необходимость погружения в жидкость.

Радарный датчик уровня

Главным элементом данного датчика является радиолокатор, частота излучения которого изменяется по линейному закону. Предполагается, что жидкость отражает излучение локатора, поэтому если расположить излучатель-приёмник внутри резервуара согласно схеме (Рисунок 4) и фиксировать задержку отражённого сигнала относительно сигнала источника – можно определить уровень жидкости по величине задержки. Для определения задержки используется линейная модуляция частоты источника. Если частота исходного сигнала изменяется по линейному закону (например, непрерывно возрастает), то отражённый сигнал, имеющий временной сдвиг относительно исходного, будет иметь также и меньшую частоту. По величине частотного сдвига можно однозначно судить о величине временной задержки между двумя сигналами, а значит и о расстоянии до поверхности жидкости.

Дальнейшая обработка полученного сигнала осуществляется в цифровом тракте, и на этом этапе возможна, например, нейтрализация шумовых сигналов, возникающих в результате волнений на поверхности жидкости или поглощения радиоизлучения.

Рисунок 4. Общий принцип функционирования датчика уровня радарного типа

Данный метод на сегодняшний день является наиболее технологичным и совершенным, к числу достоинств датчика на его основе следует отнести:

Отсутствие подвижных элементов
Отсутствие контакта с жидкой средой
Универсальность – возможность работать практически с любой средой при различных условиях
Высокая точность
Возможность адаптировать алгоритм обработки данных для конкретных применений

Основным недостатком радарных датчиков является их цена.

Ультразвуковой датчик уровня

В датчиках данного типа используется схема, во многом сходная со схемой датчика радарного типа. В резервуаре устанавливается блок, состоящий из генератора и приёмника ультразвуковых волн (точно также как например в ультразвуковых расходомерах и ультразвуковых дефектоскопах ). Излучение генератора УВ проходит газовую среду, отражается от поверхности жидкости и попадает на приёмник. Определив временную задержку между излучением и приёмом и зная скорость распространения ультразвука в данной газовой среде, можно вычислить расстояние до поверхности жидкости – то есть определить её уровень.

Ультразвуковым датчикам уровня свойственны практически все достоинства датчиков радарного типа, однако УД обычно имеют более низкую точность, хотя и более просты по внутреннему устройству.

Гидростатический датчик уровня

С помощью датчиков данного типа уровень жидкости в резервуаре определяется путём измерения гидростатического давления столба жидкости над чувствительным элементом датчика (детектором давления). Согласно зависимости (2) высота столба определённой жидкости пропорциональна давлению в данной точке:

P – Давление в данной точке
ρ – Плотность жидкости
g – Ускорение свободного падения
h – Высота столба жидкости над чувствительным элементом

Такие датчики компактны, относительно просты, недороги, а также способны выдавать непрерывный сигнал, однако не являются бесконтактными, что затрудняет их применение в агрессивных средах.

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

Поплавковый датчик уровня воды

Для установления количества воды в ёмкости применяют особые приборы — датчики уровня. Малогабаритные датчики обширно используются в автоматизации систем водоснабжения, а, кроме того, в промышленном и домашнем оборудовании. С их помощью можно прослеживать уровень различных жидкостей, имеются виды, разработанные для сыпучих материалов.

Поплавковые датчики воды из нержавейки и пластика, кабельные и врезные, вертикальные и горизонтальные, для чистой и грязной воды. Детекторы уровня поплавкового вида отличаются компактностью. Многочисленные модификации могут эксплуатироваться в агрессивной жидкости. Рассчитаны они на значительную насыщенность среды. Применяются датчики поплавкового вида в водоёмах, пожарных ёмкостях, а также приямках. Стоит модель примерно от 2 тыс. руб. Для того чтобы более подробно ознакомиться с прибором, следует проанализировать его устройство и разновидности.

Читать еще: Масляный радиатор принцип работы

Общая характеристика

Поплавковый водяной уровнемер — наиболее популярный датчик, известность которого определена предельно простой системой и соответственно прочностью. Поплавковые датчики можно условно разделить на 2 вида:

Второй вид предполагает применение выключателей с магнитными контактами, поэтому его приспособление будет осмотрено в отдельном разделе.

Самый обычный механический поплавковый датчик функционирует на определение максимального уровня воды. Датчик вводится в нужной части ёмкости, и если вода доходит поплавка, он всплывает и через особый шток закрывает (размыкает контакты). Аналогичные устройства более знакомы под наименованием поплавковые выключатели.

Этот вид механических измерителей отличается необходимой прочностью и часто применяется в простых автоматизированных системах. Однако его работоспособность ограничена конструкцией — прибор срабатывает только лишь при предельном значении водного уровня.

