Простые самодельные индикаторы уровня воды (жидкости) в баке. Как узнать уровень воды в бочке

Многие дачники используют в своем хозяйстве различные системы водоснабжения, использующие промежуточные емкости. Они помогают вода очиститься, нагреться, в них оседает песок и окислы железа, вода насыщается кислородом. Часто такие емкости, бочки и баки устанавливают в подвалах и использую подкачивающие насосы. Или наоборот, ставят их на чердаке и втором этаже и тогда вода идет самотеком. Но и в том и в другом случае, желательно знать – сколько осталось воды в баке. Особенно если он не оборудован автоматической системой поддержания уровня воды. Для этого приходится периодически спускаться в подвал или залезать на чердак, что неудобно. А удобно иметь дистанционный указатель уровня воды с индикацией в месте ее основного потребления или в месте, где установлено управление насосом, наполняющим эту емкость. Рассмотрим некоторые варианты устройства, которые можно сделать на даче и дистанционно контролировать уровень воды. Надо сразу сказать, что человека вряд ли интересует точное значение количества воды в баке. Нет разницы, 153 или 162 литра там находится. Здесь – так же как и в автомобиле, важно знать с точностью до 10-15% — «почти полный бак», «половина», «меньше четверти» и т.п.

Механические индикаторы. Самые простые в исполнении, но довольно громоздкие. Как правило, представляют собой довольно большой и тяжелый поплавок, к которому привязан шнур. Шнур переброшен через блок (шкив) и к его другому концу прикреплен груз, по весу примерно равный поплавку, находящемуся в воде. При изменении уровня воды, груз перемещается вверх – вниз и может сам служить индикатором наполнения емкости, если виден. Правда с «перевернутой» шкалой – чем больше воды, тем ниже груз-индикатор.

Но если бак визуально не виден, то необходимо протягивать шнур в место размещения индикатора. Для этого прочный шнур натирают мылом (для лучшего скольжения), пропускают в тонкую трубку и на другом его конце устраивают шкалу. Разумеется, совершенно не требуется шкала размером с высоту возможного уровня воды (а это может быть и целый метр). Поэтому на одну ось с основным шкивом насаживают (и крепят к основному шкиву) шкив со значительно меньшим диаметром. На него наматывают немного шнура и уже он будет двигать стрелку индикатора. Длина индикаторной шкалы теперь будет меньше хода поплавка в столько раз, в сколько раз диаметр малого шкива меньше диаметра большого. А так же будет нормальной — максимум уровня вверху.

Такой же индикатор можно сделать и в случае поплавка на рычаге. Такая система больше подойдет для емкостей небольшой глубины, но с большой площадью поверхности воды. Такие используются обычно для того, что бы избавиться от растворенного в воде железа. В этом варианте необходимый коэффициент мультипликации можно получить просто подобрав точку крепления шнура к рычагу.

Явный недостаток таких индикаторов — обилие движущихся частей, а следовательно – необходимость содержания их в чистоте, смазке. Сложность прокладки коммуникации (трубки) на большое расстояние и через перекрытия.

Пневматические индикаторы. Устроены такие индикаторы следующим образом. В емкость для воды опущена труба, которая имеет заглушку вверху. В трубе образуется воздушный колокол. В заглушку трубы врезан штуцер, от которого тянется тонкая герметичная трубка. На другом ее конце располагается U-образная трубка – индикатор. К одному ее концу подсоединена трубка из емкости, другая — свободна. В индикаторе находится водяная пробка (из подкрашенной воды). Таким образом, в трубке оказывается запертой некоторая порция воздуха.

Когда уровень воды в баке меняется, то соответственно эта порция воздуха двигается вверх –вниз. А вместе с ним – двигается и «цветная» пробка, которая и служит индикатором. В отличие от механических систем, тут нет движущихся частей, требующих ухода. Но системе присущи другие недостатки. В частности — высокие требования к герметичности трубки и зависимость показаний от температуры и атмосферного давления. Погрешность незначительная, но она есть.

