Dnes si ukážeme kompatibilné senzory pre záznam výšky hladiny vody, ktoré môžu byť použité s open-source mikrokontrolérmi Arduino (AVR ATmega), ESP (Espressif Systems), STM (ARM) na základe podporovaných zberníc a protokolov. Tieto senzory môžu byť použité aj v mojom webovom rozhraní pre projekt Hladinomer, ktoré je univerzálne.

Článok sa bude zaoberať senzormi pre kontinuálne monitorovanie výšky hladiny vody, z toho dôvodu článok nebude opisovať "binárne" senzory, ktoré dokážu indikovať plnú / prázdnu studňu (plávákové / hall). Článok taktiež nebude obsahovať ultrazvukové senzory, ktoré boli opísané už v článku projektu Hladinomer a taktiež ani radarové.

Optické
Optické senzory využívajú laser (LiDAR), alebo infračervené svetlo. Prostredníctvom vysielacej diódy vyšlú pulz, ktorý sa od hladiny vody odrazí a vráti do prijímača. Metódou Time-of-flight sa vypočíta čas medzi vyslaním a prijatím signálu.  Na základe známej rýchlosti svetla je možné určiť vzdialenosť z tohto času medzi senzorom a hladinou vody (tzv. rozdielová výška hladiny vody). Samotný prepočet môže prebiehať na strane mikrokontroléra, alebo priamo prostredníctvom obvodu senzora (v tom prípade má iný typ výstupu, napríklad UART s pevne definovaným protokolom, počtom vysielaných bajtov, možná hlavička a pod.). Laserové senzory sú drahšie, majú však výhodu oproti infračerveným senzorom, na ktoré vplýva interferencia z denného svetla, čo ich znevýhodňuje pri použití v otvorených studniach. Laserové senzory je možné použiť aj v studniach s hĺbkou niekoľko metrov, infračervené senzory najčastejšie do metra, alebo dvoch.

Laserový senzor TFMini

Medzi najrozšírenejšie laserové senzory patrí TFMini (možnosť detekcie hladiny až na 12 metrov), ktorý komunikuje s použitým mikrokontrolérom cez UART rozhranie štandardnou rýchlosťou 115200 baud/s. Rozmery TFMini sú minimálne, 2x4 cm, čo ho umožňuje použiť aj vo vŕtaných studniach. TFMini má operačnú logiku 3V3 a nie je 5V tolerantný. Optické senzory sú taktiež populárne najmä kvôli cene. Najpoužívanejšie sú senzory Sharp z rady GP2Y0AXXXK0F, pričom na základe modelu je maximálna merateľná vzdialenosť 30, 80, alebo 150 cm. Tieto senzory majú väčší "mŕtvy uhol", sú schopné detekcie až od cca 10 cm. Senzory rady GP2Y0AXXXK0F majú analógový výstup. Na základe hodnoty analógového vstupu je možné prepočítať hodnotu na centimetre. V závislostí od použitého modelu sa v programovej implementácii využíva ofset, ktorý analógovú hodnotu prevedie do merateľného rozsahu.

IR senzor Sharp GP2Y0A41SKF

Elektrostatické (kapacitné)
Využívajú kapacitnú zmenu kondenzátora, ktorá je merateľná (špecifický odpor). Prázdna studňa / nádrž má nižšiu kapacitu kondenzátora, ako plná. Prepočet môže realizovať mikrokontróler, alebo samotný senzor. Tieto typy senzorov sú pomerne spoľahlivé a najmä lacné. Je možné využiť komerčne predávané riešenia kapacitných senzorov, alebo je možné vytvoriť si vlastný kondenzátor pre špecifický typ a výšku nádrže.

Populárnym prevodníkom pre kapacitné senzory je FDC1004 od Texas Instruments, ku ktorému je možné pripojiť vlastný kondenzátor. Táto rozšírujúca doska má integrovaný ADC prevodník až pre 4 kanály, to znamená, že umožňuje monitorovať a merať hodnoty až na 4 rôznych kondenzátoroch. Doska sa pripája k mikrokontroléru cez I2C rozhranie. Požiadavkou mikrokontroléra na špecifický register je možné vyčítať aktuálny výšku hladiny vody v centrimetroch pre konkrétny kanál.

Prevodník FDC1004 od TI

Hydrostatické
Senzory merajúce tlak vodného stĺpca. Čím je studňa plnšia, tým je tlak vody na senzor vyšší. Senzor musí byť vodotesný, nakoľko je umiestnený v studni a je v neustrálom kontakte s kvapalinou. Senzory majú najčastejšie analógový výstup, ktorý je možné pripojiť k mikrokontroléru. Čím je vyšší tlak, tým je vyššie aj napätie na výstupe. Mnoho senzorov obsahuje aj digitálny výstup, ktorý reprezentuje plný stav studne, môže byť nastavený trimrom. Hydrostatické senzory sú široko používané v priemyselných oblastiach a mnoho výrobcov ich vyrába aj s priemyselnými zbernicami, napr. RS-485, čo umožňuje komunikáciu so senzorom aj na stovky metrov. Mnoho hydrostatických senzorov existuje aj s výstupom - prúdovou slučkou 4 až 20 mA.

Senzory majú rôzny merateľný rozsah. Lacné senzory merajú do jednotiek baru. Medzi populárne hydrostatické senzory môžeme zaradiť MPS20N0040D, ktorý má minimalistické rozmery, ale aj merateľný rozsah. Rozmery senzora sú 7x7 mm, pričom je v strede vybavený valcovitým výstupkom vysokým 6 mm s priemerom 3 mm na ktorý sa nasúva trubička. Merateľný rozsah je od 0 do 0,4 bar. Senzor je často osadený na DPS spolu s prevodníkom HX710 / HX-711, ktorý je presnejší ako interný prevodník Arduina, alebo mikrokontrolérov ESP32. Výhodou je aj 5V operačná logika.

MPS20N0040D

Medzi drahší, avšak priemyselný hydrostatický senzor môžeme zaradiť HDL300. Senzor existuje vo vyhotovení výstupu s prúdovou slučkou 4 až 20 mA, analógovým výstupom 0 až 10V, prípadne s rozhraním RS-485, ktoré má podporu protokolu MODBUS RTU. Hydrostatický senzor z rady HDL300 je určený na priemyselnú automatizáciu a môže byť pripojený aj k PLC systémom, či mikrokontrolérom. Prúdová slučka využíva 2 vodiče, analógová verzia 3 vodiče a RS-485 celkom 4 vodiče.

HDL300 - verzia s prúdovou slučkou 4-20 mA

Pre presné merania výšky hladiny vody (vizualizácia napríklad v litroch) je potrebné využiť aj kompenzačný senzor atmosférického tlaku. Aktuálny atmosférický tlak v danej lokalite umožní znížiť chybu merania a získať objem studne, resp. objem kvapaliny v nádrži.

 

Vyskúšajte webové rozhranie projektu Hladinomer s vašim hardvérom (mikrokontróler a ultrazvukový senzor vzdialenosti), prípadne vytvorte programovú implementáciu s jedným z opísaných senzorov: 
https://martinius96.github.io/hladinomer-studna-scripty/

Prístupov 8237

Kvalita článku