Также выпускают кабельные поплавковые датчики. В такой конструкции применяется поплавок особенной формы, который меняет ракурс наклона в зависимости от водного уровня. Внутри такого поплавка устанавливают коммутатор, который действует при изменении угла. Зачастую применяются выключатели со стальным шариком, запирающим контакты.

Отдельная группа — кабельные измерители со встроенным ртутным выключателем, отлично обеспечивающим безопасность. Для точного контроля в некоторых случаях устанавливают несколько поплавковых измерителей с различной длиной кабеля.

Поплавковые датчики пользуются спросом в промышленности. Детекторы применяют для контроля уровня горюче-смазочных материалов, разных охлаждающих жидкостей. В быту эти устройства, как правило, используют для замера уровня в колодцах и скважинах (защита насосов от «сухого» хода), а также для системы канализации.

Одно из основных преимуществ такого вида уровнемера можно выделить простую установку и наладку. Определённые модификации разрабатываются специально для насосов и дают возможность исключить применение дополнительных пусковых реле.

Различие датчиков разных типов

Конструктивно детекторы уровня воды отличаются в зависимости от области использования и условий к точности замера.

Наибольшее распространение приобрели следующие виды датчиков:

Каждый из этих вариантов обладает установленными преимуществами, и может быть рекомендован к монтажу. Выбор определённой модификации зависит только от предъявляемых условий к устройству, включая достоверность замера, безопасность, период эксплуатации и стабильность к внешним условиям.

Так, поплавковые детекторы считаются более экономным видом, обеспечивающим приемлемую достоверность замера, и часто применяются в быту. А инновационные электронные уровнемеры применяются в сложных механических системах для наблюдения точных значений.

Стоит отметить, что электронные системы можно применять для обычных задач, однако, такой шаг, неоправдан, с финансовой точки зрения.

Основным компонентом измерителя уровня поплавкового вида считается головка датчика. Кабельный ввод чаще всего производится с герметической подкладкой. Все уплотнители в устройствах применяются как пластмассового, так и силиконового вида. Спусковой фланец у моделей содержит особые отверстия. Соединительный провод располагается в нижней части прибора. Под головкой датчика имеется малогабаритная изолирующая платина. Загрузочная способность прибора зависит от вида выходящего контакта.

Электронный

Электронные датчики производятся на базе разных видов измерителей. Единственный из вариантов — ёмкостные детекторы, позволяющие отмечать изменение уровня, в режиме настоящего времени. Одно из положительных сторон аналогичных приборов — отсутствие подвижных компонентов, что благоприятно сказывается на надёжности работы и сроке его эксплуатации.

Принцип работы такого уровнемера базируется на изменении ёмкости конденсатора в зависимости от его состава и распределения диэлектрического материала между обкладками. В таком случае есть присутствие изменении уровня в конденсатор, вписанный в электрическую цепь, изменяет собственную вместимость, что закрепляется особым оснащением.

Для правильности снимаемых показателей датчик калибруют напрямую перед конструкцией, принимая во внимание свойства измеряемой воды. Ёмкостные датчики применяют не только для контроля степени воды, но и иных жидких и сыпучих материалов.

При абсолютно всех превосходствах измерителя, нужно принимать во внимание взаимозависимость характеристик от температуры, поэтому для точного замера уровня с изменяемой температурой следует в дополнение устанавливать датчик температуры для исправления получаемых значений.

Оптический

Второй нужный вид электронного датчика уровня воды — оптический. Это приспособление применяется в качестве альтернативы поплавковым датчикам при значительной вероятности вибрации воды (что в автоматических системах приводит к искажению получаемых показателей). Оптические детекторы применяют для отслеживания предельного уровня воды. Правило работы базируется на изменении отражающей способности оптической системы при достижении водой конкретного уровня.

В качестве положительных сторон аналогичных измерителей можно выделить отсутствие подвижных элементов, и независимость от внешних условий. Оптические уровнемеры применяют на транспорте для контроля уровня охлаждающих жидкостей, в бытовой технике (кофемашины). Зачастую устанавливаются для замера предельного уровня в цистернах, какие транспортируются на автомобильном или железнодорожном транспорте (устойчивость к вибрации).

В целом все электронные датчики лишены ключевых недочётов автоматических аналогов, и дают возможность осуществлять измерения со значительной верностью. Единственно ограничение — более высокая стоимость и потребность профессиональной установки и настройки.

Герконовый измеритель уровня воды

Один из наиболее известных видов измерителя, отображающий собою улучшенный вид поплавковых приборов с автоматическим переключателем. Герконовые уровнемеры различаются невысокой ценой, простой и верной системой, а, кроме того, возможность прослеживать изменение уровня в широком спектре.

