XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Сигнализатор протечки воды
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Не секрет, что одним из самых распространенных страхов в квартире является протечка, будь то трубы, стиральная машинка или раковина. Бороться с этой проблемой приходится абсолютно всем, независимо от их социального положения и статуса. Наша семья не является исключением. Мы живем в многоквартирном доме на 2 этаже. Этим летом ночью у нас в квартире прорвало трубу на кухне. Так как это было ночью мы не сразу это заметили. В итоге затопило всю кухню и часть прихожей. И у нас в семье встал вопрос как же избежать такой ситуации впредь. Мы начали думать над установкой сигнализации о протечке воды.
Гипотеза – имея элементарные знания физики и радиоэлектроники, можно самим сделать бюджетную сигнализацию утечки воды.
Работа является актуальной в реалиях современного быта (несовершенство водопроводной системы и проводимых монтажных работ, а также отсутствие доступных датчиков).
Новизна заключается в отсутствии подобных бюджетных устройств на рынке устройств по предотвращению и предупреждению протечки воды.
Цель проекта – разработать универсальное бюджетное устройство, сигнализирующее о протечке воды и углубить знания в радиоэлектронике.
Задачи:
Изучить и проанализировать информацию о существующих сигнализаторах утечки воды.
Анализ теоретических основ в области радиотехники и разработка схемы устройства.
2. Подготовка необходимых материалов.
3. Создание готового устройства.
Методы: сравнение, анализ, обобщение, аналогия, моделирование, классификация, наблюдение, фотосъемка , практическая работа
Основная часть
В мегаполисах ежедневно происходит до 1000 крупных аварий систем водоснабжения, водоотведения и отопления, а в квартирах и офисах 9 из 10 происшествий приходится именно на протечки воды. Поэтому среди инструментальных систем контроля окружающей среды центральное место занимают датчики протечки воды. Однако не все из них эффективны, поскольку одни – не слишком чувствительны, другие – плохо защищены от помех. По этой причине к установке систем контроля окружающей среды следует подходить основательно, тщательно анализируя и сравнивая параметры различных датчиков протечки воды. Некоторые люди считают заботу о предотвращении потопа излишней, другие – вовсе не задумываются над этим, третьи – не уделяют внимания техническим характеристикам устанавливаемых систем контроля. Чем все это заканчивается? Как правило, это убытки, превышающие сумму в 300 000 рублей, если речь идет о квартирах. В других ситуациях сумма может быть гораздо выше. А все из-за того, что водоснабжение не было своевременно блокировано.
Действительно, современные системы контроля позволяют не только оповещать о протечках воды (включая СМС, интернет, речевые сообщения по сотовому телефону), но и самостоятельно их ликвидировать посредством перекрытия установленных электромагнитных клапанов. Однако, и цены за подобные системы достигают невиданных высот.
Виды датчиков протечки
Датчики протечки воды могут иметь различное устройство и несколько различаться принципами работы. Всех их можно классифицировать по нескольким признакам:
Способ оповещения об аварии:
включение звуковой и световой сигнализации
передача тревоги на смартфоны и планшеты владельцев
либо комбинированная сигнализация, включающая все перечисленные действия.
Конструктивно датчики выполняются в виде прибора,
заключённого в пластиковый корпус,
либо в виде ленты-детектора, подключаемой к электронному блоку.
По области применения детекторы утечек бывают
промышленные (монтируются на магистральных трубопроводах, подающих воду в многоэтажные здания, на промышленных предприятиях)
бытовые ( предназначаются для квартир и частных домов, так сказать, для индивидуального использования)
По типу соединения сенсорного датчика с электронным контроллером. Соединение обеспечивается одним из двух способов:
по проводам
без использования проводки
Беспроводной датчик контроля воды Проводной датчик контроля воды
Беспроводные и проводные
Сигнал тревоги от сенсора протечки к электронному контроллеру передаётся либо по проводному соединению, либо посредством радиосвязи. В первом случае провод является источником подачи электроэнергии, питающей датчик. При замыкании контактов в результате протечки воды, напряжение в питающей электрической цепи снижается, а сила тока, наоборот, растёт. Контроллер, соединённый с сенсором, воспринимает изменение параметров электричества, и отдаёт команду на принятие экстренных мер – перекрытие водопровода, включение оповещателя.
