Схема подключения датчика уровня воды

Кроме электрических аппаратов общего применения (пускатели, промежуточные реле, переключатели и т. д.) при автоматизации насосных установок применяют специальные устройства контроля и управления, например, реле давления, реле контроля уровня, струйные реле и др.

Реле контроля уровня регулируют работу пускателей насоса и клапанов для управления уровнями жидкости. Такие устройства способны поддерживать установленный уровень воды в емкостях.

Современные реле контроля уровня жидкости — электронные устройства, чаще всего модульного исполнения, получающие сигналы от датчиков, обрабатывающие их по определенному алгоритму и комммутирующие подключенные к выходным контактам реле исполнительные элементы (электромагнитные клапаны, электродвигатели насосов).

Так как максимальный коммутируемый ток выходных цепей электронных реле контроля уровня обычно не превышает 10 А, то для коммутации мощных нагрузок необходимо ипользовать магнитные пускатели. В этом сучае реле уровня управляет катушкой пускателя, а пускатель своими силовыми контактами управляет исполнительными элементами насосной установки.

Электронные реле контроля уровня работают с электродными и поплавковми датчиками, манометрами, радиоактивными датчиками и т. д.

Электродный датчик уровня

Используется для того, чтобы контролировать уровень электропроводных жидкостей. Принцип работы: контроль сопротивления воды между однополюсными погруженными электродами, для чего применяется переменное напряжение.

Состоит из одного маленького электрода и двух длинных электродов, укрепленных в коробке зажимов. Один маленький электрод – это контакт верхнего уровня воды, а длинные – нижнего уровня воды. Соединение датчика с реле уровня и со схемой управления двигателем насоса выполняется проводами.

Если вода соприкасается с маленьким электродом, происходит выключение пускателя насоса. Когда уровень понижается до длинных электродов, насос включается.

Поплавковый датчик уровня

Используется для того, чтобы контролировать уровень воды в неагрессивных жидкостях. В открытую емкость погружается поплавок, который подвешивается на гибком тросе и уравновешивается грузом. На тросе закрепляются две переключающие опоры, с помощью которых при предельных уровнях воды в емкости коромысло контактного устройства поворачивается. Это коромысло замыкает контакты, которые включают или отключают электродвигатель насоса.

В случае с закрытой емкостью поплавок связывается своим рычагом с осью рычага. Ось с определенным уплотнителем пропускается в пространство через стенку корпуса, где находится контактная часть датчика. Через стенку емкости выполняется вывод проводов от контактов.

В большинстве случаев, подходящие датчики идут в комплете с реле уровня. Потребителю после приобретения такого набора необходимо только правильно все подключить и настроить.

Далее приведены устройства, отличающиеся высокой надежностью и отличными эксплуатационными параметрами.

Реле РКУ-1М – контролирует уровень жидкости и используется в автоматике регулирования наполнения и слива емкостей и в схемах защиты. Основные характеристики: максимальная коммутируемая мощность 3,5 Вт, питание 220В, число датчиков 3, один переключающий контакт, максимальное расстояние от датчика к реле 100 м.

Рис. 1. Реле РКУ-1М

Рис. 2. Схема подключения насоса к РКУ-1М

Реле уровня воды РОС-301 – контролирует три уровня электропроводных жидкостей по независимым трем каналам в одной или разных емкостях.

Рис. 3. Реле РОС-301

Реле одноуровневое уровня воды PZ-828 – обладает регулируемой чувствительностью, напряжение — 230В, максимальный ток выходных цепей — 16А. В устройстве используется переключающий контакт.

Рис. 4. Реле PZ-828

Рис. 5. Схемы подключения реле PZ-828 (напрямую к нагрузке и через магнитный пускатель)

Двухуровневое реле PZ-829 представляет собой автомат, имеющий регулируемую чувствительность. Данное электронное устройство пособно на двух уровнях контролировать наличие жидкости.

Трехуровневое реле PZ-830 – контролирует и поддерживает установленный уровень токопроводящей жидкости управляя электродвигателем насосной установки. Трехуровневый автомат способен на трех уровнях контролировать наличие жидкости, где третий уровень является аварийным.

Рис. 6. Схема подключения четырехуровневого реле уровня PZ-830

Четырехуровневое реле PZ-832 – контролирует и поддерживает уровень токопроводящих жидкостей в емкостях, водонапорных башнях, бассейнах и т. д. управляя электродвигателями насосов.

