Обзор цифровых устройств контроля уровня

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Обзор цифровых устройств контроля уровня

датчик мультивибратор транзистор

1.1 Датчик контроля уровня воды

Датчик контроля уровня воды (рисунок 1) - устройство, которое контролирует уровень воды в емкости и при необходимости включает насос. Область применения такого устройства достаточно обширна: например его можно использовать в мелких бытовых устройствах типа бойлеров если возникла необходимость переделать схему в случае отсутствия родных комплектующих или, к примеру, для наполнения емкостей при создании самодельной водонапорной башни если возникла необходимость подключить стиральную машинку-автомат в частном доме.

Похожая схема автоматической подачи воды на КМОП микросхемах используется в бойлерных системах дорогих кофе-машин. Когда вода опускается ниже контактных групп, с небольшой задержкой 1-2 секунды возобновляется подача воды в бойлер, далее происходит нагрев бойлера через термостат. Электронная задержка выставлена в схеме для устранения дребезга в реле и меньшего износа помпы.

Благодаря использованию КМОП микросхемы коррозия контактных групп исключена из-за очень малых микротоков и большого входного сопротивления. Не надо изобретать схемы на транзисторах и ОУ, с такой задачей хорошо справляется микросхема 561ТЛ1 . Собранная схема работает надёжно и довольно долго.

Рисунок 1. Датчик контроля уровня воды

1.2 Датчик уровня воды на микросхеме NE555

Схема простого и очень надежного прибора за контролем уровня воды в баке, емкости, резервуара. В устройстве (рисунок 2) используется 6 транзисторов, один таймер IC NE555 (аналог КР1006ВИ1), электромагнитное реле и несколько пассивных компонентов, оно полностью автоматическое, позволяет включать двигатель насоса, когда уровень воды в емкости бака опускается ниже заданного уровня и выключает насос, когда уровень воды в баке, емкости наполнится и достигнет максимальной отметки.

Зонд D расположен в самом низу резервуара, в то же время, зонды В и С помещены в средней части резервуара, соответственно определяют заполнение водой наполовину и выше среднего уровня бака. Сенсорная часть схемы выполняется на транзисторах Q1, Q2 и Q3.

Когда уровень воды находится ниже датчиков А, В и С, транзисторы Q1, Q2 и Q3 в закрытом состоянии. При повышении уровня воды зонды по очереди оказываются в воде, соответствующие транзисторы открываются. Резисторы R1, R2, R3 ограничивают ток базы данных транзисторов, а резисторы R4, R5, R6 ограничивают их ток коллекторов. Загорание соответствующих светодиодов D1, D2 и D3 сигнализируют об уровне воды.

Когда уровень воды уменьшится и станет ниже датчика, транзистор Q2 переходит в закрытое состояние, и на его коллекторе появляется высокий положительный потенциал, коллектор Q2 подключен к базе транзистора Q6, в результате транзистор Q6 открывается. Транзистор Q5 остается в прежнем состоянии, т.к. база подключена к коллектору Q4 который в настоящее время закрыт. В тот момент, когда уровень воды опустится ниже датчика среднего уровня, реле К1 активизируется и насос запускается. Реле продолжает находится во включенном состоянии, так что даже если уровень воды поднимется выше среднего уровня, насос остается включенным, до тех пор пока резервуар полностью не заполнится (при этом используются контакты N/O реле К1).

Включенные контакты реле замыкают эмиттер с коллектором Q6, чтобы отключить реле К1 необходимо закрыть транзистор Q5, это произойдет автоматически, когда уровень воды достигнет максимального уровня.

Коллектор транзистора Q1 подключен к выводу 2 триггера IC1. Когда уровень воды достигнет максимального уровня - транзистор Q1 открывается, в результате этого коллектор подтягивается к земле, тем самым запускается IC1, с вывода 3 в течении 1S напряжение высокого уровня открывает транзистор Q4 и закрывается Q5, в результате реле К1 выключается, двигатель останавливается. Это состояние продолжается до тех пор, пока уровень воды снова не опустится ниже среднего уровня.

