Датчик уровня жидкости в резервуаре: виды, обзор производителей, применение, особенности установки

Датчики уровня жидкости в резервуаре позволяют как производить текущее измерение количества заправленной жидкости, так и сообщать о достижении предельных ее значений. Такие приборы состоят из чувствительного сенсора, реагирующего на определенные физические параметры, и схемы измерения, контроля и индикации. В зависимости от области применения используются устройства, различающиеся принципом своего действия.

Информация, изложенная в статье, поможет узнать о принципах работы датчиков разных типов и областях их применения. Будет осуществлен краткий обзор их достоинств и недостатков, указаны основные зарекомендовавшие себя на рынке производители.

Классификация приборов

Датчики уровня жидкости в резервуаре могут быть уровнемерами или сигнализаторами. Первые из них предназначены для постоянного измерения уровня жидкости в текущий момент времени. Они используют сенсоры, работающие на разных физических принципах. Дальнейшую обработку поступающих от них сигналов производят аналоговые или цифровые электронные схемы, входящие в состав уровнемеров. Полученные показатели отображаются на элементах индикации.

Сигнализаторы предупреждают о достижении определенного, заранее установленного элементами настройки значения уровня жидкости в емкости. Другое их название — датчики уровня воды в резервуаре для отключения ее дальнейшей подачи. Их выходной сигнал является дискретным. Предупреждение может выдаваться в виде световой или звуковой сигнализации. При этом происходит автоматическая блокировка работы систем заправки или слива жидкости.

Методы измерения уровня

В зависимости от свойств жидкости, уровень которой в резервуаре требуется определить, используются следующие методы измерения:

контактный, при котором осуществляется непосредственное взаимодействие датчика уровня жидкости в резервуаре или его части с измеряемой средой;
бесконтактный, позволяющий избежать прямого взаимодействия датчика с жидкостью (ввиду ее агрессивных свойств или высокой вязкости).

Контактные устройства располагаются в емкости непосредственно на поверхности измеряемой жидкости (поплавки), в ее глубине (гидростатические манометры), либо на стенке резервуара на определенной высоте (пластинчатые конденсаторы). Для бесконтактных измерителей (радарных, ультразвуковых) необходимо обеспечить зону прямой видимости поверхности измеряемой жидкости и отсутствие прямого соприкосновения с ней.

Принципы действия

Как уровнемеры, так и сигнализаторы для выполнения своих функций используют разные принципы действия. Наибольшее распространение получили устройства следующих типов:

поплавковые датчики уровня жидкости в резервуаре;
емкостные;
гидростатические датчики уровня жидкости;
устройства радарного типа;
ультразвуковые датчики.

Поплавковые, в свою очередь, могут быть механическими, дискретными и магнитострикционными. Первые три группы датчиков включают в себя устройства, использующие контактный метод измерения, две другие относятся к бесконтактным устройствам.

Механические поплавковые датчики

Легкий поплавок, постоянно находящийся на поверхности жидкости в резервуаре, системой механических рычагов связан со средним выводом потенциометра, который является плечом моста сопротивлений. При минимальном количестве жидкости в емкости мост считается сбалансированным. Напряжение в его измерительной диагонали отсутствует.

По мере заполнения резервуара поплавок отслеживает положение уровня жидкости, перемещая через систему рычагов подвижный контакт потенциометра. Изменение сопротивления потенциометра приводит к нарушению сбалансированного состояния моста. Появившееся напряжение в его измерительной диагонали используется электронной схемой системы индикации. Ее аналоговые или цифровые показания соответствуют количеству жидкости в резервуаре в текущий момент времени.

Правила выбора

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

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

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

Дискретные поплавковые датчики

Дискретный сигнал в виде замыкания или размыкания контактов герконового реле используется схемой электронной индикации и сигнализации для оповещения о достижении уровня жидкости в емкости определенного значения. Металлические контакты, выполненные из материала с низким переходным сопротивлением при их замыкании, помещены в полую изолированную стеклянную колбу.

Датчик уровня воды в резервуаре с дискретным выходом имеет в своем составе направляющую в виде полой трубки, в которую не попадает жидкость из резервуара. Внутри направляющей закреплены контакты одного или нескольких герконовых реле. Место их расположения зависит от того, в каком случае необходимо получить сигнализацию о достижении уровнем жидкости заданного значения.