Существует ряд видов герконовых измерителей:

В простейшем виде механический переключатель поплавкового измерителя изменяют на контакт, что несколько увеличивает безопасность аппарата (таким образом, организованы герконовые уровнемеры боковой конструкции). Но чаще применяется модель с несколькими установленными герконами и поплавком с особыми магнитами.

В качестве образца можно проанализировать одну из наиболее известных систем. Прибор производится в виде трубки, по которой легко передвигается поплавок. Изнутри трубки формируются герконы, число которых может колебаться в зависимости от условий к дискретности замера. То есть чем больше уровня воды нужно прослеживать, тем большее число герконов необходимо определить.

При изменении показателей воды указатель поднимается либо снижается, инициируя встроенным магнитом включение геркона, который включён в управляющую цепь. В простом виде применяют один геркон, для сигнализации максимального уровня.

Корпус герконовых измерителей может производиться из разных материалов, в экономном виде применяется пластмасса, более дорогостоящие и крепкие модификации производят из нержавеющих сплавов. Подбор использованного материала в основном зависит от того, в каком месте будет устанавливаться прибор (требования к механической крепости и прочности).

Герконовые детекторы — одни из наиболее известных устройств, и зачастую применяются в домашних системах независимого водоснабжения. Элементарная система даёт возможность сделать прибор самостоятельно, при этом его безопасность и достоверность замера будет на высоком уровне. Герконовые датчики уровня можно применять для разных жидкостей.

В частности, эти приборы обширно используются для контроля степени горючего в автотранспортных средствах, применяются в химической и нефтегазовой промышленности.

Поплавковый датчик своими руками

Сделать поплавковые детекторы уровня воды самостоятельно достаточно просто. В первую очередь необходимо приготовить трубку небольшого диаметра. Потом для неё выбирается головка. Уплотнение в этом случае следует применять небольшой толщины. Чаще всего выбирают пластмассовые кольца. Затем, чтобы сделать прибор уровня (поплавковый) собственными руками, необходимо в трубке закрепить изолирующую пластинку. Кабельный ввод подключают в последнюю очередь. Контакты противодействия целесообразнее определять в верхней части прибора. Для усовершенствования герметизации модели отлично подойдёт заглушка из резины.

Выбираем датчик уровня воды в резервуаре и емкости

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.

Различные виды датчиков уровня

Конструкция и принцип действия

Конструктивное исполнение измерительных устройств данного типа определяется следующими параметрами:

Функциональностью, в зависимости от этого устройства принято делить на сигнализаторы и уровнемеры. Первые отслеживают конкретную точку заполнения резервуара (минимальную или максимальную), вторые осуществляют беспрерывный мониторинг уровня.
Принципом действия, в его основу может быть положены: гидростатика, электропроводность, магнетизм, оптика, акустика и т.д. Собственно, это основной параметр, определяющий сферу применения.
Методом измерения (контактный или бесконтактный).

Помимо этого, особенности конструкции определяет характер технологической среды. Одно дело — измерять высоту питьевой воды в баке, другое — проверять наполнение резервуаров для промышленных стоков. В последнем случае необходима соответствующая защита.

Виды датчиков уровня

В зависимости от принципа действия, сигнализаторы принято делить на следующие виды:

поплавочного типа;
использующие ультразвуковые волны;
устройства с емкостным принципом определения уровня;
электродные;
радарного типа;
работающие по гидростатическому принципу.

Поскольку эти типы наиболее распространены, рассмотрим каждый из них в отдельности.

Поплавковый

Это наиболее простой, но, тем не менее, действенный и надежный способ измерения жидкости в баке или другой емкости. С примером реализации можно ознакомиться на рисунке 2.

Читать еще: Как пользоваться пробником напряжения

Рис. 2. Поплавковый датчик для управления насосом

Конструкция состоит из поплавка с магнитом и двух герконов, установленных в контрольных точках. Кратко опишем принцип действия:

Емкость опустошается до критического минимума (А на рис. 2), при этом поплавок опускается до уровня, где расположен геркон 2, он включает реле, подающее питание на насос, закачивающий воду из скважины.
Вода доходит до максимальной отметки, поплавок поднимается до места расположения геркона 1, он срабатывает и реле отключается, соответственно, двигатель насоса прекращает работать.

Такой герконовый сигнализатор сделать самостоятельно довольно просто, а его настройка сводится к установке уровней включения-выключения.

Заметим, что если правильно выбрать материал для поплавка, датчик уровня воды будет работать, даже при наличии слоя пены в резервуаре.

