Spis treści:
Elektroniczne czujniki przepływu wody mają wiele praktycznych zastosowań. Przeczytaj nasz poradnik i dowiedz się, jak wykorzystać je w projekcie na bazie Arduino.
Czujniki przepływu wody, określane również mianem przepływomierzy, umożliwiają dokładny pomiar ilości wody, przepływającej przez rurę w dowolnym momencie (przepływ chwilowy) lub danym przedziale czasu (przepływ całkowity). Poszczególne przepływomierze różnią się między sobą konstrukcją, a – co za tym idzie – także metodą pomiaru, przy czym każda z nich ma swoje charakterystyczne zalety i (jak to zwykle bywa w życiu) także pewne wady.
Rodzaje czujników przepływu wody
Przepływomierze mechaniczne to zdecydowanie najbardziej tradycyjne i chyba najpowszechniej stosowane czujniki przepływu wody (a także innych mediów, w tym powietrza). W tej kategorii wyróżniają się szczególnie przepływomierze turbinkowe – ruch mas wody napędza lekki, obrotowy „wiatraczek” (turbinkę), połączony z czujnikiem impulsowym. Ten ostatni może być zrealizowany na rozmaite sposoby – np. za pomocą hallotronu i małego magnesu, czujnika optycznego (transoptora) bądź też prostego styku mechanicznego. Każdemu obrotowi odpowiada impuls (lub kilka impulsów), co pozwala na proste wyliczenie ilości wody, która przepływa przez rurę w danym przedziale czasu.
Przepływomierze elektromagnetyczne wykorzystują prawo Faradaya dotyczące indukcji elektromagnetycznej. Przepływ cieczy przez obszar przyłożonego z zewnątrz pola magnetycznego powoduje powstanie napięcia proporcjonalnego do prędkości medium. Specjalne elektrody, umieszczone w rurze, rejestrują niewielką różnicę potencjałów, która następnie przeliczana jest przez mikrokontroler na wartość przepływu, wyrażoną w jednostce objętości na jednostkę czasu (np. l/min). Ważnym atutem tej grupy czujników przepływu jest fakt, iż nie posiadają one żadnych ruchomych części, co znacząco zwiększa ich żywotność i redukuje efekt zaburzeń w strumieniu przepływającej wody, wprowadzanych przez elementy sensora.
Ultradźwiękowe czujniki przepływu opierają swoje działanie na zmianie częstotliwości fal powracających do detektora (efekt Dopplera) bądź na różnicy czasu przelotu wiązki fal naddźwiękowych przez przepływającą ciecz. Co bardzo ważne, urządzenia te nie wymagają fizycznego kontaktu z wodą, co czyni je idealnymi dla pracy w środowiskach o dużym zabrudzeniu.
Zastosowania przepływomierzy
Czujniki przepływu wody znajdują szereg zastosowań w rozmaitych gałęziach przemysłu i technologii. Poniżej przytoczymy kilka najważniejszych obszarów, w których elementy te można spotkać najczęściej.
- Monitorowanie zużycia wody – to bodaj najpopularniejsze zastosowanie. Przepływomierze są powszechnie używane do w domach, biurach i innych obiektach do monitorowania zużycia wody w celach rozliczeniowych.
- Przemysł – czujniki przepływu cieczy okazują się niezbędne do kontroli procesów, których prawidłowy przebieg zależy od precyzyjnej ilości wody, dostarczanej lub odbieranej z obiektu bądź instalacji – m.in. w przemyśle spożywczym, chemicznym, farmaceutycznym, czy też energetycznym.
- Rolnictwo i nawadnianie – przepływomierze stanowią kluczowy element systemów irygacyjnych, odpowiedzialnych za prawidłowe nawodnienie upraw. Pozwalają na monitorowanie i właściwe sterowanie ilością wody dostarczanej do gleby, co jest niezwykle ważne dla optymalnej wydajności upraw i szybkiego reagowania na zagrożenie suszą.