Поплавок датчика со встроенным в него небольшим постоянным магнитом движется вдоль направляющей при изменении уровня жидкости в емкости. Срабатывание контактной группы происходит в момент ее попадания в магнитное поле постоянного магнита поплавка. Сигнал по проводам, подключенным к контактам датчика уровня воды в емкости геркона, поступает на схему сигнализации.

Разновидности датчиков

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

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

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

Магнитострикционные поплавковые датчики

Датчики этого типа выдают постоянный сигнал, зависящий от уровня жидкости в резервуаре. Основным элементом, как и в предыдущем случае, является поплавок с постоянным магнитом внутри, занимающий свое положение на поверхности жидкости и перемещающийся в вертикальной плоскости вдоль направляющей.

Внутреннюю полость направляющей, изолированную от жидкости, занимает волновод. Он выполнен из магнитострикционного материала. В нижней части элемента расположен источник импульсов тока, которые распространяются вдоль него.

При достижении излученного импульса места нахождения поплавка с магнитом происходит взаимодействие двух магнитных полей. Результатом такого взаимодействия является возникновение механических колебаний, которые распространяются обратно по волноводу.

Рядом с импульсным генератором закреплен пьезоэлемент, который фиксирует механические колебания. Внешняя электронная схема анализирует временную задержку между излученным и полученным импульсами и вычисляет расстояние до поплавка, который постоянно находится на поверхности жидкости. Схема индикации постоянно сообщает об уровне жидкости в резервуаре.

Бесконтактный датчик воды Y25 T12V , или Перестаем дырявить бочки

Я опубликовал немало обзоров по поводу дачной автоматики, во многих из них фигурировали манипуляции с водой. Часто требуется узнать уровень жидкости, либо факт её отсутствия. Такую информацию удобно использовать в своих поделках, направленных на избавление от рутинных процедур. Чтобы узнать уровень многие, и я, в том числе, используют поплавковые датчики на герконах, основной проблемой при их применении является необходимость дырявить ёмкость, согласитесь, это не добавляет надежности и универсальности применения ёмкости, да и сверление с последующей герметизацией — не самые приятные манипуляции. Обозреваемое устройство (появилось в продаже недавно) призвано избавить от этого, обеспечив масштабируемость и перестраиваемость системы… Посмотрим что за зверь под катом. Датчики доехали за 14 дней, упакованы были достаточно хорошо. Сами датчики в пакетиках:

Распаковываем:

Длина шнурка порядка 45 см:

Размеры:

Датчик очень легкий, вес: Разъем имеет 4 контакта:

Слева направо: — коричневый — питание — желтый — сигнал — синий — земля — черный настройка На датчике имеется индикатор, который при обнаружении воды, должен загораться, судя по описанию продавца. Питаться датчик умеет в диапазоне от 5 до 24 Вольта, что очень удобно. Корпус влагозащищенный (ip67), что позволяет размещать датчик на улице, либо во влажном помещении, не заботясь о его защите. чтобы сходу не ломать разъем, подключим модельные проводки:

У меня на даче имеется встроенный в стену самодельный регулируемый блок питания, подключим питание, 12 Вольт:

Подносим к бутылке с водой, индикатор загорается:

Если поднять выше уровня воды — индикатор гаснет:

Кстати если прислонить руку, индикатор также загорается:

Подключим мультиметр к проводкам питания, и убедимся в работоспособности

Далее: минус на землю, а плюс на вывод сигнала: Подносим к бутылке и видим на выходе напряжение питания: Если отвести датчик, напряжение на сигнальном выходе пропадает: Выходной ток датчика в диапазоне 1-50 мА. Продавец, заявляет работоспособность при питании в диапазоне 5-24 Вольта, попробуем снизить напряжение питания до 4-х Вольт:

Датчик отлично работает, попробуем снизить до 3-х Вольт:

Уверенная работа датчиков, позволяет сделать вывод об удачном его использовании с esp8266 без всяких преобразований — а это отличная новость! При других напряжениях, датчик также хорошо работает:

Выходить за пределы 24-х Вольт я не решился. Выставим 5 Вольт: Датчик реагирует на свой пакетик: Со стороны пробки бутылки тоже реагирует:

Приклеим двухсторонним скотчем 3М к бутылке:

Датчик отлично реагирует. При двух слоях скотча, датчик не всегда срабатывает:

Потребление составляет порядка 5-6 мА:

Ну и конечно попробуем применить в реальных условиях, работая с контроллером. В качестве контроллера возьмём Arduino Nano, также добавим индикаторный светодиод, получился такой комплект:

Светодиод подключим к выводу D3 и земле, а сигнальный выход датчика к выводу A0 (D14 — так как мы будем его использовать в цифровом режиме), также на датчик подадим питание от контроллера:

Учитывая, что датчик предназначен для воды, работая с ним очень важно защитится от дребезга контактов, например при волнах, когда работает насос. Также, я покажу как организовать такую защиту не пользуясь задержками в программе, собственно код: // Текущее состояние сенсора bool SensorState = false; // Время начала смены unsigned long SensorStartChange = 0; // Защитный интервал между сменами состояния unsigned long TIMEOUT = 3000; // Текущее время unsigned long CurrentTime = 0; void setup() { // Светодиод это выход pinMode(LED_PIN, OUTPUT); // Вначале не светим digitalWrite(LED_PIN, LOW); // Сенсор это вход pinMode(SENS_PIN, INPUT); } void loop() { // Устанавливаем текущее время CurrentTime = millis(); // считываем сенсор boolean CurrentState = digitalRead(SENS_PIN); // если текущее состояние сенсора отличается считанного if (CurrentState != SensorState) { // если отсчет таймера смены состояния не начат, начинаем if (SensorStartChange == 0) SensorStartChange = CurrentTime; // если новое состояние приняло свое значение за время большее чем время таймаута if (CurrentTime — SensorStartChange > TIMEOUT) { // меняем состояние сенсора SensorState=!SensorState; // сбрасываем время начала смены состояния SensorStartChange = 0; // если текущее состояние сенсора 1, то включаем светодиод if(SensorState){ digitalWrite(LED_PIN, HIGH); // если текущее состояние сенсора 0, то выключаем светодиод }else{ digitalWrite(LED_PIN, LOW); } } // смена состояния не состоялась, сбрасываем таймер }else{ SensorStartChange = 0; } } Я прокомментировал все строчки, чтобы было все понятно. Инициализируем выходы и проверяем смену состояния сигнального выхода датчика с защитой от дребезга контактов. В данном коде, защитный интервал составляет 3000 мс = 3 секунды, часто этот интервал целесообразно увеличить до минуты, чтобы исключить влияние волн от насоса. Код простой, однако на его основе легко, например, организовать защиту от сухого хода насоса (очень нежелательно большинству насосов работать без воды), такие устройства стоят неразумных денег, а тут можно вполне обойтись малой кровью, да еще и реализовать автовосстановление работы насоса при появлении воды и еще ряд приятных плюшек — типа индикации. Для этого нужно такой датчик приклеить или как то закрепить ближе ко дну ёмкости, а насос подключить через реле управляемое контроллером. По умолчанию насос будет включен, как датчик распознает отсутствие воды — контроллер отключит насос, а при появлении воды — включит. Также на этом датчике можно организовать защиту от протечек, особенно учитывая его влагозащищенность, в общем, каждый сможет приспособить этот простой код под свои нужды. А главное датчики можно перемещать по ёмкости без ее повреждения — регулируя под себя уровни. Видео иллюстрирующее работу датчика и контроллера с указанным кодом:

Я собрал такой макет для тестирования разных емкостей:

С макетом обошел дачный участок, датчик сумел обнаружить воду во всех неметаллических ёмкостях, включая довольно толстостенное ведро. Поэтому на текущем этапе могу его вполне рекомендовать, надежность покажет время.

Время реакции датчика составляет порядка 500 мс. Толщина стенки сосуда из диэлектрика может достигать 1 см.

Принцип работы датчика заключается в изменении ёмкости от паразитной ёмкости воды, при определенном пороге возникает резонанс и датчик срабатывает. Напряжение питание в диапазоне от 3 до 24 Вольта — никак не влияет на чувствительность.