Реле уровня жидкости, оснащенное тремя датчиками EBR-1 – электронное модульное реле, обладающее максимальным расстоянием между датчиками в 100 метров. Его можно применять для общественных водоемов (управление наполнением и сливом емкости или колодца). К механизму подключаются датчики, поставляемые вместе с реле контроля уровня жидкости.

Основные характеристики: мощность 3,5 VA, три датчика, максимальная чувствительность 50 КОм, питание 230 V, рабочая температура -100С – +450С, защита IP20.

Реле уровня EBR-1

Реле, оснащенное шестью датчиками EBR-2 – специально разработанное модульное реле контроля, применяемое в колодцах и резервуарах. Также данное реле обладает множеством настроек, уведомлением о достижении минимального и максимального показателей уровня воды, датчики имеют высокую чувствительность к электропроводности жидкости.

В комплект входят шесть датчиков. Благодаря стоимости данное реле контроля является идеальным вариантом для современного контролирования уровня воды.

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.

Конструкция и принцип действия

Конструктивное исполнение измерительных устройств данного типа определяется следующими параметрами:

• Функциональностью, в зависимости от этого устройства принято делить на сигнализаторы и уровнемеры. Первые отслеживают конкретную точку заполнения резервуара (минимальную или максимальную), вторые осуществляют беспрерывный мониторинг уровня.
• Принципом действия, в его основу может быть положены: гидростатика, электропроводность, магнетизм, оптика, акустика и т.д. Собственно, это основной параметр, определяющий сферу применения.
• Методом измерения (контактный или бесконтактный).

Помимо этого, особенности конструкции определяет характер технологической среды. Одно дело – измерять высоту питьевой воды в баке, другое – проверять наполнение резервуаров для промышленных стоков. В последнем случае необходима соответствующая защита.

Виды датчиков уровня

В зависимости от принципа действия, сигнализаторы принято делить на следующие виды:

• поплавочного типа;
• использующие ультразвуковые волны;
• устройства с емкостным принципом определения уровня;
• электродные;
• радарного типа;
• работающие по гидростатическому принципу.

Поскольку эти типы наиболее распространены, рассмотрим каждый из них в отдельности.

Поплавковый

Это наиболее простой, но, тем не менее, действенный и надежный способ измерения жидкости в баке или другой емкости. С примером реализации можно ознакомиться на рисунке 2.

Рис. 2. Поплавковый датчик для управления насосом

Конструкция состоит из поплавка с магнитом и двух герконов, установленных в контрольных точках. Кратко опишем принцип действия:

• Емкость опустошается до критического минимума (А на рис. 2), при этом поплавок опускается до уровня, где расположен геркон 2, он включает реле, подающее питание на насос, закачивающий воду из скважины.
• Вода доходит до максимальной отметки, поплавок поднимается до места расположения геркона 1, он срабатывает и реле отключается, соответственно, двигатель насоса прекращает работать.

Такой герконовый сигнализатор сделать самостоятельно довольно просто, а его настройка сводится к установке уровней включения-выключения.

Заметим, что если правильно выбрать материал для поплавка, датчик уровня воды будет работать, даже при наличии слоя пены в резервуаре.

Ультразвуковой

Этот тип измерителей может использоваться как для жидкой, так и сухой среды, при этом у него может быть аналоговый или дискретный выход. То есть, датчик может ограничивать заполнение по достижению определенной точки или отслеживать его постоянно. Устройство включает в себя ультразвуковой излучатель, приемник и контроллер обработки сигнала. Принцип работы сигнализатора продемонстрирован на рисунке 3.

Рис. 3. Принцип работы ультразвукового датчика уровня

Работает система следующим образом:

• излучается ультразвуковой импульс;
• принимается отраженный сигнал;
• анализируется длительность затухания сигнала. Если бак полный, она будет короткой (А рис. 3), а по мере опустошения начнет увеличиваться (В рис. 3).

Ультразвуковой сигнализатор бесконтактный и беспроводной, поэтому он может использоваться даже в агрессивных и взрывоопасных средах. После первичной настройки, такой датчик не требует никакого специализированного обслуживания, а отсутствие подвижных частей существенно продлевает срок эксплуатации.