Беспроводной датчик протечки воды обеспечивается питанием от автономных источников энергии: аккумуляторов или батарей. Он имеет встроенный передатчик и контроллер, фиксирующий колебания электромагнитного поля во внутренней цепи прибора. При протечке и замыкании контактов, сигнал об этом подаётся на встроенный транслятор. После обработки он отправляется в электронный блок управления в виде радиосигнала частотой в 400-500 мегагерц.
Дальность действия устойчивой связи у беспроводных детекторов составляет до 100 метров. На практике это значение бывает несколько меньшим из-за препятствий в виде межкомнатных перегородок и мебели. Проводные датчики протечки воды менее удобны, с точки зрения монтажа. При их установке потребуется протягивать линии проводки, при этом заботясь о её маскировке, чтобы не портить интерьер помещения.
По способу размещения
Устанавливать датчики следует в местах наибольшей вероятности протечки, то есть там, где проходят трубы водопровода. Это ванные комнаты, туалеты, кухни. Способ размещения приборов бывает:
Внутренний.
Напольный.
В первом случае установка систем безопасности производится одновременно с монтажом водопроводных труб и сантехнического оборудования. Датчики крепятся при помощи двустороннего скотча или клеевых растворов непосредственно на водопроводные, отопительные или канализационные трубы. При первых признаках протечки датчик намокает и подаёт аварийный сигнал.
Напольное размещение детекторов используется, если все водопроводные или канализационные коммуникации уже проложены. Детекторные сенсоры устанавливаются непосредственно на пол, контактами вниз. Чтобы избежать случайной сработки датчиков протечки воды, например, во время влажной уборки, их рекомендуется крепить на высоте 3-5 мм над поверхностью.
Обзор , характеристики и цены на популярные системы и сигнализторы протечки воды
Ценовая категория: от 460 до 476 рублей.
Беспроводной датчик протечки воды предупредит вас о появлении воды. Его следует размещать на полу или в месте, где вода появится при утечке в первую очередь. Вы можете установить датчики на кухне, в ванной комнате, туалете, подвале и т.д. Уровень звука сирены – 90 дБ. Питание устройства осуществляется от элемента питания типа Крона 6F22(9В).
Девяти вольтовая батарея типа «Крона» входит в комплект. Модель не сработает на влажную уборку пола или брызги, она оповестит вас только в том случае, если произошел серьезный “потоп”, когда уровень воды достаточен для замыкания контактных пластин, в результате чего раздастся оповещающий сигнал датчика.
Ценовая категория: от 660 до 940 р.
Модель предназначена в целях фиксации протечки воды и передачи аварийного сигнала на модуль управления. Максимальное удаление от контроллера 500 м. Совместим с блоком расширения проводных датчиков ProW, с контроллерами моделей СКПВ, с модулями управления Neptun Base, Neptun ProW, Neptun ProW+ и Neptun ProW WiFi. В комплект входит кабель длиной 2 метра. Датчик контроля протечки воды вырабатывает сигнал при попадании на него воды. Прибор подключен к безопасному источнику питания и не представляет опасности при прикосновении к пластинам-контактам.
Ценовая категория от 1550 до 1990 рублей.
Устройство представляет собой датчик протечки, который предназначен для работы в экосистеме «Умного дома» от Яндекса или отдельным устройством под управлением смартфона на iOS/Android. Он способен своевременно оповестить о подтоплении помещения при помощи уведомлений на смартфон.Комплектуется выносным блоком, который можно расположить в труднодоступных местах. HIPER IoT W1 может быть закреплен на полу в ванной или кухне при помощи двухстороннего скотча, идущего в комплекте.В качестве источника питания используется батарейный элемент CR2, что делает данный датчик автономным, независимым от розетки. Передача сигнала осуществляется по протоколу Wi-Fi. Поддерживается возможность настройки уведомлений и сбора статистики срабатываний.
