Владельцы бань, а также садоводы-любители часто сталкиваются с необходимостью измерения уровня воды в емкости, установленной в труднодоступном месте, например, на чердаке бани или высоком постаменте. Обычно такая емкость используется в качестве напорной и иногда оборудована средствами подогрева воды для душевой установки. Для своевременного ее наполнения с помощью насоса важно получать информацию о запасе воды в ней, а подниматься для этого всякий раз на чердак может оказаться затруднительно и неудобно. Решить проблему можно с помощью датчика уровня воды в емкости, которых в настоящее время существует великое множество, в том числе контактные поплавковые, реостатные и ультразвуковые. Однако препятствием к использованию таких датчиков является их сравнительно высокая цена, необходимость доработки емкости (сверление отверстий в ней или использование клея), применение батарей или источников питания для датчика и индикатора, а также тот непреложный факт, что электроника “плохо дружит” с водой, что часто приводит к ее ненадежной работе и порой просто опасно в помещении с повышенной влажностью, которым является баня.
Неплохим (на взгляд автора) и весьма бюджетным решением может быть предлагаемый способ измерения и контроля уровня воды в емкости (бочке) с помощью простого устройства на основе открытого на обоих концах прозрачного ПВХ шланга для аквариумов (например, Krelong 04-06 P010M) с внутренним диаметром 4 мм и с наружным диаметром 6 мм. Продавцов таких или подобных шлангов без труда можно найти на просторах Интернета. Принцип работы измерителя понятен из рисунка, и он может быть изготовлен буквально за 5 минут. Знакомый с азами школьного курса физики читатель без труда сообразит, что измеритель состоит из соединенных трубкой напорной камеры (часть шланга, погруженная в бочку) и U-образного жидкостного манометра (часть шланга, изогнутая в виде буквы U и заполненная водой). При наполнении бочки водой происходит сжатие воздуха в трубке и возросшее давление показывается манометром (растет уровень воды в левом плече U-образной трубки). Груз в виде нескольких латунных (во избежание коррозии) гаек на конце погруженной в бочку трубки необходим для правильного расположения конца шланга у дна бочки и предотвращения его всплытия. Шланг может быть закреплен к стенам помещения скобками (без нарушения целостности его стенок), его длина может составлять несколько метров, а изгибы и уклоны не играют роли (в шланге воздух).
Величина h (см. Рис.) ни при каких условиях не может превысить H, но может быть сделана сколь угодно близкой к ней за счет изменения соотношения между объемом напорной камеры и объемом шланга длиной L. Если возникает необходимость повысить h, то диаметр погружаемой части шланга следует увеличить, либо (если есть такая возможность) уменьшить длину шланга L и/или уменьшить его внутренний диаметр d. Можно выполнить напорную камеру из двух отрезков шланга или иных трубок (верхний – малого диаметра, а нижний -большого, с длиной чуть более высоты столба заполняющей его воды при полном баке. Однако это усложнит конструкцию, и к тому же возрастет опасность попадания в напорную камеру воздушных пузырей при наполнении бака водой при работающем насосе. Уменьшать диаметр шланга до величины менее 2 мм не следует из-за опасности проявления капиллярных эффектов. Тем не менее при длине шланга 8 м, его внутреннем диаметре 4 мм и заполнении бочки до высоты H=1 м величина h составляет 42 см, что соответствует изменению уровня воды в манометре на h/2=21 см, как следует из приведенного ниже примера расчета, и этого более чем достаточно для практического использования,.
Если вода в емкости подвергается нагреву, то погруженную в емкость часть шланга следует заменить подходящей или близкой по диаметру трубкой из латуни (меди) или нержавеющей стали.
Вследствие малого диаметра шланга испарение воды из U-образного манометра крайне невелико, и он не нуждается в “дозаправке” на протяжении всего летнего сезона. Объем жидкости в манометре должен быть таким, чтобы при заполненной бочке вода в правом колене манометра гарантированно не опускалась до его нижней точки. По окончании сезона трубка измерителя может быть использована в качестве сифона для слива остатков воды из бака. Поскольку шланг пластиковый, то ему не страшны отрицательные температуры даже при наличии остатков воды в нем.
Необходимо указать и на недостатки такого измерителя. Изменения атмосферного давления P0 и температуры воздуха в шланге влияют на показания манометра. Но суммарная погрешность показаний из-за действия этих факторов невелика и не превышает 5% от полной шкалы. В случае, когда вода в емкости подогревается следует учитывать, что нагреву подвергается не весь воздух в шланге, а лишь его небольшая часть в напорной камере. Влияние такого нагрева можно уменьшить увеличением объема воздуха в шланге длиной L (за счет его длины и/или увеличения внутреннего диаметра) ценой снижения h, но практика показала, что особой нужды в этом нет (изменение показаний манометра при изменении температуры воды в баке с 20 0 С до 55 0 С составило менее 3% и, возможно, было частично скомпенсировано снижением плотности воды при нагреве).
Пример расчета величины h
Исходные данные:
L (длина трубки, как обозначено на рисунке) = 8 м
H (максимальный уровень воды в бочке, как обозначено на рисунке) = 1 м
d (внутренний диаметр трубки) = 4 мм = 4∙ 10^-3 м
ρ (плотность воды) = 10^3 кг/м^3
P0 (атмосферное давление) = 1,03∙10^5 н/м^2
g (ускорение свободного падения) = 9,8 м/c^2
Производные данные:
S (площадь внутреннего канала трубки) = π d^2 /4 = 3,14∙(4∙10^-3)^2 /4 = 12,7∙ 10^-6 м^2
V0(объем воздуха в канале трубки при пустой бочке) = (L+H)S = 12,7∙10^-6 ∙(8+1) =1,14 ∙ 10^-4 м^3
Vполн. (объем воздуха в канале трубки при полностью заполненной водой бочке) = (L+0,5h+h)S
Pизб. (избыточное по отношению к атмосферному давление воздуха в трубке, создаваемое водой в бочке) = ρ g h
Согласно закону Бойля-Мариотта: P0 V0= (P0+Pизб.) Vполн. = (P0 + ρ g h) (1,5h +L) S,
или 1,5 ρ g h^2 + (ρ g L+1,5P0) h+P0L-P0V0/S =0,
а после подстановки исходных данных:
1,5∙ 10^3 ∙ 9,8 ∙ h^2 + (10^3 ∙ 9,8 ∙ 8 +1,5 ∙ 1,03∙10^5) h +1,03 ∙10^5 ∙8 -1,03 ∙10^5∙ 1,14∙10^-4/12,7∙10^-6,
или
14700 h^2+(78400+154500) h +824000-924567=0
14700 h^2+232900 h – 100567 =0
1,47 h^2+ 23,3 h – 10,06 =0
h1,2 = ( -23,3 ± (23,32 + 4∙1,47 ∙ 10,06)^0,5 ) /2 ∙ 1,47,
откуда h1=0,42 м, а второй отрицательный корень уравнения отбрасывается.
Таким образом, при полном заполнении бочки водой до уровня 1 м, уровень воды в левом плече U-образной трубки изменится (повысится) на h/2=21 см относительно “нулевого” уровня, соответствующего пустой бочке.