- Systemy ochrony przeciwpowodziowej – omawiane sensory są często wykorzystywane do monitorowania przepływu wody w rzekach i kanałach w celu wczesnego wykrywania potencjalnych powodzi.
Parametry katalogowe czujnika przepływu wody na przykładzie modelu YF-S402
Dostępny w naszej ofercie czujnik przepływu cieczy YF-S402 to doskonały przykład przepływomierza impulsowego, działającego na zasadzie pomiaru prędkości obrotów wirnika z zamocowanym magnesem trwałym, napędzanego przez przepływającą wodę. Wewnątrz czujnika znajdują się niewielkie czujniki Halla, generujące impulsy elektromagnetyczne z częstotliwością odpowiadającą prędkości obrotów turbinki.
Kompaktowy sensor charakteryzuje się szerokim zakresem pomiarowym, od 0.3 do 6 litrów na minutę (l/min), co czyni go idealnym dla małych i średnich aplikacji, takich jak domowe systemy nawadniające, akwaria czy też instalacje automatyki domowej.
Napięcie zasilania czujnika mieści się w zakresie od 5V do 24V, co umożliwia jego integrację zarówno z niskonapięciowymi układami opartymi na mikrokontrolerach (w tym Arduino), jak i z kontrolerami klasy przemysłowej (np. sterownikami PLC). Jeden impuls odpowiada pojedynczemu obrotowi turbinki i oznacza przepłynięcie przez sensor objętości cieczy równej około 13.7ml.
Dzięki niewielkim rozmiarom, prostocie podłączenia i odporności na korozję, czujnik YF-S402 jest popularnym wyborem wśród hobbystów i profesjonalistów, poszukujących skutecznego i niedrogiego przepływomierza.
Podłączenie przepływomierza mechanicznego do Arduino
Podłączenie turbinkowego czujnika przepływu wody do mikrokontrolera Arduino jest stosunkowo proste – wymaga bowiem jedynie kilku kroków. Po pierwsze, należy ustalić układ wyprowadzeń (przewodów) przepływomierza – w przypadku wspomnianego wcześniej modelu YF-S402 mamy do dyspozycji trzy piny: VCC (zasilanie, „+” – przewód czerwony), GND (masa, „-” – przewód czarny) oraz OUT (sygnał wyjściowy – przewód biały). Przewód zasilania czujnika należy podłączyć do linii 5V na płytce Arduino, zaś pin GND – do dowolnego styku masy modułu głównego. Przewód sygnałowy czujnika musi natomiast zostać podłączony do dowolnego cyfrowego pinu wejściowego Arduino – wybór konkretnego wyprowadzenia zależy od dostępności linii GPIO – należy zwrócić uwagę, czy wybrana końcówka nie „koliduje” np. z połączeniami nakładki Arduino Shield, oczywiście jeżeli projekt zakłada użycie takowej.
Zliczanie impulsów może być wykonane programowo z użyciem jednej z trzech standardowych technik. Najprostszą, ale zarazem najmniej efektywną pod względem obliczeniowym, jest zastosowanie techniki odpytywania linii wejściowej (sygnałowej) w nieskończonej pętli. Takie rozwiązanie powoduje jednak całkowite zajęcie czasu procesora, który mógłby być spożytkowany na inne zadania (np. obsługę wyświetlacza czy interfejsu UART). Lepszym rozwiązaniem będzie zastosowanie przerwań (funkcja attachInterrupt) – inkrementacja zmiennej zliczającej impulsy może być sprowadzona do kilku instrukcji, wywoływanych asynchronicznie na drodze sprzętowej obsługi przerwań, zgłaszanych przez wybraną linię portu GPIO. Trzecia technika wymaga użycia timera/licznika sprzętowego – każdy mikrokontroler posiada przynajmniej jeden taki blok peryferyjny, wyposażony w wejście pozwalające na zliczanie impulsów bez żadnej ingerencji programu głównego (ten ostatni musi jedynie co pewien czas odczytywać zawartość rejestru licznika i zerować go w celu ochrony przed przepełnieniem).
