Уровнемер ультразвуковой своими руками

Обновлено: 05.07.2024

Началось все с того, что два месяца назад у нас пропала вода. Что случилось, никто точно не знает, но уровень грунтовых вод в поселковой скважине упал и вода в деревне закончилась. После трехнедельной беготни с многочисленными бутылками и канистрами было решено копать колодец. К слову сказать, земля у нас глинистая и шансы были невысоки, но по крайней мере техническую воду добыть хотелось. Для бурения использовал старый дедушкин садовый бур. Он представляет собой стальную ось с ручками буквой Т, на нижнем конце которой прикручен бур диаметром 20 сантиметров. Он был наращен строительными шпильками и пробурена дыра на глубину 4 метра. Где-то на глубине 3 метра обнаружилась тонкая прослойка песка, из которой пошла вода.
Радости было много. Тут же поехал за насосом и трубой, собрал и стали пользоваться. Вначале, конечно, вода шла грязная, но постепенно стала очищаться.
Начал думать, как реализовать систему. Выход воды, по предварительным прикидкам, был не больше 100 л/час, поэтому нужно было откачивать воду порциями, чтобы насос не хватал воздух. Нужен датчик уровня воды.
UPD: пара фоток
UPD2: Прошло 10 суток, сегодня проверил датчик — контакты абсолютно чистые! Итак, остается для применения схема с питанием датчика переменным током.

Исходные данные: две отметки, по верхней отметке насос включается, по нижней отключается.
Наиболее простые датчики используют свойство проводимости воды. Поиски в интернете дали великое множество вариантов, из которых нечего было выбрать))). Один из вариантов обеспечивал гистерезис с помощью второй пары контактов реле нагрузки, но он мне тоже не понравился. Решено делать свое.
Версия 1. Датчик представляет собой резистор подтяжки к питанию, который замыкается через воду на землю.

Конструктивно представляет собой медный кабель 3х1.5, зачищенный по уровням: самый нижний конец-земля, чуть выше — нижний уровень воды, еще выше — верхний уровень воды.
Логическая схема состоит из одной микросхемы 74HC00, которой хватает даже на индикацию. В архиве проект в Протеусе, моделирование тоже работает.
Потом купили емкость на 1000 л., фильтры, второй насос с ресивером, подключил к дому. Еще поставили ультрафиолетовый стерилизатор, все же поверхностные воды…
Теперь проблемы. Сначала не запустилась схема с импульсным блоком питания, причины не стал выяснять, заменил на трансформаторный. Кабель — датчик окисляется за три дня и начинаются глюки — насос не включается. Увеличил подтяжку до 330 кОм. Окисляется за пять дней. Причем на плюсах — синие кристаллы и разрушается медь, а на минусе — белый налет, а медь нормальная. Припаял маленькие полоски из нержавеющей стали (от автомобильных дворников). Плюсы окисляться перестали, а вот минус все равно чистить раз в неделю приходится, причем теперь насос не выключается. (((
Много думал…
В качестве версии 2 решил сделать датчик с питанием подтяжки переменным током.

Или обрастать будут оба электрода, или будут оба чистые. Переменка берется с дополнительной обмотки трансформатора питания.
Полная схема доступна в архиве.
Сегодня запустил на макетке, подождем недельку.
Печатка второй версии сделана под макетку, поэтому не удивляйтесь, 74HC00 на плате-переходнике.
UPD: Пара фоток:
Версия 1:

Сделана под внешний блок питания, думал импульсник использовать, не вышло, и в печатке косяки, не с той ноги выход взял и контакты реле оказались наоборот НО-НЗ, пришлось паять проводами. Не исправлял, поэтому печатку не выкладываю.
Версия 2:

WARNING! Кстати, таки в этой печатке тоже реле наоборот)) В протеусе все реле наоборот, что-ли?

, , , ,

+3
06 января 2013, 22:22
3

Комментарии ( 98 )

Тут где-то в блогах проскакивало решение проблемы коррозии в виде использования периодических измерений. Если пускать ток через электроды не постоянно, а раз в минуту в течении долей секунды, то неприятных эффектов будет меньше.

Думал об этом. Просто нужно было быстро и просто. А вообще в планах есть сделать на микроконтроллере и добавить еще емкостный датчик на бочку

Ну так за неделю, которую будет окисляться этот, можно сделать емкостной в колодец =)

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.

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

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:

Рис. 2. Поплавковый датчик для управления насосом

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.