Как определить уровень воды в баке на даче
Блог Сергея Коваленко
Личный блог
Измерители уровня и температуры воды в садовых дачных водонапорных баках и душах.
На даче или в загородном доме многие пользуются простыми водяными баками-накопителями, которые выполняют роль импровизированной водонапорной башни. В качестве таких баков выступают и обычные металлические бочки и специальные пластиковые баки. И те и другие — непрозрачны. Что, впрочем, хорошо — вода не успевает зацвести в таких накопителях, даже если они большой емкости.
Вот эта непрозрачность баков делает невозможным точно определить уровень воды в баке, ее остаток. Как правило, такие простые «водонапорные башни» не оснащаются никакой автоматикой и вода из них расходуется «пока не закончится», а наполняются они до тех пор, пока вода не начинает переливаться в переливную трубку. По закону подлости, вода в баках заканчивается всегда в том момент, когда она нужна срочно.
Поэтому хочу рассказать о простых приспособлениях, которые позволят с достаточной точностью определить уровень воды в накопителе.
Этот вариант измерителя уровня основан на эффекте сообщающихся сосудов. Как известно, в сообщающихся сосудах уровень жидкости (в нормальных условиях) всегда одинаковый.
Если на расходную трубку навинтить тройник, а к одному его концу приделать тонкую прозрачную трубку, то уровень воды в этой трубке будет такой же как и в баке. Дачник, заметив, что уровень в баке низкий, включает насос и наполняет бак, отслеживая при этом уровень наполнения.
Недостатком этого способа является то, что смотровая трубка должна быть поднята на уровень самого бака и при этом — хорошо видна. Поэтому такой способ применяют только в садовых баках, летних душах и т.п. А если у вас бак «скрытой установки», например, на чердаке сарая или дома, то придется применить другие способы дистанционного определения уровня воды.
Дистанционный механический измеритель уровня воды состоит из тяжёлого, но все же плавучего поплавка, небольшого блока на краю бака, тонкого и крепкого шнура и грузика. Один конец шнура пропущен через блок и привязан к поплавку. Поплавок можно сделать из небольшого бруска древесины с приклеенным к нему кусочком пенопласта. Такой поплавок будет достаточно тяжелым, но иметь положительную плавучесть. Другой кончик шнура может быть пропущен через направляющие (они представляют собой колечки или короткие обрезки трубок, шланга и т.д.). На кончике шнура висит небольшой грузик.
При изменении уровня воды поплавок опускается и тянет за собой шнурок, а тот, в свою очередь — грузик. Расположив вдоль траектории движения грузика шкалу и разметив ее, дачник всегда может с достаточно точно узнать, сколько воды в баке. Длина шнурка может быть достаточно большой — 10-20 метров. Главное, что бы ничто не мешало его перемещению. Его можно даже заключить в специальную гофрированную пластиковую трубку — кабель-канал, предназначенную для устройства скрытой электропроводки. Для облегчения скольжения шнурок нужно натереть мылом или стеариновой свечкой.
Третий способ определения уровня самый продвинутый. Существуют такие герметичные выключатели — герконы. Это стеклянная колбочка, внутри которой находятся 2-3 контакта, которые замыкаются если геркон попадает в действие магнитного поля. Спаяв пару герконов (или больше) в простейшую электрическую схему, и разместив их внутри пластиковой или алюминиевой трубки, с помощью поплавка с закрепленным на нем магнитом, дачник получит дистанционный измеритель уровня воды.
Поплавок представляет собой деревянное или пенопластовое кольцо, которое надето на трубку. На кольце расположен магнит, желательно тоже кольцевой, например из вышедшего из строя динамика. Один геркон располагается внизу трубки, а второй вверху. Если возле геркона находится магнит, то геркон замыкает свои контакты и загорается соответствующая лампочка или светодиод.
Если дачнику желательно знать промежуточные уровни воды в баке, то необходимо добавить в схему соответствующее количество герконов и лампочек.
Крайние герконы уже могут служить для управления насосом, которые будут вовремя пополнять бак водой из колодца или скважины. Как понимаете, сигнальные лампочки могут быть расположены где угодно.
Кроме уровня в баке, дачнику иногда надо знать и температуру в баке. Например если бак служит источником воды для садового душа.
Это приспособление не измеряет температуру воды, а просто отбирает самую теплую и чистую. Как известно, теплая вода легче холодной и поднимается всегда наверх сосуда, где она находится. В тоже время, расходная трубка обычно расположена на самом дне бака, что бы можно было слить всю воду. Поэтому в самом простом случае, человек, который моется в летнем душе начинает расходовать самую холодную воду из бака. Это неприятно.
