Автор: Юрий Всеволодович Ревич

Простой и надежный уровнемер для водяных баков

Проблема оценки уровня воды в баке, установленном на летнем душе или на чердаке дачного домика, не всегда решается просто. В сам бак, размещенный зачастую высоко над головой, так просто не заглянешь, однако количество находящейся в нем воды знать иногда просто необходимо, иначе можно попасть в ситуацию того героя Ильфа и Петрова, у которого вода перестала идти, как раз когда он только-только намылился. Самое простое решение — водомерное стекло — привязано к месту расположения бака, то есть тоже будет находиться далеко не на виду. Потому хочется применить какие-то решения, позволяющие дистанционно оценить количество оставшейся в баке воды, не прикладывая к этому больших усилий.
Уровнемер при этом должен быть максимально простым и надежным, не требовать дефицитных и дорогих деталей и иметь возможность работать в уличных условиях (конечно, не на прямом дожде, а под крышей, но как минимум, 100% влажность воздуха осенней дождливой ночью он должен выдерживать). Перебрав все возможные конструкции — покупные и самодельные — автор пришел к выводу, что не устраивает ни одна. Одни весьма совершенны (как ультразвуковые), но сложны, капризны и дороги, другие дают слишком грубую оценку на уровне «полный-неполный» (как простое решение с поплавком от бачка и концевым выключателем).
Потому вашему вниманию предлагается самостоятельно придуманная автором конструкция электронно-механического уровнемера, содержащая минимум деталей, имеющая высокую надежность и информативность. Особенно удобно, что такой уровнемер позволяет его устанавливать на баке любой конфигурации — в том числе плоском, где максимальный перепад уровней незначителен. Конструкция проверена автором в течение летнего сезона на горизонтальном накопительном баке с перепадом уровней в тридцать пять сантиметров, и ни одного нарекания за весь сезон не последовало. Правда, за простоту и надежность приходится платить — точным предварительным расчетом геометрических размеров и тщательностью изготовления.
Электрическая схема уровнемера предельно проста, и приведена на рис. 1:

Главная деталь – переменное сопротивление, включенное по схеме потенциометра. Оно управляет перераспределением тока через плечи двухцветного светодиода. При нахождении ползунка в крайних положениях горит практически только один из светодиодов (либо красный, либо зеленый), в промежуточном состоянии цвет свечения меняется от красного к зеленому через оттенки желтого и розового.
Двухцветный красно-зеленый светодиод VD1 трехвыводной, любого типа (автор использовал большой 10-миллиметровый, купленный в «Чипе-Дипе»). Общим выводом он присоединен к источнику питания, двумя остальными — к крайним выводам потенциометра R2. Ползунок потенциометра соединяется с другим выводом источника питания через резистор R1, ограничивающий ток при нахождении ползунка в крайних положениях. Резистор Rд, показанный на схеме пунктиром, необязательный и служит для выравнивания яркостей, если одно из плечей (обычно — красное) горит сильнее другого, и изменение цвета при вращении ползунка происходит неравномерно. Номинал резистора R1 и переменного R2 должны находиться примерно в соотношении R1/R2 = 1/4 — 1/5. При этом яркость в крайних положениях ползунка максимальна, а к середине диапазона, когда светятся оба светодиода примерно одинаково, падает, но зрительно это почти незаметно – меняется лишь оттенок свечения.
Полярность подключения источника питания такая, как на рисунке, годится для светодиода с общим анодом (положительным выводом), для светодиода с общим катодом она, соответственно, будет противоположной. Сам источник питания может быть любым низковольтным (вплоть до батареек), напряжением от 5 до 18 вольт. От напряжения источника зависит подбор номиналов резисторов – такие номиналы, как на схеме, годятся для питающего напряжения 5 В, для 12 вольт их надо увеличить примерно втрое-вчетверо. Автор использовал стабилизированный источник, встроенный в вилку, разобрав его и поместив в общий с постоянными резисторами и светодиодом корпус. Можно, разумеется, применить и простейший нестабилизованный (они продаются на рынках и стоят не более сотни-другой рублей), только учтите, что указанное номинальное напряжение на нем может быть много ниже реального. При использовании батареек можно обойтись тремя штуками типоразмера АА (не меняя номиналов, указанных на схеме), только тогда целесообразно встроить в схему выключатель или кнопку – при непрерывном горении щелочных АА-батареек хватит всего примерно на неделю.
Вся электрическая часть, исключая потенциометр, смонтирована в герметичном пластиковом корпусе, в котором делается отверстие, куда должен изнутри плотно входить светодиод (для надежности все стыки стоит проклеить «алюминиевым» скотчем, а место стыка светодиода с крышкой и отверстия для вывода проводов промазать герметиком). Потенциометр, который устанавливается на баке, может соединяться со схемой трехжильным гибким проводом в двойной изоляции (тем, на который обычно вешают подвесные светильники). Для надежности не стоит распаивать такой толстый провод непосредственно к потенциометру – стоит сделать промежуточную колодку с винтовыми соединениями.

