Безконтактні датчики рівня води

18.08.2015

Безконтактні датчики рівня води

Розглянемо дві схеми безконтактних датчиків, які використовують пьезоизлуча-ки. Перша спрацьовує при повному зануренні п’єзоелемента в воду, а друга — при контакті води з поверхнею пьезодатчика.

Відомо, що автогенератор з п’єзоелектричним випромінювачем (наприклад, ЗП-4), включеним в ланцюг позитивного ОС, працює до тих пір, поки обидві площини випромінювача знаходяться в повітрі. Якщо ж хоча б до однієї з них злегка доторкнутися пальцем, система виявиться демпфованої. Коливання автогенератора при цьому зриваються. Те ж саме станеться, якщо площина випромінювача буде торкатися поверхні рідини. Таким чином, коли рівень рідини високий і вона змочує пьезопластипу, генератор не працює. Але як тільки рівень опуститься настільки, що пьезоизлучатель опиниться у повітрі, генератор запускається, подаючи сигнал на вихід датчика. Після збільшення кількості води до колишнього рівня генератор знову зупиняється.

Схема пристрою зображена на рис.1. Автогенератор зібраний па транзисторі VT1 і пьезоизлучателе BQ1 за досить поширеною схемою. Він виробляє коливання частотою близько 2500 Гц, які через перехідну ланцюг C1R3R4 надходять на вхід тригера Шмітта, зібраного на логічних елементах DD1.1, DD1.2. Тригер перетворює коливання в послідовність прямокутних імпульсів тієї ж частоти, стабільних по амплітуді.

Рис.1.

Ланцюг, що складається з діода VD2, резисторів R7 і R8 і конденсатора С4, перетворює прямокутні імпульси в постійне напруга, що виділяється на конденсаторі С4. Другий тригер Шмітта, виконаний на елементах DD1.3, DD1.4,служить для дискретизації напруги на конденсаторі С4, яке змінюється досить плавно. На виході цього тригера сигнал стрибком змінюється з високого рівня, коли генератор працює, до низького при його зупинці.

Живити пристрій від джерела стабілізованої напруги 3. 15 В, якщо мікросхема DD1 — К561ЛА7 або 564ЛА7, і 5. 9 В — якщо К176ЛА7. При напрузі 4 В пристрій споживає струм не більше 4 мА, а при 15 — не більше 18 мА.

Діоди VD1 і VD3 оберігають датчик від пошкодження при помилкової зміни полярності напруги живлення. Конденсатори С2 і СЗ — згладжуючі. Живити датчик допустимо і від батареї елементів або акумуляторів.

Таким чином, низького рівня рідини тут відповідає високий рівень вихідної напруги, а високого — низький. Якщо ж потрібно інверсний сигнал, резистори R3 і R4 потрібно поміняти місцями, а також змінити на зворотну полярність включення діода VD2.

Мікросхеми К561ЛА7 можна замінити на К561ЛЕ5, 564ЛА7, 564ЛЕ5, К176ЛА7 або К176ЛЕ5 без зміни нумерації висновків, а також чотирма інверторами мікросхеми К561ЛН2 або 564ЛН2 зі зміною номерів висновків.

Діоди VD1 —VD3 можуть бути будь-якими з серій КД102, ДО ДЮЗ або іншими кремнієвими з допустимим прямим струмом не менше 20 мА. Транзистор будь — якої з серій КТ315, КТ312, КТ342, КТ503.

Допустимо застосувати тут і транзистор структури р-п-р (будь-якої з серій КТ208, КТ209, КТ361, КТ502), але в цьому випадку його емітер підключають не до загального проводу, а до плюсового висновку конденсатора СЗ. Так само роблять і з нижнім за схемою висновком випромінювача BQ1. Верхній за схемою вивід резистора R1 з’єднують із загальним проводом.