Просили проверить чувствительность, так вот иллюстрация лучше всяких слов: Как датчик протечек будет работать отлично.

Разные фотки по просьбам

с этим вообще никак — левый спирт: фэри:

толстая канистра 40 литров:

дистиллированная вода:

крепкие напитки:

бутыль кулера в самом толстом месте:

уайт спирит — нет:

Через керамический унитазный бачок легко находит воду:

Открыл крышку, внутри залито компаундом, но имеется вывод потенциометра, после выкручивания вправо — датчик перестал реагировать на воду, после выкручивания влево начал реагировать на боковые прикосновения пальцем, похоже это регулировка чувствительности.

Если будет интересно, продолжу писать про свои дачные поделки. Спасибо всем, кто дочитал этот обзор до конца, надеюсь кому-то данная информация окажется полезной. Всем полного контроля над своими водными ресурсами и добра!

Емкостные датчики

Работа датчиков этого типа основана на свойствах конденсатора изменять свою электрическую емкость при изменении показателя диэлектрической проницаемости материала, заполняющего пространство между его обкладками. Применяются конденсаторы коаксиального типа, представляющие собой пару соосных пустотелых металлических цилиндров разного диаметра.

Последние являются обкладками конденсатора, между которыми может свободно проникать жидкость. Показатели диэлектрической проницаемости воздуха и жидкой среды имеют разные значения. Заполнение резервуара приводит к изменению значения общей диэлектрической проницаемости коаксиального конденсатора и, соответственно, его электрической емкости.

Частота колебательного контура, в цепь которого включен конденсатор, изменяется пропорционально изменению его емкости. Электронный преобразователь частота/напряжение отслеживает это изменение и выдает на индикацию значение, пропорциональное степени заполнения резервуара.

Гидростатические датчики

Другое название такого устройства — детектор, или преобразователь давления. Они могут быть стационарными, закрепленными в нижней точке емкости, заполняемой жидкостью, или переносными. В последнем случае преобразователи давления комплектуются кабелем значительной длины. Это позволяет использовать их для резервуаров разных геометрических размеров.

Чувствительный элемент гидростатического датчика представляет собой мембрану, которая воспринимает давление столба жидкости над собой. Его настройка выполнена таким образом, что атмосферное давление не приводит к деформации мембраны. По величине давления в точке измерения можно определить высоту столба жидкости или степень заполнения резервуара.

Величина деформации мембраны преобразуется в пропорциональный электрический показатель, который затем используется для отображения уровня жидкости в резервуаре. Применяются поправки, учитывающие плотность измеряемой среды и ускорение свободного падения в точке измерения.

Преимущества гидростатических уровнемеров:

Возможность обследование труднодоступных мест: труб, скважин и т.д.
Большой диапазон измерения.
При дополнительной комплектации датчиками возможна непрерывная регистрация нескольких параметров водной среды (температуры, плотности и т.д.).
Отсутствие необходимости сложного технического обслуживания.
Относительно высокая точность и средний ценовой сегмент.

Погрешность гидростатических уровнемеров в основном зависит от параметров измеряемой среды: ее плотности, атмосферного давления в емкости и т.д.

Датчики радарного типа

Датчик уровня жидкости емкости использует бесконтактный метод измерения, основанный на свойствах этой среды любой плотности и вязкости отражать электрический сигнал. Частота излучаемого сигнала радиолокатора, расположенного над поверхностью измеряемого уровня жидкости, изменяется по линейному закону.

Отраженный от поверхности, он приходит на приемное устройство с задержкой, определяемой длиной пройденного пути. Таким образом, между частотами двух сигналов присутствует разница. По величине сдвига частоты анализирующее устройство локатора определяет пройденный сигналом путь или уровень отражающей жидкости относительно места расположения радиолокатора.

Ультразвуковые датчики уровня

Схема измерения, использующаяся для датчиков этого типа, соответствует рассмотренной в предыдущем разделе статьи. Локационный метод измерения применяется в ультразвуковом диапазоне длин волн.

Полученные данные определяют разницу во времени между излученным передатчиком и принятым приемником сигналами. Используя данные о скорости распространения ультразвука в пространстве над поверхностью жидкости, анализирующее устройство определяет расстояние, пройденное сигналом, или уровень жидкости в резервуаре.