Резистор R8 подключен к «+» источника, при подаче на вывод 4 напряжения низкого уровня (менее 0,7в) таймер переходит в исходное состояние. Электролитический конденсатор C3 формирует импульс, отрицательным фронтом запускается микросхема NE555 в режим моностабильного мультивибратора.

Резисторы R10 и R12 ограничивают ток коллектора транзисторов Q4 и Q5, а R9 и R11 ограничивает ток базы. R13 ограничивает ток базы Q6, диод D4 шунтирующий, который защищает транзистор при переключении.

Рисунок 2. Датчик уровня воды на микросхеме NE555

1.3 Автомобильный датчик уровня охлаждающей жидкости

Некоторые автомобили не оснащены приборами, контролирующими уровень охлаждающей жидкости, а водители, зачастую, забывают проверять этот уровень визуально, и если в радиаторе или соединительных шлангах образовалась течь, это может привести к перегреву двигателя.

Если уровень охлаждающей жидкости в бачке понизится до нижней отметки установленного электрода, то есть начнет пропадать контакт между электродом и тосолом, схема (рисунок 3) включит контрольную лампу, которую можно установить где-нибудь в районе приборной панели авто. С небольшой переделкой контрольную лампу можно заменить звуковыми излучателями, например ТК-47, или ТЭГ.

Основа прибора - мультивибратор с одним устойчивым состоянием на транзисторах Т2 и Т3. Его нагрузкой служит сигнальная лампа Л7. Транзистор Т4 способствует более четкой фиксации рабочего состояния (открыт - закрыт) транзистора Т2.

Когда щуп в радиаторе погружен в воду, на базу транзистора Т1 поступает напряжение смещения и он открыт. При этом база и эмиттер транзистора Т2 имеют одинаковый потенциал и этот транзистор будет закрыт. В результате мультивибратор не работает, а сигнальная лампа Л1 обесточена. Диод Д1 защищает базу транзистора T2 от перенапряжений.

При понижении уровня воды в радиаторе, щуп оказывается в воздухе. В результате этого транзистор Т1 закрывается, а Т2 открывается. Теперь мультивибратор будет работать с частотой, определяемой постоянной времени цепочки R4 С1 (около 2 гц). Сигнальная лампа Л1 будет вспыхивать с той же частотой, привлекая внимание водителя.

Конденсатор С1 должен быть бумажным, так как при работе полярность заряда на нем изменяется на обратную. Щуп изготовляют из нержавеющей стали, а пробку для щупа из пластмассы с высокой температурой плавления. Для этих целей можно применить нейлон, фторопласт или лавсан.

В устройстве следует применять только кремниевые транзисторы и диоды. Например, транзисторы Т1, Т2 можно взять типа МП116, T3 - КТ602 и Т4 - КТ315 с любым буквенным индексом. Диод типа Д103 или Д106 с любым буквенным индексом.

Рисунок 3. Автомобильный датчик уровня охлаждающей жидкости

1.4 Датчик уровня жидкости на микросхеме К561ЛА7

Предполагается, что в качестве датчика будут использоваться два металлических стержня погружаемых в жидкость.

Работа датчика основана на способности большинства жидкостей проводить электрический ток.

Высокая чувствительность датчика обеспечивается использованием логической микросхемы КМОП, основой которой являются униполярные (полевые) транзисторы с изолированным затвором. Применённая в устройстве микросхема К561ЛА7 содержит четыре элемента «И-НЕ».

На элементах DD1.1 и DD1.2 собран генератор прямоугольных импульсов, работающий на частоте около 3-х Гц. На картинке эпюра снятая на 4-той ножке микросхемы. Генератор, собранный на элементах DD1.3 и DD1.4, работает на частоте около 1кГц. Эпюра с 11-той ножки микросхемы.

