Датчик уровня жидкости своими руками, виды, установка

Набор для сборки датчика уровня

• Цена: US$ 3.56

• Перейти в магазин

Всем привет. Сегодня речь пойдет об очень простом наборе для самостоятельной сборки прибора, для контроля уровень воды. Данный набор может с успехом распаять школьник 5-7 класса за один вечер. Можно конечно сделать и полностью самостоятельно, включая плату, но я решил сэкономить время, поэтому был заказан набор.

Набор был приобретен с целью хоть как то автоматизировать набор воды в бочку на даче. При чем это не совсем бочка, а скорее труба, уходящая вниз на 2.5-3 метра, поэтому запасы воды там приличные (для простоты пусть будет бочка). Задумка была простая, пока нет регулярного водоснабжения электроклапан открывается и набирает в бочку воды по заданный уровень. Расход воды ведрами по необходимости и автоматический долив в бочку. Для того что бы клапан часто не срабатывал от колебаний воды, задумано несколько уровней. Нижний при котором включается клапан и верхний при котором выключается. Т.е. есть определенная мертвая зона при которой расход воды есть, а подача воды в бочку пока отсутствует. Кстати, эта мертвая зона и есть фактически такое понятие, как гистерезис.
В прошлом году эту функцию выполняло такое пардон устройство, как поплавковый механизм из бачка унитаза. Работало исправно, изредка засорялось, поскольку вода поступает по трубам прямиком из реки. Но в итоге зиму не пережило, поскольку было выполнено из пластмассы и развалилось от мороза.
Данный набор был призван заменить вышедший из строя механизм.

По мере хранения собранной платы и ожидании дачного сезона, была произведена попытка применить собранную плату на производстве, вот на такой установке.

Это просто большая кастрюля с нагревателем типа ТЭНов мощностью 27 КВт. Продукцию достают из холодильника целыми поддонами и закладывают в кострюлю. Надо все это нагреть до 90 С. Представляете сколько электроэнергии тратится ежесуточно?!

Продукция между прочим представляет из себя свиные желудки и кудрявку (часть кишков).
Насколько я знаю желудки чем то набивают и употребляют в пищу, с кишками примерно то же самое — в том числе и колбасы с сосисками.

Это дело варится и повторно замораживается. Далее отправляется в Китай. Вот так вот, круговорот товара в природе. Мы им натуральные субпродукты, а в ответ электронику.

Назрел вопрос перевести нагрев кастрюли на пар. Так экономнее и мощность выше. Производительность вырастает в разы. Вот тут и потребовался датчик уровня, что бы никого паром не обварило и пар подавался только тогда, когда в емкости присутствует хотя бы минимальное количество воды.

Однако я вовремя спохватился и отказался от окончательной установки, хотя испытания показали работоспособность платы. Применять на производстве самоделки противопоказано. Поэтому нашли менее оперативно нужный прибор, который выполняет те же функции, но имеет еще и сертификат. Принцип работы заводского прибора практически соответствует набору с интернет магазина и в конкретном случае выполняет те же функции.
Этот прибор отечественного производства Овен САУ-М7.

В небольшом пакетике «кучка» деталей, плата и провода.

По номиналам я не сортировал, просто разложил для наглядности.

Схема не простая, а очень простая. Используется 4 элемента 2И-НЕ, при чем два из них выполняют функцию триггера. Он нужен для формирования петли гистерезиса.
Контакты 1 и 2 разъема J3 дают сигнал о нижнем уровне и включают реле. Контакты J4 1 и 2 — верхний уровень и аварийный, при срабатывании любого из них реле выключается. Срабатывание реле дублируется зажиганием светодиода. Схема уверенно срабатывает на водопроводную воду и так же уверенно на воду после водоподготовки, в которой солей меньше.
Я собирал плату практически не глядя в схему, разве что номинал резисторов посмотрел.
Перепутать выводы маловероятно и даже установить такие детали, как разъемы или транзисторы неправильно помешает нанесенная шелкография.
Единственный минус при монтаже — я перепутал местами светодиоды. Но это так, мелочи, на работоспособность не влияют.

В качестве датчиков были применены самодельные датчики уровня кондуктометрического типа. Примерно вот так они выглядят в сборе:

На плате со стороны установки деталей нанесена шелкография, вполне качественная.

Процесс распайки деталей вам не будет интересен, поскольку я не являюсь сборщиком и не владею особенностями тех процесса по сборке плат. Что в руку попалось с краю, то и запаивал.
Печатная плата со стороны пайки покрыта защитной маской. Металлизации нет. Плата односторонняя.

Использовал припой типа ПОС 61 с канифолью. Насвинячил немного.

Провода питания зафиксировал герметиком, что бы не обломались на выходе из отверстий. Провода, что шли в комплекте, мне показались слишком короткими.

Плату помыл растворителем со спиртом и покрыл слоем Plastik 70. Сразу заметил разницу между моими прежними платами и этой. Поверхность блестит и контакты покрыты слоем пленки.
Выявился некоторое неудобство, которое на самом деле является плюсом. Хотел снять видео о работе платы с использованием мультиметра, а получил проблему в виде того, что цупы, банально не продавливают покрытие защитное. Поэтому в видео отсутствует мультиметр.

Видео демонстрации работы платы:

Upd: пока писал обзор, на страницу с товаром даже не обращал внимание, как обычно. И только после написания обзора обратил внимание на товар. Плата не совпадает с той, что мне прислали и судя по комментариям многим высылают два разных варианта платы. На функционале это не сказывается. Обе платы работоспособны.

Итоги: Простейший набор, доступен для школьников, так же имеет практическое применение. К покупке рекомендую. Осадок небольшой остался из за того, что плата пришла не та, которая в описании.

В моем случае оказались лишними провода. Вероятно они планировались для вывода из платы светодиодов на переднюю панель и подключения источника питания.

Схемы сигнализаторов критичного уровня жидкости

При наполнении ванны бывает так, что забывают вовремя перекрыть кран и вода оказывается на полу. Небольшое звуковое устройство, извещающее о наполнении ванны до заданного уровня, можно собрать из широко распространенных деталей согласно схеме на рисунке 1.