Электродный

Электродные (кондуктометрические) сигнализаторы позволяют контролировать один или несколько уровней электропроводящей среды (то есть, для измерения наполнения бака дистиллированной водой они не подходят). Пример использования устройства приведен на рисунке 4.

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:

• Состав жидкости. В зависимости от содержания в воде посторонних примесей может меняться плотность и электропроводность раствора, что с большой вероятностью отразится на показаниях.
• Объем резервуара и материал, из которого он изготовлен.
• Функциональное назначение емкости для накопления жидкости.
• Необходимость контролировать минимальный и максимальный уровень, или требуется мониторинг текущего состояния.
• Допустимость интеграции в систему автоматизированного управления.
• Коммутационные возможности устройства.

Это далеко не полный список для выбора измерительных приборов данного типа. Естественно, что для бытового назначения можно существенно сократить критерии отбора, ограничив их объемом резервуара, типом срабатывания и схемой управления. Существенное сокращение требований делает возможным самостоятельное изготовление подобного устройства.

Делаем датчик уровня воды в резервуаре своими руками

Допустим, есть задача автоматизировать работу погружного насоса для водоснабжения дачи. Как правило, вода поступает в накопительную емкость, следовательно, нам необходимо сделать так, чтобы насос автоматически выключался при ее заполнении. Совсем не обязательно для этой цели покупать лазерный или радиолокационный сигнализатор уровня, собственно, никакой приобретать не нужно. Несложная задача требует простого решения, оно показано на рисунке 8.

Схема управления водозабоным насосом

Для решения задачи понадобится магнитный пускатель с катушкой на 220 вольт и два геркона: минимального уровня – на замыкание, максимального – на размыкание. Схема подключения насоса проста и, что немаловажно, безопасна. Принцип работы был описан выше, но повторим его:

• По мере набора воды поплавок с магнитом постепенно поднимается, пока не дойдет до геркона максимального уровня.
• Магнитное поле размыкает геркон, отключая катушку пускателя, что приводит к обесточиванию двигателя.
• По мере расхода воды, поплавок опускается, пока не достигнет минимальной отметки напротив нижнего геркона, его контакты замыкаются, и поступает напряжение на катушку пускателя, подающего напряжение на насос. Такой датчик уровня воды в резервуаре может работать десятилетиями, в отличие от электронной системы управления.

Большую емкость для воды на даче или приусадебном участке можно использовать для полива или водоснабжения дома. При ее наполнении нет необходимости постоянно забираться вверх по лестнице и целый день следить за уровнем — это вполне могут сделать электронные датчики.

Область применения датчиков уровня воды

• Продвинутые дачные и фермерские хозяйства, занимающиеся выращиванием плодоовощной продукции, в своей работе используют системы полива наподобие капельной. Для обеспечения автоматической работы поливочного оборудования конструкция требует наличия большой емкости для сбора и хранения воды. Ее заполнение обычно производят погружными водяными насосами в скважине, при этом требуется отслеживать уровень давления воды для насоса и ее количество в водосборном баке. В этом случае необходимо управлять работой насоса, то есть включать его при достижении определенного уровня воды в накопительной емкости и отключать в случае полного заполнения водяного бака. Эти функции можно реализовать с помощью поплавковых датчиков.

Рис. 1 Принцип действия поплавкового датчика уровня (ПДУ)

• Большой накопительный бак для воды может потребоваться и для водоснабжения дома, если дебит водозаборной емкости очень мал или производительность самого насоса не может обеспечить потребление воды, соответствующее необходимому уровню. В этом случае устройства контроля уровня жидкости для автоматической работы системы водоснабжения также необходимы.
• Систему контроля за уровнем жидкости можно использовать и при работе с устройствами, в которых отсутствует защита от сухого хода скважинного насоса, датчик давления воды или поплавковый выключатель при откачивании грунтовых вод из подвалов и помещений с уровнем ниже поверхности земли.

Виды датчиков уровня воды

Все датчики уровня воды для управления насосом можно разделить на две большие группы: контактные и бесконтактные. Бесконтактные способы в основном используются в промышленном производстве и делятся на оптические, магнитные, емкостные, ультразвуковые и т.п. виды. Датчики устанавливаются на стенки водяных баков или непосредственно погружаются в контролируемые жидкости, электронные компоненты помещены в шкаф управления.

