Индикаторы, сигнализторы уровня воды

Простейший индикатор уровня воды

Вашему вниманию предлагается простейший индикатор уровня воды, изготовить который может даже начинающий радиолюбитель. Он содержит минимальный набор широкодоступных деталей (рис. 3.34)

Как работает индикатор? Пока вода не достигла электродов, сопротивление между ними бесконечное. Генератор, составленный из указанных на схеме деталей, не работает и индикатор практически не потребляет тока

Но вот вода коснулась электродов, “замкнула” их. Теперь на базу транзистора будет подаваться отрицательное (по отношению к эмиттеру) напряжение, и генератор начнет работать. Из динамической головки громкоговорителя раздастся громкий звук, тональность которого зависит от сопротивления между электродами и емкости конденсатора. Деталей в индикаторе немного и их можно разместить внутри корпуса громкоговорителя. Транзистор, резистор и конденсатор монтируют на небольшой (30х40 мм) планке из изоляционного материала. Батарею крепят к съемной задней крышке или к нижней стенке корпуса, а выключатель устанавливают на лицевой панели. Через отверстие в задней стенке выводят двухпроводный шнур (можно использовать бывший шнур громкоговорителя) и подпаивают его к электродам - они представляют собой два облуженных медных проводника диаметром 1...1,5 мм, закрепленных на пластмассовой пластине. Электроды помещают в тайнике на нужной высоте и фиксируют их в этом положении.

Рис. 3.34 Простейший индикатор уровня воды

Чтобы максимально ускорить! изготовление сигнализатора, за основу взят абонентский громкоговоритель с напряжением 15 В, внутри которого установлены трансформатор, динамическая головка и переменный резистор. Для нашего случая движок резистора должен находиться в положении максимальной громкости (в верхнем по схеме).

Остается приобрести транзистор VT1 (любой из серий МП39-МП42), резистор R1 сопротивлением 1...15 кОм (МЛТ-0,25 или МЛТ-0,125), конденсатор С1 любого типа емкостью 0,05 ..0,25 мкФ, выключатель SA1 (тумблер) и батарею GB1 напряжением 4,5 В да изготовить два электрода - Е1 и Е2, которые нужно установить на определенной высоте

Сигнализатор работоспособен лишь при определенном подключении обмоток трансформатора. Это устанавливают при проверке конструкции Включив питание, подсоедините к электродам резистор сопротивлением примерно 10 кОм Если звука нет, поменяйте местами выводы от первичной или вторичной обмотки При одном из подключений звук обязательно появится (если, конечно, движок переменного резистора будет находиться в положении максимальной громкости)

Затем отсоедините от электродов резистор и опустите их в воду на глубину 5...7 мм. Отсутствие звука в этом случае может свидетельствовать лишь о ма лом коэффициенте передачи тока транзистора Выход из положения - заме нить транзистор.

Сигнализатор влажности

Сигнализатор, схема которого приведена на рис. 3 35, позволяет управлять различными исполнительными устройствами, питающимися от силовой сети 220 В

Сигнализатор известит вас о появлении воды в тайнике и даже может включить откачивающий насос, чтобы понизить ее уровень ниже концов датчиков Конечно, в случае второго всемирного потопа такая система не поможет, но в обыкновенные дождливые дни и весной, и осенью она прекрасно справится со своей задачей

Рис. 3.35. Сигнализатор влажности

Принцип работы схемы необычайно прост. База транзистора VT1 подключена через токоограничивающий резистор R1 к первому электроду датчика. Второй электрод, расположенный па той же высоте, подсоединен к положительной шине питания. Когда вода достигнет электродов датчика, возникающий электрический ток открывает транзистор VT1. Светодиод HL1 (любой), включенный в цепь его коллектора, загорается. Ток коллектора транзистора также протекает через светодиод оптрона микросхемы DA1, включая водяной насос. Использование конденсатора С1, включенного между базой и коллектором транзистора, в цепи отрицательной обратной связи позволяет избежать ложных срабатываний от посторонних переменных наводок. Симистор VS1 подберите, исходя из мощности исполнительного устройства. Электроды датчика изготовьте из нержавеющего и неокисляющегося в воде металла, что поможет вам избежать увеличения сопротивления при их контакте с водой. Лучше всего сделать электроды из нержавеющей стали, но в общем случае возможно использование менее водостойких электродов, если, конечно, их очищать время от времени. Они укрепляются параллельно друг другу па расстоянии 2,5 см. Для поддержания их в таком положении возьмите кусочек какого-нибудь изоляционного материала.

