Для максимальной автоматизации систем водоснабжения существуют готовые насосные станции. Но по ряду причин их установка не всегда бывает оправданной. В подобной ситуации оказался и мой сосед по даче. Но он нашел простое решение – подключил к резервуару и насосу в колодце реле уровня воды. Тогда я решил детальнее узнать о таком устройстве и вот, что я выяснил.
Источник ds05.infourok.ru
Как работает устройство
Датчик уровня воды в резервуаре устанавливается для включения и отключения насоса в автоматическом режиме. Это может быть емкость закрытого или открытого типа. Также устройство используется для осуществления контроля за обстановкой в затапливаемых, например, подвалах. То есть не обязательно постоянно проводить визуальный осмотр для своевременного откачивания ненужной жидкости.
Принцип действия реле основан на изменении сопротивления между однополюсными электродами и прочими элементами, что содержатся в рабочей среде. Это могут быть помимо питьевой воды:
- родниковая, морская, речная, дождевая или сточная вода;
- молоко или пиво;
- вино-водочная продукция с низким содержанием алкоголя.
Не подлежат контролю:
- дистиллированная вода;
- бензин, керосином и сжиженный газ;
- масло и этиленгликоль.
Обычно датчики уровня воды для управления насосом устанавливаются в нижней и верхней точке относительно наполненности резервуара либо в допустимой верхней в случае с подвалом. Третий сенсор отвечает за прием сигналов от первых двух и за передачу информации к насосному оборудованию. Так как создаваемые импульсы слишком малы для запуска и отключения сравнительно более мощной цепи, воспринимаются коммутируемые токи магнитным пускателем.
Источник kipia.ru
Стоит отметить, что реле уровня воды в баке изначально не укомплектовано датчиками. Это обосновано тем, что эксплуатация устройства может осуществляться разным количеством сенсоров. В том числе 4-мя, где последний срабатывает в случае аварийных ситуаций. Он может пригодиться в случае использования крупногабаритного резервуара для жидкости (чтобы не переполнялся) или в условиях частого затопления погреба.
Виды устройств
Реле уровня жидкости для отключения насоса сегодня представлены в нескольких вариантах. Одноуровневые модели используются в целях стабильного поддержания в заданной степени заполненности того или иного резервуара. Таким образом исключается холостая работа насосного оборудования, чем обеспечивается его длительная эксплуатация.
Источник euro-avtomatika.ru
Двухуровневые образцы устанавливаются для контроля за максимальной и минимальной заполненностью бака. То есть именно здесь имеются три датчика. А в четырехуровневых моделях имеется два дополнительных сигнализатора. Они отвечают за предупреждение об аварийных ситуациях. В промышленных масштабах, как правило, к ним подключаются резервные насосные станции. А также устройства оснащаются светодиодной индикацией.
Разновидности датчиков
Существует три типа воспринимающих и передающих информацию об изменениях сопротивления в рабочей среде элементов. Электродный датчик уровня воды для насоса представлен тремя сенсорами: короткий и пара длинных. Первый отвечает за передачу импульсов при максимальной заполненности резервуара, вторые – при его опустошении.
Источник techparts.com.ua
Поплавковые датчики уровня воды для управления насосом представлен поплавком со встроенным магнитном и трубкой, внутри которой расположен геркон. Последний – это герметичная коробочка, в ней имеются ферромагнитные контакты. Они между собой замыкаются под воздействием магнитного поля, что воспринимается на нужном для срабатывания уровне во время смещения поплавка. А его положение меняется по мере опустошения и заполнения резервуара рабочей жидкостью.
Поплавковое реле уровня воды для насоса также может быть использовано в качестве измерительного устройства для контроля степени заполненности резервуара. В зависимости от силы магнитного поля контактные пары геркона передают на резистор сигналы с сопротивлением от 4 до 20 мА. То есть располагая датчики на нескольких уровнях можно отслеживать наполненность бака в любой момент времени.