Электрические индикаторы. Являются самыми технологичными и могут быть исполнены в самых разнообразных вариантах. Начиная от простейших стрелочных индикаторов, кончая светодиодными шкалами и дисплеями. Но в основе любого электрического индикатора обязательно лежит какой то датчик уровня жидкости. Проще всего его изготовить из переменного резистора, движок которого занимает соответствующее положение в зависимости от уровня воды в баке.

Схема подключения достаточно проста. В качестве индикатора служит любая стрелочная головка микроамперметра. При максимальном уровне воды (движок переменного резистора вверху по схеме) подбором резистора R1 стрелка микроамперметра устанавливается крайнее правое положение — «полный бак». На этом наладка закончена. При минимальном уровне воды (движок резистора внизу по схеме) микроамперметр будет показывать «ноль» — «пустой бак».

Такой переменный резистор можно насадить, например, на ось шкива (см механические индикаторы). А можно сделать его самому. Для этого надо взять проволоку из металла в высоким удельным сопротивлением (нихром, константан, фехраль и др.) и насадить на нее поплавок с упругими скользящими контактами. Например из луженой жести. Проволока вывешивается в баке, внизу прикрепляется груз. К концам проволоки и скользящим контактам припаиваются провода. При изменении уровня воды поплавок будет перемещаться по проволоке от максимального до минимального уровня.

Что бы дистанционный индикатор не потреблял электрический ток попусту, лучше подключить его через кнопку. Тогда одного комплекта батареек хватит на несколько лет. Использование микроаперметрической головки не является единственным способом индикации. Можно сделать простейший компаратор напряжения и использовать его со светодиодной шкалой, оснастить звуковыми индикаторами и т.п. Схемы таких светодиодных шкал можно найти в интернет и соответствующей радиолюбительской литературе.

Основное удобство электрических индикаторов — их точность, отсутствие трансмиссии, легкость проводки, надежность, зрелищность индикации. Недостаток — необходимость электропитания.

Для изготовления датчика, или индикатора уровня воды в баке, цистерне, бассейне и другой ёмкости, можно применить микросхему 4093 (отечественная 561ТЛ1) либо на микроконтроллере Ардуино. Начнём с первого варианта.

Необходимые для датчика материалы

• 2 микросхемы 4093;
• 2 панельки для микросхем;
• 7 по 500 ом резисторы;
• 7 по 2,2 Мом резисторы;
• батарея 9 В;
• гнездо для батареи;
• плата для схемы 10 х 5 см;
• 8 латунных винтов для датчиков;
• двухсторонний скотч или шурупы для крепления коробки к стене;
• сетевой кабель. Длина кабеля зависит от расстояния от резервуара для воды до места, где будет расположен дисплей.

Итак, основа - это CI4093, что имеет четыре элемента. В этом проекте использовано две микросхемы. Тут мы имеем порты с одним входом на высоком уровне, а другие подключенные через резистор, обеспечивая высокий логический уровень. При помещении в эту логику нулевого входного сигнала, выход инвертора будет на высоком уровне и включает светодиод. Всего использовано семь из восьми элементов, из-за ограничений в кабельной сети.

Сбоку размещена линейка светодиодов разных цветов, указывающая на уровень воды. Красные индикаторы - воды совсем мало, жёлтые - бак наполовину пуст, зелёные - полный. Центральная большая кнопка используется для подключения насоса и накачки бака.

Схема работает только при нажатии на центральную кнопку. Остальное время она находится в дежурном режиме. Но даже при срабатывании цепи индикации, ток минимален и батарейки хватит на долго.

Схема подключения датчика

Провода проходят внутри труб. Старайтесь расположить датчики таким образом, чтоб вода, попадающая в поле с помощью поплавкового клапана, никак не могла пройти мимо датчиков. Внутри трубы с датчиками, чтобы сделать нужный вес, был насыпан песок.

В собранном виде схема находится в коробке и установлена на стене.

Второй вариант схемы датчика уровня

Это полностью функциональный контроллер уровня воды, управляемый МК Arduino. Схема отображает уровень воды в баке и переключает двигатель, когда уровень воды опускается ниже заданного уровня. Она автоматически отключает мотор, когда бак полный. Уровень воды и другие важные данные отображаются на ЖК-дисплее 16х2 точек. В авторском варианте схема контролирует уровень воды в дренажном баке (резервуаре). Если уровень бака низкий, электродвигатель насоса не включится, что обеспечивает защиту двигателя от холостого хода. Дополнительно звуковой сигнал генерируется, когда уровень в дренажном баке слишком низкий.