Рис. 3 Вертикальные и горизонтальные герконовые датчики

Устройство герконового переключателя

Основной исполнительный элемент герконового датчика — герконовый выключатель. Устройство представляет собой маленький стеклянный баллон, наполненный инертным газом или с откачанным воздухом. Газ или вакуум препятствуют образованию искр и окислению контактной группы. Внутри колбы находятся замкнутые контакты из ферромагнитного сплава прямоугольного сечения (пермаллоевая проволока) с золотым или серебряным напылением. При попадании в магнитный поток контакты герконового переключателя намагничиваются и отталкиваются друг от друга — происходит размыкание цепи, по которой течет электрический ток.

Схема подключения герконового датчика уровня воды

Герконовые переключатели являются маломощными устройствами и неспособны коммутировать большие токи, поэтому они не могут быть использованы непосредственно для отключения и включения насоса. Обычно они задействованы в низковольтной схеме коммутации работы мощного реле насоса, помещенной в шкаф управления.

На рисунке представлена простейшая схема с датчиком, реализующая управление дренажным насосом в зависимости от водного уровня при откачке, состоящая из двух герконов SV1 и SV2.

При достижении жидкостью верхнего уровня магнит с поплавком включает верхний геркон SV1 и на катушку реле P1 подается напряжение. Ее контакты замыкаются, происходит параллельное подключение к геркону и реле самозахватывается.

Функция самозахватывания не дает возможность отключиться питанию катушки реле при размыкании контактов включающей кнопки (в нашем случае это геркон SV1). Это происходит в том случае, если нагрузка реле и его катушка подключены в одну цепь.

Напряжение поступает на катушку мощного реле в цепи электропитания насоса, его контакты замыкаются и электронасос начинает работать. При падении уровня воды и достижении поплавка с магнитом нижнего геркона SV2 он включается и на катушку реле P1 с другой стороны также подается положительный потенциал, ток перестает течь и реле P1 отключается. Это вызывает отсутствие тока в катушке силового реле P2 и как следствие прекращение подачи напряжения питания на электронасос.

Рис. 6 Поплавковые вертикальные датчики уровня воды

Аналогичная схема управления насосом, помещенная в шкаф управления, может быть использована при отслеживании уровня в емкости с жидкостью, если герконы поменять местами, то есть SV2 будет находиться вверху и отключать насос, а SV1 в глубине бака с водой его включать.

Датчики уровня могут быть использованы в быту для автоматизации процесса при заполнении больших емкостей водой при помощи водяных электронасосов. Наиболее просты в установке и эксплуатации герконовые виды, выпускаемые промышленностью в виде вертикальных поплавков на штангах и горизонтальных конструкций.

схемы датчиков воды

Устройство управления насосом воды

Одна из возможных схем управления насосом приведена на рис.5. Цепи управления тринисторами разделены и питаются от отдельных обмоток трансформатора Т1. Датчики Е1 и Е2 включены до выпрямителей, поэтому через них протекает переменный ток (без постоянной составляющей). Резервуар исключен из электрической цепи, поэтому может быть выполнен из материала, не проводящего ток.
Введение электромагнитного реле К1 позволяет использовать устройство как для автоматической откачки воды (дренаж), так и для автоматического наполнения накопительного резервуара (водоподъем). В первом случае электронасос подключают к зажимам Х1 и Х2, во втором — к зажимам Х3 и Х4.
Датчики уровня Е1 и Е2 удобно изготовить из бритвенных лезвий с хромовым антикоррозионным покрытием. Каждый датчик состоит из 2-х лезвий. Лезвия укрепляют на внутренних сторонах жесткой пластины из изоляционного матерриала, согнутой подобно букве П. Оптимальный зазор между лезвиями в датчике следует уточнить при налаживании устройства из-за того, что проводимость воды в разных местностях может существенно различаться.
Вообще говоря, взаимное положение лезвий в датчике и размещение его относительно поверхности воды некритично. Надо лишь экспериментально добиться наиболее четкой работы устройства в каждом конкретном случае.
Материал пластины не должен впитывать воду; годятся полиэтилен, фторопласт, органическое стекло. Соединительные проводники припаивают к лезвиям с применением нужного флюса. Крепить лезвия можно любым способом — проволочными скобами, винтами и т.п. Датчики устанавливают в резервуаре на соответствующих расстояниях ото дна.
В устройстве могут быть использованы любые диодные сборки, рассчитанные на прямой ток не менее 100мА. Тринисторы КУ202В можно заменить на КУ202Г — КУ202Е. Конденсатор С1 — К50-6. Реле К1 — РП21-003-04 (напряжение срабатывания 24В). Трансформатор Т1 — ТПП226-127/220-50 (или ТПП238-127/220-50). Можно использовать и любой другой сетевой трансформатор номинальной мощностью не менее 3Вт с напряжением на холостом ходу (т.е. без нагрузки) вторичных обмоток, близким к указанному на схеме.
Налаживание устройства сводится к определению ширины зазора между электродами датчиков Е1 и Е2. Он должен быть таким, чтобы реле К1 четко срабатывало при погружении датчиков в воду.
Примечание: цепь управляющего электрода каждого из тринисторов можно дополнить включением в нее токоограничительного резистора — это предотвратит их от выхода из строя при случайном замыкании цепи того или иного датчика (или при работе в соленой воде). Сопротивление резистора должно быть таким, чтобы при замыкании цепи датчика ток через управляющий переход соответствующего тринистора не превышал паспортного максимально допустимого значения.