Схема

Схема сигнализатора представляет собой несимметричный мультивибратор, собранный на транзисторах разной структуры. Мультивибратор соединен с датчиком. Конструктивно датчик представляет собой два металлических стержня, находящихся друг от друга на определенном расстоянии.

Датчик опускают в ванну таким образом, чтобы его концы находились на заданном уровне заполнения ванны. Как только до концов датчика дойдет вода сработает сигнализатор и в громкоговорителе раздастся звуковой сигнал. В этом случае сопротивление между штырями достигает около 500 кОм. В режиме ожидания устройство потребляет ток менее 0,1 мкА, а во время срабатывания — около 2 мА.

Рис. 1. Принципиальная схема звукового устройства, извещающего о наполнении ванны.

Схема не критична к типу радиодеталей, можно использовать любые маломощные кремниевые транзисторы с любой буквой, громкоговоритель сопротивлением 8. 10 Ом от любого переносного приемника, например, 0,5ГДШ-1-8.

В качестве выключателя можно использовать обычный тумблер. В принципе выключатель можно не устанавливать, так как ток, потребляемый в режиме ожидания, намного меньше тока саморазряда элемента питания.

Все детали устройства собираются на монтажной планке, которая вместе с громкоговорителем, гальваническим элементом и выключателем питания крепятся в пластмассовом корпусе. Размеры корпуса зависят в первую очередь от габаритов громкоговорителя и элемента питания.

Так как сигнализатор очень экономичен, то можно использовать элемент 316, что позволит сделать устройство небольшим. Крепление штырей может быть различным.

В первом варианте штыри крепятся на изолированном кронштейне, прикрепленном к ванне, и соединяются проводами с сигнализатором. Во втором — штыри крепятся к корпусу сигнализатора и все устройство крепится на кронштейне. Налаживание сигнализатора заключается в установке переменным резистором R2 чистых и громких отрывистых звуков в громкоговорителе при замыкании штырей датчика.

Чувствительный датчик

На базе сигнализатора по схеме рисинок 1 можно сделать более чувствительный и универсальный прибор, который сможет сигнализировать, готов ли чай или суп, не даст убежать молоку и т.д. Для этого в схему необходимо добавить еще один транзистор и несколько резисторов (рис. 2).

Рис. 2. Принципиальная схема универсального сигнализатора для домашнего хозяйства.

Датчик представляет собой металлическую трубочку диаметром 4. 5 мм, в которую вставлен металлический стержень, изолированный от стен трубочки в верхней части и посредине ее длины. В верхней части такого датчика к стержню и трубочке припаиваются гибкие провода в пластмассовой изоляции, которые подключаются к устройству.

Для удобства датчик крепят к зажиму типа «крокодил», чтобы можно было цеплять датчик за край кастрюли. Можно прикрепить в верхней части датчика в целях удобства и небольшой магнит, который позволит крепить сигнализатор в ванне на нужном уровне. Закипание молока контролируют следующим образом.

Цепляют датчик за край кастрюли. Как известно молоко закипает не сразу, а постепенно — на поверхности образуется пена, которая медленно поднимается. Как только она начнет подниматься, то перекроет контакты датчика, цепь базы замкнется и сигнализатор издаст хорошо слышимый во всей квартире сигнал.

Если же датчик сигнализатора положить на пол погреба, то в случае появления воды также раздастся сигнал, сообщающий о бедствии. В сигнализаторе может быть использована такая же электродинамическая головка, что и в предыдущем подобном устройстве.

Литература: В.М. Пестриков. Энциклопедия радиолюбителя.

Как сделать датчик уровня воды своими руками

Что такое датчик уровня воды «Геркон»

Геркон («герметичный контакт») представляет собой электронное устройство в виде вытянутой стеклянной колбочки с откачанным воздухом, в которой находятся два металлических ферромагнитных контакта. Контакты в обычном состоянии разомкнуты. Они замыкаются и замыкают цепь тогда, когда попадают в магнитное поле.

К преимуществам герконов отнесем:

• надежность, которая в 100 раз больше, чем у обычных открытых контактов;
• быстродействие;
• срок службы, достигающий 5 млрд. срабатываний, намного превышает обычные контакты.

• малая коммутируемая мощность;
• малое число контактных групп в одном баллоне;
• хрупкость стеклянного баллона;
• чувствительность к внешним полям.

Преимущества Герконов намного превосходят его недостатки.

Прин

Как собрать датчик уровня воды

Вариант 1

Для сборки датчика уровня воды понадобится:

1. два одноразовых шприца 10 мл и 2 мл;
2. прозрачная гелевая ручка;
3. неодимовый магнит небольшого размера;
4. герконы — 2 шт.

Два Геркона необходимо для отслеживания повышения и понижения уровня воды. Если нужно контролировать либо повышение, либо понижение уровня, то достаточно одного Геркона. Если несколько Герконов установить последовательно, то можно отслеживать ступенчатое изменение уровня воды.

Подробную сборку и испытания датчика в работе можно посмотреть на видео в конце страницы.

Вариант 2

Еще один пример самостоятельного изготовления датчика уровня воды. Датчик был установлен на пластиковой трубе канализационного септика частного загородного дома. Назначение датчика — контроль заполнения резервуара септика сточной водой.

Работа датчика основана на перемещении магнита по оси, на которой закреплены два Геркона. При замыкании контактов Геркона включается световой сигнал определенного цвета, сигнализирующий о степени заполнения септика.

Когда поплавок находится в нижнем положении, горит светодиод зеленого цвета HL1 и работает второй Геркон. Уровень жидкости находятся ниже поплавка, ограниченного стопором, и контакты Геркона замкнуты магнитом. По мере заполнения септика и поднятия уровня сточной воды магнит перемещается и включает желтый светодиод HL2, отключив HL1. При максимальном уровне жидкости включается светодиод красного цвета HL3, а желтый отключится. Если поплавок или магнит несправны (поломка стопора, смещение магнита, опрокидывание поплавка), то гореть должен будет желтый светодиод. Если в схеме использовать реле, то можно применять его, как исполнительное устройство для более мощных нагрузок. Ко второму Геркону также можно подключить зуммер или сотовый телефон и т.д.