Схема уровня воды с помощью контроллера Arduino показано выше. Датчик в сборе состоит из четырех алюминиевых проволок длинной в 1/4, 1/2, 3/4 и полный уровень в баке. Сухие концы этих проводов подключены к аналоговым входам A1, A2, A3 и A4 Arduino соответственно. Пятый провод размещен в нижней части бака. Резисторы R6 - R9 уменьшают потенциал входов. Сухой конец провода подключен к +5V DC. Когда вода касается конкретного зонда, происходит электрическое соединение между зондом и +5V, потому что вода обладает некоторой электропроводностью. В результате ток течет через зонд и этот ток преобразуется в пропорциональное ему напряжение. Arduino читает падении напряжения по каждому из входных резистор для зондирования уровня воды в баке. Транзистор Q1 включает зуммер, резистор R5 ограничивает ток базы Q1. Транзистор Q2 управляет реле. Резистор R3 ограничивает ток базы Q2. Переменник R2 используется для регулировки контрастности ЖК-дисплея. резистор R1 ограничивает ток через его LED подсветку. Резистор R4 ограничивает ток через светодиодный индикатор питания. Полную

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

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

На производстве нередко возникает необходимость в измерении уровня жидкости (воды, бензина, масла). В быту чаще всего нужно определить высоту воды в какой-либо емкости, для этого применяют специальные приспособления - уровнемеры и сигнализаторы. Измерительные устройства делятся на несколько разновидностей, их приобретают в магазинах, но для домашнего использования проще всего сделать датчик уровня воды своими руками.

Виды датчиков

Датчики различаются между собой по способу измерения уровня жидкости и делятся на два вида: сигнализаторы и уровнемеры. Сигнализаторы отслеживают заданную точку заполнения емкости и при достижении нужного объема жидкости прекращают ее поступление (пример - поплавок в бачке унитаза).

Уровнемеры непрерывно контролируют степень заполнения резервуара (пример - датчик на шахтном водоотливе).

По принципу действия датчики уровня воды в емкости делятся на такие разновидности:

Это самые распространенные уровневые датчики, кроме них существуют емкостные, гидростатические, радиоизотопные и другие виды устройств, которые применяются в различных отраслях промышленности.

Правила выбора

При покупке датчика уровня жидкости в резервуаре нужно учитывать несколько факторов, при их соблюдении устройство будет работать правильно и безотказно. В первую очередь нужно определить тип жидкой среды и ее плотность, уровень опасности для человека. Значение имеют материал изготовления емкости, ее объем - от этих параметров зависит принцип действия выбранного датчика.

Следующий момент, на который нужно обратить внимание - предназначение устройства , будет оно использоваться для контроля минимального и максимального уровня жидкости или же для постоянного отслеживания заполняемости резервуара.

При выборе промышленных датчиков количество критериев может быть расширено, для бытовых сигнализаторов и уровнемеров достаточно учитывать объем резервуара и тип устройства. В домашних условиях используются приспособления, изготовленные своими руками - работают они ничуть не хуже заводских моделей.

Изготовление своими руками

Проще всего изготовить самостоятельно поплавковый датчик уровня воды в резервуаре, или сигнализатор наполнения.

Принцип действия такого устройства заключается в том, что поплавок всплывает в жидкости, при максимальном наполнении емкости замыкает контакты и сигнализирует о достаточном уровне воды.

Последовательность изготовления:

Приведенная схема изготовления датчика самая простая, ее используют для небольших емкостей.

Минус такого устройства в том, что оно не дает возможности автоматического выключения насоса. Чтобы останавливать подачу воды в резервуар, изготавливают сигнализаторы с использованием магнитов и герконов.