Ультразвуковой

Этот тип измерителей может использоваться как для жидкой, так и сухой среды, при этом у него может быть аналоговый или дискретный выход. То есть, датчик может ограничивать заполнение по достижению определенной точки или отслеживать его постоянно. Устройство включает в себя ультразвуковой излучатель, приемник и контроллер обработки сигнала. Принцип работы сигнализатора продемонстрирован на рисунке 3.

Рис. 3. Принцип работы ультразвукового датчика уровня

Работает система следующим образом:

излучается ультразвуковой импульс;
принимается отраженный сигнал;
анализируется длительность затухания сигнала. Если бак полный, она будет короткой (А рис. 3), а по мере опустошения начнет увеличиваться (В рис. 3).

Ультразвуковой сигнализатор бесконтактный и беспроводной, поэтому он может использоваться даже в агрессивных и взрывоопасных средах. После первичной настройки, такой датчик не требует никакого специализированного обслуживания, а отсутствие подвижных частей существенно продлевает срок эксплуатации.

Электродный

Электродные (кондуктометрические) сигнализаторы позволяют контролировать один или несколько уровней электропроводящей среды (то есть, для измерения наполнения бака дистиллированной водой они не подходят). Пример использования устройства приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Измерение уровня жидкости кондуктометрическими датчиками

В приведенном примере задействован трехуровневый сигнализатор, в котором два электрода контролируют заполнение емкости, а третий является аварийным, для включения режима интенсивной откачки.

Емкостной

При помощи этих сигнализаторов можно определять максимальное заполнение емкости, причем, в качестве технологической среды могут выступать как жидкость, так и сыпучие вещества смешанного состава (см. рис. 5).

Рис. 5. Емкостной датчик уровня

Принцип работы сигнализатора такой же, как у конденсатора: проводится измерение емкости между пластинами чувствительного элемента. Когда она достигнет порогового значения, подается сигнал на контроллер. В некоторых случаях задействовано исполнение «сухой контакт», то есть уровнемер работает через стенку бака в изоляции от технологической среды.

Данные устройства могут функционировать в широком температурном диапазоне, на них не влияют электромагнитные поля, а срабатывание возможно на большом расстоянии. Такие характеристики существенно расширяют сферу применения вплоть до тяжелых условий эксплуатации.

Радарный

Этот вид сигнализаторов можно действительно назвать универсальным, поскольку он может работать с любой технологической средой, включая агрессивную и взрывоопасную, причем, давление и температура не будут влиять на показания. Пример работы устройства приведен на рисунке ниже.

Измерение уровня радарным датчиком

Устройство излучает радиоволны в узком диапазоне (несколько гигагерц), приемник ловит отраженный сигнал и по времени его задержки определяет наполняемость емкости. На измеряющий датчик не влияет давление, температура или характер технологической среды. Запыленность также не отражается на показаниях, чего не скажешь о лазерных сигнализаторах. Также необходимо отметить высокую точность приборов данного типа, их погрешность составляет не более одного миллиметра.

Гидростатический

Эти сигнализаторы могут измерять как предельное, так и текущее заполнение резервуаров. Их принцип действия продемонстрирован на рисунке 7.

Рисунок 7. Измерение заполнения гиростатическим датчиком

Устройство построено по принципу измерения уровня давления, произведенного столбом жидкости. Приемлемая точность и небольшая стоимость сделали данный вид довольно популярным.

В рамках статьи мы не можем осмотреть все типы сигнализаторов, например, ротационно-флажковых, для определения сыпучих веществ (идет сигнал, когда лепесток вентилятора застрянет в сыпучей среде, предварительно вырыв приямок). Так же нет смысла рассматривать принцип действия радиоизотопных измерителей, тем более рекомендовать их для проверки уровня питьевой воды.

Как выбрать?

Выбор датчика уровня воды в резервуаре зависит от многих факторов, основные из них:

Состав жидкости. В зависимости от содержания в воде посторонних примесей может меняться плотность и электропроводность раствора, что с большой вероятностью отразится на показаниях.
Объем резервуара и материал, из которого он изготовлен.
Функциональное назначение емкости для накопления жидкости.
Необходимость контролировать минимальный и максимальный уровень, или требуется мониторинг текущего состояния.
Допустимость интеграции в систему автоматизированного управления.
Коммутационные возможности устройства.

Это далеко не полный список для выбора измерительных приборов данного типа. Естественно, что для бытового назначения можно существенно сократить критерии отбора, ограничив их объемом резервуара, типом срабатывания и схемой управления. Существенное сокращение требований делает возможным самостоятельное изготовление подобного устройства.