Источник amazon.com
Третий тип – емкостный датчик. Иное название приспособления – параметрический измеритель уровня воды. Здесь принцип действия основан на изменении диэлектрической проницаемости рабочей среды. За выявление этих изменений отвечает высокочувствительный конденсатор. За отчетную единицу принимается проницаемость воздуха. При заполнении резервуара жидкостью происходит изменение емкости. Это явление преобразуется в информацию, которая отображается на вынесенной наружу шкале. Стоит отметить, что диэлектрическая проницаемость может восприниматься не только со стороны воды внутри бака, но и со стороны его стенок. То есть такой датчик управления насосом по заданному уровню воды может быть установлен как внутри, так и снаружи резервуара.
Источник yandex.net
В этом видео на простом примере разобрана одна из схем автоматического управления насосом с помощью реле:
Ультразвуковые датчики уровня воды
По принципу работы и схеме устройства ультразвуковые датчики схожи с радарными. Только в данных приборах используется ультразвук. При помощи генератора создается ультразвуковое излучение. После достижения поверхности воды оно отражается и попадает через определенное время на приемник датчика. Достоинства можно выделить такие же, как и в радарном приборе. Только схема устройство проще, а показатели не такие точные.
Способы измерения уровня
Контроль уровня воды в баке для управления насосом можно выполнять двумя путями: контактным способом и бесконтактным. То есть датчики располагаются внутри резервуара с рабочей средой либо снаружи. К первой группе относятся поплавковые устройства, гидростатические манометры либо пластинчатые конденсаторы, которые крепятся на стенках резервуара. Второй тип измерителей представлен радарными и ультразвуковыми приборами. Они актуальны, когда осуществлять контроль в непосредственной близости с объектом невозможно. Причинами могут быть высокая вязкость рабочей среды, химическая агрессивность.
Радарные датчики уровня воды
Такие датчики могут определять повышение жидкости путем достижения отраженного сигнала, сравнения частотного сдвига, а также задержки между излучением. Радарный датчик работает как улавливать и излучатель отражения. Такие датчики являются одни из самых точных, надежных и лучших приборов.
К преимуществам радарных датчиков уровня воды можно отнести:
- Нет контакта с жидкой средой.
- Точность.
- Отсутствуют подвижные детали.
- Не привередливы к условиям работы.
А недостатком радарных датчиков является лишь их высокая стоимость.
Электромеханические решения
Общим признаком для подобных устройств является наличие движущейся части какого-либо типа поплавка, опирающегося на поверхность, либо устройства, которое должно двигаться сквозь содержимое.
Поплавок — использование поплавка на поверхности жидкости является простым и надежным методом измерения ее уровня при условии, что содержимое не препятствует свободному перемещению. Существует множество клапанов, переключателей и датчиков положения, активируемых поплавком и обеспечивающих регистрацию положения уровня или непрерывное считывание показаний в ограниченном диапазоне.
В некоторых из наиболее современных конструкций для непрерывных измерений с использованием поплавка применяется магнитострикционная сенсорная технология. Поплавок имеет форму тороида и перемещается снаружи трубчатого волновода. Длина волноводов может достигать 50 футов (15 м), поэтому они используются в очень крупных резервуарах. В поплавке содержится постоянный магнит, который вызывает прерывание электрического импульса, направляемого вниз по волноводу. Точка прерывания регистрируется приборами с высокой воспроизводимостью и исключительной точностью, достигающей ±< 0,001 дюйма. После установки и настройки устройств дополнительная калибровка не требуется.
«Магнитострикционная технология прекрасно сочетается с беспроводной передачей данных», говорит Mike Geis, специалист компании Ametek Automation & Process Technologies по освоению рынка. «Отклик на импульс происходит немедленно, поэтому потребление тока минимально».
На волноводе можно разместить два поплавка, благодаря чему магнитострикциционные измерения являются одной из немногих методик, способных обеспечить непрерывное измерение уровня слоев жидкости (например, масла поверх воды) при помощи одного прибора. «Если удельный вес отличается хотя бы на 10%, мы сможем разработать специальные поплавки для определения уровня в многослойных жидкостях «, добавляет Geis.
Вибрация и лопастное колесо — подобие этих двух методов состоит в том, что они предусматривают погружение движущегося зонда в содержимое. Погружаемый в материал вибрационный зонд напоминает камертон, в котором при помощи пьезоэлектрического кристалла создается непрерывная вибрация. Если зонд не погружен в содержимое, он вибрирует свободно. При погружении характер вибрации изменяется, что распознается механизмом с подачей соответствующего сигнала.