Что бы избежать этого явления, рекомендуется сделать верхний водозаборник, который начнет сливать воду начиная с самой теплой. Такой водозаборник представляет собой несколько метров шланга (желательно гофрированного жесткого), нижний конец которого присоединен к расходной трубе, а верхний — прикреплен к поплавку с нижней его стороны. Шланг должен быть свернут в виде спирали, желательно немного концентрической. Что то вроде половинки матрасной пружины. Что бы он держал такую форму, можно внутрь него вставить отрезок тонкой сталистой проволоки и придать ей нужную форму. В качестве гофрированного шланга можно также использовать упругий пластиковый кабель-канал для электропроводки.
Теперь в вашем душе мыться будет гораздо приятнее.
Обычно в садовом душе температура воды представляет для дачника полную загадку. Пока не откроешь кран — не узнаешь. Варианты с дистанционными электронными термометрами мы не рассматриваем.
Между тем, узнать температуру воды в баке можно с помощью следующего простого устройства, который вы можете сделать сами. Необходимо взять небольшой металлический баллончик — 0,5 литра будет вполне достаточно и герметично приделать к нему тонкую трубочку. В идеале — металлическую, но подойдет и из любого упругого материала. На свободном краю трубочки устанавливается «U»-образная стеклянная трубочка. Можно придать такую форму и прозрачному шлангу и закрепить его на кусочке фанеры. Когда в баке самая холодная вода, в трубочку заливают немного подкрашенной воды, и несколько капель машинного масла (что бы вода не испарялась). Баллончик пригружается балластом, что бы не всплывал.
Принцип действия такого термометра прост. Воздух в баллончике при нагреве воды тоже нагревается и начинает расширяться. Соответственно он давит на жидкость в «U»-образной трубке и она выходит из равновесия. Жидкость начинает вытесняться из трубочки и устанавливается на определенном уровне соответственно данной температуре воздуха в баллончике. Проградуировав шкалу вы всегда теперь будете знать примерную температуру воды в душевой бочке.
Выбираем датчик уровня воды в резервуаре и емкости
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:
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:
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:
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:
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
Принцип работы сигнализатора такой же, как у конденсатора: проводится измерение емкости между пластинами чувствительного элемента. Когда она достигнет порогового значения, подается сигнал на контроллер. В некоторых случаях задействовано исполнение «сухой контакт», то есть уровнемер работает через стенку бака в изоляции от технологической среды.
Данные устройства могут функционировать в широком температурном диапазоне, на них не влияют электромагнитные поля, а срабатывание возможно на большом расстоянии. Такие характеристики существенно расширяют сферу применения вплоть до тяжелых условий эксплуатации.
Радарный
Этот вид сигнализаторов можно действительно назвать универсальным, поскольку он может работать с любой технологической средой, включая агрессивную и взрывоопасную, причем, давление и температура не будут влиять на показания. Пример работы устройства приведен на рисунке ниже.
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:
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:
Самодельный указатель уровня воды в непрозрачной емкости для полива. Проще некуда
Часто для полива огорода используют б/у-шный еврокуб, поднятый над уровнем земли.
Штука вместительная, надежная и долговечная, удобная для использования и, что немаловажно, не такая дорогая, как специальные емкости, которые сейчас продаются в большом разнообразии.
Единственный его недостаток – то, что пластик, из которого куб изготовлен, пропускает солнечный свет.
Чем это плохо – всем известно: под воздействием света вода начинает очень быстро “цвести” и емкость превращается, практически, в болото.
Бывают и черные еврокубы, но в продаже они попадаются гораздо реже, а стоят гораздо дороже…
Поэтому, чаще всего, огородники покупают обычный, и либо красят его, либо обматывают чем-то светонепроницаемым, типа черной пленки.
Конкретно у нас на куб надет двухслойный чехол из черного укрывного материала.
Вода в кубе и нагревается, и не цветет. Все прекрасно.
Вот только одна незадача: как понять, есть она там или уже закончилась?
Эту проблему я предусмотрел сразу, как “пошил” черный чехол) Снаружи к выпускному крану через тройник примастырил кусок прозрачного шланга на ¾ (19 мм)
Все бы ничего, но, очень скоро этот шланг зарос отложениями изнутри, помутнел от солнечного света и разглядеть какой там уровень стало трудно…
Заглянуть в заливное отверстие куба, учитывая, что он не только накрыт чехлом, но и поднят на 2 с лишним метра над землей – тоже не вариант.
Устройство – проще некуда.
Подойдет не только для куба. Длина труб – в соответствии с высотой вашего резервуара.
В общем, суть такова:
Из комплектующих для самого указателя это – все.
Для присоединения понадобится тройник и, возможно, еще какие-то сантех фитинги, в зависимости от того, как организован выпуск из емкости конкретно у вас.
