Датчики уровня воды и протечек для аквариума

Сравнение поплавковых, оптических, ёмкостных, ультразвуковых и кондуктометрических датчиков уровня, принцип датчиков протечки и отказоустойчивые правила для автодолива.

Что делает датчик уровня в аквариуме

Испарение уносит воду и оставляет соли, поэтому уровень воды в сампе или открытом аквариуме падает каждый день. В крупной рифовой инсталляции, описанной в Tropical Fish Hobbyist, очищенная подпиточная вода поступает в один из сампов под управлением поплавкового комплекта, а в обвязке предусмотрен отдельный аварийный переливной самп, чтобы при отказе или отключении электричества вода уходила в безопасное место, а не на пол. Те же две идеи применимы к любой домашней системе: датчик, определяющий уровень воды, и конструкция, которая не может затопить помещение, когда датчик ошибается. Измерение уровня бывает точечным (переключатель на одной высоте) или непрерывным (показание расстояния или давления, пересчитанное в уровень).

Поплавковые выключатели

Самое распространённое точечное устройство — поплавок с постоянным магнитом, скользящий по штоку; когда поплавок достигает высоты срабатывания, магнит замыкает или размыкает геркон, герметично запаянный в штоке. Другие варианты поднимают стержень к микровыключателю или используют шарнирный поплавок. Поплавковые выключатели делают со значительным гистерезисом, чтобы помпа не дребезжала от волн, а двухступенчатые версии добавляют второй поплавок, который при отказе первой ступени отключает источник жидкости или включает сигнализацию. Wikipedia перечисляет слабые места: мусор, скапливающийся на поплавке, мешает его движению, поплавки могут залипать или зацепляться, а датчик не следует применять с жидкостями, прилипающими к штоку или поплавку. Успокоительный колодец или защитный кожух оберегает поплавок от турбулентности и от загрязнения проплывающими предметами. Материал поплавка должен соответствовать химии жидкости; для экстремальных значений pH указан полипропилен.

Оптические датчики уровня

Оптический датчик направляет инфракрасный свет от светодиода в призму или через зазор и следит за приёмником. Воздух и вода по-разному преломляют и пропускают свет, поэтому покрытие наконечника водой меняет сигнал, доходящий до приёмника. Движущихся частей нет, но налёт на оптической поверхности меняет пропускание и требует периодической очистки; обзор Wikipedia называет это основной эксплуатационной проблемой оптических и лазерных устройств уровня.

Ёмкостные датчики

Ёмкостное измерение обнаруживает всё проводящее или имеющее диэлектрическую проницаемость, отличную от воздуха. У воды диэлектрическая проницаемость около 88, у воздуха около 1, поэтому поднимающийся уровень воды резко меняет ёмкость электрода. Электроды можно покрывать изолирующими слоями или размещать за стеклом или пластиком, что позволяет бесконтактный датчик, приклеенный к внешней стенке сампа. Слабые стороны метода — паразитная ёмкость, способная давать ложные сигналы и требующая калибровки, и налёт на зонде, сдвигающий показание; самонастраивающиеся конструкции компенсируют медленное обрастание.

Ультразвуковые датчики

Ультразвуковой преобразователь, установленный над водой, излучает импульс частотой 20–200 кГц и измеряет время до возвращения эха от поверхности; расстояние вычисляется по скорости звука. Он не касается воды и не зависит от цвета или прозрачности цели. Его ограничения важны в маленьком сампе: вблизи преобразователя есть мёртвая зона, указываемая от 150 мм до 1 м в зависимости от устройства, внутри которой ничего измерить нельзя, а пена, пар и перепады температуры искажают результат, поскольку меняют эхо или скорость звука.

Кондуктометрические зонды и датчики давления

Кондуктометрический зонд уровня пропускает слабый ток между электродами разной длины; когда жидкость их соединяет, цепь замыкается. Он работает только в проводящих жидкостях, поэтому больше подходит для морской воды, чем для очищенной пресной, а изолирующий налёт на электродах в итоге выводит его из строя. Датчик гидростатического давления на дне сосуда пересчитывает давление в глубину по соотношению p = ρgh; его нужно калибровать для каждой жидкости, а изменения плотности с температурой или солёностью сдвигают показание.

Датчики протечки

Датчик воды использует электропроводность воды, снижающую сопротивление между двумя контактами; когда воды достаточно, чтобы их соединить, он подаёт звуковой сигнал и может передать сигнал дальше — контроллеру или клапану. Точечные датчики ставят там, где вода скопится первой, а водочувствительный кабель прокладывают длинными участками и сложными узорами по основанию пола или вдоль труб; цифровые кабельные системы определяют место протечки с точностью около 1 м по длине. Датчики обычно размещают рядом с водной инфраструктурой, способной отказать: ёмкостями, трубами, стоками и помпами.

Отказоустойчивая конструкция автодолива

Отказоустойчивая (fail-safe) конструкция — та, что при отказе компонента реагирует так, чтобы причинить минимальный или нулевой вред. Для помпы автодолива (ATO) опасные состояния — залипшая во включении помпа и работа всухую, поэтому конструкция не должна зависеть от одного датчика. Общая схема ATO описана в руководстве ato-system-guide; правила для датчиков приведены ниже.

Используйте основной датчик уровня для рабочей линии воды и независимый датчик верхнего уровня другой технологии, отключающий помпу; это повторяет принцип двухступенчатого поплавкового выключателя, где вторая ступень отключает источник жидкости или подаёт тревогу.
Добавьте ограничение времени работы: сторожевой таймер, останавливающий помпу, если она работает дольше, чем может занять нормальный долив. Wikipedia описывает сторожевые таймеры и логику управления, выявляющую несовпадение датчиков и запускающую безопасное отключение, как стандартные элементы fail-safe.
Предпочитайте компоненты, переходящие в безопасное состояние при потере питания, как нормально закрытые клапаны, закрывающиеся пружиной.
Локализуйте отказ: направьте перелив туда, где вода не навредит, как в инсталляции TFH с аварийным переливным сампом.
Поставьте датчик протечки под самп и резервуар, чтобы медленная капель была замечена до того, как станет потопом.