Работает схема следующим образом. Когда погружаемый датчик соприкасается с жидкостью, конденсатор C1 заряжается и запускает генератор DD1.1 - DD1.2, который, в свою очередь, каждые 350 миллисекунд запускает генератор на DD1.3 - DD1.4. В результате на выходе устройства появляется прерывистый звуковой сигнал, эпюра которого изображена на картинке. Чувствительность устройства можно отрегулировать подбором резистора R1. Чем больше его величина, тем выше чувствительность. Конденсатор C1 защищает высокоомный вход микросхемы от помех. Транзистор VT1 на схеме приведённой выше - составной. Его можно заменить двумя транзисторами VT1, VT2. Напряжение питания схемы 3… 15 Вольт. Если напряжение питания выше 5 - 6 Вольт, то можно ограничить ток транзистора и динамика, включив последовательно с динамической головкой балластный резистор.

Рисунок 4. Датчик уровня жидкости на микросхеме К561ЛА7

1.5 Электронный уровнемер

Электронные уровнемеры позволяют контролировать объем воды или водных растворов, в том числе и умягченной воды, которая используется в системах отопления. Принцип действия уровнемеров основан на значительном уменьшении сопротивления между контактами датчика при погружении их в жидкость.

Датчики уровней размещены на цилиндрической трубе из диэлектрического материала. Каждый датчик выполнен из двух полосок медной фольги шириной 10 мм, отстоящих друг от друга на расстоянии 10...20 мм. Одна из полосок подключена к общему проводу, другая -- ко входу уровнемера. На трубе размещены шесть датчиков. Провода от датчиков пропущены внутри трубы и подключены к кабелю с помощью семиконтактного разъема. Благодаря такой конструкции один индикаторный блок можно использовать с различными датчиками.

Каждый датчик откалиброван на свой объем жидкости и подключен к индикаторному блоку кабелем, изготовленным из семи проводов ПЭВ-2 диаметром 0,3...0,5 мм. В авторском варианте длина кабеля достигала 50 м. Поскольку блок индикации работает при постоянном напряжении на логических входах и имеет большое входное сопротивление, принципиальных ограничений на длину кабеля не существует.

При повторении конструкции можно использовать любые КМОП микросхемы, элементы которых включены как инверторы, например, К561ЛА7. Необходимо только изменить разводку проводников печатной платы и количество контролируемых уровней в соответствии с числом инверторов в микросхеме. Допустимо использовать и несколько микросхем для увеличения числа контролируемых уровней.

С микросхемами ТТЛ серий, например, К155 или К555 предложенный уровнемер работать не будет, поскольку эти микросхемы требуют значительного входного тока. Номиналы резисторов на входе инверторов допустимо изменять в широких пределах: R1 -- R6 -- от 5 до 100 кОм; R7 -- R12 -- от 100 до 750 кОм. Емкость конденсаторов СЗ -- С8 должна быть достаточной для ослабления импульсных помех и сетевых наводок. Она может достигать 1 мкФ. Резисторами R13 -- R18 устанавливают желаемую яркость светодиодов HL1 -- HL6, в качестве которых подойдут любые светодиоды, излучающие свет в видимой области спектра и обеспечивающие достаточную яркость при потребляемом токе не более 10 мА.

Дополнить и усовершенствовать блок индикации позволяет установка дешифратора и семисегментного индикатора. Поскольку стандартных дешифраторов для отображения состояния датчиков, соответствующих приведенной схеме, нет, то в качестве дешифратора решено было использовать микросхему РПЗУ К155РЕЗ. При этом число контролируемых датчиков сократилось до 5 (в соответствии с разрядностью адресной шины микросхемы).