Делаем датчик уровня воды в резервуаре своими руками

Допустим, есть задача автоматизировать работу погружного насоса для водоснабжения дачи. Как правило, вода поступает в накопительную емкость, следовательно, нам необходимо сделать так, чтобы насос автоматически выключался при ее заполнении. Совсем не обязательно для этой цели покупать лазерный или радиолокационный сигнализатор уровня, собственно, никакой приобретать не нужно. Несложная задача требует простого решения, оно показано на рисунке 8.

Схема управления водозабоным насосом

Для решения задачи понадобится магнитный пускатель с катушкой на 220 вольт и два геркона: минимального уровня — на замыкание, максимального — на размыкание. Схема подключения насоса проста и, что немаловажно, безопасна. Принцип работы был описан выше, но повторим его:

По мере набора воды поплавок с магнитом постепенно поднимается, пока не дойдет до геркона максимального уровня.
Магнитное поле размыкает геркон, отключая катушку пускателя, что приводит к обесточиванию двигателя.
По мере расхода воды, поплавок опускается, пока не достигнет минимальной отметки напротив нижнего геркона, его контакты замыкаются, и поступает напряжение на катушку пускателя, подающего напряжение на насос. Такой датчик уровня воды в резервуаре может работать десятилетиями, в отличие от электронной системы управления.

ДАТЧИКИ УРОВНЯ ВОДЫ

Для определения количества воды в емкости используют специальные устройства – датчики уровня. Компактные измерители широко применяются в автоматизации систем водоснабжения, а также в промышленном и бытовом оборудовании. С их помощью можно отслеживать уровень любых жидкостей, существуют варианты, разработанные для сыпучих материалов.

Конструктивно датчики уровня воды различаются в зависимости от области применения и требований к точности измерения. Наибольшее распространение получили следующие типы измерителей:

поплавковый;
электронный;
герконовый.

Каждый из вариантов обладает определенными преимуществами, и может быть рекомендован к установке. Выбор конкретной модели зависит исключительно от предъявляемых требований к устройству, включая точность измерения, надежность, срок эксплуатации и устойчивость к внешним факторам.

Так поплавковые датчики считаются наиболее экономичным вариантом, обеспечивающим приемлемую точность измерения, и часто используются в быту. А современные электронные уровнемеры используются в сложных автоматических системах для отслеживания точных значений.

Стоит заметить, что электронные системы можно использовать для простых задач, но такой шаг неоправдан с экономической точки зрения.

ПОПЛАВКОВЫЙ ДАТЧИК УРОВНЯ ВОДЫ

Поплавковый уровнемер – самый распространенный измеритель, популярность которого обусловлена предельно простой конструкцией и соответственно надежностью. Поплавковые измерители можно условно разделить на два варианта:

механические;
герконовые.

Второй вариант подразумевает использование выключателей с магнитоуправляемыми контактами, поэтому его устройство будет рассмотрено в отдельном разделе.

Самый простой механический поплавковый измеритель работает на определение предельного уровня воды. Измеритель устанавливается в определенной части емкости, и когда вода достигает поплавка, он всплывает и через специальный шток замыкает (размыкает контакты). Подобные устройства более известны под названием поплавковые выключатели.

Этот тип механических датчиков отличается достаточной надежностью и часто используется в простейших автоматизированных системах. Но его функциональность ограниченна конструкцией – датчик срабатывает только при предельном значении уровня воды.

Также выпускаются кабельные поплавковые датчики. В этой конструкции используется поплавок особой формы, который изменяет угол наклона в зависимости от уровня воды. Внутри поплавка устанавливается выключатель, который срабатывает при изменении угла. В большинстве случаев используются выключатели со стальным шариком, замыкающим контакты.

Отдельная категория – кабельные поплавковые измерители с ртутным выключателем, обеспечивающим высокую надежность. Для точного контроля иногда устанавливают несколько поплавковых датчиков с разной длиной кабеля.

Поплавковые измерители пользуются спросом во многих отраслях промышленности. Датчики используют для контроля уровня горюче смазочных материалов, охлаждающих жидкостей. В быту устройства обычно применяют для измерения уровня в скважинах и колодцах (защита насоса от «сухого» хода), а также для автономной канализации.

Одно из преимуществ этого типа уровнемера – простая установка и настройка. Некоторые модели разрабатываются специально для насосов и позволяют исключить использование дополнительных пусковых реле.

ЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК УРОВНЯ ВОДЫ

Электронные измерители изготавливаются на основе различных типов датчиков. Один из вариантов – емкостные датчики позволяющие фиксировать изменение уровня воды в режиме реального времени. Одно из преимуществ подобных устройств – отсутствие подвижных элементов, что положительно сказывается на надежности и сроке эксплуатации.

Для точности снимаемых показателей измеритель калибруют непосредственно перед установкой, учитывая свойства измеряемой жидкости. Емкостные измерители используют не только для контроля уровня воды, но и других жидких и сыпучих материалов.