Аналогично, в лопастном колесе используется подвижная лопасть или флажок в виде плавника, установленные на валу, присоединенном к небольшому двигателю. При погружении в твердофазный продукт устройство не может вращаться и подает сигнал. После выпуска содержимого вращение возобновляется. В обоих методах используются погружные датчики, подвергаемые разрушающему воздействию содержимого резервуара.
Давление — Подобно измерениям массы (взвешивание резервуара), методы измерения по давлению или по разности давлений позволяют определить уровень путем измерения высоты напора у днища емкости (или в месте, где расположен прибор). Если резервуар сообщается с атмосферой, можно обойтись обычным манометром. Однако, если резервуар закрыт и находится под давлением либо откачивается, для автокомпенсации разности внутреннего и атмосферного давлений используется отсчет показаний дифференциального давления между днищем и свободным пространством в верхней части емкости. Этот метод работает хорошо, но требует прокладки дополнительных трубопроводов.
Как изготовить своими руками
Для создания простейшего измерителя уровня понадобится ультразвуковой модуль HC-SR04 и микроконтроллер 8051. Устройство позволяет контролировать уровень жидкости в резервуаре глубиной до 2 метров. Для работы устройства нужно изолировать НС-SR04 от попадания влаги.
HC-SR04 устанавливается в верхней части резервуара, излучателем в сторону жидкости. Ультразвуковые колебания, излучаемые модулем, отражаются от поверхности воды. Приемник принимает эхо-сигнал, высчитывает задержку времени и передает сформированный сигнал о результатах измерений микроконтроллеру.
Микроконтроллер считывает сигнал и вычисляет расстояние.
При введении необходимой программы микроконтроллер будет включать насос, когда уровень воды опустится до минимального заданного значения, и выключать его при достижении максимального уровня.
Конструкция и принцип действия
Независимо от того, какой принцип действия положен в основу устройства, работает ли оно только в режиме сигнализатора или параллельно выполняет функции сторожа, автомата или управляющего механизма, конструкция прибора всегда состоит из трех основных узлов:
- Чувствительного элемента, способного реагировать на характеристики водяного потока. Например, фактическое наличие воды, высота столба или уровень в баке, факт движения водяного потока в трубе или магистрали;
- Балластного элемента, уравновешивающего сенсорную часть датчика. Без балласта чувствительный сенсор срабатывал бы при малейшем толчке или случайной капле воды;
- Передающая или исполнительная часть, преобразующая сигнал сенсора, вмонтированного в датчик воды, в конкретный сигнал или действие.
Примерно 90% всей водной техники, так или иначе, связано с электрическими исполнительными механизмами – насосами, клапанами, нагревателями и управляющими электронными автоматами. Понятно, что такое устройство, работающее с водяными потоками, должно быть в первую очередь безопасным.
Из всех сигнальных систем датчик, контролирующий состояние воды, считается наиболее простым и доступным в настройке и ремонте. В отличие от сенсоров и устройств, работающих с измерениями температуры, давления или расхода, датчик воды очень просто контролировать с помощью простейших устройств, или, на крайний случай, увидеть уровень или прокачанный поток своими глазами.
Электрические зонды
В случаях, когда можно ограничиться дискретным измерением уровня и допускается контакт с продуктом, несложным и надежным решением задачи становится использование емкостных и проводниковых зондов.
Проводниковые зонды отличаются простотой и обеспечивают считывание положения уровня проводящих жидкостей. Часто их монтируют в блоке по два или более для измерения верхнего и нижнего уровней. Если жидкость не электропроводна, необходимо использовать другой подход.
Емкостные зонды определяют наличие твердого или жидкого содержимого за счет изменения емкости зонда, снабженного несколькими электродами. На электроды подается ток высокой частоты, и его изменение, обусловленное диэлектрическими свойствами контактирующего вещества, можно измерить. Некоторые конструкции дают возможность определять диэлектрическую постоянную продукта, благодаря чему с их помощью можно отличать различное содержимое. Например, показания зонда, погруженного в масло, отличаются от показаний при его погружении в воду. Это может помочь в ситуациях, когда в резервуаре содержится более одного продукта.