Деталей в схеме мало и они вполне уместятся на небольшой плате. Питать сигнализатор можно как от батареи, так и от выпрямителя напряжением +12 В.

Бесконтактные датчики уровня воды

Рассмотрим две схемы бесконтактных датчиков, использующих пьезоизлуча-тели. Первая срабатывает при полном погружении пьезоэлемента в воду, а вторая - при соприкосновении воды с поверхностью пьезодатчика.

Известно, что автогенератор с пьезоэлектрическим излучателем (например, ЗП-4), включенным в цепь положительной ОС, работает до тех пор, пока обе плоскости излучателя находятся в воздухе. Если же хотя бы к одной из них слегка прикоснуться пальцем, система окажется демпфированной. Колебания автогенератора при этом срываются. То же самое произойдет, если плоскость излучателя будет касаться поверхности жидкости. Таким образом, когда уровень жидкости высок и она смачивает пьезопластипу, генератор не работает. Но как только уровень опустится настолько, что пьезоизлучатель окажется в воздухе, генератор запускается, подавая сигнал на выход датчика. После увеличения количества воды до прежнего уровня генератор снова останавливается.

Схема устройства изображена на рис. 3.36. Автогенератор собран па транзисторе VT1 и пьезоизлучателе BQ1 по довольно распространенной схеме. Он вырабатывает колебания частотой около 2500 Гц, которые через переходную цепь C1R3R4 поступают на вход триггера Шмитта, собранного на логических элементах DD1.1, DD1.2. Триггер преобразует колебания в последовательность прямоугольных импульсов той же частоты, стабильных по амплитуде.

Цепь, состоящая из диода VD2, резисторов R7 и R8 и конденсатора С4, преобразует прямоугольные импульсы в постоянное напряжение, выделяемое на конденсаторе С4. Второй триггер Шмитта, выполненный на элементах DD1.3, DD1.4,

Рис. 3.36. Датчик с транзисторным генератором

служит для дискретизации напряжения на конденсаторе С4, которое меняется довольно плавно. На выходе этого триггера сигнал скачком изменяется с высокого уровня, когда генератор работает, до низкого при его остановке.

Питать устройство можно от источника стабилизированного напряжения 3...15 В, если микросхема DD1 - К561ЛА7 или 564ЛА7, и 5...9 В, - если К176ЛА7. При напряжении 4 В устройство потребляет ток не более 4 мА, а при 15 В - не более 18 мА.

Диоды VD1 и VD3 предохраняют датчик от повреждения при ошибочной перемене полярности напряжения питания. Конденсаторы С2 и СЗ - сглаживающие. Питать датчик допустимо и от батареи элементов или аккумуляторов.

Таким образом, низкому уровню жидкости тут соответствует высокий уровень выходного напряжения, а высокому - низкий. Если же требуется инверсный сигнал, резисторы R3 и R4 нужно поменять местами, а также изменить на обратную полярность включения диода VD2.

Микросхему К561ЛА7 можно заменить на К561ЛЕ5, 564ЛА7, 564ЛЕ5, К176ЛА7 или К176ЛЕ5 без изменения нумерации выводов, а также четырьмя инверторами микросхемы К561ЛН2 или 564ЛН2 с изменением номеров выводов.

Диоды VD1 -VD3 могут быть любыми из серий КД102, К ДЮЗ или другими кремниевыми с допустимым прямым током не менее 20 мА. Транзистор - любой из серий КТ315, КТ312, КТ342, КТ503.