При всех преимуществах емкостного датчика, стоит учитывать зависимость показателей от температуры, поэтому для точного измерения уровня воды с изменяемой температурой необходимо дополнительно устанавливать датчик температуры для корректировки получаемых значений.

Оптический электронный датчик уровня воды.

Второй востребованный вариант электронного измерителя уровня воды – оптический. Это устройство используется в качестве альтернативы поплавковым измерителям при высокой вероятности вибрации воды (что в механических системах приводит к искажению показателей). Оптические датчики используют для отслеживания предельных уровней воды. Принцип работы основан на изменении отражательной способности оптической системы при достижении водой определенного уровня.

В качестве преимуществ подобных датчиков можно отметить отсутствие подвижных частей, и независимость от внешних факторов. Оптические уровнемеры используют на транспорте для контроля уровня охлаждающей жидкости, в бытовой технике (кофемашины). Часто устанавливаются для измерения предельного уровня воды в цистернах, которые перевозятся на автомобильном или железнодорожном транспорте (устойчивость к вибрациям).

В целом, электронные измерители лишены основных недостатков механических аналогов, и позволяют проводить измерения с высокой точностью. Единственно ограничение – более высокая цена и необходимость профессиональной установки и настройки.

ГЕРКОНОВЫЙ ДАТЧИК УРОВНЯ ВОДЫ

Один из самых популярных типов датчика, представляющий собой усовершенствованный вариант поплавковых устройств с механическим переключателем. Герконовые уровнемеры отличаются низкой стоимостью, простой и надежной конструкцией, а также возможность отслеживать изменение уровня воды в широком диапазоне.

Существует несколько разновидностей герконовых датчиков. В простейшем варианте механический переключатель поплавкового датчика меняют на геркон, что несколько повышает надежность устройства (так устроены герконовые уровнемеры боковой установки). Но чаще используется схема с несколькими герконами и поплавком с магнитами.

В качестве примера можно рассмотреть одну из самых популярных конструкций. Датчик изготавливается в виде трубки, по которой свободно перемещается поплавок. Внутри трубки устанавливаются герконы, количество которых может варьироваться в зависимости от требований к дискретности измерения.

То есть чем больше уровней воды нужно отслеживать, тем большее количество герконов нужно установить.

Читать еще: Можно ли располагать розетку за духовым шкафом

При изменении уровня воды поплавок поднимается или опускается, вызывая встроенным магнитом срабатывание геркона, который подключен в управляющую цепь. В простейшем варианте используются один геркон, для сигнализации предельного уровня воды.

Корпус герконовых датчиков может изготавливаться из различных материалов, в бюджетном варианте используется пластик, более дорогие и прочные модели изготавливают из нержавеющих сплавов. Выбор материала в основном зависит от того, где будет устанавливаться датчик (требования к механической прочности и надежности).

Герконовые датчики – одни из самых распространенных, и часто используются в бытовых системах автономного водоснабжения. Простая конструкция позволяет изготовить датчик самостоятельно, при этом его надежность и точность измерения будет на достаточно высоком уровне. Герконовые измерители уровня можно использовать для различных жидкостей.

В частности эти устройства широко применяются для контроля уровня топлива на транспортных средствах, используются в химической и нефтегазовой промышленности.

Но стоит учитывать, что их технические характеристики часто превышают требования, предъявляемые к бытовым системам водоснабжения. Поэтому поплавковые и герконовые датчики – это оптимальный вариант, с доступной ценой и простой установкой.

Все представленные на этом сайте материалы имеют исключительно информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Поплавковый выключатель уровня воды для управления насосом

Когда возникает необходимость контроля уровня жидкости, многие выполняют эту работу вручную, а ведь это крайне неэффективно, отнимает уйму времени и сил, а последствия недосмотра могут обойтись очень дорого: например, затопленная квартира или сгоревший насос. Этого можно легко избежать, используя поплавковые датчики уровня воды. Это простые по конструкции и принципу действия устройства, доступные по цене.

В домашних условиях датчики этого типа позволяют автоматизировать такие процессы, как:

контроль уровня жидкости в расходном баке;
откачка грунтовых вод из погреба;
отключение насоса, когда уровень в колодце падает ниже допустимого, и некоторые другие.

Принцип действия поплавкового датчика

В жидкость помещается предмет, который в ней не тонет. Это может быть кусок дерева или пенопласта, полая герметичная сфера из пластмассы или металла и многое другое. При изменении уровня жидкости этот предмет будет подниматься или опускаться вместе с ней. Если поплавок соединить с исполнительным механизмом, то он будет выполнять функции датчика уровня воды в ёмкости.