Описаний датчик чутливий при роботі з рідинами, зрив коливань автогенератора відбувається, як правило, лише в тому випадку, коли пьезоизлуча-тель повністю занурений у рідину.

Внаслідок того, що вода здатна лише знизити частоту резонансу випромінювача приблизно на 25%, а не зірвати коливання генератора шляхом демпфування коливань пьезоизлучателя, датчик рівня рідин повинен бути влаштований трохи інакше (рис.2). Тут автогенератор датчика побудований на елементах DD1.1, DDlr2 і пьезоизлучателе BQ1. Елементи DD1.3, DD1.4 утворюють тригер Шмиттада конденсатор С1 і резистори R3 і R4 — перехідну ланцюг.

Рис.2.

Інформаційний вхід D тригера DD2.1 з’єднаний з власним інверсним виходом, тому тригер виділяє період повторення імпульсів на вході С (на виході тригера Шмітта). Тригер DD2.2 грає роль елемента порівняння поточного значення згаданого періоду повторення з зразковою тривалістю, зарядки конденсатора С4 через резистор R8. Дифференцирующая ланцюг C5R9 служить для передустановки в одиничний стан тригер DD2.2 після включення живлення.

Коли контрольований рівень рідини нижче норми, частота автогенератора висока, тому конденсатор С4 за період не встигає зарядитися настільки, щоб тригер DD2.2 переключився сигналом на вході З в одиничний стан. На виході 1 пристрою буде низький рівень напруги, а на виході 2 — високий.

Коли рівень рідини досягне нижньої площини датчика — пьезоизлу-чателя BQ1, частота автогенератора знизиться, а конденсатор С4 за період буде встигати заряджатися до такої напруги, при якому тригер DD2.2 переключиться з нульового стану в одиничний. На виходах пристрою відбудеться зміна рівнів.

Чіткість спрацьовування пристрою забезпечена фізичними властивостями самої рідини. Так, обволікання нижній площині пьезоизлучателя піднялася рідиною і відповідне зниження частоти автогенератора відбуваються досить різко, причому незалежно від того, добре чи погано змочує вона цю межу.

Так само різко відбувається і розрив контакту між випромінювачем і поверхнею рідини при опусканні її рівня. Важливо, що залишкова рідинна плівка на нижній площині датчика майже не змінює його резонансної частоти. Величина рідинного «гістерезису» спрацювання за частотою залежить головним чином від в’язкості і температури рідини і змочуваності площині датчика.

Резистор R8 необхідно підібрати. Спочатку вимірюють частоту прямокутних імпульсів на виході елемента DD1.4, коли пьезоизлучатель BQ1 знаходиться в повітрі; припустимо, вона буде дорівнює 2500 Гц. Потім знову вимірюють частоту імпульсів, коли нижня площина пьезоизлучателя BQ1 контактує з поверхнею контрольованої рідини; нехай частота знизилася до 2000 Гц. Тоді опір резистора R8 має бути таким, щоб перемикання тригера DD2.2 з нульового стану в одиничний і назад відбувалося при середній частоті — 2250 Гц. Тим самим буде певною мірою усунуто вплив на поріг спрацьовування датчика напруги, температури і деякого зміни властивостей рідини. При добірці резистора R8 вхід С тригера DD2.1 на час відключають і подають на нього прямокутні імпульси відповідної частоти від зовнішнього генератора. За відсутності «гістерезису» момент спрацьовування тригера DD2.2 по частоті буде супроводжуватися деяким «дребезгом». Не слід звертати на це уваги — він повністю зникне після відновлення порушеного з’єднання.

Як вже було сказано, ланцюг C5R9 встановлює тригер DD2.2 в одиничний стан відразу ж після подачі живлення. Тим самим запобігають випадки помилкового короткочасного включення виконавчого механізму.

Автор: НЕВІДОМО

Короткий опис статті: датчики рівня рідини

Джерело: Безконтактні датчики рівня води

Також ви можете прочитати