Для тестов и последующего использования выбран дешевый китайский датчик, который использует оптическую технологию комбинации одного инфракрасного излучателя и приемника для достижения бесконтактного определения уровня жидкости. Сам датчик не оснащен схемой электронного интерфейса – он просто содержит один инфракрасный светодиод и один фототранзистор внутри.
Конструкция оптического датчика уровня
Его можно установить в любом направлении, и установка может занять всего несколько минут, поскольку нет процедуры калибровки. Рекомендуется устанавливать датчик сбоку или снизу резервуара с жидкостью для получения лучших результатов. Обратите внимание, что на работу будут отрицательно влиять другие отражающие поверхности в непосредственной близости от головки датчика.
Обзор аппаратного обеспечения
Данный датчик содержит ряд из десяти открытых медных дорожек, пять из которых являются питающими, а пять – чувствительными.
Эти дорожки чередуются так, что между каждыми двумя питающими дорожками есть одна чувствительная дорожка.
Обычно эти дорожки не соединены между собой, но при погружении они соединяются водой.
Рисунок 1 – Датчик уровня воды
На плате расположен индикатор питания, который загорается при подаче на плату напряжения питания.
Электрическая схема подключения модуля
Типовая электрическая схема для работы от БП 5 В.
Кабель выступает из герметичного узла датчика и имеет на конце небольшой 4-контактный (2-парный) проводной разъем. Одна пара этих проводов присоединена к светодиоду (световому излучателю) внутри, а другая – к фототранзистору (светоприемнику). Вот типовая схема подключения оптического датчика уровня жидкости.
Хотя приведенная выше схема дает общую идею подключения, рекомендуем перед испытанием проверить цветовой код проводов, так как неправильное подключение может привести к повреждению электроники.
Материалы и инструменты
Как и при изготовлении других своих «поделок», сборка индикатора была практически полностью осуществлена с использованием радиодеталей и других необходимых элементов уже бывших в употреблении. Для самостоятельного изготовления такой системы я использовал детали в следующем количестве:
- Трехконтактный геркон: 2 шт.
- Светодиоды малой мощности: 3 шт. (красный, желтый и зеленый).
- Пластиковые хомуты: 2 шт.
- Неодимовый магнит.
- Термоусадочный кембрик 40 мм.
- Низковольтный пятижильный провод.
- Соединительную муфту 50 мм: 2 шт.
- Заклепки: 10 шт.
- Заглушки 50 мм: 2 шт.
- Профили мебельные из пластика.
- Резистор 680 Ом.
- Четырехконтактный штекер.
- Кнопка-выключатель.
В качестве источника питания я использовал аккумулятор на 3,7 вольта, но также можно применить две пальчиковые батарейки, соединенные последовательно.
Источник hobmodels.ru
Пайка элементов питания может привести к закипанию электролита и разрыву корпуса, поэтому при использовании изделий на 1,5 В, рекомендуется приобрести и установить специальный бокс, к которому уже можно без проблем припаять контактные провода.
Сборка своими руками указателя уровня воды в баке осуществлялась с применением следующих инструментов:
- Паяльника.
- Дрели.
- Строительного фена.
- Термопистолета.
Также не обойтись при монтаже сигнальной системы без отвертки и пассатижей.
Принцип работы оптического датчика уровня
Датчик содержит инфракрасный светодиод и фототранзистор. Поскольку свет от LED передается на оптическую головку, фототранзистор получает нулевой свет (или меньше света), когда датчик погружен в жидкость – проходящий световой луч будет преломляться. Если жидкости нет, проходящий свет будет возвращаться на фототранзистор непосредственно через оптическую головку. Поэтому если датчик определяет уровень жидкости, он выдает сигнал низкого уровня.
Полезное: Самодельная мощная беспроводная колонка на 100 ватт
На рисунке ниже несколько вариантов по установке датчика в различные ёмкости.
Посмотрев на выходной сигнал с помощью мультиметра, можно увидеть сигнал с высоким логическим уровнем в «сухом состоянии» и низкий логический уровень во «влажном состоянии». Следующая схема позволяет использовать выход датчика для непосредственного управления индикатором или даже стандартным электромагнитным реле.
Тут может потребоваться изменить значение R1 (минимум 390 Ом) и R2 (максимум 10 кОм), чтобы получить приемлемые результаты. Элемент BS170 (T1) представляет собой малосигнальный МОП-транзистор с N-каналом, 500 мА, 60 В, доступный в корпусе TO-92, но не с логическим уровнем.
Временные диаграммы работы в режимах наполнения и откачивания
В зависимости от выбранного режима работы, возможны две диаграммы.
Диаграмма при работе на наполнение емкости:
Диаграмма работы реле уровня в режиме наполнения
Кривая на диаграмме – уровень жидкости, Мах и Min – уровни, на которых установлены датчики. На графике К показана работа выходного реле (фактически, работа насоса). Графики R и К почти совпадают, за исключением индикации времени задержки. График L показывает достижение и потеря нужного уровня, и если не учитывать индикацию задержки, является инверсией графика R.
В режиме откачивания график будет таким:
Диаграмма работы в режиме дренажа (откачки)
Присмотревшись к обоим графикам, можно заметить, что они во многом схожи. И если бы не времена задержки (а без них никак!), можно было бы использовать один режим для всех применений, просто перекидывая клемму реле с нормально открытой на нормально закрытую. В автомате контроля уровня переход с режима на режим реализован по другому, об этом чуть ниже.
По времени задержки Тз у меня сомнение – во всех случаях оно должно быть одинаковым, хотя на графиках это не так. Что ж, при установке и исследовании на практике данного регулятора уровня уточним этот момент.
Модернизация схемы измерителя уровня
На этот раз всё основано на популярном шестнадцатеричном инвертирующем буфере и преобразователе CD4049UB (IC1). Микросхема имеет стандартизованные симметричные выходные характеристики, широкий диапазон рабочего напряжения от 3 В до 18 В и рекомендуется для устройств, не требующих высокого тока или преобразования напряжения.
Здесь схема на основе CD4049UB обеспечивает одноточечное определение уровня жидкости через TTL-совместимый двухтактный выход, но можно добавить больше оптических датчиков уровня, чтобы реализовать свой собственный расширяемый, многоканальный, совместимый с микроконтроллером модуль определения уровня жидкости.
Водонепроницаемый ультразвуковой датчик JSN SR-04T
JSN SR-04T представляет собой модуль водонепроницаемого ультразвукового датчика, который способен измерять расстояние на дистанциях 25-450 см с точностью 2 мм. Модуль датчика состоит из двух раздельных частей. Одна часть – это датчик, который непосредственно производит передачу и прием ультразвуковых волн, а вторая часть – это плата управления. По принципу действия JSN SR-04T очень похож на датчики парковки, которые устанавливаются в бамперах автомобилей.
Модуль датчика JSN SR-04T имеет водозащищенное исполнение датчика, отличается устойчивым функционированием в сложных условиях эксплуатации и высокой точностью измерения расстояния. Он может использоваться в системах дальнометрии, предотвращения столкновения с препятствиями, автоматизированного контроля, мониторинга движения объектов, контроля трафика, системах безопасности и искусственного интеллекта и многих других применениях.
Назначение контактов (распиновка) датчика JSN SR-04T представлены на следующих рисунке и таблице.
| № контакта | Название контакта | Назначение контакта |
| 1 | 5V | Напряжение питания |
| 2 | Trig | Входной контакт датчика. На него необходимо подать импульс длительностью 10 мкс чтобы запустить датчик в работу (чтобы он начал излучение ультразвуковой волны). |
| 3 | Echo | Выходной контакт датчика. После приема отраженной от препятствия ультразвуковой волны на этом контакте формируется импульс высокого уровня (high), длительность которого равна времени распространения ультразвуковой волны до препятствия и обратно. |
| 4 | Gnd | Общий провод (земля) |
Модуль датчика JSN SR-04T во многом похож на модуль ультразвукового датчика, но по сравнению с ним у него есть ряд преимуществ:
- в отличие от HC-SR04 у модуля JSN SR-04T непосредственно датчик не распаян на печатной плате модуля, вместо этого он закреплен на конце достаточно длинного кабеля (2,5 метра), поэтому чувствительный элемент датчика может быть удален на значительное расстояние от платы управления;
- чувствительный элемент датчика заключен в защищённый водонепроницаемый корпус, поэтому его можно размещать в жестких условиях эксплуатации и агрессивных средах.
Но несмотря на эти преимущества имеются и некоторые недостатки. К примеру, минимальное расстояние измерения у датчика JSN SR-04T составляет 20 см, в то время как у датчика HC-SR04 оно равно 2 см. Причина этого заключается в том, что JSN SR-04T имеет только один чувствительный элемент в то время как у датчика HC-SR04 их два – один используется для передачи ультразвуковых волн, а другой для приема. В результате этого чувствительному элементу датчика JSN SR-04T приходится переключаться двумя режимами (прием/передача), а на это требуется дополнительное время. Поэтому и минимальное расстояние измерения для датчика JSN SR-04T равно 20 см, а датчик HC-SR04 может измерять значительно меньшие расстояния благодаря наличию у него отдельных передатчика и приемника.
Основные технические характеристики и особенности датчика JSN SR-04T:
- рабочее напряжение: DC 5V (постоянного тока);
- ток в состоянии покоя (ожидания): 5mA;
- ток в рабочем состоянии: 30mA;
- частота ультразвуковой волны: 40 кГц;
- диапазон измерения расстояний: от 25 см до 4,5 м;
- длина кабеля: 2,5 метра.
Итоги тестов и реальная работа
При тестировании обнаружено, что ложных срабатываний нет, даже когда он установлен внутри небольшого прозрачного резервуара для воды при ярком дневном свете. Если погрузить наконечник датчика (прозрачную призму) в воду, он работает как надо.
В общим этот оптический датчик уровня не имеет движущихся частей и идеально подходит для измерения предельного уровня воды. Он выдает выходной сигнал, который может сказать о наличии или отсутствии жидкости. Подобный компактный и недорогой оптический датчик уровня жидкости – хороший выбор, особенно там где точность измерения не имеет важного значения.
Реле контроля уровня жидкости
Как следует из самого названия прибора, реле контроля уровня предназначены для регулировки и поддержания заданного уровня жидкости в каком-либо резервуаре. Получая сигнал от датчиков контроля уровня, расположенных в самом резервуаре, реле управляет работой исполнительных механизмов — электродвигателей насосов, электромагнитных клапанов и т.д.
С его помощью можно осуществить работу в автоматическом режиме насосов, защиту насоса от сухого хода, контроль протечки жидкости, найти различное применение в схемах автоматики и защиты.
Работа реле основана на измерении сопротивления жидкости между общим электродом и электродами верхнего и нижнего уровня. Оно может применяться в электропроводящих жидкостях, таких как водопроводная вода, родниковая вода, дождевая вода, морская вода, жидкости с низким содержанием алкоголя, молоко, пиво, кофе, сточные воды. Не подходят для работы реле дистиллированная вода, бензин, масло, сжиженный газ, керосин, этиленгликоль.
Суть работы реле контроля при наполнении резервуара следующая — если уровень жидкости падает ниже установленной отметки, то реле, получая сигнал от датчика минимального уровня расположенного на нижней отметки, включает насос и емкость снова заполняется водой. Когда вода доходит до верхнего уровня, датчик максимального уровня сигнализирует об этом реле и то в свою очередь подает команду на остановку насоса. Таким образом накопительная емкость никогда не остается пустой.
Таким же образом можно сделать и наоборот осушение например подвала или погреба, когда при достижении максимального уровня реле будет давать команду на откачку воды, а при падении ниже минимального отключать насос.
Большинство реле имеют функцию временной задержки срабатывания при переключении, что повышает сроки эксплуатации насосов.
Так как коммутируемые токи выходных цепей реле обычно небольшие, то для управления мощными нагрузками в схеме необходимо задействовать контактор. Реле контроля уровня будет управлять катушкой контактора, а сам контактор непосредственно нагрузкой.
Реле контроля может управляться по двум или по трем датчикам уровня. В комплект они обычно не входят, поэтому их придется покупать отдельно. Обычно используются датчики электродного и поплавкового типов.
Электродный датчик представляет из себя три электрода — один короткий и два длинных. Короткий электрод выполняет функцию датчика максимального уровня, а длинные — минимального. При соприкосновении жидкости и короткого электрода отключается двигатель насоса, сигнализируя о достижении верхнего уровня. При понижении уровня жидкости до длинных электродов, насос включается и емкость начинает заполняться.
Поплавковый датчик имеет в основе своей конструкции поплавок, с установленным внутри него магнитом и геркон, встроенный в трубку датчика. При изменении уровня жидкости поплавок поднимается или опускается, магнит приближается к геркону, что приводит к замыканию контакта.
Схема подключения реле уровня EKF RL-SA
Работа реле основана на измерении сопротивления токопроводящих жидкостей между общим контактом «С» и контактами максимального «МАХ» и минимального «MIN» уровней. При достижении верхнего уровня реле выключается, контакты переключаются в положение 11 — 12. Реле находиться в выключенном состоянии до снижения уровня жидкости ниже минимального, затем реле включается контакты переключаются в положение 11 — 14.
