Датчики рівня води та протікань для акваріума

Порівняння поплавкових, оптичних, ємнісних, ультразвукових і кондуктометричних датчиків рівня, принцип датчиків протікання та відмовостійкі правила для автодоливу.

Що робить датчик рівня в акваріумі

Випаровування забирає воду й залишає солі, тому рівень води в сампі або відкритому акваріумі падає щодня. У великій рифовій інсталяції, описаній у Tropical Fish Hobbyist, очищена підживлювальна вода надходить в один із сампів під керуванням поплавкового комплекту, а в обв'язці передбачено окремий аварійний переливний самп, щоб у разі відмови чи вимкнення електрики вода йшла в безпечне місце, а не на підлогу. Ті самі дві ідеї застосовні до будь-якої домашньої системи: датчик, що визначає рівень води, і конструкція, яка не може затопити приміщення, коли датчик помиляється. Вимірювання рівня буває точковим (перемикач на одній висоті) або неперервним (показання відстані чи тиску, перераховане в рівень).

Поплавкові вимикачі

Найпоширеніший точковий пристрій — поплавок із постійним магнітом, що ковзає по штоку; коли поплавок досягає висоти спрацьовування, магніт замикає або розмикає геркон, герметично запаяний у штоку. Інші варіанти піднімають стрижень до мікровимикача або використовують шарнірний поплавок. Поплавкові вимикачі роблять зі значним гістерезисом, щоб помпа не деренчала від хвиль, а двоступеневі версії додають другий поплавок, який у разі відмови першого ступеня вимикає джерело рідини або вмикає сигналізацію. Wikipedia перелічує слабкі місця: сміття, що накопичується на поплавку, заважає його руху, поплавки можуть залипати чи зачіплятися, а датчик не слід застосовувати з рідинами, що прилипають до штока або поплавка. Заспокійливий колодязь або захисний кожух оберігає поплавок від турбулентності та від забруднення предметами, що пропливають. Матеріал поплавка має відповідати хімії рідини; для екстремальних значень pH вказано поліпропілен.

Оптичні датчики рівня

Оптичний датчик спрямовує інфрачервоне світло від світлодіода в призму або через зазор і стежить за приймачем. Повітря і вода по-різному заломлюють і пропускають світло, тому покриття наконечника водою змінює сигнал, що доходить до приймача. Рухомих частин немає, але наліт на оптичній поверхні змінює пропускання і потребує періодичного очищення; огляд Wikipedia називає це основною експлуатаційною проблемою оптичних і лазерних пристроїв рівня.

Ємнісні датчики

Ємнісне вимірювання виявляє все провідне або таке, що має діелектричну проникність, відмінну від повітря. У води діелектрична проникність близько 88, у повітря близько 1, тому рівень води, що піднімається, різко змінює ємність електрода. Електроди можна покривати ізолювальними шарами або розміщувати за склом чи пластиком, що дозволяє безконтактний датчик, приклеєний до зовнішньої стінки сампа. Слабкі сторони методу — паразитна ємність, здатна давати хибні сигнали і потребувати калібрування, та наліт на зонді, що зсуває показання; самоналагоджувані конструкції компенсують повільне обростання.

Ультразвукові датчики

Ультразвуковий перетворювач, встановлений над водою, випромінює імпульс частотою 20–200 кГц і вимірює час до повернення відлуння від поверхні; відстань обчислюється за швидкістю звуку. Він не торкається води і не залежить від кольору чи прозорості цілі. Його обмеження важливі в маленькому сампі: біля перетворювача є мертва зона, вказувана від 150 мм до 1 м залежно від пристрою, всередині якої нічого виміряти не можна, а піна, пара і перепади температури спотворюють результат, бо змінюють відлуння або швидкість звуку.

Кондуктометричні зонди та датчики тиску

Кондуктометричний зонд рівня пропускає слабкий струм між електродами різної довжини; коли рідина їх з'єднує, коло замикається. Він працює лише в провідних рідинах, тому більше підходить для морської води, ніж для очищеної прісної, а ізолювальний наліт на електродах зрештою виводить його з ладу. Датчик гідростатичного тиску на дні посудини перераховує тиск у глибину за співвідношенням p = ρgh; його потрібно калібрувати для кожної рідини, а зміни густини з температурою чи солоністю зсувають показання.

Датчики протікання

Датчик води використовує електропровідність води, що знижує опір між двома контактами; коли води достатньо, щоб їх з'єднати, він подає звуковий сигнал і може передати сигнал далі — контролеру або клапану. Точкові датчики ставлять там, де вода збереться першою, а водочутливий кабель прокладають довгими ділянками і складними візерунками по основі підлоги або вздовж труб; цифрові кабельні системи визначають місце протікання з точністю близько 1 м по довжині. Датчики зазвичай розміщують поруч із водною інфраструктурою, здатною відмовити: ємностями, трубами, стоками та помпами.

Відмовостійка конструкція автодоливу

Відмовостійка (fail-safe) конструкція — та, що в разі відмови компонента реагує так, щоб завдати мінімальної або нульової шкоди. Для помпи автодоливу (ATO) небезпечні стани — помпа, що залипла увімкненою, і робота насухо, тому конструкція не має залежати від одного датчика. Загальну схему ATO описано в посібнику ato-system-guide; правила для датчиків наведено нижче.

Використовуйте основний датчик рівня для робочої лінії води та незалежний датчик верхнього рівня іншої технології, що вимикає помпу; це повторює принцип двоступеневого поплавкового вимикача, де другий ступінь вимикає джерело рідини або подає тривогу.
Додайте обмеження часу роботи: сторожовий таймер, який зупиняє помпу, якщо вона працює довше, ніж може тривати нормальний долив. Wikipedia описує сторожові таймери та логіку керування, що виявляє розбіжність датчиків і запускає безпечне вимкнення, як стандартні елементи fail-safe.
Віддавайте перевагу компонентам, що переходять у безпечний стан у разі втрати живлення, як нормально закриті клапани, що закриваються пружиною.
Локалізуйте відмову: спрямуйте перелив туди, де вода не зашкодить, як в інсталяції TFH з аварійним переливним сампом.
Поставте датчик протікання під самп і резервуар, щоб повільне капання було помічене до того, як стане потопом.