Материалы для изготовления датчика уровня воды

1. муфта соединительная д. 50 мм, 2 шт.;
2. заглушка д. 50 мм, 2 шт.;
3. хомуты пластиковые, 2 шт.;
4. профили пластиковые мебельные;
5. кембрик термоусадочный д.30-40 мм;
6. пластмассовая пластина т. 4-6 мм;
7. заклепки 10 шт.;
8. магнит неодимовый 1 шт.;
9. герконы 3 контакта, 2 шт.;
10. кнопка (выключатель) низковольтный 1 шт.;
11. резистор 680-1,5к. 1 шт.;
12. светодиоды, 3 шт.;
13. провода низковольтные 5-и жильные;
14. штекер 4 ножки;
15. термоклей, силикон;
16. питание 12В, батарейка на 3В.

Из инструментов понадобятся:

• электродрель;
• термопистолет;
• строительный фен;
• паяльник;
• отвертки, пассатижи и т.д.

Схема датчика уровня воды

Схему датчика уровня воды для изготовления своими руками следует выбирать в зависимости от технологических задач, которые предстоит решать датчику, и условий, в которых он будет работать. Вариантами схем может быть светодиодная индикация, управление насосным оборудованием в автоматическом и ручном режиме, звуковая сигнализация и т.д. Любые варианты схем можно легко найти на интернет сайтах соответствующей тематики.

Изготовление ультразвуковых датчиков уровня жидкости своими руками и как подобрать нужный

Телеметрическое управление многими производственными процессами предусматривает постоянную проверку уровня жидких веществ в резервуарах и трубопроводах. Для этого используют сенсоры, работающие на различных физических принципах: поплавковые, радарные, емкостные, гидростатичные. Ультразвуковой датчик обеспечивает контроль уровня жидкости в сложных условиях: в темноте, в пыли и дыму, при высокой и низкой температуре.

Принцип действия

Датчик работает на явлении отражения ультразвуковой волны от границы жидкой и газовой сред. Прибор излучает звуковые колебания частотой более 20000 герц, принимает эхо и измеряет время прохождения сигнала. Расстояние до границы сред рассчитывается по формуле: R= tV/2, где t – время от начала излучения до приема эха, V — скорость звука. Необходимо делить на 2, потому что звуковые волны проходят двойную дистанцию между поверхностью жидкости и излучателем.

Скорость звука в воздухе — 331 м/сек. При изменении температуры этот показатель также меняется. Поэтому ультразвуковые сенсоры уровня имеют в конструкции термометр, показатели которого учитывается электронной схемой прибора при расчете значения уровня жидкости.

Описание и назначение

Ультразвуковой уровнемер жидкости — прибор для бесконтактного автоматического дистанционного измерения уровня жидких сред. Основные элементы конструкции сенсора: ультразвуковой излучатель и приемник отраженной звуковой волны.

Излучатель

В измерителях уровня используются пьезоэлектрический эффект – изменение линейных размеров диэлектрика в зависимости от частоты переменного электрического поля, в которое помещен. В излучателе пьезоэлемент передает колебания мембране, которая при частоте более 20000 герц начинает излучать ультразвук.

• простота конструкции;
• получение ультразвуковых колебаний значительного диапазона;
• компактность.

• низкая мощность излучения.

Приемник

Пьезоэлектрический эффект обратим: попадающие на мембрану отраженные акустические колебания вызывают образование в пьезоэлементе электрического тока. На этом принципе работают приемники ультразвукового излучения в уровнемерах: при получении отраженного сигнала в цепи прибора образуется электрический ток.

Применение пьезоэлектрической схемы позволило создать измеритель уровня жидкости, в которых излучатель и приемник — единый элемент. Это упрощает и удешевляет конструкцию прибора, его монтаж и обслуживание.

Типы ультразвуковых датчиков уровня жидкости, работающих на принципе эхолокации:

Сигнализаторы контрольных точек уровня

Прибор настраивается на два значения: минимальный уровень жидкости и максимальный. Если время прохождения отраженного сигнала соответствует минимальному заданному уровню жидкости, электронный блок формирует сигнал в соответствии с заданной программой. Это может быть включение сигнальной лампочки и звуковой сигнализации, команда насосам на отключение и т.п. Тот же алгоритм используется при достижении максимального уровня жидкости.

Датчики непрерывного мониторинга уровня

Измерители данного типа постоянно измеряют расстояния до уровня жидкости. Преобразует полученные данные в аналоговый сигнал и транслирует его в соответствии с заданной программой на собственный дисплей, центральный пульт управления и т.п. Могут быть запрограммированы события при предельных значениях уровня жидкости, как в сигнализаторах.

Датчики непрерывного мониторинга отличаются от сигнализаторов дополнительными возможностями: измеряют температуру жидкости, ее плотность, информируют об изменении агрегатного состояния и др.

Ультразвуковые бесконтактные сенсоры применяются на производствах, в которых получение, хранение и перевозка жидкостей, в том числе агрессивных – часть технологического процесса:

• химическая, газовая и нефтеперерабатывающая промышленность;
• водоснабжение и очистка воды;
• сельское хозяйство;
• металлургическая промышленность;
• пищевая промышленность.

• предотвращение переполнения и опустошения емкостей с жидкостью и возникновения связанных с этим аварийных ситуаций;
• включение в цепочку телеметрического управления системами и агрегатами в качестве измерительных элементов;
• мониторинг изменений физических и химических свойств жидких веществ в емкостях.

Преимущества и недостатки

Преимущества ультразвуковых уровнемеров:

• производство измерений без непосредственного контакта с жидкой средой, что позволяет работать с агрессивными жидкостями. К приборам не предъявляются повышенные требования к защищенности от негативных факторов внешней среды;
• возможность измерения уровня без проникновения внутрь емкости, размещая датчик снаружи;
• цена ниже другого типа бесконтактных сенсоров — радарных датчиков, вследствие более простой конструкции и менее дорогих комплектующих;
• отражение ультразвука происходит от границы жидкости и газа, поэтому точность измерения не зависит от плотности жидкой среды, ее химических и физических свойств;
• компактность;
• мультисенсорность. Датчик служит для получения дополнительной информации о состоянии жидкости и емкости. Зависит от конкретной модели прибора.