Ценовая категория от 2800 до 3000 руб.
Устройство позволяет быстро и оперативно оповещать о проблеме. Датчик обнаруживает протечку воды с помощью четырех пар контактов, расположенных на дне корпуса. Как только хотя бы на одну из пар попадает вода, устройство включает тревогу и уведомляет об этом владельца дома. Когда поверхность станет сухой, датчик автоматически отключит тревогу, сообщая об этом.
Ценовая категория от 590 до 700 р.
Многоразовый датчик легко устанавливается в любом месте, где есть вероятность протечки воды. Полностью автономный сигнализатор предупредит даже о незначительной протечке. Звуковой сигнал включается при минимальном попадании воды на датчик.
Ценовая категория от 9599 до 10000 рублей.
Устройство блокирует подачу воды до момента, пока причины протечки не будут определены и устранены. В случае аварии подает и световой, и звуковой сигналы.
Ценовая категория от 21000 до 23090 рублей.
Многофункциональное устройство с расширенной. Датчики своевременно реагируют на возникшие неполадки и аварию, подают сигнал и автоматически перекрывают подачу воды. Система имеет беспроводной тип, в комплект входит блоки и 12В шаровые краны, 1 датчик проводного типа.
Ценовая категория от 16900 до 17400 рублей.
Встроено сразу 3 датчика, мгновенно блокирующих подачу воды (горячей и холодной). Автоматическая блокировка наступает в течение нескольких секунд после обнаружения протечки. Свето- и звуковые датчики располагаются в центральном блоке и мгновенно реагируют на протечку. Прибор включает в комплект блок управления и 2 шаровых крана, а также 3 датчика, реагирующих на возникшую протечку. Также есть провода и батареи, вам не придется дополнительно приобретать их.
Преимущества использования датчиков протечки воды
Основное преимущество использования датчиков протечки воды – возможность вовремя получить известие об аварии. Потоп, вызванный прохудившейся водопроводной трубой или забитой канализацией, способен доставить массу неприятностей не только владельцу квартиры, но и соседям снизу. При своевременном оповещении об утечке у жильцов есть возможность свести к минимуму её последствия.
Современные датчики протечки воды с W-iFi, помимо звукового и светового сигнала, способны передавать сообщения домовладельцам на удалённые мобильные устройства. Благодаря этому, жильцы будут оперативно извещены об аварии, даже находясь вне дома.
Ещё более удобны в эксплуатации детекторы, соединённые с запорными автоматическими клапанами. Таким образом, создаётся целая система безопасности, способная самостоятельно, без помощи человека, перекрывать аварийный участок трубопровода. Для этого применяются специальные краны-клапаны, снабжённые сервоприводами. Управление ими в системе возложено на электронный блок управления. В случае поступления сигнала тревоги от сенсора протечки, контроллер мгновенно перекрывает подачу воды, сводя к минимуму возможные негативные последствия аварии.
Практическая работа.
Проанализировав характеристики и цены на сигнализаторы, я могу сделать вывод: Даже самые дешёвые сигнализации требуют серьезных вложений, так как для эффективности нужно купить несколько штук. Ведь мест, где может быть потенциальная протечка воды, в квартире много. (это и ванна, и стиральная машина, и система отопления…)
Поэтому я решила попробовать сделать вариант бюджетной сигнализации.
Изучив интернет ресурсы и необходимую литературу, проконсультировавшись с учителем, я разработала необходимую схему.
Схема на этот сигнализатор имеет достаточно простую конструкцию, поскольку в нем используется только один транзистор .
Необходимые материалы: транзистор, резистор, пьезоизлучатель, батарейка 3 v, электрический провод, изолента, контейнер .
Транзисторы — полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Наиболее распространены так называемые биполярные транзисторы.
Пьезоизлучатели - это электроакустические устройства, способные воспроизводить звук благодаря обратному пьезоэлектрическому эффекту. Обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля. Приложенное к телу напряжение и вызывает его деформацию.
