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Come possiamo controllare il livello di acqua o di un altro liquido all’interno di un serbatoio o di una caldaia?

In commercio esistono migliaia di soluzioni pronte all’uso, ma spesso ci si imbatte in prodotti rivolti al settore industriale, caratterizzati da prestazioni elevate, ma anche da costi inaccessibili per mercati meno critici, come il mondo della ristorazione e dei dispositivi domestici.

Questo articolo introduce 5 tra le numerose tipologie di sensori di livello.

# Misurare il livello dell’acqua con sensori a ultrasuoni

Con i sensori a ultrasuoni è possibile monitorare il livello dell’acqua in un serbatoio sfruttando la capacità di questi sensori di misurare la distanza tra sensore e superficie dell’acqua.

Normalmente questi sensori sono montati nella parte alta del serbatoio, in posizione fissa.

Sono costituiti da un elemento emettitore che genera il segnale ultrasonico e un elemento ricevitore che riceve l’onda riflessa, qualcosa di molto simile a quanto accade in montagna con l’eco.

La distanza tra posizione del sensore e superficie dell’acqua è proporzionale al ritardo tra emissione e ricezione del pacchetto d’onde ultrasoniche.

Con i sensori a ultrasuoni è possibile monitorare con elevata precisione il livello dell’acqua in tempo reale, senza alcun contatto tra sensore e acqua.

# Controllare il livello dell’acqua con sensori reed

I sensori reed sono costituti da due lamelle metalliche normalmente aperte poste all’interno di un ambiente protetto, normalmente costituito da un’ampolla di vetro riempita con gas inerte.

L’attivazione di questo tipo di sensore avviene attraverso il campo magnetico generato da un magnete posto nelle vicinanze.

Nel serbatoio da monitorare viene posto un galleggiante con al suo interno il magnete: quando il livello dell’acqua raggiunge il sensore reed, questo viene attivato dal magnete.

Il galleggiante è immerso nell’acqua, quindi dovrà essere presa ogni precauzione necessaria per soddisfare le norme per l’utilizzo alimentare (NSF – https://www.nsf.org/).

Questo tipo di sensore consente di rilevare le condizioni puntuali di troppo pieno o di serbatoio vuoto.

# Controllare il livello dell’acqua con sensori a peso

Sfruttando il peso dell’acqua contenuta nel contenitore è possibile attivare uno switch posto al di sotto della tanica: questo sistema è molto economico ed è spesso utilizzato per segnalare quando la quantità d’acqua nel serbatoio sta per esaurirsi.

# Le sonde di livello a conducibilità

Le sonde di livello a conducibilità sono delle aste in materiale conduttivo, inserite nel serbatoio e sfruttano la conducibilità ionica dell’acqua per rilevare quando il liquido ha raggiunto la sonda.

Abbiamo diverse soluzioni elettroniche predisposte al controllo di livello di serbatoi, caldaie o carbonatori che prevedono l’utilizzo di una o più sonde a condicibilità.

Il circuito elettrico è costituito dall’elettrodo di misura e da un secondo elettrodo di riferimento: questo può essere un’altra sonda di livello oppure la parete metallica del contenitore, soluzione che viene normalmente adottata nelle caldaie in ottone (o altra lega metallica) presente nelle macchine da caffè professionali.

Utilizzando due o più elettrodi di misura, posti ciascuno ad una profondità differente è possibile monitorare più livelli all’interno del serbatoio.

Una configurazione molto comune è quella a due sonde: la prima (meno profonda) serve a controllare il riempimento del serbatoio, mentre la seconda (più in profondità) serve per controllare quando il serbatoio è prossimo allo svuotamento.

Nelle caldaie spesso la sonda più profonda è detta anche di sicurezza, perché viene collocata appena sopra la quota delle resistenze e viene utilizzata per spegnere gli elementi riscaldanti in condizioni di mancanza d’acqua, per evitare di danneggiare le resistenze.

Le sonde a conducibilità sono molto diffuse anche nei carbonatori, serbatoi nei quali si inietta in pressione la CO2 per preparare l’acqua gasata.

Le sonde sono necessariamente a contatto con il liquido, quindi devono essere realizzate con materiali adatti all’utilizzo alimentare oppure opportunamente trattati (nichelatura o teatura).

# L’evoluzione del controllo con i sensori capacitivi

I sensori di livello capacitivi consentono di rilevare la presenza di acqua o di altro liquido all’interno di contenitori realizzati con materiali non conduttivi, senza entrare in contatto con l’acqua.

Significa che il contenitore deve essere plastico, come una tanica o una vaschetta raccogli gocce: quando sussistono queste condizioni, è possibile adottare la tecnologia capacitiva per realizzare un sistema di controllo (livello, troppo pieno o vuoto) contactless.

La tecnologia capacitiva sfruttata per rilevare la presenza dell’acqua è la stessa che sta alla base dei sistemi touchscreen, anche se ovviamente vengono utilizzati sensori e algoritmi fondamentalmente diversi.

In grado di rilevare semplicemente la presenza dell’acqua a un determinato livello, il sensore capacitivo più semplice è costituito da due o più elementi sensibili e da un microcontrollore che effettua le analisi necessarie a determinare la presenza dell’acqua.

Collocati in un punto fisso all’esterno di un serbatoio rimuovibile, come la tanica dell’acqua di una macchina da caffè, sono in grado di segnalare all’elettronica di controllo la mancanza d’acqua, anche quando tra il sensore e il serbatoio rimuovibile è presente uno strato di aria.

Per funzionare al meglio, i sensori capacitivi di livello devono essere calibrati in modo da adeguarsi alle specifiche condizioni di installazione del particolare prodotto.

Si tratta di un’operazione che viene normalmente effettuata in fase di sviluppo del prodotto: i parametri di calibrazione così trovati vengono fissati e programmati direttamente al momento della produzione del sensore capacitivo, che a questo punto diventa specifico per un determinato prodotto.

Stiamo sviluppando sensori capacitivi più evoluti, che consentano di rilevare non solo la presenza dell’acqua in modo digitale (acqua presente o assente) ma anche il suo livello effettivo, restituendo un valore analogico proporzionale alla quota in tempo reale del liquido.

Sono allo studio sensori di tipo flessibile, in grado di adattarsi a superfici curve alle quali essere incollati, attraverso un adesivo specifico per queste applicazioni.