Индикатор уровня воды

[Admin]

Индикатор уровня воды

С. БИРЮКОВ, г. Москва

Ранее в двух статьях автор описал измеритель уровня воды с ёмкостным датчиком и цифровой индикацией ("Измеритель уровня воды" — в "Радио", 2016, № 7, с. 49, 50 и в "Радио", 2020, № 4, с. 60, 61). Датчик был выполнен из полос алюминиевой фольги, наклеенных на внешнюю поверхность пластмассовой бочки. В более поздней публикации другого автора (Кравцов В. "Ёмкостный уровнемер электропроводящих жидкостей с линейной шкалой" — в "Радио", 2023, № 9, с. 47—50) предложен индикатор уровня воды с ёмкостным датчиком из металлопластиковой трубы, обычно применяемой в системах водоснабжения. В предлагаемой статье описан индикатор с таким же датчиком, но существенно более простой по схеме.


Схема предлагаемого индикатора приведена на рис. 1. На компараторе DA1.1 собран генератор длинных импульсов с короткими паузами между ними. Частота повторения импульсов — 10 кГц, длительность пауз — 8 мкс. Во время пауз с выхода DA1.1 через диод VD2 разряжается ёмкость датчика Сд, которая во время импульсов заряжается током через резисторы R7 и R8.
ёмкости датчика уровня Сд, при этом на прямой вход компаратора DA1.2 поступает напряжение с делителя R9R10, на инверсный — меньшее напряжение с заряжающейся ёмкости датчика, и на его выходе напряжение близко к напряжению питания.
При ёмкости датчика Сд = 1000 пФ, соответствующей заполненной бочке, постоянная времени зарядки при сред
нем положении движка R7 равна:
т = (R7/2 + В8)-Сд = 105-10’9 = = 100 мкс, что соответствует периоду следования выходных импульсов генератора на компараторе DA1.1.
На рис. 2 приведены временные диаграммы работы устройства. Начало отсчёта времени совпадает с началом паузы на выходе DA1.1.

За счёт положительной обратной связи через резистор R11 компаратор DA1.2 работает в режиме инвертирующего триггера Шмитта с порогом переключения Unop, равным половине напряжения питания. Пока напряжение на ёмкости датчика ниже этого уровня, на его выходе напряжение близко к напряжению питания (жёлтая линия). Когда напряжение на входе (синяя линия) пересекает указанный уровень, триггер Шмитта переключается, напряжение на его выходе становится близким к нулю.
Время, требующееся для зарядки ёмкости датчика до срабатывания триггера Шмитта, прямо пропорционально этой ёмкости и соответственно измеряемому уровню воды.
Таким образом, на выходе DA1.2 формируются импульсы, длительность которых прямо пропорциональна уровню воды. При ёмкости датчика Сд = 1000 пФ и пороговом напряжении триггера Шмитта, равном половине напряжения питания, коэффициент заполнения импульсов составит In 2 « 0,7.
Цепь R13C2 с постоянной времени 220 мс усредняет напряжение, и на конденсаторе С2 формируется постоянное напряжение, прямо пропорциональное уровню воды. При ёмкости датчика 1000 пФ оно равно примерно 0,7 от усилителя после сглаживающей цепи не требуется.
В качестве индикатора использована линейная матрица из десяти светодиодов, приобретённая в АлиЭкспрессе в составе комплекта с микросхемой LM3914N-1 и некоторыми другими деталями, включая печатную плату, для сборки индикатора степени заряженное™ Li-Ion аккумулятора или батареи.
Как показано выше, порог индикации верхнего уровня воды должен быть 0,7 от напряжения питания. Он задаётся на входе RHI (верхний вывод внутреннего делителя напряжения микросхемы DA2) резисторами R14—R16. "Подставка" компенсируется подстройкой резистора R16, задающего напряжение на входе LRO (нижнем выводе внутреннего делителя).

Встроенный в микросхему DA2 источник образцового напряжения не используется, поскольку пороги должны быть пропорциональны напряжению питания, а не стабилизированными.
Ток через светодиоды задаёт резистор R17, его сопротивление вычисляют по формуле 1Сд = 12,5 / R17. Для указанного на схеме сопротивления 2,2 кОм ток через светодиоды равен 5,7 мА.
Вывод 9 (С/Т) микросхемы DA2 подключён к линии питания, в результате в индикаторе включается "столбик" из светодиодов, его высота соответствует измеряемому уровню. Если этот вывод оставить неподключённым, будет светить только один светодиод, соответствующий измеряемому уровню воды.
В устройстве использованы постоянные резисторы МТ, МЛТ и их импортные аналоги, R7 — многооборотный, из упомянутого выше комплекта, R16 — СПЗ-19а. Конденсатор С1 — КМ5, С2 и СЗ — КМ6. Микросхема LM393N может быть заменена на К1401 САЗ или КР1040СА1. Существуют отечественные микросхемы К1003ПП1 — К1003ПП4, работающие аналогично LM3914N-1, но схемы их включения отличаются. Конструкции с использованием таких микросхем описаны в журналах "Радио" и "Схемотехника", например [2, 3].
Диоды VD2 и VD3 должны иметь различающееся не менее чем на 20 мВ падение напряжения при токах 10 мкА... 1 мА. Проверить это можно с помощью цифрового мультиметра, имеющего режим контроля диодов. При работе в этом режиме на табло мультиметра индицируется падение напряжения на диоде при некотором небольшом токе, вполне подходящем для такого измерения. Также можно измерить падение напряжения на диодах с помощью прибора Меда328 или любого другого аналогичного.
Вполне возможно, что из нескольких однотипных диодов можно подобрать такую пару, но если использовать диоды указанных на схеме типов, подбор не требуется. Использованные автором, взятые случайным образом, диоды имели разность падений напряжения около 80 мВ.