Некоторые емкостные датчики обеспечивают считывание через стенку неметаллического резервуара, что позволяет определять положение уровня без проникновения в резервуар или без контакта с продуктом. Датчик можно установить на плоской стенке резервуара или навить вокруг неметаллической трубы. Если резервуар выполнен из металла, датчик можно разместить на смотровом окне или в колодце, изготовленном из пластиковой трубы. «Емкостные датчики великолепно работают с большинством сыпучих материалов», говорит Roger Saba, менеджер по продукции компании Turck Instrumentation Group. «Некоторые неоднородные материалы, например, содержащие хлор моющие средства, образуют покрытие внутри резервуара и изменяют характеристики пластмасс. При этом емкостные датчики обычно блокируются и дают ложные показания, но более совершенные устройства успешно преодолевают это затруднение».
Тепловые зонды погружаются в резервуар. В них используется небольшой нагревательный элемент для разогрева наконечника; прирост температуры измеряется. Если вокруг зонда отсутствует жидкость, прирост температуры может быть относительно большим. Однако в присутствии жидкости тепло отводится и зонд нагревается в меньшей степени.
Выбор методики
Одним из простейших и наиболее надежных способов определения степени наполнения резервуара является его взвешивание. Это единственный метод, который дает истинное значение массы независимо от того, известны ли внутренние размеры резервуара. Степень наполнения резервуара можно определить при помощи тензодатчиков, помещенных под его опорой, вычитая собственный вес. Этот метод пригоден для любого типа содержимого и при отсутствии помех со стороны трубопроводов или других соединений способен обеспечить высокую точность измерений. Имеются практические ограничения по общим габаритным размерам, но упускать из виду это очевидное решение нельзя.
Если его использование окажется нецелесообразным, придется прибегнуть к другим, значительно более сложным решениям, применимость которых зависит от сочетания различных требований.
Наиболее общим критерием при выборе методики измерения уровня является содержимое резервуара. В пределах данного обсуждения мы определяем жидкости как субстанцию, которая устанавливается на едином уровне и обладает способностью течь по трубам. Твердофазное вещество может обладать такой же степенью текучести, но не обязательно образует однородную поверхность, а также не стекает по стенкам сосуда. Поведение жидкостей, обладающих значительной вязкостью или имеющих высокое содержание твердых частиц, характерно скорее для сыпучих веществ.
Ниже приводится краткая характеристика методов измерения уровня. Сравните их с учетом предполагаемых областей применения, указанных на врезке. Примите во внимание то обстоятельство, что непрерывные методы можно использовать для выполнения функций, определяемых дискретным положением уровня, а совокупность точечных измерений уровня можно рассматривать как непрерывные данные, что может оказаться полезным несмотря на их некоторую приблизительность. Как перечень областей применения, так и обзор методик не являются исчерпывающими. Для каждой прикладной задачи существуют методы, которые не упомянуты, а для каждого общего случая возможны обоснованные исключения.
Ядерные (радиационные) датчики
Несмотря на высокую эффективность этого решения оно остается методом, к которому обращаются в последнюю очередь — из-за дороговизны и специализированных требований. Метод очень прост: радиоактивный источник гамма-излучения размещается с одной стороны резервуара. На другой стороне монтируются датчики, аналогичные счетчику Гейгера, для считывания показаний уровня. Содержимое резервуара, твердое или жидкое, поглощает гамма-лучи предсказуемым образом, что позволяет определить уровень при помощи электронной аппаратуры. Точность измерений определяется количеством датчиков, поэтому обычно этот метод используют для регистрации верхнего и нижнего пределов.
Радиационные датчики не требуют проникновения ни в объем продукта, ни даже в резервуар вообще, поэтому этот метод особенно ценен для установок с высоким давлением и температурой, при обработке дорогостоящих продуктов, а также в случае нецелесообразности переделки имеющегося оборудования. Однако, с учетом способности радиоактивного источника пронизывать излучением типичный стальной резервуар, для работы с ним потребуются специальные разрешения и обучение операторов, поэтому это техническое решение требует тщательной продуманности и предварительной подготовки.
