Измеритель уровня жидкости схема

Один из них длиной H заполнен жидкостью, а второй длиной l-H — воздухом с диэлектрической проницаемостью, равной 1. Если жидкость, в которую погружается датчик, электропроводна или агрессивна, электроды датчика необходимо защитить от непосредственного соприкосновения с нею, нанеся на них по возможности тонкий слой изоляции. В рассматриваемом случае было решено ограничиться защитой внутреннего электрода, изготовив его из изолированного провода.

В нём имеются генератор, частота колебаний которого определяется ёмкостью датчика уровня, и микроконтроллер для обработки сигнала. Ёмкость датчика служит одним из элементов колебательного контура генератора. Поэтому по мере заполнения датчика жидкостью частота колебаний генератора снижается. Микроконтроллер измеряет частоту, затем по её значению и известной индуктивности контура вычисляет его ёмкость, а по ней глубину погружения датчика в жидкость.

Последовательность действий в этом случае тоже очень важна. Альтернативой могло бы стать представление чисел в формате с плавающей запятой, но это значительно замедлило бы работу восьмиразрядного микроконтроллера и чрезмерно увеличило объём его программы. Относительная диэлектрическая проницаемость жидкости, заполняющей датчик, программа определяет по формуле. При кратких нажатиях на кнопку SB3 "Р" режим программа обеспечивает последовательный перебор четырёх режимов измерения: При нажатиях длительностью более 2 с поочерёдно устанавливаются пять калибровочных режимов, которые будут описаны ниже.

Разрешаются прерывания по переполнению регистра таймера TMR1. Измерение частоты выполняется описанным выше методом с извлечением младшего байта результата из предварительного делителя. Более подробное описание этого метода, ставшего почти классическим для микроконтроллеров семейства PIC, можно найти в [4]. Конечно, он был разработан в своё время для микроконтроллеров, имевших всего один восьмиразрядный таймер с восьмиразрядным предварительным делителем частоты.

Ввиду того что число выводов микроконтроллера ограничено, кнопки SB1 — SB3 пришлось подключить к линиям порта B, уже использованным для управления индикатором. Чтобы совместить две функции, программа каждые 0,2 с на очень короткое несколько десятков микросекунд время устанавливает на линиях RA0—RA3, RB2—RB5 высокие уровни напряжения, выключая этим индикаторы, а линии RB1, RB6 и RB7 перенастраивает с вывода на ввод сигналов. Теперь уровни на этих входах зависят от состояния соединённых с ними кнопок высокий — кнопка нажата, низкий — кнопка не нажата.

Индикация организована по классическому динамическому принципу. Элементы индикаторов включаются в зависимости от уровней, устанавливаемых программой на линиях RB1—RB7.

При расчётах такой конденсатор следует представлять двумя, соединёнными последовательно. Первый — заполненный воздухом или измеряемой жидкостью с внутренней обкладкой, диаметр которой равен диаметру провода по изоляции. Второй — с внешней обкладкой такого же диаметра и внутренней с диаметром, равным диаметру провода по меди.

Полученное значение обрабатывается цифровым фильтром для уменьшения влияния случайных помех. По нему программа вычисляет ёмкость датчика, а затем глубину погружения датчика в жидкость или её относительную диэлектрическую проницаемость.

Потребляемый ток — до мА. Прибор включают выключателем SA1. Дроссели L1 и L2 предназначены для устранения паразитной связи между генератором и измерителем через источник питания. Кварцевый резонатор ZQ1 и конденсаторы С1 и С4 — элементы тактового генератора микроконтроллера. Это сделано для того, чтобы наводки на этот вход, имеющий высокое входное сопротивление, не приводили к неожиданным перезапускам микроконтроллера.

Параллельно выходу генератора к входу RA4 подключён вывод RB0 микроконтроллера. По завершении этого интервала программа переводит RB0 в режим выхода, низкое выходное сопротивление которого блокирует прохождение через резистор R6 импульсов генератора. Каждый из этих импульсов увеличивает на единицу содержимое регистра предварительного делителя таймера, пока этот регистр не переполнится, что фиксируется по увеличению на единицу содержимого основного счётного регистра.

Полученное усреднённое значение используется в дальнейших вычислениях. Такое усложнение вычислений необходимо для того, чтобы их результаты, в том числе промежуточные, представлялись целыми числами, не выходящими за пределы разрядной сетки микроконтроллера.

Если подставить в эту формулу значения констант и выразить длину конденсатора в миллиметрах, то формула для вычисления его ёмкости в пикофарадах примет вид. Цилиндрический конденсатор, погружённый в жидкость на глубину H, меньшую его длины I, можно представить как два конденсатора, соединённых параллельно.

Все действия, за исключением инициализации, выполняются в бесконечном цикле. Процедура инициализации начинается после подачи питания на микроконтроллер. Таймер TMR0 переводится в режим счёта спадающих перепадов импульсов, поступающих на вход RA4 T0CNT , с предварительным делителем на , а таймер TMR1 — в режим счёта с предварительным делителем на восемь внутренних тактовых импульсов, следующих с частотой в четыре раза ниже частоты кварцевого резонатора ZQ1.

Описываемый ниже прибор позволяет измерять глубину погружения датчика в жидкость от 0 до мм с дискретностью 1 мм. Имеется также режим измерения относительной диэлектрической проницаемости жидкости от 1 до Кроме того, на индикатор могут быть выведены текущие значения частоты генератора датчика или другого генератора от 1 до кГц и ёмкости датчика от 1 до пФ.

На выходной разъём XP1 генерируемые импульсы поступают через буферный усилитель на транзисторе VT1. Резистор R8 ограничивает ток транзистора при замыкании в его коллекторной нагрузке.