Индикатор уровня жидкости

Если ваши знания немного включают электроники и вам необходим индикатор уровня жидкости, то можно воспользоваться схемой на рис.6. Этот прибор предназначен для контроля уровня жидкости, например воды, в различных резервуарах. Он подает непрерывный звуковой сигнал, когда уровень жидкости достигает номинального значения, и прерывистый звуковой сигнал при превышении жидкостью критической отметки.
Индикатор (рис.6) состоит из 2-х генераторов: первый собран на логических элементах DD1.1 и DD1.2, а второй — на элементах DD1.3 и DD1.4. Работой генераторов управляет датчик из сенсоров Е1-Е3, размещаемый в резервуаре на том уровне, на котором требуется контроль жидкости. Если жидкость ниже заданного уровня и, естественно не доходит до сенсоров, то через резисторы R2, R3 на входы элементов DD1.1-DD1.3 поступает уровень логической 1. Ни один из генераторов не работает. В таком режиме индикатор практически не потребляет тока от источника питания.
Когда жидкость достигнет сенсоров Е1, Е2 и «замкнет» их, то на выводе 12 элемента DD1.3 появится уровень логического нуля. Второй генератор начинает работать, и в телефоне BF1 раздается звуковой сигнал частотой около 1000Гц. Если поступление жидкости в резервуар не прекратится, ее уровень достигнет вскоре сенсора Е3. Уровень логического 0 окажется и на входах элементов DD1.1 и DD1.2. Начнет работать первый генератор и управлять включением второго генератора. Частота следования импульсов первого генератора сотавляет несколько Герц, поэтому в телефоне будут раздаваться прерывистые звуковые сигналы, извещающие о достижении жидкостью критического уровня.
В индикаторе можно применить, кроме указанной на схеме, микросхему К561ЛЕ5; конденсаторы — КЛС,КМ; резисторы — МЛТ-0,125; головной телефон — обязательно высокоомный, сопротивлением не менее 1000Ом на частоте 1000Гц; источник питания — батарея «Крона» либо две последовательно соединенные батареи 3336.
Сенсоры могут быть выполнены в виде облуженных медных планок (рис.7), прикрепленных к пластине (А) из изоляционного материала. Подойдет также отрезок фольгированного стеклотекстолита с сенсорными токопроводящими площадками.. В этом варианте площадки облуживают или покрывают антикоррозийным токопроводящим покрытием, а участок А стеклотекстолита окрашивают лаком или краской.
Если жидкость агрессивная, сенсоры нужно изготовить из материала, не вступающего в химическую реакцию с жидкостью. Сопротивление между сенсорами додлжно быть не менее 10МОм. Если обеспечить его не удастся, придется уменьшить сопротивления резисторов R2 и R3.
Детали индикатора, кроме сенсорного датчика и головного телефона, размещаются на печатной плате (рис.7) из фольгированного стеклотекстолита. Плату соедииняют с датчиком проводами в хорошей изоляции. Для защиты от помех такой провод лучше взять экранированным, соединив экран с общим проводом индикатора (минус питания).
Поскольку в дежурном режиме индикаторо почти не потребляет энергии, выключателя питания нет, но при его желании легко ввести. Какого-либо специального налаживания индикатора не требуется, но в случае необходимости тональность сигнала можно изменить подбором конденсатора С2, а периодичность его подачи — подбором конденсатора С1.