Резисторы- это пассивный элемент применяемый в электрических цепях, действие которого основано на сопротивлении току. Резисторы применяются во всех электрических схемах для установления нужных значений тока в цепях, Основной характеристикой этого электронного компонента является величина его электрического сопротивления.
Закупив все радиодетали, я начала соединять их согласно схеме.
Соединив все детали схемы, я приступила к подготовке ёмкости сигнализатора. Я взяла контейнер от наушников, просверлила в нем дырочки. В одной части контейнера, я просверлила 2 дырочки, для выхода усиков резистора. Во второй части контейнера, я просверлила несколько дырочек. Что бы был лучше слышен звуковой сигнал.
Затем я поместила в готовую емкость-контейнер собранную конструкцию сигнализатора
Вот такой сигнализатор о протечке воду у меня получился
Часть, из необходимых для его изготовления, элементов было у меня дома. Я купила только пьезоэлемент, транзистор, резистор и батарейку. Итого я потратила на его изготовление всего 23 рубля.
Принцип работы моего сигнализатора заключается в следующем: при попадании воды на контакты сигнализатора происходит включение встроенного в него звукового зуммера. После осушения контактов устройство автоматически возвращается в нормальное состояние.
Рекомендации по использованию. Данная модель применяется в труднодоступных местах в жилых и промышленных помещениях с большим риском затопления. Подобная конструкция позволит поместить прибор в самые труднодоступные места, в том числе под стиральной машинкой, смесителем, батареями, холодильником, посудомоечной машиной и раковиной. Расход электроэнергии минимален, поэтому проверку работоспособности устройства достаточно проводить раз в полгода.
Заключение
Использование датчиков контроля протечки воды способно сэкономить немалые суммы, которые в противном случае, пришлось бы потратить на косметический ремонт и на компенсации ущерба соседям снизу. Даже самые дорогие системы безопасности, оснащённые аварийными кранами и Wi-Fi-связью, в случае аварии с лихвой окупят деньги, силы и время, потраченные на их приобретение и подключение.
В процессе работы над проектом мной была проделана большая работа по изучению принципа работы транзисторов, резисторов и пьезоэлементов, я научилась составлять электрические схемы, правильно работать с паяльником. Я открыла для себя много нового и интересного из мира радиоэлектроники, выяснила огромную область применения пьезоэлементов и транзисторов. Исследовательская работа помогла мне по-новому взглянуть на электронные приборы и радиоэлектронику в целом.
Эта работа помогла мне понять, что не обязательно покупать электронные приборы, которые можно попробовать сделать самому и получить удовольствие от данного процесса. Я приобрела опыт в создании электронных устройств. Все поставленные в начале работы задачи выполнены, гипотеза подтверждена, в подтверждение тому изготовлено устройство.
Список литературы:
1. Ю. В. Буртаев, П. Н. Овсянников. Теоретические основы электротехники. М., ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1994.
2. В. А. Извозчиков, А. Д. Ревунов. Электронно-вычислительная техника на уроках физике в средней школе. М., Просвещение, 1988.
3. Дж., Э. Фишер., Х. Б. Гетланд. Электроника от теории к практике. М., ЭНЕРГИЯ, 1990.
4. Р. М. Терещук, К. М. Терещук, С. А. Седов. Полупроводниковые приёмно-усилительные устройства. К., НАУКОВА ДУМКА, 1987.
5. А. И. Кизлюк. Справочник по устройству и ремонту телефонных аппаратов зарубежного и отечественного производства. М., БИБЛИОН, 1997.
6. Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин «Электроника: учебник для вузов»
7. Айсберга Е. «Транзистор? Это очень просто!»
8. Чарльз Платт "Электроника для начинающих". М., Просвещение, 2015
9.ttps://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B7%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80
10. https://yandex.ru/turbo/asutpp.ru/s/chto-takoe-rezistor.html
11. https://zen.yandex.ru/media/energofiksik/chto-takoe-pezoelektricheskii-effekt-i-kak-ego-ispolzuiut-5cab7a7a084e0800aff6323b
12. https://sovet-ingenera.com/vodosnab/v-drugoe/datchik-protechki-vody-svoimi-rukami.html