Если не устанавливать диод VD3, "подставка" существенно увеличивается, поскольку длительность импульсов на выходе компаратора DA1.2 суммируется с длительностью пауз на выходе DA1.1.
Все детали устройства установлены на печатной плате размерами 65x50 мм из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, чертёж которой приведён на рис. 3, фотография собранной платы — на рис. 4. Со стороны печатных проводников между выводами 2 и 8 микросхемы DA2 необходимо припаять перемычку из изолированного провода, показанную на виде расположения деталей штриховой линией. Для подключения источника питания и датчика в плату впаяны штыревые контакты диаметром 1 мм от разъёма 2РМ. При установке индикатора следует обратить внимание на полярность светодиодов. В имевшемся у автора экземпляре плюсовые выводы светодиодов были со стороны корпуса, на которой нанесена маркировка. Нумерация выводов HL1 на схеме рис. 1 условная, поскольку на использованном индикаторе первый вывод в явном виде не обозначен.
Индикатор HL1 впаян со стороны печатных проводников, это облегчает налаживание прибора при установленной в корпус печатной плате.
Можно, аналогично [1], собрать устройство на двух платах, при этом основная плата может быть уменьшена до размеров 50x35 мм, а для установки DA2, резисторов R14—R17 и индикатора целесообразно использовать доработанную плату из упомянутого выше комплекта.

Устройство собрано в пластмассовом корпусе с габаритными размерами 100x60x25 мм, купленном там же (рис. 5).
Налаживание устройства не сложно. Удобно использовать вместо датчика конденсатор ёмкостью, соответствующей почти полной бочке. Необходимо подключить его к входу устройства и, вращая движок подстроечного резистора R7 от максимального сопротивления в сторону уменьшения, добиться погасания светодиода, соответствующего максимальному уровню (подключён к выводу 10 DA2). Далее, вращая движок в противоположную сторону, снова зажечь этот светодиод.
Затем при подключении конденсатора ёмкостью, соответствующей пустой бочке, вращением движка резистора R16 необходимо добиться зажигания светодиода, подключённого к выводу 1 DA2, и вращая движок в противоположную сторону, погасить его.
В связи с тем что регулировки взаимосвязаны, рекомендуется повторить вышеописанные операции. Если ёмкость датчика при полной бочке значительно отличается от 1000 пФ, необходимо обратно пропорционально ей изменить суммарное сопротивление резисторов R7 и R8.

Осциллограмма работы изготовленного устройства, приведённая на рис. 6, повторяет кривые на рис. 2, небольшое отличие заключается в том, что разрядка ёмкости датчика происходит не до нуля, а до падения напряжения на диоде VD2, равного 0,6...0,7 В.

Для питания устройства не обязательно использовать источник напряжением 12 В, поскольку компараторы микросхемы LM393N и драйвер LM3914N-1 не критичны к напряжению питания, а при изменении напряжения питания и сигнал, и пороги драйвера изменяются пропорционально. Можно, например, использовать стабилизированный адаптер на 5 В или 9 В.

Интересно сравнить устройства с разными датчиками и индикаторами, например, [4] и описываемое в этой статье. Датчик в устройстве [4] проще в изготовлении, но не может быть использован в случае металлической ёмкости для воды. Его преимуществом является возможность простого исключения влияния взаимной ёмкости проводников к датчику — при значительном расстоянии измерителя от контролируемого объёма достаточно использовать экранированный провод в качестве приёмного. При использовании описываемого здесь устройства или устройства из [1] ёмкость провода к датчику суммируется с ёмкостью датчика и увеличивает "подставку", которую необходимо компенсировать.

Цифровая индикация в устройстве [4] позволяет легко отслеживать наполнение и слив жидкости благодаря высокой разрешающей возможности индикатора, но при наличии "подставки" требует специального схемотехнического решения. Светодиодная индикация с разрешающей способностью 10 % от полного объёма в этом отношении значительно хуже, поэтому описываемые здесь и в [1] устройства едва ли можно назвать измерительными; это, скорее всего, индикаторы.
Если учесть, что стоимость трёхразрядного цифрового измерителя в АлиЭкспрессе примерно равна стоимости упомянутого выше комплекта (микросхема LM3914N-1 + линейный индикатор), вполне целесообразно использование именно цифровой индикации. Однако следует помнить, что входное сопротивление цифрового измерителя на много порядков меньше, чем у LM3914N-1, поэтому потребуется буферный каскад, на который можно будет также возложить компенсацию "подставки".

ЛИТЕРАТУРА

1. Кравцов В. Ёмкостный уровнемер электропроводящих жидкостей с линейной шкалой. — Радио, 2023, № 9, с. 47—50.
2. Бирюков С. Два вольтметра на К1003ПП1. — Радио, 2001, № 8, с. 32, 33.
3. Христофоров С. Автомобильный тахометр на К1003ПП1. — Схемотехника, 2001, № 10, с. 8.
4. Бирюков С. Измеритель уровня воды. — Радио, 2020, № 4, с. 60, 61.