электрическиая и монтажная схемы

Датчик уровня воды в резервуаре своими руками: схема, компоненты, тесты, программирование на Arduino

Нужно измерить уровень жидкости в больших резервуарах — колодце, баке или открытом контейнере? Это руководство поможет вам собрать, с использованием дешевой электроники, сонарный датчик уровня воды в резервуаре.

Приложенный набросок отображает общий вид того, как будет выглядеть проект. Недалеко от нашего летнего домика находится большой колодец, из которого мы берём воду для питья и домашних нужд. Однажды мы с братом говорили о том, как наш дед в течение всего лета вручную измеряет уровень воды, чтобы отслеживать потребление и её приток, чтобы избежать переполнения колодца.

Мы подумали, что с использованием современной электроники можно изменить эту традицию и сделать её более автоматизированной. При помощи нескольких программистских уловок, мы смогли использовать Ардуино и ультразвуковой модуль для измерения расстояния до водной поверхности (I) с достаточной надежностью и точностью до +/- нескольких миллиметров. Это значит, что мы смогли рассчитать объем (V), используя диаметр колодца (D) и его глубину (L) с точностью до +/- 1 литра.

Поскольку колодец располагается примерно в 25 метрах от дома, а мы хотели поместить дисплей датчика дома, мы решили использовать два Ардуино и передавать данные от одного из них к другому. Если вам захочется, то проект можно переделать под использование всего одного Ардуино. Почему мы не использовали беспроводной интерфейс? Во-первых, из за простоты использования — провод меньше подвержен порче влагой. Также потому, что мы хотели избежать использования аккумуляторов в той части, в которой располагался датчик. С помощью провода мы можем передавать как данные, так и питание по одному кабелю.

1. Модуль Ардуино в доме — это основной модуль Ардуино. Он отправляет сигнал на Arduino в колодце, получает замеры расстояния и отображает рассчитанный объём оставшейся воды на дисплее.
2. Модуль Ардуино в колодце и ультразвуковой модуль просто получают сигнал из дома, запускают процесс измерения и отправляют обратно информацию о расстоянии от датчика до воды. Схема встроена в непроницаемую коробку с пластиковой трубкой, прикреплённой к той стороне, где находится ультразвуковой модуль. Трубка нужна для того, чтобы снизить уровень помех, сократив поле зрения датчика таким образом, чтобы ему была видна только вода.

Шаг 1: Компоненты, тесты, программирование

В этом проекте используются следующие компоненты:

• 2 модуля Ардуино (один для измерения уровня жидкости, второй для отображения результатов на дисплее)
• Обычная 12V батарейка
• Ультразвуковой модуль HC-SR04
• Модуль LED дисплея MAX7219
• Телефонный кабель — 25 метров, 4 жилы: питание, заземление и 2 провода для данных
• Коробка для установки электроники
• Горячий клей
• Паяльник

Для того, чтобы убедиться, что все работает как надо, мы все спаяли, соединили и проверили «на коленке». В интернете есть много программ, работающих с ультразвуковыми датчиками и дисплеями, так что мы просто использовали то, что нашли в интернете, чтобы проверить, что замеренное расстояние верно (картинка 1) и что мы можем поймать ультразвуковое отражение с поверхности воды (картинка 2). Также мы проверили, что ультразвуковой датчик уровня воды передаёт данные на длинные расстояния, чтобы у нас не было проблем при установке.

Не пренебрегайте временем, проведенным за тестированием системы, так как жизненно необходимо проверить, что всё работает, перед тем, как вы запаяете всё железо в корпуса и зароете кабель.

Во время тестов мы также обнаружили, что ультразвуковой датчик иногда ловит сигналы от других частей колодца, например от стен, или трубы, через которую поступает вода. При этом измеренное расстояние было слишком маленьким по сравнению с тем, каким должно быть расстояние до воды. В силу того, что мы не смогли до конца устранить эти помехи своими руками, мы решили отбрасывать все новые замеры, которые сильно отличаются от текущего показателя. Это не было критично, так как уровень воды в колодце изменялся достаточно плавно. В начале работы, модуль делает серию замеров и выбирает наибольший полученный показатель (то есть, наименьший уровень воды) в качестве отправной точки. После этого, в дополнение к решениям о принятии и отклонении показаний, используется частичное обновление показателя, с которым сравниваются новые данные. Также важно, чтобы все эхо утихли перед тем, как начнутся первые замеры. В случае бетонного колодца это очень критично.