Таким способом удаётся определить, каким было состояние недоступного программе предварительного делителя в момент окончания счётного интервала времени — младший байт числа импульсов генератора, пришедших на вход TOCKI в течение этого интервала. Далее цикл измерения повторяется. Программа производит инициализацию микроконтроллера, затем измеряет частоту сигнала, поступающего от генератора.

Выбор измеряемого параметра — ручной. Предусмотрена возможность калибровки прибора по глубине погружения, диэлектрической проницаемости и ёмкости. Конструктивно прибор состоит из трёх узлов: Генератор соединён с измерителем трёхпроводным кабелем, по которому подаётся напряжение питания, а обратно в измеритель — генерируемый сигнал. Напряжение его питания 5 В стабилизировано интегральным стабилизатором КРЕН5А DA1 , поэтому внешнее напряжение питания может быть нестабилизированным и находиться в пределах от 9 до 12 В.

А при отключённой ёмкости датчика Cx он возбуждается на частоте около кГц, что соответствует ёмкости контура 20 пФ 15 пФ ёмкости катушки плюс 5 пФ входной ёмкости компаратора и ёмкости монтажа. Схема измерителя, изображённая на рис.

Этот метод заключается в измерении электрической ёмкости между двумя электродами, помещёнными в резервуар с жидкостью, которая покрывает их в большей или меньшей степени. С погружением электродов в жидкость ёмкость образованного ими конденсатора растёт, причём тем сильнее, чем больше относительная диэлектрическая проницаемость жидкости. В основу разработки положена экспериментальная конструкция ёмкостного измерителя уровня жидкости, описанная в [1].

Очень важно подобрать для генератора катушку индуктивности с максимальной добротностью, минимальными собственной ёмкостью и сопротивлением постоянному току. Согласно рекомендациям в [1], применена катушка 09PJ [2] индуктивностью 10 мГн с сопротивлением постоянному току 35 Ом. Собственная резонансная частота катушки — кГц. Это означает, что её собственная ёмкость — около 15 пФ. Добротность этой катушки, измеренная на частоте 79 кГц, не менее С такой катушкой генератор по применённой схеме работает даже с контурной ёмкостью пФ.

Сама трубка по периметру её среза и выступы припаяны к фольге с обеих сторон платы. Длина трубки — мм. В верхней её части сделано отверстие диаметром 2. В качестве внутренней обкладки конденсатора используется отрезок одножильного провода 3 диаметром по меди 0,3 мм в полиэтиленовой изоляции 4 толщиной 0,3 мм.

Диод VD1 предназначен для защиты от переполюсовки питания. Частотозадающим элементом генератора служит колебательный контур, образованный ёмкостью датчика Cx и катушкой индуктивности L1. Компаратор охвачен положительной обратной связью через резистор R3. Рабочая точка компаратора задана делителем напряжения R1R2 и стабилизирована отрицательной обратной связью по цепи R4С4, не пропускающей переменную составляющую выходного напряжения компаратора.

Все детали размещены на одной её стороне, отверстия для их выводов не предусмотрены. Пайка выводов выполнена "внакладку". Противоположная деталям сторона платы полностью покрыта фольгой и используется как общий провод. Эскиз конструкции датчика показан на рис. В дугообразные пазы печатной платы генератора 1 вставлены выступы медной трубки 2 внутренним диаметром 8 мм, служащей внешней обкладкой конденсатора-датчика.

Сегодня можно было бы поступить иначе, используя имеющийся в микроконтроллере PlC16FA разрядный таймер. Но от этого было решено отказаться, так как реализация классического алгоритма на языке C оказалась довольно простой. Для устранения случайных флюктуаций результата измерения применена его двухступенчатая цифровая фильтрация. Её первый этап ограничивает скорость изменения результата. На втором этапе вычисляется среднее арифметическое результатов нескольких последовательных измерений, число которых задано константой S.

Диэлектрик второго конденсатора — изоляция провода. Датчик объединён в один конструктивный узел с генератором. Печатная плата генератора изготовлена из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита по чертежу, показанному на рис.

С периодом около 4 мс выполняются циклы динамической индикации, а каждые мс происходит опрос состояния кнопок управления.

Однако сопротивление этих резисторов выбрано достаточно большим, что делает её практически незаметной. Резистор R4 — нагрузочный для измерительного генератора импульсов. Сигнал, сформированный на нём, через развязывающий резистор R6 поступает на вход RA4 микроконтроллера, переведённый программой в режим входа внешнего тактового сигнала T0CKI для таймера TMR0. Таймер настроен на счёт импульсов по их спадающим перепадам.

Определив состояние кнопок, программа возобновляет работу индикаторов. В режиме индикации через резисторы R15—R17, предназначенные для поддержания низкого уровня на входах, соединённых с ненажатыми кнопками, протекает небольшой ток, который может вызвать подсветку соответствующих элементов индикаторов.

Контролировать уровень жидкости приходится и в дождевых бочках на даче, и в баках с нефтепродуктами, и во многих других случаях. Работа датчиков уровня основана на самых разных принципах. Используются и поплавки, плавающие на поверхности жидкости и механически перемещающие указатель уровня, и измерители электрического сопротивления между погружёнными в жидкость электродами, и оптические и ультразвуковые измерители расстояния до поверхности жидкости. В предлагаемой статье описан прибор, измеряющий уровень жидкости ёмкостным методом.

Из двух вариантов конструкции датчика, предложенных в [1], был выбран цилиндрический конденсатор, внешняя обкладка которого представляет собой медную трубку, а внутренняя — медный провод. Ёмкость такого конденсатора, если его длина много больше внешнего диаметра, вычисляют по формуле.