Теперь о конструкции механической части, которая схематически приведена на рис.2:

Ползунок переменного резистора жестко закреплен на одном валу с вращающимся шкивом, через который перекинута капроновая нитка с поплавком на одной стороне и грузом-противовесом на другой. Поплавок тоже подгружен дополнительным грузом так, чтобы сила натяжения нити на воздухе была достаточно большой и нить не пыталась размотаться со шкива (в реальности эти грузы могут быть в районе нескольких сотен грамм). Поплавок делается из пенопласта и разность между его весом в воздухе (вместе с весом груза) и весом груза-противовеса должна быть меньше плавучести поплавка (последняя по закону Архимеда равна в граммах объему вытесненной поплавком воды, выраженной в кубических сантиметрах). Грузы могут быть изготовлены из свинца, латуни, бронзы и даже алюминия – в общем, из любого материала, не подверженного воздействию воды.
Угол поворота подвижной системы φ у разных типов переменных резисторов несколько различается, и обычно находится в пределах 240-260° (если не найдете данных по справочнику, придется измерить). Длина окружности шкива должна быть такой, чтобы обеспечить полный поворот ползунка на эту величину, и одновременно движение поплавка от самого дна до поверхности. То есть диаметр шкива рассчитывается по формуле: (360/φ×H)/π, где φ — максимальный угол поворота подвижной системы потенциометра, H – максимальный перепад уровней. Диаметр шкива, измеренный по месту прилегания нити, должен быть подогнан под эту величину максимально точно.
Нить несколько раз оборачивается вокруг шкива, чтобы она не скользила по нему. Самое сложное в этой конструкции – смонтировать систему так, чтобы длина нити точно соответствовала перепаду уровней и одновременно при нахождении поплавка в верхнем положении, движок потенциометра находился также в крайнем положении (соответствующем зеленому свечению светодиода). Автор делал это «насухую», разместив всю конструкцию со шкивом и поплавком на возвышении, точно соответствующем по высоте перепаду уровней воды в баке, и установив для удобства подгонки в одном из грузов винтовой зажим для нитки. Затем отлаженную и проверенную конструкцию аккуратно переносят, закрепляют на баке и проверяют с водой. Если над баком нет крыши, то всю конструкцию стоит накрыть отдельным колпаком для защиты от дождя и любопытных птиц.
Пару слов о подборе переменного резистора, от которого в значительной степени зависит надежность конструкции. Для наших целей категорически не подходят современные резисторы для аудиоаппаратуры, особенно с открытым резистивным слоем. Идеально для этой цели подходят старинные отечественные герметичные резисторы типа СПО-1, но сегодня их можно разыскать только случайно на развалах или разобрав какой-нибудь старый прибор военной приемки. Если вы их не найдете, попробуйте разыскать отечественные герметизированные СП3-9а или аналогичные – они меньше по размерам, но тоже очень надежные. Для глубоких емкостей заманчиво попробовать приспособить многооборотные потенциометры, но автор так и не смог найти типа, достаточно надежного для работы в этой конструкции. Разумеется, характеристика резистора предпочтительно должна быть линейной (то есть типа А), нелинейные (Б или В) дадут неравномерную зависимость цвета свечения от уровня. Если все указанные операции выполнить аккуратно, то уровнемер подстройки больше не потребует и будет надежно служить годами, не требуя никакого обслуживания.