Труба 50 мм, через тройник подключенная к изливу с нижней стороны, выполняет роль сообщающегося с основной емкостью сосуда, а труба 32 мм, заглушенная снизу – роль поплавка, который поднимается/опускается, в зависимости от уровня воды в большой трубе, т.е. и в самой емкости.
У меня бывший прозрачный шланг был присоединен вот таким цанговым (обжимным) фитингом от металлопластиковой трубы.
Кстати, если кому не приходило в голову, это очень удобно. Такими фитингами можно соединять и шланги, и даже черную ПНД трубу. Она зажимается в эти фитинги ничуть не хуже родного металлопластика.
Что-то глобально переделывать было некогда, да и лень, если честно))
Поэтому, я взял обрезок черной ПНД трубы и с одной стороны нарезал на нем полдюймовую резьбу. В заглушке 50 мм просверлил отверстие на 20 мм и зажал все это двумя контргайками. Прокладки использовать не стал, а всю конструкцию для пущей надежности посадил на герметик.
Получился вот такой переходник
Чтобы поплавок не сильно болтался в верхней части трубы, в качестве направляющей и ограничителя я использовал раструб, отрезанный от фитинга на 40 мм, который вставил в верхнюю часть 50-й трубы.
Чтобы было понятнее – листаем картинки
И тут на сцене появляется…
Конечно, изолента), без которой, как гласит легенда, не делается ни одна самоделка)))
Правда у меня не голубая, как положено, а черная). Даже немного переживаю будет ли с черной работать так же хорошо, как с голубой)))
Если серьезно – раструб 40 мм фитинга входит в 50-ю трубу слишком свободно, поэтому, нужно чем-то уплотнить.
Только сделать это лучше чуть позже. Сначала надо отградуировать поплавок в реальных условиях, т.е., просто разметить на нем уровни воды: максимальный, минимальный и середину. Это – как минимум.
Делать это надо непосредственно на емкости, где поплавок будет работать. А для этого наша направляющая должна легко выниматься.
Если хочется, чтобы все было подогнано вообще идеально – в 40 мм раструб можно вставить еще и такую же часть от 32 мм фитинга, вынув из нее уплотнительное кольцо.
Правда, в этом случае зазор между поплавковой трубой и направляющей будет совсем небольшой и есть опасность, что поплавок в этом месте будет иногда подклинивать при сильном ветре и т.п. Я пока оставил, а там поглядим. Будет клинить – убрать недолго)
Осталось провести испытания))
Ну, и собрать все уже на месте.
Да, открытый конец тонкой трубы надо чем-то заглушить, чтобы туда не набиралась дождевая вода и не попадали всякие посторонние предметы типа листьев и т.п.
Я париться на эту тему не стал, а взял кусок вспененного уплотнителя, вырезал цилиндрическую пробку чуть большего диаметра, чем труба, и воткнул внутрь.
Ну, а толстую трубу надо, конечно, жестко зафиксировать в строго вертикальном положении.
Наверное, это – все, что можно рассказать о самой конструкции. Если что-то написано непонятно – готов ответить на вопросы.
Теперь пара слов о дальнейшей эксплуатации.
Конечно, лучше было бы взять не серую трубу, а рыжую – для наружных работ. Но, насколько я в курсе, рыжей трубы, диаметром меньше 110 мм просто не существует (?)
Ну, а серую трубу, чтобы она не слишком быстро пришла в негодность под воздействием солнечного света, нужно чем-то защитить.
От покраски я сразу отказался, т.к. на пластик любая обычная краска и ложится с трудом, и держится на нем плохо.
Была идея надеть на трубу кусок утеплителя для нее же. Но, подумал, что утеплитель на солнце тоже быстро превратится в труху…
В общем, для толстой трубы пока не придумал ничего лучше, чем просто обмотать ее серебристым скотчем. Как он будет вести себя – посмотрим через какое-то время.
Если у вас появятся какие-то рабочие идеи на эту тему – не поленитесь поделиться в комментариях.
УФ защиту для тонкой трубы (поплавка) я придумал, но пока не успел реализовать.
Надо будет купить две термоусадочные трубки контрастных цветов и обтянуть трубу одинаковыми по длине кусками, чередуя цвета. Получится два в одном: и защита, и шкала.
А вот так устройство пока выглядит в сборе, на рабочем месте, так сказать.
Все работает без нареканий, а уровень воды теперь видно издалека и в любую погоду.
Ультразвуковой измеритель уровня воды в баке
Данное устройство проектировалось для контроля уровня воды в баке и оценки ее температуры.
Весной было много свободного времени и задача: сделать уровнемер для бака на даче. Простые способы с электродами, замыкаемыми водой, я счёл недостойными такого солидного джентльмена как я, нужно что-то более интересное.