Классификация оборудования

Поплавковые датчики могут самостоятельно осуществлять контроль над уровнем жидкости или подавать сигнал в схему контроля. По этому принципу их можно разделить на две большие группы: механические и электрические.

Механические устройства

К механическим относятся самые разнообразные поплавковые клапаны уровня воды в баке. Принцип их действия состоит в том, что поплавок соединён с рычагом, при изменении уровня жидкости поплавок перемещает вверх или вниз этот рычаг, а он, в свою очередь, воздействует на клапан, который и перекрывает (открывает) подачу воды. Такие клапаны можно увидеть в сливных бачках унитазов. Их очень удобно использовать там, где нужно постоянно добавлять воду из центральной системы водоснабжения.

Механические датчики обладают рядом преимуществ:

простота конструкции;
компактность;
безопасность;
автономность — не требуют никаких источников электроэнергии;
надёжность;
дешевизна;
лёгкость установки и настройки.

Но у этих датчиков есть один существенный недостаток: они могут контролировать только один (верхний) уровень, который зависит от места монтажа, и регулировать его, если и можно, то в очень небольших пределах. В продаже такой клапан может называться «кран поплавковый для ёмкостей».

Электрические датчики

Электрический датчик уровня жидкости (поплавковый), отличается от механического тем, что сам он воду не перекрывает. Поплавок, перемещаясь при изменении количества жидкости, воздействует на электрические контакты, которые включены в схему управления. На основании этих сигналов автоматическая система контроля принимает решение о необходимости тех или иных действий. В простейшем случае такой датчик имеет поплавок. Этот поплавок воздействует на контакт, через который происходит включение насоса.

В качестве контактов чаще всего применяют герконы. Геркон — это стеклянная герметичная колба с контактами внутри. Переключение этих контактов происходит под действием магнитного поля. Герконы имеют миниатюрные размеры и легко размещаются внутри тонкой трубки из немагнитного материала (пластик, алюминий). По трубке под действием жидкости свободно перемещается поплавок с магнитом, при приближении которого контакты срабатывают. Вся эта система устанавливается вертикально в резервуар. Меняя положение геркона внутри трубки, можно регулировать момент срабатывания автоматики.

Если нужно следить за верхним уровнем в резервуаре, то датчик устанавливают вверху. Как только уровень опустится ниже установленного, контакт замкнётся, насос включится. Вода начнёт прибавляться, и когда уровень воды дойдёт до верхнего предела, поплавок вернётся в исходное состояние, и насос отключится. Однако на практике такую схему применять нельзя. Дело в том, что датчик срабатывает при малейшем изменении уровня, вслед за этим включается насос, уровень поднимается, и насос отключается. Если расход воды из ёмкости меньше, чем подача, возникает ситуация, когда насос постоянно включается и отключается, при этом он быстро перегревается и выходит из строя.

Поэтому датчики уровня воды для управления насосом работают иначе. В ёмкости располагают минимум два контакта. Один отвечает за верхний уровень, он отключает насос. Второй определяет положение нижнего уровня, при достижении которого насос включается. Таким образом, значительно сокращается число пусков, что обеспечивает надёжную работу всей системы. Если разница уровней небольшая, то удобно использовать трубку с двумя герконами внутри и один поплавок, который их коммутирует. При разнице больше метра применяют два отдельных датчика, установленных на требуемых высотах.

Несмотря на более сложную конструкцию и необходимость схемы управления, электрические поплавковые датчики позволяют полностью автоматизировать процесс управления уровнем жидкости.

Если через такие датчики подключить лампочки, то их можно использовать для визуального контроля количества жидкости в резервуаре.

Самодельный поплавковый выключатель

Если у вас есть время и желание, то простейший поплавковый датчик уровня воды можно сделать своими руками, и расходы на него будут минимальны.

Механическая система

Для того чтобы максимально упростить конструкцию, в качестве запирающего устройства будем использовать шаровый клапан (кран). Хорошо подойдут самые маленькие клапаны (полудюймовые и меньше). Такой кран имеет ручку, которой он закрывается. Для переделки его в датчик необходимо удлинить эту ручку полоской металла. Полоска крепится к ручке через просверлённые в ней отверстия соответствующими винтами. Сечение этого рычага должно быть минимальным, но при этом он не должен изгибаться под действием поплавка. Длина его около 50 см. Поплавок крепится на конце этого рычага.

В качестве поплавка можно использовать двухлитровую пластиковую бутылку от газировки. Бутылка наполовину заполняется водой.

Проверить работу системы можно, не устанавливая её в резервуар. Для этого установите кран вертикально, а рычаг с поплавком поставьте в горизонтальное положение. Если все сделано правильно, то под действием массы воды в бутылки, рычаг начнёт двигаться вниз и займёт вертикальное положение, вместе с ним провернётся и ручка клапана. Теперь погрузите устройство в воду. Бутылка должна всплыть и повернуть ручку клапана.