Система датчиков и входных буферных элементов, в качестве которых служат инверторы микросхемы DD1, аналогична использованной в первом варианте уровнемера. На вход дешифратора, собранного на микросхеме DD2, данные поступают с выходов DD1. В соответствии с прошивкой, представленной в таблице, на семисегментном индикаторе HL1 отображается информация о максимальном уровне воды в резервуаре. Поскольку микросхема РПЗУ К155РЕЗ, использованная в данной конструкции, критична к напряжению питания, устройство, представленное на рис. 3, следует питать от источника стабильного напряжения 5 ± 0,25 В. В режиме индикации потребляемый ток достигает 100 мА, поэтому использовать автономный источник питания нецелесообразно. Для питания индикатора рекомендуется сетевой выпрямитель. На плате уровнемера, предусмотрено место для установки интегрального стабилизатора К142ЕН5, применение которого позволит подключать индикаторный блок к выпрямителю с выходным напряжением до 15 В. В качестве индикатора можно использовать любой семисегментный индикатор с общим катодом. К выходу дешифратора можно подключить также и индикатор с общим анодом. В последнем случае необходимо инвертировать данные в таблице программирования РПЗУ К155РЕЗ и включить токоограничительные резисторы на каждом выходе РПЗУ. Анод индикатора соединяется с плюсовым проводом питания. Дешифратор допустимо выполнить и на РПЗУ других типов и иной емкости, а также на простейших ПЛИС, например, PAL16L8 и аналогичных, без триггеров в выходных цепях.

Рисунок 5. Электронный уровнемер

1.6 Устройство для индикации уровней горячей воды в резервуаре

С этим устройством можно сэкономить на счетах за воду. SW1 является нормально разомкнутым кнопочным выключателем, который подключает индикацию уровня горячей воды в резервуаре. Во время его нажатия напряжение на нагрузке термистора (R7-R10) подается на неинвертирующий вход операционного усилителя и сравнивается с опорным напряжением. Зависящее от нагрева воды в баке сопротивление термистора переключит выход операционного усилителя на напряжение питания, и засветится соответствующий светодиод. Чтобы приклеить круглые термисторы к резервуару используется липкая лента. Провода припаиваются к выводам термисторов и изолируются. Для корпуса устройства используется пластиковая коробка. Термисторы NTC 1-4 должны быть равномерно распределены по высоте резервуара. NTC 1 помещается примерно в 4 дюймах от верхнего уровня резервуара, а другие термисторы равномерно распределены по высоте ниже него. Сенсор, расположенный на дне резервуара, будет показывать уровень доходящей до него горячей воды, и должен быть на высоте 8-10 дюймов от дна. При полном резервуаре воды производится калибровка. P 1-4 устанавливается так, что все светодиоды будут гореть. Датчик на дне резервуара будет показывать максимальный уровень поднимающейся воды. Под «горячей водой» понимается вода температурой от 50 до 80 С, поскольку P 1-4 позволяют задавать опорное напряжение соответствующее данным температурам.

В устройстве используется счетверенный операционный усилитель LM324, но можно использовать любой другой счетверенный операционный усилитель или четыре одиночных. Для R2-R5 используются резисторы номиналом 330 Ом. При меньшем номинале светодиоды будут светиться ярче. Максимальное сопротивление термисторов NTC 1-4 должно быть приблизительно равно сумме постоянного сопротивления и потенциометра.

В схеме используются термисторы с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), которые при нагревании уменьшают свое сопротивление. Сопротивление в холодном состоянии 300 кОм, в нагретом 15 кОм. Можно использовать другие термисторы с отличающимися диапазонами сопротивлений, изменив сопротивления потенциометров P1-P4. R 7-10 токоограничивающие сопротивления, они нужны только если сопротивление ваших термисторов составляет при самых высоких температурах несколько Ом. P1-P4 выбираются близкими к сопротивлению термисторов в холодном состоянии. R1 и R6 одинаковые, и обеспечивают смещение инвертирующих входов операционных усилителей на напряжение, равное половине напряжения источника питания.

Рисунок 6. Устройство для индикации уровней горячей воды в резервуаре

1.7 Звуковой индикатор уровня жидкости на регулируемом стабилитроне TL431

Интегральный стабилизатор TL431 применяется в основном в блоках питания. Однако, для него можно найти еще немало применений. В трехвыводном корпусе этой микросхемы спрятано 10 транзисторов, а функция, выполняемая ею, одинакова с обычным стабилитроном (диод Зенера). Но за счет подобного усложнения микросхема обладает более высокой термостабильностью и повышенной крутизной характеристики. Главная же ее особенность в том, что при помощи внешнего делителя напряжение стабилизации можно изменять в пределах 2,5…30 В. У последних моделей нижний порог составляет 1,25 В.