Недостатки сенсоров уровня жидкости:

• ошибочные данные из-за отражения ультразвуковых сигналов от конструктивных элементов емкости. Необходимо на стадии монтажа прибора не допускать нахождения элементов конструкции во фронтальной плоскости датчика. В узких баках ультразвуковые датчики не применяются;
• показания прибора будут ошибочными при давлении газовой среды, большем или меньшем атмосферного. В вакууме прибор работать не будет. В подобных случаях необходимы сенсоры, использующие другие физические принципы;
• зависимость точности измерений от температуры и состава газовой среды, ее влажности, загрязненности, запыленности;
• искажения результатов измерений при образовании на поверхности жидкости пены либо турбулентных завихрений.

Как подобрать нужный

При выборе ультразвукового измерителя уровня необходимо учитывать:

• свойства жидкости;
• материал, из которого изготовлен резервуар, его влияние на точность измерений;
• используемую схему обработки измерительной информации;
• оснащение сенсора дисплеем для отображения данных и изменения настроек;
• наличие сертификатов;
• влияние перепадов температуры и иных внешних факторов на точность измерения;
• материал, из которого устройство выполнено.

Вещества

Большое преимущество ультразвуковых датчиков уровня – точность измерения не зависит от физико-химических свойств жидкости: плотности, химической активности, электропроводимости и др. Прибор будет работать с водой, с молоком, с серной кислотой, нефтью. Однако в некоторых случаях они не применяются:

• для контроля уровня кипящих жидкостей. Образующиеся при кипении воздушные пузыри имеют отличные от жидкости параметры отражения акустических волн – результаты измерений искажается;
• при образовании на поверхности жидкости пены, которая рассеивает и поглощает ультразвуковой сигнал;
• при контроле жидкостей, требующих постоянного перемешивания. Образующиеся при этом кавитация и вихреобразные воронки искажают отраженный сигнал, и точность измерений снижается.

Материал резервуара

Материал резервуара, внутри которого установлен акустический датчик, не влияет на точность измерений прибора. Наиболее сильный отраженный сигнал приходит от границы сред, а вторичное эхо от стен емкости слабое и откалиброванным прибором не улавливается.

Когда в силу технологических факторов, соблюдения мер безопасности и т. д., датчик внутрь емкости установить нельзя, для измерения уровня жидкости используется метод многократного отражения звуковых колебаний от внутренних стенок. Метод подразумевает установку сенсора снаружи. Измерения возможны, если резервуар изготовлен из металла, стекловолокна, стекла, пластика. Эти материалы хорошо отражают ультразвук, поэтому измерение уровня будет точным.

Многие сорта пластмасс, пористая резина и т. п. имеют близкие к жидкостям характеристики отражения ультразвуковых сигналов.

Если емкость изготовлена из этих материалов, применять наружный акустический датчик уровня жидкости нельзя, так как результаты измерений будут некорректными.

Схема обработки сигнала

Получаемый от датчика сигнал обрабатывается несколькими способами:

1. Используется встроенный электронный блок для обработки данных, получаемых при измерениях. Информация отображается в цифровом или графическом виде на дисплее. Схема не предусматривает включение прибора в телеметрическую цепь управления и предназначена для информирования оператора об уровне жидкости в обследуемом резервуаре. Используется в переносных ультразвуковых уровнемерах для мониторинга жидкостей в герметичных емкостях.
2. Полученный аналоговый сигнал преобразуется в цифровой прибором или дополнительным оборудованием. Получаемый сигнал передается на централизованный пульт управления. Прибор включается в единую сеть автоматического управления;
3. Сигнализаторов контрольных точек используется как реле. При достижении жидкостью минимального запрограммированного уровня, датчик формирует сигнал, который в соответствии с заданной программой включает световую и звуковую сигнализацию, насос и т. п. Когда жидкость поднимется до следующей контрольной точки, датчик формирует команду на отключение сигнализации или насоса.

Наличие дисплея в комплектации

ЖК- дисплей отображает информацию о проводимых датчиком измерениях в реальном времени. Распространены 2 типа:

• цифровой. Отображает цифровые значения измерений и простые статические графические изображения;
• графический. Строит динамические графические изображения.

На дисплее отображается изменение уровня жидкости в виде динамической пиктограммы емкости. На экран выводится другая информация, получаемая сенсором: температура жидкости и газовой среды, давление, плотность и т.д.

С дисплеем удобно перепрограммировать прибор: последовательность шагов отображается на экране, подсвечиваются ошибки, выводится информация об успешном завершении процесса.

Промышленные образцы редко комплектуются дисплеями, так как рассчитаны на включение в единую систему управления.

Сертификаты на продукцию

Сертификация ультразвукового измерителя уровня – процедура, подтверждающая его соответствие определенным стандартам, подтверждаемая выдаваемыми свидетельствами:

• сертификат соответствия требованиям Таможенного союза, которым подтверждается выполнение требований к продукции, установленных в технических регламентах Таможенного союза. Наиболее распространенный сертификат, так как для большинства групп продукции технические регламенты приняты и действуют;
• сертификат соответствия ГОСТ Р – подтверждение проверки изделия компетентной организацией, в ходе которой доказано его соответствие международным и национальным стандартам, техническим условия, стандартам организаций. На ультразвуковые измерители уровня оформляется добровольный сертификат ГОСТ Р, так они не входят в перечень продукции, подлежащей обязательной сертификации, который утвержден Постановлением Правительства РФ от 01.12.2009 № 982;
• сертификат взрывозащиты. Подтверждает соответствие изделий требованиям ТР ТС 012/2011 «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах» и возможность работы измерительных приборов во взрывоопасных средах.

Реакция датчиков уровня на перепады температуры

Скорость звука в воздухе растет с увеличением температуры. Для устранения ошибок в измерениях промышленные уровнемеры снабжаются термодатчиком. Показатели температуры учитываются микропроцессором сенсора при расчете скорости прохождения ультразвуковых волн.