Изучая данную тему в интернете, выбор остановился на ультразвуковом методе измерения при помощи распространенного и недорого датчика hc-sr04. Работа модуля основана на принципе эхолокации. Модуль посылает ультразвуковой сигнал и принимает его отражение от объекта. Он подключается четырьмя проводами. Контакты VCC и GND служат для подключения питания, а Trig и Echo— для отправки и приема сигналов дальномера. Для определения расстояния на вход Trig подается импульс длительностью 10 мкс после чего датчик генерирует пачку импульсов частотой порядка 40 килогерц и на выходе Echo появляется логическая единица, которая удерживается до прихода отражённого сигнала. Диапазон измерений от 2 сантиметров до 4 метров.
Большинство проектов использует микроконтроллеры или ардуино с индикацией в виде абсолютной величины расстояния. Но ничто не запрещает управлять датчиком и обычной логикой, чем мы и займёмся.
Получившийся монстр представлен на схеме.
На микросхеме CD4060 собран задающий генератор с частотой 17,24 кГц. Сигнал генератора делится на 4096 встроенными делителями и на вводе 2 имеем импульсы примерно 4 Гц. При помощи RC-цепочки получаем требуемый для датчика импульс 10 мкс. Через логический вентиль вывод Echo датчика соединен с выводами сброса и записи счётчика 74hc590 (не путать с широко распространенной микросхемой 74hc595). Пока на выходе Echo присутствует логическая 1, счётчик считает импульсы, но на его выводах сохраняется предыдущее значение. При появлении логического 0, счетчик записывает посчитанные показания во внутреннюю память и обнуляется. При количестве импульсов больше 255 на выходе переполнения появляется сигнал, который запрещает дальнейший счёт. При указанной частоте генратора, 1 импульс примерно соответствует 1 см расстояния до препятствия.
К выходам счётчика подключен простейший цифро-аналоговый преобразователь на резисторах, который преобразует код в напряжение от 0 В при 0 поступивших импульсов до 5 В при 255 поступивших импульсах. Разумеется, количество импульсов получается пропорциональным расстоянию от датчика до препятствия.
Максимальным показаниям прибора должно соответствовать минимальное расстояние от датчика до уровня воды в баке, поэтому применяем дифференциальный усилитель на операционном усилителе, который вычитает сигнал ЦАПа из постоянного напряжения 5 В. Продифференцированный сигнал поступает на вход компаратора LM3914. Границы диапазона измерения задаются многооборотными подстроечными резисторами и результат показывается на светодиодной шкале в виде стрелки из 5 последовательно включенных светодиодов.
В итоге имеем импульс какой-то протяжённостью, за который проходит какое-то количество других импульсов, которое преобразуется в какое-то напряжение и в результате имеем наглядный результат от пустого бака до полного. Магия.
Устройство собрано на печатной плате промышленного изготовления.
Так как минимальная партия составляет 5 штук, было решено добавить термометр. Для этого исключаем микросхемы логики и ЦАП, усилитель на ОУ подключаем по схеме простого неинвертирующего усилителя, на вход которого ставим аналоговый датчик LM35. Напряжение на датчике пропорционально температуре с шагом 10 мВ/С (при 20 С соответствует 0,2 В, при 100 С соответствует 1 В).
Правильно собранные устройства без настройки работать вообще не будут.
Сначала настраиваем термометр. Выбираем диапазон температур, например от 20 до 60 градусов. ОУ в моем случае имеет усиление в 3 раза. Значит, резисторами устанавливаем на выводе 4 LM3914 напряжение 20*0,01*3=0,6 В, на выводе 6 LM3914 60*0,01*3=1,8 В. Ничто не мешает выбрать другое усиление.
Для настройки уровнемера закрепляем датчик на расстоянии от места его крепления до максимального уровня воды и измеряем напряжение на выходе ОУ. Устанавливаем такое же напряжение на выводе 6 LM3914. Затем повторяем процедуру с расстоянием, имитирующем минимальный уровень, и выставляем такое же напряжение на выводе 4 LM3914. Точные значения напряжений ЦАПа можно вычислить заранее, у меня сведено в таблицу.
Две платы соединяем перемычками и заключаем в рамку 100х200 мм со стеклом. Стекло заклеиваем тонировочной пленкой. Для измерения температуры воды датчик нужно обязательно загерметизировать.
Это в теории, а что на практике?
На практике получилось, что партия термодатчиков, купленная на известном китайском сайте, ВНЕЗАПНО оказалась перемаркированными транзисторами, которые мало того, что не измеряли температуру, так и взрывались с хлопком после 1-2 минуты от включения. Пришлось купить в магазине за дорого, с ним сразу заработало.
Из трех ультразвуковых датчиков корректно начал работать только третий. После мучений с бракованными датчиками идея использовать штырьки разной длины не казалась такой уж и плохой.
Пока устройство работает на столе и ждёт проверки в полевых условиях.