На микросхеме TL431 возможно собрать звуковой индикатор уровня жидкости. Для контроля уровня жидкости, например воды в ванне, к схеме подключается датчик из двух нержавеющих пластин, которые расположены на расстоянии нескольких миллиметров друг от друга.

Когда вода достигнет датчика, его сопротивление уменьшается, а микросхема через резисторы R1 R2 входит в линейный режим. Поэтому возникает автогенерация на резонансной частоте пьезокерамического излучателя НА1, на которой и зазвучит звуковой сигнал.

В качестве излучателя можно применить излучатель ЗП-3. питание устройства от напряжения 5…12 В. Это позволяет питать его даже от гальванических батарей, что делает возможным использование его в разных местах, в том числе и в ванной.

Основная область применения микросхемы TL434, конечно же, блоки питания. Но только этим возможности микросхемы не ограничиваются.

Рисунок 7. Звуковой индикатор уровня жидкости на регулируемом стабилитроне TL431

1.8 Автомат контроля уровня воды в резервуаре

В основе схемы RS-триггер на элементах микросхемы D1. Когда в котле уровень воды ниже минимального контакты обоих датчиков замкнуты, так как поплавки вывешены. При этом на выходе элемента D1.3 логическая единица, которая устанавливает триггер в состояние единицы. Напряжение высокого логического уровня с выхода D1.1 проходит на базу транзистора VT1 и открывает его. Реле K1 замыкает контакты и подключает к сети погружной насос. Начинается пополнение котла. Постепенно уровень воды поднимается. Поднимается поплавок датчика E2 и его контакты замыкаются. Но триггер остаётся в единичном состоянии и накачка воды продолжается. С дальнейшим накачиванием вода достигает максимального уровня, при котором поднимается поплавок датчика Е1 и его контакты размыкаются. Через резистор R1 напряжение высокого логического уровня от положительной шины питания поступает на вывод 1 D1.1. Триггер переключается в нулевое состояние. Напряжение на выходе D1.1 падает до низкого логического уровня. Транзистор VT1 закрывается и реле K1 выключает насос.

Когда происходит отток воды из котла в систему водопровода уровень воды начинает снижаться. Сначала вывешивается поплавок датчика Е1. Но насос ещё не включается. Включение насоса происходит при вывешивании поплавка датчика Е2. То есть, насос включается, когда оба датчика замкнуты (оба поплавка вывешены), а выключается когда оба поплавка погружены (оба датчика разомкнуты). В промежуточных положениях (один замкнут, другой разомкнут) установившееся состояние не меняется. Кнопки S1 и S2 служат для ручного управления. Кнопкой S1 можно включить подачу воды раньше чем будет вывешен поплавок датчика Е2. Кнопкой S2 можно выключить подачу воды. Если кнопка S2 будет с фиксацией, включив её можно полностью заблокировать насос. От кнопок можно отказаться вовсе. Конденсатор С1 в момент включения питания устанавливает триггер в ноль, чтобы насос сам не включился из-за сбоя при перебоях в электропитании.

Схема питается от сети через маломощный силовой трансформатор Т1. Здесь используется популярный китайский трансформатор марки «ALG» с вторичной обмоткой 9-0-9 V на ток не ниже 150 mA. Средний отвод обмотки не используется. На выходе моста VD2 на конденсаторе С3 выделяется напряжение около 22-24 V. Номинальным напряжением питания отмотки реле F40.51 является 24 V, но уверенное срабатывание начинается уже с 15-16 V. Диод VD3 защищает транзистор от выброса ЭДС самоиндукции обмотки реле. Микросхема питается напряжением 13 V от параметрического стабилизатора на стабилитроне VD1 и резисторе R6. Последовательно R6 включён индикаторный светодиод HL1, индицирующий включенное состояние схемы. Светодиод HL2 индицирует включённое состояние насоса.