Формула зависимости скорости звука в воздухе от температуры, полученная опытным путем:

где С – скорость звука при измеренной температуре, С0 – скорость звука при температуре 0С°, t° — температура, измеренная термодатчиком, 0,59 – коэффициент, полученный на основании опытных измерений.

Если в сенсоре не предусмотрена автоматическая корректировка результатов измерений в зависимости от температуры, она проводиться вручную при каждом значительном перепаде температуры. В противном случае прибор будет показывать неправильные значения уровня жидкости.

Влияние внешних факторов на работу

Кроме температуры газовой среды над жидкостью, на точность работы датчика влияют внешние факторы:

• давление газовой среды. При его изменении скорость меняется, и датчик показывает неправильные значения;
• сильная запыленность может нарушить работу измерителя;
• из-за высокой влажности меняется скорость прохождения звуковых волн. Прибор покажет некорректные данные.

Расчет необходимых поправок в работу датчика – сложная задача. Над поверхностью жидкости создается газовая среда, насыщенная парами жидкости. Его физические свойства отличаются от характеристик атмосферного воздуха, который служил эталоном для калибровки приборов.

Для упрощения задачи часто применяются реперы – отражающие элементы, расположенные на строго фиксированных расстояниях от излучателя. Засекая время прохождения сигнала до репера и обратно, высчитывается скорость звука в газовой среде. Это значение используется для расчета уровня жидкости.

Наличие реперов усложняет и удорожает монтаж и эксплуатацию датчиков уровня.

Материал исполнения устройства

Датчики работают в условиях агрессивной среды: повышенная влажность, пары химически активных веществ, повышенное давление. Для безотказной работы корпусы датчиков изготовлены из алюминиевых сплавом или специальных, химически стойких пластмасс. Для пожаро и взрывозащищенности и предотвращения агрессивного воздействия испарений электрические схемы и корпус приборов заливаются компаундом. В результате датчик уровня жидкости может длительное время работать без обслуживания.

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.

Особенности применения

Использование ультразвуковых измерителей имеет ряд особенностей. Например, для устранения ошибок измерений необходимо следовать алгоритму:

• проводить и калибровку прибора при изменении состава газовой среды для установления фактической скорости звука;
• проводить калибровку при каждом существенном изменении температуры, записывая значения скорости;
• в дальнейшей работе прибора при перепадах температуры калибровку не проводить, а пользоваться ранее записанными показателями скорости.

Процесс настройки сенсора достаточно трудоемок. Возможна ситуация, когда изменения газовой среды в резервуаре не связаны с изменением температуры. В данном случае придется повторно проводить калибровку прибора.

Датчик уровня жидкости своими руками

Авторизация на сайте

Данное устройство было разработано для септика загородного дома, в качестве индикатора, для слежения за уровнем наполнения канализации. Задача была создать надежный датчик, который должен работать в условиях влаги и в разных температурных режимах. В начале, думал применить принцип поплавка в цилиндре, взяв за основу емкость из под силикона (как видно на рисунке возможных вариантов исполнения датчика уровня жидкости). Но, сама жизнь, направляет и подсказывает нужные пути, нужно только уметь осознавать это! Исходя из того, что в моем септике уже имелся вывод канализационных труб на 110мм и на 50мм, решение пришло само по себе. Таким образом, появилась возможность закрепить устройство на 50мм-й трубе, исключив другие варианты крепления. Все материалы должны быть из пластмассы, алюминия, бронзы, нержавейки, и так далее – устойчивыми к среде, к которой вы их собирайтесь применить!

Принцип работы датчика уровня жидкости основан на магните и герконах. Перемещением магнита вдоль двух герконов, происходит срабатывание датчиков и соответственно свечение светодиодов определенным цветом, указывая о мере заполнения резервуара жидкостью. Я пытался максимально упростить схему изделия, и добился использования всего двух герконов. Также, было важно применить как можно меньше деталей для надежной, долгосрочной эксплуатации.

Схема датчика уровня жидкости

Возможные варианты исполнения датчика уровня жидкости

По схемам видно, что в нижнем положении поплавка, когда горит зеленый светодиод HL1, задействован 2-йгеркон. То есть уровень жидкости находится ниже поплавка, который ограничен стопором и соответственно магнит замыкает контакты геркона. По мере поднятия уровня жидкости (заполнения резервуара), происходит перемещение магнита и переключение 2-го геркона, который подключает желтый светодиод HL2 и выключает HL1. При достижении критического уровня, магнит задействует 1-й геркон, загорится красный светодиод HL3, а желтый погаснет, оповещая вас о заполнении резервуара. При какой-либо неисправности с поплавком или магнитом, должен будет гореть желтый светодиод (например, опрокидывание поплавка или смешением магнита, поломки стопора, и т.д.). Добавив реле в схему, можно будет применить его в качестве исполнительного устройства для подключения более мощных нагрузок. Также, можно подключить ко 2-у геркону зуммер, для звукового оповещения или мобильный телефон и так далее.

Питание девайса от любого источника 3-12В. Например от телефонной зарядки с импульсным блоком питания на 5 вольт или двух батареек по 1,5В, также подойдет более компактная на 3В. При этом, надо будет снизить сопротивление резистора R1. Кнопка или выключатель подберите поменьше, хотя можно обойтись и без него, держа индикатор включенным постоянно. Монтаж навесной, в доме, например в электрощите. Заранее проведите проводку (она у меня была уже наготове). Таким образом, можно обойтись очень простой схемотехникой, без микроконтроллеров и т.п. Ведь чем проще – тем надежнее!

Итак, нам понадобится следующие материалы:

– муфта соединительная для канализационных труб ПП d=50mm х2шт.
– заглушка канализационная d=50mm х2шт.
– хомут пластиковый (браслет) х1шт.
– профили пластмассовые U-образные (из мебельной фурнитуры).
– термоусадочный кембрик d=30-40mm, d=3-10mm.
– пластмассовая или текстолитовая пластина =4-6mm.
– заклепки алюминиевые х10шт.
– магнит неодиновый (от жесткого диска компьютера) х1шт.
– герконы 3-хконтактные х2шт.
– кнопка или выключатель низковольтный х1шт.
– резистор 680-1,5к. х1шт.
– светодиоды х3шт.
– провода низковольтные (например для охранной сигнализации, 5-и жильный).
– штекер на 4 ножки (например от диммера для RGB LED).
– термоклей или силикон.
– питание 12В или батарейка на 3В (от компьютера).