Допустимо применить здесь и транзистор структуры р-п-р (любой из серий КТ208, КТ209, КТ361, КТ502), но в этом случае его эмиттер подключают не к общему проводу, а к плюсовому выводу конденсатора СЗ. Так же поступают и с нижним по схеме выводом излучателя BQ1. Верхний по схеме вывод резистора R1 соединяют с общим проводом.

Описанный датчик чувствителен при работе с жидкостями, срыв колебаний автогенератора происходит, как правило, лишь в том случае, когда пьезоизлуча-тель полностью погружен в жидкость.

Вследствие того, что вода способна лишь понизить частоту резонанса излучателя примерно на 25%, а не сорвать колебания генератора путем демпфирования колебаний пьезоизлучателя, датчик уровня жидкостей должен быть устроен несколько иначе (рис. 3.37). Здесь автогенератор датчика построен на элементах DD1.1, DDlr2 и пьезоизлучателе BQ1. Элементы DD1.3, DD1.4 образуют триггер Шмиттада конденсатор С1 и резисторы R3 и R4 - переходную цепь.

Информационный вход D триггера DD2.1 соединен с собственным инверсным выходом, поэтому триггер выделяет период повторения импульсов на входе С (на выходе триггера Шмитта). Триггер DD2.2 играет роль элемента сравнения текущего значения упомянутого периода повторения с образцовой длительностью, зарядки конденсатора С4 через резистор R8. Дифференцирующая цепь C5R9 служит для предустановки в единичное состояние триггера DD2.2 после включения питания.

Когда контролируемый уровень жидкости ниже-нормы, частота автогенератора высока, поэтому конденсатор С4 за период не успевает зарядиться настолько, чтобы триггер DD2.2 переключился сигналом на входе С в единичное состояние. На выходе 1 устройства будет низкий уровень напряжения, а на выходе 2 - высокий.

Когда уровень жидкости достигнет нижней плоскости датчика - пьезоизлу-чателя BQ1, частота автогенератора понизится, а конденсатор С4 за период будет успевать заряжаться до такого напряжения, при котором триггер DD2.2 переключится из нулевого состояния в единичное. На выходах устройства произойдет смена уровней.

Четкость срабатывания устройства обеспечена физическими свойствами самой жидкости. Так, обволакивание нижней плоскости пьезоизлучателя поднявшейся жидкостью и соответствующее понижение частоты автогенератора происходят довольно резко, причем независимо от того, хорошо или плохо смачивает она эту грань.

Столь же резко происходит и разрыв контакта между излучателем и поверхностью жидкости при опускании ее уровня. Важно, что остаточная жидкостная пленка на нижней плоскости датчика почти не изменяет его резонансной частоты. Величина жидкостного “гистерезиса” срабатывания по частоте зависит главным образом от вязкости и температуры жидкости и смачиваемости плоскости датчика.

Резистор R8 необходимо подобрать. Сначала измеряют частоту прямоугольных импульсов на выходе элемента DD1.4, когда пьезоизлучатель BQ1

Рис. 3.37. Датчик уровня воды с пьезоэлементом

находится в воздухе; предположим, она будет равна 2500 Гц. Затем снова измеряют частоту импульсов, когда нижняя плоскость пьезоизлучателя BQ1 контактирует с поверхностью контролируемой жидкости; пусть частота понизилась до 2000 Гц. Тогда сопротивление резистора R8 должно быть таким, чтобы переключение триггера DD2.2 из нулевого состояния в единичное и обратно происходило при средней частоте - 2250 Гц. Тем самым будет, в известной мере, устранено влияние на порог срабатывания датчика питающего напряжения, температуры и некоторого изменения свойств жидкости. При подборке резистора R8 вход С триггера DD2.1 на время отключают и подают на него прямоугольные импульсы соответствующей частоты от внешнего генератора. Из-за отсутствия “гистерезиса” момент срабатывания триггера DD2.2 по частоте будет сопровождаться некоторым “дребезгом”. Не следует обращать на это внимания - он полностью исчезнет после восстановления нарушенного соединения.

Как уже было сказано, цепь C5R9 устанавливает триггер DD2.2 в единичное состояние сразу же после подачи питания. Тем самым предотвращаются случаи ложного кратковременного включения исполнительного механизма.