Финальную версию рабочего кода для обеих плат Ардуино можно найти здесь: ссылка

Шаг 2: Общественные работы

В силу того, что наш колодец располагается на расстоянии от дома, нам пришлось выкопать в газоне небольшую борозду для кабеля.

Шаг 3: Соединяем и устанавливаем все компоненты

Соедините всё также, как при тестировании — всё должно заработать. Помните о том, что пин TX на одном Ардуино соединяется с пином RX на втором модуле, и наоборот. Как видно на картинке 1, для питания модуля Ардуино в колодце, мы использовали обычный телефонный кабель.

На второй и третьей картинке видна пластиковая труба с передатчиком, помещенным за пределы трубки и ресивером, помещенным внутри неё.

Шаг 4: Калибровка

Удостоверьтесь в том, что дистанция между датчиком и поверхностью воды измерена корректно. Калибровка состоит лишь в том, чтобы замерить диаметр колодца и его полную глубину — эти данные нужны для измерения объема жидкости. Чтобы получить точные данные, мы также настроили другие параметры программы (время между замерами, параметры частичного обновления, количество изначальных замеров).

Теперь мы можем следить за тем, какой уровень воды в нашем колодце и даже отслеживать, как колодец постепенно наполняется в ночное время — и всё это отображается на экране.

Заметка: В настоящее время преобразование времени-расстояния не корректируется при изменении скорости звука из-за колебаний температуры. Это будет хорошим дополнением в будущих доработках, так как температура в колодце заметно меняется.

Индикатор уровня воды в баке на микроконтроллере PIC16F628A

Индикатор(датчик) уровня воды на микроконтроллере PIC16F628А – устройство, которое позволит визуально контролировать уровень воды в непрозрачной ёмкости. Предлагаемое устройство может пригодиться всем, у кого есть загородный дом с летним душем или дача, огород, да что угодно лишь была бы емкость с водой. После некоторых модернизаций из индикатора получилось реле уровня воды.

Сам индикатор состоит из двух основных частей:

1. Датчики уровня воды;
2. Электроника, которая обрабатывает информацию, полученную от датчиков.

Теперь подробнее рассмотрим каждую из составных частей индикатора.

О схеме.

Схема индикатора собиралась из того, что было под рукой, и разрабатывалась вообще для микроконтроллера PIC16F84, но позже было принято решение добавить поддержку более дешевого и доступного микроконтроллера — PIC16F628A.

Принципиальная схема индикатора уровня воды (рисунок 1) проста, как пять копеек. FM приемник на RDA5807 — проще не бывает!

Рисунок 1 — Принципиальная схема индикатора уровня воды на микроконтроллере PIC16F628A

Рассмотрим основные узлы. Сердцем устройства является микроконтроллер PIC16F628A фирмы Microchip. Для стабильного питания которого, применяется выпрямитель на диодном мосте, конденсаторах и интегральном стабилизаторе L7805.

Для понижения напряжения настоятельно рекомендуется применить понижающий трансформатор, который обеспечит необходимую гальваническую развязку. Гасящие конденсаторы лучше не ставить, так как появляется риск оказаться под опасным потенциалом напряжения.

Датчики подключаются к схеме через барьерные резисторы.

Четыре светодиода отображают текущее количество воды в емкости. В зависимости от того какой датчик замыкает с общим проводом, светодиод того датчика и будет светиться. Весь перечень деталей сведён в таблицу 1.

Таблица 1 – Перечень компонентов для индикатора уровня воды на микроконтроллере PIC16F628А

Позиционное обозначение	Наименование	Аналог/замена
С1, С3	Конденсатор керамический – 15пФх50В
С2	Конденсатор электролитический — 470мкФх25В
С4	Конденсатор керамический – 0,1мкФмкФх50В
С5	Конденсатор электролитический — 1000мкФх10В
DA1	Интегральный стабилизатор L7805	L78L05
DD1	Микроконтроллер PIC16F628A	PIC16F648A, PIC16F84
HL1-HL4	Светодиод 3мм
R1-R5, R11	Резистор 0,125Вт 5,1 Ом	SMD типоразмер 0805
R6-R9	Резистор 0,125Вт 510 кОм	SMD типоразмер 0805
R10	Резистор 0,125Вт 1 кОм	SMD типоразмер 0805
R12-R15	Резистор 0,125Вт 180 Ом	SMD типоразмер 0805
VD1	Диодный мост 1А х 1000В 2W10
XP1-XP4	Штекер платный
XT1-XT2	Клеммник на 2 контакта.
XT3	Клеммник на 3 контакта.
ZQ1	Кварц 4МГц типаразмер HC49

О датчиках.

В качестве датчиков используются тонкие хомуты из оцинкованной жести, которые, в свою очередь, располагаются на пластиковой трубе, на определенном расстоянии друг от друга. Труба крепится к тяжелому основанию(рисунок 2).

Рисунок 2 – Тяжелое основание для пластиковой трубы с датчиками.

К хомутам подводятся провода, соединяющие датчики и схему (можно использовать витую пару). Вся эта конструкция устанавливается в емкость с водой. Замыкать датчики между собой будет вода. Расстояния между датчиками выбираются произвольные. В моем случае, емкость была условно разделена на три части, и по уровню каждой части на трубе был установлен хомут. Если для емкости был предусмотрен перелив, то последний хомут должен быть установлен на уровне перелива.

Конструкция датчиков может быть и иной. Главное соблюдать требуемую последовательность.

Как работает.

Работает такая конструкция очень просто. На самом низу трубы (или на основании) крепится общий провод для работы с датчиками. Относительно этого провода будут происходить все измерения. Вода, наполняя емкость, постепенно начнет замыкать общий провод с датчиками. Первый на очереди — датчик 1. Когда общий провод с ним замкнется тогда включиться первый светодиод. Далее к первому датчику добавится второй датчик, при этом включится второй светодиод, а первый выключиться и т.д. Когда произойдет замыкание с четвертым датчиком — включиться четвертый светодиод. Который, в свою очередь, будет мерцать с частотой 2 Гц.

Подобный алгоритм работы можно легко организовать на обычной логике. Так поначалу и делалось, однако, из-за частых ошибочных состояний, было принято решение заменить схему на современное микроконтроллерное устройство. Рабочая программа для PIC-микроконтроллера была написана на языке ассемблер и отлажена в программе MPLab 8.8

Моделирование.

Работа устройства моделировалась в программе протеус см. рисунок 3. Модель сделана для микроконтроллера PIC16F84A! Внимательно выбираем прошивку.

Рисунок 3 – Модель уровня воды на микроконтроллере.

О печатной плате.

Печатная плата получилась размерами 55х50мм (рисунки 4-5 !!! не в масштабе).

Рисунок 4 – Печатная плата индикатора уровня воды в баке на микроконтроллере PIC16F628A (низ) не в масштабе.

Рисунок 5 – Печатная плата индикатора уровня воды в баке на микроконтроллере PIC16F628A (верх) не в масштабе.

Внешний вид индикатора показан на рисунке 6.

Рисунок 6 – Готовая плата индикатора уровня воды.

Корпус.

Схему готового индикатора разместил в корпусе небольшого приемника рисунки 7-8.

Рисунок 6 – Готовая плата индикатора уровня воды на микроконтроллере PIC16F628A в корпусе приемника.

Рисунок 7 – Кнопка включения питания.

Отверстия для динамика заклеил клеем, а на лицевую сторону приклеил глянцевую фотография рисунки 8-9

Индикатор, собранный из заведомо рабочих деталей, начинает работать сразу и в наладке не нуждается.

Рисунок 8 – Заклееные отверстия.

Рисунок 9 – Лицевая панель индикатора уровня воды на микроконтроллере PIC16F628A.

Видео работы устройства.

В итоге получился совсем не плохой индикатор уровня воды в баке на микроконтроллере PIC16F628A, который не содержит дефицитных деталей, прост в изготовлении и не требует наладки. Добавлена поддержка микроконтроллеров PIC16F84, PIC16F648A. Печатная плата получилась 55х50 мм. Емкость, в которой будут размещены датчики, не нужно портить лишними отверстиями. Исправных компонентов и добра всем!!! Спасибо за внимание.

Файлы к статье:

Индикатор уровня воды в баке на микроконтроллере PIC16F628A(статья в pdf)

Архив с проектом

Фотографии