Из инструмента:

– дрель
– фен строительный
– термопистолет
– паяльник
– также другой подручный инструмент, который найдется у любого мастера.

Датчики температуры. Часть первая. Немного теории и истории

Что такое температура

Прежде, чем начать рассказ о датчиках температуры, следует разобраться, что же такое температура с точки зрения физики. Почему организм человека чувствует изменение температуры, почему мы говорим, что вот сегодня тепло или просто жарко, а на другой день прохладно, или даже холодно.

Термин температура происходит от латинского слова temperatura, что в переводе означает нормальное состояние или надлежащее смещение. Как физическая величина температура характеризует внутреннюю энергию вещества, степень подвижности молекул, кинетическую энергию частиц, находящихся в состоянии термодинамического равновесия.

В качестве примера можно рассмотреть воздух, молекулы и атомы которого двигаются хаотично. Когда скорость перемещения этих частиц возрастает, то говорят, что температура воздуха высокая, воздух теплый или даже горячий. В холодный день, например, скорость движения частиц воздуха мала, что ощущается как приятная прохлада или даже «холод собачий». Следует обратить внимание на то, что скорость движения частиц воздуха никак не зависит от скорости ветра! Это совсем другая скорость.

Это то, что касается воздуха, в нем молекулы могут двигаться свободно, а как же обстоит дело в жидких и твердых телах? В них тепловое движение молекул также существует, хотя и в меньшей степени, чем в воздухе. Но его изменение вполне заметно, что обусловливает температуру жидкостей и твердых тел.

Молекулы продолжают движение даже при температуре таяния льда, равно как и при отрицательной температуре. Например, скорость движения молекулы водорода при нулевой температуре 1950 м/сек. Каждую секунду в 16 см^3 воздуха происходит тысяча миллиардов столкновений молекул. При увеличении температуры подвижность молекул возрастает, количество столкновений, соответственно, увеличивается.

Однако, следует заметить, что температура и тепло суть есть не одно и то же. Простой пример: обычная газовая плита на кухне имеет большие и маленькие горелки, в которых сжигается один и тот же газ. Температура сгорания газа одинакова, поэтому температура самих горелок также одна и та же. Но один и тот же объем воды, например чайник или ведро, быстрее вскипит на большой горелке, нежели на маленькой. Это происходит оттого, что большая горелка дает большее количество тепла, сжигая больше газа в единицу времени, или обладает большей мощностью.

Как же определить количество тепла, в каких единицах? В школьном курсе физики есть немало задач, посвященных нагреву и кипячению воды, которые весьма поучительны и интересны даже просто в процессе решения.

За единицу тепловой энергии принята калория. Это количество тепла, которое обеспечивает нагрев 1 грамма (см^3) воды на 1 С° (1 градус Цельсия). Температура физического тела в градусах отражает уровень его тепловой энергии. Для измерения температуры используются термометры, которые часто именуют градусниками.

Если два физических тела имеют одинаковую температуру, то при их соединении передачи тепла не происходит. Если одно из тел имеет температуру более высокую, то при соединении его с холодным телом, температура холодного увеличивается и наоборот. Проще всего в этом убедиться при смешивании жидкостей: в житейских условиях всем приходилось, хотя бы в бане, смешивать горячую и холодную воду для получения необходимой температуры.

Шкалы измерения температур

Как известно, существует несколько шкал измерения температур. Как это можно объяснить, ведь температура одна и та же, а по разным шкалам совсем разная?

Такие разногласия характерны не только для температуры. Ведь один и тот же вес в старину измеряли в пудах и фунтах, а теперь в граммах и килограммах, то же и с линейными размерами: миллиметры, метры, дюймы, футы и уж совсем старые сажени и локти.

Краткая история развития температурных шкал

Самый первый градусник был изобретен известным итальянским ученым средневековья Галилео Галилеем (1564-1642). В основе действия прибора лежало явление изменения объема газа при нагреве и охлаждении. У этого термометра отсутствовала точная шкала, выражающая температуру в численном виде, поэтому результат измерения был весьма неточным.

Более точные приборы для измерения температуры были предложены немецким физиком Габриэлем Фаренгейтом (1686-1736), который в 1709 году разработал спиртовой термометр, а в 1714 ртутный. Температурная шкала была названа по имени изобретателя шкалой Фаренгейта.

Нижней опорной точкой этой шкалы (0°F) была использована температура замерзания солевого раствора. Именно эта температура в то далекое время была самой низкой, которую можно было воспроизвести с достаточной точностью. Верхней же точкой являлась температура тела человека (96°F), «измеренная под мышкой здорового англичанина».

В то время Фаренгейт жил в Англии, и именно там совершал свои открытия. Поэтому в англоязычных странах долгое время применялась шкала Фаренгейта, в современное время страны английской культуры также перешли на шкалу Цельсия. Медицинские же термометры в этих странах до сих пор используют шкалу Фаренгейта.

Еще одну температурную шкалу в 1730 году предложил французский ученый Рене Реомюр (1683-1757), который в 1737 году был признан почетным членом Петербургской Академии Наук. Поэтому в России для измерения температуры стали пользоваться термометрами со шкалой Реомюра.

Так же, как и шкала Цельсия, эта шкала имела две опорных точки – температура таяния льда и температура кипения воды. Один градус такой шкалы получался делением всей шкалы на 80 частей – градусов. Эта шкала использовалась всего несколько десятков лет, после чего вышла из употребления.

В 1742 году шведский физик Андерс Цельсий (1701-1744) предложил знакомую всем десятичную шкалу температур. В ней использованы те же опорные точки, что и у Реомюра, только шкала разделена равномерно не на 80, а на 100 делений. Таким образом, один градус по шкале Цельсия это 1/100 разности температур кипения и замерзания воды.

Последняя температурная шкала была предложена англичанином Уильямом Томсоном (1824-1907), который за научные заслуги в 1866 получил титул барона Кельвина. Шкала Кельвина до настоящего времени используется как основной стандарт современной термометрии. В этой шкале за начало отсчета принят абсолютный нуль (−273.15 °C).