Так как клапаны различаются размерами и усилием, которое нужно приложить для их переключения, возможно, нужно будет провести настройку системы. В случае если поплавок не может провернуть клапан, можно увеличить длину рычага или взять бутылку большего объёма.

Монтируем датчик в ёмкости на необходимом уровне в горизонтальном положении, при этом в вертикальном положении поплавка клапан должен быть открыт, а в горизонтальном — закрыт.

Датчик электрического типа

Для самостоятельного изготовления датчика этого типа, кроме обычного инструмента, понадобится:

Полудюймовая пластиковая труба для пайки водопровода. Длина трубы произвольная и зависит от размера вашего бака.
Трёхжильный медный провод сечением провода 0,5 мм2. Длина провода равна длине трубки плюс расстояние до блока управления, к которому будет подключаться датчик.
Брусок пенопласта 5*5*8 см.
Магнит. Хорошо, если он будет кольцевой, например, от старого динамика. Его внутренний диаметр должен быть на 4−6 мм больше наружного диаметра трубки.
Два геркона. Один — с нормально замкнутым контактом, другой — с нормально разомкнутым.
Паяльник, припой и канифоль.

Последовательность изготовления следующая:

Из пенопласта делаем поплавок. Для этого скругляем углы, чтобы получился цилиндр. По длине просверливаем отверстие на 3 мм больше наружного диаметра трубы. К одному из торцов цилиндра крепим магнит. Прикрепить его можно на эпоксидный клей или притянуть нитками. Убедитесь, что магнит не топит поплавок.
Берём трубку. Нагреваем один из концов и сминаем его так, чтобы образовалось утолщение. Это предотвратит попадание воды внутрь трубы и одновременно будет служить ограничителем нижнего положения поплавка.
Надеваем поплавок на трубу магнитом вверх и сдвигаем его в нижнее положение. Поплавок с магнитом должен свободно перемещаться по трубе.
Берём провод. Совмещаем его конец с нижним концом трубки. Ставим первую метку в месте, где расположен магнит. Здесь будет расположен геркон нижнего уровня. Вторая метка должна соответствовать верхнему. Эту же метку нанесите на трубу. Это упростит монтаж и настройку работы системы.
Берём геркон с нормально разомкнутым контактом и припаиваем его к проводу в месте нижнего уровня. Для этого зачищаем изоляцию на центральной жиле и на одной из боковых.
Геркон с нормально замкнутым контактом устанавливаем на верхнем уровне. Его припаиваем к центральной жиле (она общая для обоих герконов) и к оставшейся свободной.
В нижнем конце провода жилы должны быть изолированы друг от друга. С другой стороны промаркируйте, какая жила к чему подключена.
Провод с герконами вводим в трубу до упора, а его верхний конец фиксируем герметиком.
Готовый датчик крепим внутри ёмкости вертикально, учитывая метку верхнего положения поплавка. Трубка обладает некоторой плавучестью. Для того чтобы она не всплывала и не деформировалась, подгрузите её нижний конец.

При изменении уровня жидкости вместе с ней перемещается и поплавок, который действует на электрический контакт для контроля уровня воды в баке. Схема управления с таким датчиком может иметь вид, представленный на рисунке. Точки 1, 2, 3 — это точки подключения провода, который идёт от нашего датчика. Точка 2 — это общая точка.

Рассмотрим принцип действия самодельного устройства. Допустим, в момент включения резервуар пуст, поплавок находится в положении нижнего уровня (НУ), этот контакт замыкается и подаёт питание на реле (Р).

Реле срабатывает и замыкает контакты Р1 и Р2. Р1 — это контакт самоблокировки. Он нужен для того, чтобы реле не отключилось (насос продолжал работать), когда вода начнёт прибывать, и контакт НУ разомкнётся. Контакт Р2 подключает насос (Н) к источнику питания.

Когда уровень поднимется до верхнего значения, сработает геркон и разомкнёт свой контакт ВУ. Реле будет обесточено, оно разомкнёт свои контакты Р1 и Р2, и насос отключится.

С уменьшением количества воды в резервуаре поплавок начнёт опускаться, но пока он не займёт нижнее положение и не замкнёт контакт НУ, насос не включится. Когда это произойдёт, цикл работы повторится заново.

Вот так работает поплавковый выключатель контроля уровня воды.

В процессе эксплуатации необходимо периодически очищать трубу и поплавок от загрязнений. Герконы выдерживают огромное количество переключений, поэтому такой датчик прослужит долгие годы.