Иногда требуется узнать, сколько воды или иной токопроводящей жидкости осталось в какой-либо закрытой емкости. Например в металлической бочке закопанной в землю либо поднятой на высоту так, что не возможно определить ее содержимое. Для решения этой проблемы рекомендую собрать схему простого датчик уровня воды. Устройство состоит всего из нескольких радиокомпонентов: резисторов, транзисторов и трех светодиодов.

Из-за меняющегося давления в отопительной системе и нагрева жидкости расширительный бочек делают открытым, поэтому через какое-то время часть воды выкипает, и это приводит к остановке циркуляции воды и перегреву нагревательных элементов. Данное устройство покажет когда уровень воды снизиться ниже датчика.

VT1 и VT2 практически любые маломощные,BC547, BC337-40 или C9014. IC1- LM358 или 741. Светодиоды любые на напряжение 3-4В. Все резисторы мощностью 0.125Вт.

Транзисторы VT1 и VT2 образуют усилитель с гальванической связью. Сопротивление R2 задает смещение на базу второго транзистора и в то-же время являясь нагрузкой первого. Резистор R3 предназначен для нагрузки VT2.

Если контакты устройства находятся в воде или иной токопроводящей жидкости, то плюс питания окажется соединен с резистором R1 через воду, поэтому на базу транзистора VT1 поступает напряжение и он отпирается, при этом VT2 остается закрытым и не инвертирующий вход операционного усилителя будет подключен к минусу через сопротивление R3. На выходе операционного усилителя будет присутствовать логический ноль и первый светодиод засветится, говоря о нормальном уровне воды.

Если уровень жидкости снизится и водяной контакт разомкнется, то напряжения смещения перехода на базе VT1 исчезнет и он будет закроется. Соответственно база VT2 будет соединена с плюсом питания и он отпирается, соединив не инвертирующий вход ОУ с плюсом, и поэтому на его выходе формируется уровень логической единицы, второй светодиод начинает сигнализировать о снижении уровня жидкости.

Индикатор уровня воды можно также подключить и к звуковой индикации. Подсоединив вывод OUT индикатора уровня к выводу блока аудио сигнализации ().

В роли датчика подойдут обычные два провода можно применить толстый двужильный провод, оголив концы. Датчик монтируемый на необходимый нам уровень контроля.

Внешний вид датчика уровня жидкости показан на фотографиях ниже. В качестве зондов применяется проволока из нержавеющей стали, которая припаивается к контактам разъема, после чего это пространство заполняется герметиком или клеем.

В состав конструкции входят три зонда: - общий, - включение и - выключение. Изолирующие втулки изготовлены из внутренней изоляции коаксиального кабеля большого диаметра. Конструкция соединяется с блоком автоматики при помощи экранированного кабеля с двумя изолированными жилами. Экранирующая оплетка подключена к общему зонду.

В роли датчика используются два металлических стержня погруженных в жидкость. Принцип работы преобразователя основана на способности подовляющего большинства жидкостей проводить ток. Высокая чувствительность преобразователя обеспечивается применением логической микросборки КМОП на полевых транзисторах с изолированным затвором. Отечественная микросборка К561ЛА7 состоит из четырех логических элементов «И-НЕ». На DD1.1 и DD1.2 собран классический генератор прямоугольных импульсов, работающий на частоте 3 Гц.

Генератор, выполненный на DD1.3 и DD1.4, работает на частоте 1 кГц. Если погружаемый датчик соприкасается с жидкостью, емкость C1 начинает заряжатся и запускает генератор DD1.1 – DD1.2, который, каждые 350 миллисекунд запускает генератор на DD1.3 – DD1.4. Поэтому на выходе радиолюбительской самоделки появляется генерируется прерывистый звуковой сигнал. Чувствительность можно настраивать подбором сопротивления R1. Чем больше его номинал, тем выше чувствительность. Емкость C1 защищает высокоомный вход микросборки от вероятных помех.

Для сборки этого датчика уровня воды вам потребуется: полевой транзистор IRF540N или аналогичный, например IRFZ44N; Любой Активный зуммер (пищалка); Сопротивление на 1 МОм; Источник питания 12В, например аккумуляторная батарея.

Принцип работы схемы для контроля уровня жидкости показан в видео инструкции ниже: