Пять рабочих способов измерить уровень воды дают разную точность и разные отказы. Разбираем, чем поплавок отличается от кондуктометрии и ультразвука, и что из этого ставить на бассейн, а что на уличный пруд.
Уровень воды в баке подпитки, накопительной емкости или бассейне узв мерят пятью разными способами, и от выбора зависит не только цена, но и то, сколько раз в месяц прибор будет врать или залипать. Ниже пять типов по порядку: как устроен, где ломается, во сколько обходится и какую задачу решает лучше остальных.
Общий разбор устройства и мест установки датчика уровня для узв и пруда собран в статье датчик уровня воды для узв и пруда. Здесь же сравниваем типы между собой и разбираем, чем один хуже или лучше другого в конкретных условиях фермы.
Уровень воды нужно знать в трех разных точках хозяйства, и задача в каждой из них своя. В накопительной емкости или баке подпитки датчик включает и выключает насос подачи, чтобы бак не переливался и не пересыхал. В самом бассейне узв датчик уровня ловит утечку через треснувший фитинг или переполненный слив раньше, чем вода уйдет за борт или, наоборот, раньше, чем рыба останется на суше при отказе подачи. В уличном пруду датчик следит за естественной убылью на испарение и промерзание, чтобы вовремя доливать воду без ежедневного обхода с линейкой.
Дальше по тексту цифры и подключение даны применительно ко всем трем точкам, а где тип датчика годится не для всех трех, это отдельно оговорено.
Самый старый и самый распространенный тип. Полый поплавок из пластика висит на штоке или на тросике внутри бака, и при изменении уровня меняет угол наклона или высоту. Внутри поплавка обычно стоит герконовый контакт с магнитом либо простой механический микровыключатель, который замыкает или размыкает цепь низкого напряжения.
Плюс поплавка в том, что он не требует питания сам по себе: это просто сухой контакт, который подключается напрямую в цепь пускателя насоса или в клемму контроллера. Минус в подвижных частях: шток может закиснуть, трос перетереться, а сам поплавок обрасти илом или биопленкой настолько, что перестанет всплывать вовремя. На узв с активным биофильтром обрастание поплавка это обычное дело раз в один два месяца, и его надо закладывать в график обслуживания, а не ждать отказа.
Второй практический минус: одиночный поплавок дает только один уровень, включить или выключить. Чтобы получить два порога, нижний и верхний, ставят два поплавка на разной высоте либо один многоступенчатый поплавковый выключатель с несколькими герконами внутри корпуса. Четыре рабочие схемы такого датчика на геркон и на реле разобраны по шагам в статье датчик уровня воды своими руками.
Отдельно стоит вынести герконовую схему, потому что по факту это не отдельный физический принцип, а способ сборки поплавкового датчика. Кольцевой поплавок с магнитом внутри скользит по вертикальной трубке, а внутри трубки на нужной высоте закреплен геркон, стеклянная колба с контактами, которая замыкается только магнитным полем. Электрическая часть герконового датчика полностью сухая и никогда не касается воды, что снимает вопрос коррозии контактов и утечки тока в воду.
Слабое место то же, что у обычного поплавка: подвижный кольцевой поплавок может залипнуть на трубке из за налета солей жесткости или биопленки, особенно в теплой воде узв. Раз в сезон трубку стоит снимать и промывать, иначе датчик молча перестанет реагировать на подъем воды, и это заметят только по перепотопленному полу или, наоборот, по пересохшему баку.
Принцип другой: в емкость на разной высоте опущены несколько электродов из нержавеющей стали, один из них общий и всегда в воде, остальные ловят конкретные уровни. Когда вода поднимается и касается очередного сигнального электрода, между ним и общим электродом замыкается слабый переменный ток, потому что вода проводит электричество. Переменный ток, а не постоянный, используют специально: постоянный ток быстро разрушал бы электроды электролизом.
Ключевое ограничение метода в самом названии: он работает только с проводящей жидкостью. Вода узв и пруда с растворенными солями и минералами подходит без вопросов, а вот дистиллят или почти чистый конденсат кондуктометрия не почувствует. Для рыбоводной воды это ограничение не мешает.
Плюс схемы: электроды без движущихся частей, поэтому механически им ломаться нечем. Минус: сами электроды со временем обрастают тем же биопленочным налетом, что и все, что стоит в воде узв, и обросший электрод либо перестает ловить контакт вовремя, либо начинает залипать в замкнутом состоянии. Чистить электроды нужно так же по графику, как и любой погружной датчик.
Погружной зонд с мембраной из нержавеющей стали опускается на дно бака и меряет давление столба воды над собой. Чем выше уровень, тем больше давление на мембрану, а электроника зонда переводит это давление в стандартный аналоговый сигнал 4 20 миллиампер, который идет по кабелю на контроллер и дает непрерывное, а не пороговое значение уровня.
Диапазон измерения типичного промышленного зонда начинается от долей метра и доходит до нескольких десятков метров водяного столба, а класс точности у моделей среднего ценового сегмента 0,25 или 0,5 процента от полной шкалы, что на баке в один два метра дает погрешность в единицы миллиметров. Рабочий диапазон температур такой электроники обычно от 0 до плюс 80 градусов, что перекрывает и летний, и зимний режим воды в узв.
Из минусов: сам зонд стоит заметно дороже поплавка или электрода, кабель питания и сигнала нужно тянуть отдельно, а мембрану со временем нужно проверять на налет, хотя она переносит контакт с водой лучше открытых электродов. Токовая петля 4 20 мА хорошо переносит помехи по длинному кабелю, что важно, если бак подпитки стоит в отдельном помещении или на улице далеко от щита.
Датчик крепится над баком или бассейном сверху и не касается воды вообще. Он посылает короткий ультразвуковой импульс вниз, ловит отраженный от поверхности воды сигнал и по времени его прохождения считает расстояние, а значит и уровень. Встроенный датчик температуры воздуха компенсирует то, что скорость звука в воздухе меняется с температурой, иначе зимой и летом прибор давал бы разные цифры на одном и том же уровне.
Главный плюс: полное отсутствие контакта с водой снимает разом все вопросы коррозии, обрастания и утечки тока, которые преследуют остальные четыре типа. Это же делает ультразвук удобным для агрессивной или очень грязной воды, где погружной зонд быстро теряет точность.
Минусы физические, а не эксплуатационные. Сильная пена на поверхности узв, обычная вещь при активной аэрации и высоком содержании белка в корме, гасит и искажает отраженный сигнал. Прибор либо не видит уровень вовсе, либо считает пену за поверхность воды и показывает уровень выше настоящего. Вблизи от датчика есть слепая зона в несколько сантиметров, где отраженный и излученный импульс накладываются друг на друга и замер невозможен, это нужно учитывать при выборе высоты установки над максимальным уровнем воды.
| Тип датчика | Контакт с водой | Сигнал | Слабое место |
|---|---|---|---|
| Поплавковый | Да, подвижная часть | Сухой контакт, одна точка | Закисание штока, обрастание поплавка |
| Герконовый | Только поплавок, контакты сухие | Сухой контакт, одна или несколько точек | Залипание кольца на трубке |
| Кондуктометрический | Да, электроды | Дискретные точки по числу электродов | Работает только с проводящей водой, налет на электродах |
| Гидростатический | Да, погружной зонд | Непрерывный 4 20 мА | Цена, отдельный кабель, налет на мембране |
| Ультразвуковой | Нет, бесконтактный | Непрерывный, аналог или цифра | Пена, слепая зона у датчика, испарения |
Для простого бака подпитки, где нужно только включить и выключить насос на двух порогах, разумный выбор это пара поплавковых или герконовых датчиков: дешево, без электроники и без токовой петли. Раздел про то, как эта пара встраивается в схему подачи воды, смотрите в статье автоматическая подпитка воды в узв.
Для бассейна узв, где важно поймать точный процент заполнения и утечку на ранней стадии, лучше подходит гидростатический зонд или ультразвук, если поверхность воды в бассейне не пенится сильно. При активной оксигенации с обильной пеной ультразвук лучше ставить не над самим бассейном, а над спокойной зоной сливного колодца, где пены заметно меньше. Форма и материал самого бассейна, от которых зависит, где вообще есть спокойная зона для установки, разобраны в статье бассейн для рыбы и узв.
Для уличного пруда с естественной убылью на испарение практичнее всего простой поплавок на длинном тросе с большим запасом хода или ультразвук на столбике над зеркалом воды, если пруд открытый и без ряски и пены на поверхности. В закрытом пруду с активной биопленкой на поверхности предпочтительнее кондуктометрия, потому что открытые электроды меньше боятся ряски, чем ультразвуковой луч.
Как подобрать сам насос подачи под объем бака и высоту подъема, чтобы цикл наполнения не растягивался на часы, разобрано в статье подбор насоса.
У гидростатических и части ультразвуковых датчиков сигнал идет токовой петлей 4 20 миллиампер: ноль воды не равен нулю тока специально, чтобы обрыв провода отличался от реального нулевого уровня и был виден контроллеру как авария, а не как пустой бак. Такой сигнал устойчив к длинным кабельным трассам и слабо чувствителен к наводкам от соседнего силового кабеля насоса.
Беспроводные датчики уровня на zigbee или wifi удобны там, где тянуть кабель до щита неудобно, например на дальнем углу пруда или в отдельно стоящей емкости. Оборотная сторона удобства это зависимость от батарейки и от устойчивости беспроводной сети: в металлическом коробе щита или за бетонной стеной сигнал может не доходить, а разряженная батарейка на морозе садится быстрее паспортного срока. Для критичного уровня, от которого зависит жизнь рыбы, проводной сухой контакт или токовая петля остаются надежнее беспроводного канала.
Большинство отказов у всех пяти типов сводится к трем причинам, а не к поломке электроники как таковой.
Первая причина, биообрастание. На узв с активным биофильтром любая погруженная поверхность за месяц полтора покрывается слизистой пленкой, и эта пленка мешает и подвижным частям поплавка, и контакту электродов, и в меньшей степени мембране гидростатического зонда. График промывки датчика нужно вписывать в общий график обслуживания системы, а не ждать первого отказа.
Вторая причина, пена и брызги. Она бьет в первую очередь по ультразвуку, который считает пену за твердую поверхность, и по кондуктометрии, где пена на электроде может держать ложный контакт даже после падения настоящего уровня воды.
Третья причина, наводки и обрыв кабеля. Длинный сигнальный кабель, проложенный рядом с силовым кабелем насоса или компрессора, ловит электрические помехи, которые токовая петля переносит лучше, чем слаботочный сухой контакт с длинным проводом. Обрыв провода на сухом контакте выглядит как отсутствие сигнала и легко принимается контроллером за нормальный низкий уровень, что опасно именно тем, что авария маскируется под штатную работу.
Датчик уровня редко работает сам по себе: он часть цепочки из бака, насоса подачи, обратного клапана и, часто, соленоидного клапана на входе свежей воды. Три рабочие схемы такой связки, от простого поплавка до полностью автоматического контроллера с соленоидом и переливом, разобраны в статье автоматическая подпитка воды в узв.
Резервирование самого контроллера и цепи подпитки на случай отключения питания щита разобрано в статье щит и резервирование: датчик уровня без резервного питания контроллера просто перестанет работать вместе со всем остальным щитом.
Базовый блок Аквастража следит за питанием, температурой воды, связью с сервером и зарядом собственного аккумулятора. Уровень воды, как и насос, аэрация и кислород, подключается отдельным датчиком к клеммам прибора, а не измеряется базовым блоком напрямую. Какие датчики и в каком составе входят в готовые сборки под форель и карпа, смотрите на странице готовых сборок Аквастраж и в общем списке оборудования узв в статье оборудование для узв.
Разброс цен между типами кратный, и переплата не всегда оправдана задачей. Поплавковый и герконовый датчик это самый дешевый вариант, механика и один сухой контакт, без электроники внутри. Кондуктометрическая схема на пару электродов обходится немного дороже поплавка за счет клемм и корпуса выносного блока, но принцип и монтаж остаются простыми.
Гидростатический зонд с выходом 4 20 мА стоит уже в разы больше поплавка, потому что внутри стоит калиброванная мембрана и электроника преобразователя, а межповерочный интервал у моделей, внесенных в реестр средств измерений, обычно четыре пять лет. Ультразвуковой датчик по цене близок к гидростатике или чуть выше, если это модель с цифровым протоколом и встроенной температурной компенсацией, а не простая любительская плата.
Переплата за гидростатику или ультразвук оправдана там, где нужен именно процент заполнения в реальном времени: расчет остатка воды в накопительной емкости, автоматическая дозация подмены, контроль медленной утечки в бассейне узв. Там, где достаточно двух пороговых событий, включить и выключить насос, доплата за непрерывный сигнал уходит в никуда, и разумнее взять пару поплавков или электродную пару, а сэкономленные деньги вложить в резервирование питания щита.
Возьмем типичный бак подпитки на 500 литров с рабочим диапазоном высоты воды 80 сантиметров. Если задача, только включать и выключать насос, хватает пары поплавков: нижний на высоте 15 сантиметров от дна, чтобы насос не работал всухую при малейшем перекосе бака, верхний на высоте 70 сантиметров, оставляя 10 сантиметров запаса до перелива на случай, если насос не отключится вовремя из за залипания контакта.
Если вместо этого нужен процент заполнения бака на экране контроллера, ставится гидростатический зонд с диапазоном измерения, например, 0 1 метр, что дает запас по верхней границе и не заставляет датчик работать на самом краю шкалы, где растет погрешность. При выборе ультразвука для этого же бака точку установки датчика на крышке рассчитывают так, чтобы слепая зона в несколько сантиметров осталась выше максимального уровня воды, иначе полный бак прибор будет считать пустым.
Да, и это обычная практика на серьезных хозяйствах: дешевый поплавок как аварийный аварийный порог и точный гидростатический или ультразвуковой датчик для рабочего процента заполнения. Расхождение показаний между ними сразу говорит, что один из датчиков засорился или залип.
Поплавковый и герконовый: у них нет электроники, только механика и сухой контакт, поэтому диагностика сводится к проверке движения штока или чистоте трубки. Схемы сборки такого датчика с нуля разобраны в статье датчик уровня воды своими руками.
Бытовой датчик уровня из стиральной машины рассчитан на короткий цикл работы и не переносит постоянный контакт с водой узв неделями подряд, а диапазон давления у него подобран под барабан машины, а не под бак или бассейн произвольной высоты.
Перенести точку установки над зоной со спокойной поверхностью, снизить интенсивность аэрации в точке под датчиком либо перейти на гидростатический или кондуктометрический тип, если убрать пену из под датчика конструктивно не получается.
Поплавку и герконовому датчику нет, это сухой контакт. Кондуктометрическому, гидростатическому и ультразвуковому нужно низковольтное питание от контроллера или отдельного блока, обычно 12 или 24 вольта.
Модели, внесенные в государственный реестр средств измерений, поверяют по паспорту раз в четыре пять лет, если показания используются для отчетности или расчета кормового коэффициента. Для чисто рабочей задачи, включить сигнал тревоги при падении уровня, формальная поверка не обязательна, но сверять показания с контрольным замером линейкой раз в сезон стоит в любом случае, чтобы отследить постепенный уход нуля из за налета на мембране.
Да, отдельная тонкость для кондуктометрии. В металлическом резервуаре роль общего электрода может играть сама стенка бака, и тогда достаточно опустить в воду только сигнальные электроды на нужных высотах. В пластиковом баке общий электрод нужно ставить отдельно и постоянно держать погруженным, иначе схема замыкания просто не соберется.
| Проверка | Что смотрим |
|---|---|
| Поплавок | Свободный ход штока или троса, отсутствие обрастания |
| Геркон | Кольцо скользит по трубке без залипания |
| Электроды | Налет на нержавеющих стержнях, целостность общего электрода |
| Гидростатика | Чистота мембраны, целостность кабеля до щита |
| Ультразвук | Чистая линза, отсутствие пены и посторонних предметов в конусе луча |
Мы делаем сторожа, который следит за питанием, насосом и аэрацией и пишет вам в Telegram, пока рыба еще дышит. Сообщение приходит со звуком, даже если телефон в беззвучном. Базовый прибор стоит от 7 900 рублей, комплект считаем индивидуально под ваши бассейны. Напишите, что у вас за хозяйство, и подберем. Если увидим, что вам наш прибор не нужен, так и скажем.
Оставить заявкуУстройство и принцип работы кондуктометрических датчиков уровня: electricalschool.info.
Характеристики погружного гидростатического датчика уровня ПД100И, диапазон измерения и точность: owen.ru.
Принцип работы и ограничения ультразвукового уровнемера, влияние пены и испарений: poltraf.ru.