Абсолютная температура — температура, отсчитываемая от абсолютного нуля, равная температуре, отсчитанной по стоградусной шкале, +273,16°. При абсолютной температуре беспорядочное тепловое движение молекул прекращается. Абсолютную температуру принято выражать в градусах Кельвина. Нуль шкалы температур в градусах Кельвина соответствует -273,15 ° С

Согласно теории Кельвина при этой температуре прекращается любое тепловое движение. При этой температуре все проводники имеют нулевое сопротивление электрическому току, наступает явление сверхпроводимости. Такая температура еще никем и нигде не достигалась, она существует лишь теоретически.

Продолжение читайте в следующей статье.

Продолжение цикла статей:

Виды датчиков температуры и принцип их работы

Датчики измерения температуры используются для контроля веществ в твердом, жидком или газообразном состоянии. В зависимости от целей применения, схема строения прибора будет видоизменяться. Но чтобы выбрать подходящий инструмент необходимо обращать внимание на одни и те же нюансы.

Виды, конструкция и принципы действия

Термопара

Датчик включает в себя две проволоки из разных металлов, спаянных между собой. Для отношения концов друг с другом в зоне постоянной температуры, в конструкцию добавляют удлиняющие провода из двух металлов. Когда на концы проводов действуют разные температуры (например, при помещении датчика в горячую воду), то в цепи появляется электрический ток. Сила возникшего тока (от 40 до 60 мкВ) зависит от используемого материала термопары, который влияет на термоэлектрическую силу прибора.

В практике можно встретить железоникелевые, хромоалюминиевые, медно-константановые и так далее. В дешевых моделях используются неблагородные металлы (аналогичных термоэлектродам) для удлиняющих проводов, а в дорогих – благородные металлы, которые способы развивать аналогичную термо-ЭДС, что и электроды (необходимо для уменьшения стоимости высококлассным приборов).

Термопара относится к датчикам с высокой точностью. Проблемой устройства является сложность получения замеренного значения. Термопара действует по принципу относительности отличия температур между разъемами. Горячий спай помещается в замеряемое вещество, а холодный остается находиться в окружающей среде.

При необходимости использования термопары работа проводится следующим образом. Температуру холодного спая необходимо компенсировать, для чего вторую термопару помещают в среду с известным показателем.

Если используется программный способ компенсации, второй датчик помещается в изометрическую камеру, где находятся холодные спаи, что позволяет контролировать температуру с высокой точностью. Самое сложное в работе с одноконтактной термопарой – снять показатели.

В ГОСТе прописаны коэффициенты, необходимые для перевода ЭДС в показатель температуры и наоборот. Подсчет также может вестись при помощи контроллера.

Но получаемый от термопары показатель ЭДС измеряется в единицах и сотнях микровольт. Поэтому использование аналоговых преобразователей не будет успешным. Для сборки специальной конструкции, цель которой – получение точных результатов, потребуются малошумящие аналоговые преобразователи.

На практике для устранения имеющихся погрешностей используют автоматическое введение поправки на температуру свободных концов. Под этим подразумевают введение моста с плечами в виде медного и манганинового терморезисторов.

Терморезисторы

Терморезисторы делятся по типу зависимости сопротивления от температуры. Они могут быть отрицательными (NTC) или положительными (PTC).

Измерения легче проводить при помощи терморезисторов. Принцип работы построен на сопротивлении материалов внешней температуре. Высокая точность присуща для приборов, изготовленных из платины. На работу терморезисторов влияют две характеристики.

Первая – базовое сопротивление, второе – температура, при которой оно определяется. ГОСТ устанавливает, что определение должно проходить при 0 градусов по Цельсию. В нормативном документе указывается, что рекомендуется использовать несколько номиналов сопротивлений, определяемых в Омах, а также температуры, что позволит сопоставить результаты при 0°С и другом показателе. Для этого используется следующая формула:

Температурный коэффициент будет изменяться в зависимости от используемого материала для термометров, что отражено в ГОСТе. В нормативном документе также указываются коэффициенты полинома, необходимые для расчета в зависимости от текущего сопротивления.

Термометры сопротивления обладают одним минусом – низкий температурный коэффициент сопротивления. Несмотря на этот нюанс, использование терморезисторов проще по сравнению с принципом работы термопары.

Способы измерения будут зависеть от комплектации модели. Базовые терморезисторы необходимо включать в цепь с источником тока и контролируемого дифференциального напряжения. Чтобы корректно определить доли единицы процента получаемых от температурного коэффициента проводников, лучше использовать аналого-цифровые преобразователи.

Если в датчик уже встроен аналоговый выход, соответствующий питаемому напряжению, то для оцифровывания можно напрямую подключать терморезистор к преобразователю

Комбинированные

Комбинированные датчики включают в себя несколько полупроводников, объединенных в единое устройство. Датчики могут иметь встроенный цифровой интерфейс, а не только интегральные схемы с выходом. Часто используется комбинированный датчик благодаря возможности подключения параллельных устройств. Погрешность при расчете температуры равна 2 °С, а при определении влажности – 5%. Проблема в таком датчике одна – оптимизация интерфейса.

Цифровые

В цифровых датчиках устанавливается трехвыводная микросхема. Показатели считываются с нескольких параллельно работающих датчиков, что позволяет получить показания с точностью 0,5 °С. Работа электронного термометра возможна от -55 до +125 °С. Единственным минусом устройства является скорость получения результатов – 750 секунд для получения максимально точного показателя. Определение точности прибора осуществляется при помощи соответствующих регулировок, которые необходимы для уменьшения количества затрачиваемого времени на получение результата. Опрос датчика не имеет смысла, так как корпус является инерционным.

Бесконтактные

Работа датчика основана на нагревании тонкой пленки, что осуществляется благодаря воздействию инфракрасных лучей. Встретить подобную технологию можно в пирометрических устройствах. В отличии от контактного, получить данные можно на расстоянии.