Источник питания можно сделать по другой трансформаторной схеме. Необходимо чтобы на выходе выпрямителя было постоянное напряжение обеспечивающее уверенное срабатывание реле. Например, если реле с обмоткой на 12 V, то и напряжение питания можно опустить до 12 V. Использовать в данной схеме бестрансформаторный источник категорически нельзя, так как под потенциалом сети окажется водопроводная система. Это может привести к поражению током. По этой же причине нельзя использовать вместо реле ключевые тиристорные или транзисторные схемы с гальванической связью с схемой управления (можно только при управлении через оптопару).

Детали. Микросхему К561ЛЕ10 можно заменить на К176ЛЕ10. Стабилитрон на КС512, КС513. Светодиоды - индикаторные постоянного свечения (не мигающие) любого типа, марки и цвета. Диодный мост КЦ407 можно заменить практически любым или сделать его практически на любых диодах общего применения. Диод VD2 - практически любой кремниевый диод малой или средней мощности. Транзистор КТ315Е можно заменить любым транзистором n-p-n общего назначения, например, КТ3102, КТ315, МП35. Реле F40.51 можно заменить любым реле с обмоткой на 24 V, контакты которого подходят под мощность насоса. Если использовать реле с обмоткой на меньше напряжение, нужно последовательно обмотке включить резистор, на котором будет падать избыток. Например, при обмотке на 12 V сопротивление такого резистора должно равняться сопротивлению обмотки реле постоянному току. Если ток обмотки реле более 80 mA нужно переделать ключ на VT1 под соответствующий ток, возможно, сделать этот каскад на составном транзисторе или на полевом мощном транзисторе.

При использовании вместо реле симисторной оптопары светодиод оптопары включается вместо обмотки реле через токоограничительный резистор, сопротивлением соответственно номинальному току через светодиод используемой оптопары.

Рисунок 8. Автомат контроля уровня воды в резервуаре

2. Расчет выбранной схемы

Схема автомата контроля уровня воды (рисунок 8) в резервуаре является наиболее универсальной, так как в ней все процессы контроля над уровнем жидкости происходят автоматически, без дополнительного участия человека. Этот автомат предназначен для поддержания уровня воды в котле, не допуская его опустошения и переполнения. Обычно в таких схемах применяют контактные датчики, замыкающиеся через сопротивление воды. Но протекание тока через эти контакты в среде солей имеющихся в воде приводит к их коррозии и к насыщению воды ионами металла, из которого сделаны эти контакты. Этот автомат прост в изготовлении и построен на цифровой микросхеме К561ЛЕ10.

2.1 Расчет трансформатора ALG

Мощность, потребляемая трансформатором из сети, определяется по формуле:

(1)

где Р - мощность нагрузки

- КПД трансформатора

- напряжение вторичной обмотки

- ток вторичной обмотки.

Поперечное сечение сердечника определяется по следующей формуле:

где S - поперечное сечение сердечника.

Число витков обмотки, требуемое на напряжение 1В определяется по формуле:

Определяем число витков вторичной обмотки:

где - число, на которое надо увеличить число витков вторичной обмотки для компенсации падения напряжения в ней.

Определяем число витков первичной обмотки:

где - напряжение первичной обмотки.

Диаметр провода вторичной обмотки рассчитывается по формуле:

Диаметр провода первичной обмотки рассчитывается по формуле:

2.2 Расчет диодного моста

Максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста:

где - максимальный ток нагрузки

C - коэффициент, зависящий от тока нагрузки. С = 2,2

Обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя рассчитывается по формуле:

где - напряжение на нагрузке

Емкость конденсатора фильтра рассчитывается по формуле:

где - коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

2.3 Расчет стабилитрона

Определяем напряжение падения на балластном резисторе (R) как разность входного и выходного стабилизированного напряжения:

где - входное напряжение

- выходное напряжение

Используя закон Ома, определяем номинал балластного сопротивления R, деля напряжение падения Uпад на Iст стабилитрона:

где - ток стабилизации

Определяем мощность балластного резистора R:

Так как через резистор протекает не только ток стабилизации стабилитрона но и ток потребляемый нагрузкой, то полученное значение увеличиваем минимум в 2 раза:

Размещено на Allbest.ru