Кварцевые преобразователи температуры

Если диапазон изменяемых температур превышает стандартные значения и достигает отметки от -80 до +250°С, то используются кварцевые преобразователи. Такие устройства работают на принципе взаимодействия кварца и температуры, отражаемого частотной зависимостью. Преобразователь имеет несколько функций, которые меняются в зависимости от расположения среза по осям кристалла.

Кварцевые датчики отличаются высокой точностью, стабильностью и разрешением. Являются более перспективными способами измерения температуры. Часто можно встретить в цифровых термометрах.

Шумовые

Шумовой датчик служит для получения показателей по принципу разности потенциалов на резисторе, которые меняются в зависимости от температуры. На практике подобный способ измерения имеет условие – одна из температур должна быть известна, а вторая — измеряемая. Два полученных шума от различных температур сравнивают и находят искомое значение.

Работа датчика возможна от -270 до +1100 °С. Из преимуществ отмечается возможность измерения температур в термодинамике. Но минусом является сложность реализации такого способа измерения напряжения шумом из-за наличия различий с шумом усилителя.

Ядерного квадрупольного резонанса

Принцип работы биметаллического термометра основывается на действии градиента поля тока решетки кристалла и момента ядра, вызванного отклонением заряда от симметрии сферы. При помощи такого процесса создается процессия ядер. Частота напрямую зависит от градиента поля решетки. В зависимости от вещества, величина показателя может подниматься до нескольких тысяч МГц. Чем выше температура, тем меньше частота ЯКР.

ЯКР образует ампулу с веществом, которая помещается в обмотку индуктивности для дальнейшего соединения с контуром генератора. Если частота генератора и частота ЯКР совпадают, то исходящая от генератора энергия поглощается. При измерении вещества с температурой -263°С погрешность составляет 0,02 градуса, а при температуре 27°С, погрешность равна 0,002 градуса. Из преимуществ датчика выделяют неизменную стабильность. Минусом является значительная нелинейность преобразующей функции.

Объемные преобразователи

Принцип работы иного рода биметаллического термометра построен на свойстве веществ расширяться и сжиматься в зависимости от действующей температуры. Диапазон действия преобразователя определяется в зависимости от стабильности материала. Датчик может использоваться при температурах от -60 до +400°С. Погрешность составит от 1 до 5%.

При определении температуры датчиками на жидкости погрешность падает до 1-3% в зависимости от температурной среды. Температура закипания и замерзания жидкости также будет влиять на интервал работы датчика.

Если датчик измеряет преобразователи на газе, то граница измерения зависит от точки перехода газа в жидкое состояние и стойкостью баллона в воздействующей температуре.

Канальный

Все цифровые термометры относятся к канальным, так как для передачи сигналов они используют каналы. В зависимости от количества таких “магистралей” определяется канальность устройства. Так термометр Testo 925 относится к 1-канальным, в основе работы лежит термопара, как и у термометра Testo 735-2 – 3-канального. А Testo 810 – 2-канальный прибор с инфракрасным термометром.

Параметры выбора

Чтобы осуществить корректный выбор подходящего термометра, необходимо определить несколько условий, которые должны соответствовать для комфортной работы прибором.

Диапазон рабочей температуры

Необходимо знать, в каких температурах будет задействован термометр. Также нужно определить, какая погрешность будет приемлемой при получении результатов. Если диапазон температур небольшой, то подойдут термисторы. В самых суровых условиях работоспособны преимущественно шумовые приборы.

Условия проведения замеров

Возможно ли поместить термометр в среду или материал, который нужно заменить. Если нет, то получить данные можно при помощи радиационных термометров, которые замеряют температуру сквозь препятствия.

Время работы до калибровки или замены

Установить условия работы датчика. Окружающая обстановка может быть стандартной, с высокой влажность, окислительной, пожароопасной и так далее.

Величина сигнала выхода

Сигнал выхода должен соответствовать возможностям электроизмерительных приборов для дальнейшей обработки получаемых данных. Зависит это от полученных показателей температуры, преобразуемых в энергию.

Другие технические данные

Также при определении подходящего типа датчика температуры необходимо обращать внимание на второстепенные факторы. Эти нюансы позволяют выбрать самый подходящий аппарат для получения необходимых данных.

Погрешность

Для получения самых точных результатов потребуется большое количество времени. Лучший показатель выдает биметаллический термометр, построенный по принципу ЯКР и цифровые. Первые – быстрее, а вторые – точнее.

Разрешение

Этот показатель позволяет получить от датчика более точные приращениям дискретности измерения температуры. Ярким представителем является DS18B20, который может работать в разрешении 9,10,11 и 12 бит. Самый малый режим даст 0.5°C, а максимальный — 0.0625°C.

Напряжение

На величину выходного напряжения будет влиять сопротивление резистора. В зависимости от этого напряжение может быть линейным (изменяться в зависимости от температуры) и нелинейным. Для каждого датчика существуют свои эталонные величины на выводах термометра, который зависит от температуры измеряемого объекта.

Время сработки

Показатель отвечает за скорость получения результатов замера. Как правило, быстрые замеры можно получить, имея крупную погрешность. Для устранения этого недостатка потребуется пренебречь временем сработки и увеличить его до необходимого показателя точности.

Промышленные термодатчики и сенсоры

Кроме стандартных бытовых термодатчиков бывают промышленные, которые используются исключительно на специальных объектах. Их распространение направлено на определенную группу лиц из-за избыточных возможностей, которые требуются только на производстве. Некоторые из них способны работать в различных нетрадиционных средах и суровых условиях. Выбор подходящих типов осуществляется тем же образом, что и для подбора бытовых датчиков.

Применение

Стоит понимать, что каждый из типов датчиков создан для использования в специальных условиях. Практически во всех сферах производства и жизни требуется знать температуру. Так применять термисторы необходимо для получения абсолютных показателей, для сбора показателей в помещениях – шумовые, для получения максимально точных данных – цифровые и так далее.

Мир датчиков температур охватывает все сферы жизни, где требуется измерение показателей. Это может быть помещение, жидкость или предмет с совершенно различными нюансами. В одних помещениях высокая влажность, в другие нельзя попадать. Аналогичные параллели можно проводить с жидкостями и объектами. При выборе подходящего термометра необходимо обращать внимание на нюансы условий измерения.