Схема емкостного датчика уровня

Содержание

Емкостной датчик: разновидности, принцип работы, как сделать своими руками

Схема емкостного датчика уровня

Приложение напряжения переменного тока к смежным проводникам способствует дистанционному накапливанию на них положительных и отрицательных зарядов.

Они создают вариативное электромагнитное поле, чувствительное ко многим внешним факторам, в первую очередь, к расстоянию между проводниками.

Это свойство может использоваться для создания соответствующих емкостных датчиков, которые в состоянии управлять работой различных систем контроля и слежения.

Описание и назначение

Приложения напряжения разного знака, согласно закону Ампера, вызывает перемещение проводников, на которых находятся электрические частицы. При этом возникает переменный ток, который может быть обнаружен.

Величина протекающего тока определяется емкостью, которая, в свою очередь, зависит от площади проводников и расстояния между ними.

Более крупные и более близкие объекты вызывают больший ток, чем более мелкие и более отдаленные.

Емкость определяется следующими параметрами:

  • Характером не проводящей ток среды-диэлектрика, располагающейся между проводниками.
  • Размерами проводников.
  • Силой тока.

Пара таких поверхностей образует обкладки простейшего конденсатора, емкость которого прямо пропорциональна площади и диэлектрической проницаемости рабочей среды, и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками.

При постоянстве размеров обкладок и состава рабочей среды между ними любое изменение емкости будет являться результатом изменения расстояния между двумя объектами: зондом (датчиком) и отслеживаемой целью. Достаточно только преобразовать изменения емкости в значения сфокусированного электрического напряжения, которое будет управлять дальнейшими действиями прибора.

Данные устройства, таким образом, предназначены для определения изменяющегося расстояния между объектами, а также для уточнения характера и качества поверхности измеряемых изделий.

Принцип работы емкостного датчика

Конструктивно такой прибор включает в себя:

  • Источник формирования эталонного напряжения.
  • Первичную цепь – зонд, поверхность и размеры которого определяются целями измерений.
  • Вторичную цепь, формирующую необходимый электрический сигнал.
  • Защитную цепь, обеспечивающую стабильность показаний датчика независимо от внешних возмущающих факторов.
  • Электронный усилитель, драйвер которого формирует сильный управляющий сигнал на исполнительные элементы, и обеспечивает точность срабатывания.

Емкостные датчики подразделяются на одно- и многоканальные. В последнем случае устройство может включать в себя несколько вышеописанных схем с разной формой зондов.

Драйвер электроники может быть настроен как ведущий или ведомый. В первом варианте он обеспечивает синхронизацию управляющих сигналов, поэтому используется преимущественно в многоканальных системах. Все приборы являются сенсорными, реагирующими исключительно на бесконтактные параметры.



Основными характеристиками рассматриваемых устройств считаются:

  • Размеры и характер цели – объекта зондирования. В частности, создаваемое ею электрическое поле должно иметь форму конуса, для которого габаритные размеры должны минимум на 30% превышать соответствующие размеры первичной цепи;
  • Диапазон измерений. Максимальный зазор, при котором показания устройства дают требуемую точность, составляют около 40% от полезной площади первичной цепи;
  • Точность измерений. Калибровка показаний обычно уменьшает диапазон, но повышает точность. Поэтому, чем меньше датчик по размерам, тем ближе он должен быть установлен к контролируемому объекту.

Характеристики датчиков не зависят от материала объекта, а также его толщины

Как конденсатор превращается в датчик

В данном случае причина и следствие меняются местами. Когда на проводник подается напряжение, электрическое поле образуется у каждой поверхности. В емкостном датчике измерительное напряжение подается на чувствительную зону зонда, причём для точных измерений электрическое поле от зондируемой области должно содержаться именно в пространстве между зондом и целью.

В отличие от обычного конденсатора, при работе емкостных датчиков электрическое поле может распространяться на другие предметы (или на отдельные их области).

Результатом станет то, что система будет распознавать такое составное поле как несколько целей.

Чтобы этого не произошло, задняя и боковые стороны чувствительной области окружают другим проводником, который поддерживается под тем же напряжением, что и сама чувствительная область.

При подаче эталонного напряжения питания, отдельная цепь подает точно такое же напряжение на защиту датчика. При отсутствии разницы в значениях напряжений между зоной чувствительности и защитной зоной, электрическое поле между ними отсутствует. Таким образом, исходный сигнал может исходить только от незащищенного фронта первичной цепи.

В отличие от конденсатора, на действие емкостного датчика будет влиять плотность материала объекта, поскольку при этом нарушается однородность создаваемого электрического поля.

Проблемы измерения

Для объектов сложной конфигурации достижение требующейся точности возможно при соблюдении ряда условий.

Например, при многоканальном зондировании напряжение возбуждения для каждого зонда должно быть синхронизировано, иначе зонды будут мешать друг другу: один датчик попытается увеличить электрическое поле, в то время как другой будет стремиться уменьшить его, тем самым давая ложные показания.

Поэтому существенным ограничивающим условием является требование, чтобы измерения проводились в тех же условиях, в которых был откалиброван датчик на предприятии-изготовителе. Если оценивать сигнал по изменению расстояния между зондом и целью, то все остальные параметры должны иметь постоянные значения.

Указанные сложности преодолеваются с помощью следующих приёмов:

  • Оптимизации размеров измеряемого объекта: чем меньше цель, тем больше вероятность распространения чувствительности поля по сторонам, в результате чего ошибка измерения увеличивается.
  • Проведения калибровки только по мишени с плоскими размерами.
  • Снижением скорости сканирования цели, в результате чего изменение характера поверхности не будет сказываться на итоговых показаниях.
  • Во время калибровки зонд должен располагаться эквидистантно поверхности цели (параллельно – для плоских поверхностей); это важно для датчиков повышенной чувствительности.
  • Состояние внешней среды: большинство емкостных датчиков сенсорного типа устойчиво работают в температурном диапазоне 22…350С: в этом случае погрешности минимал ьны, и не превышают 0,5 % от полной измерительной шкалы.

Тем не менее, есть проблемы, которые устранить невозможно. К их числу относится фактор теплового расширения/сужения материала, как датчика, так и контролируемого объекта. Второй фактор – электрический шум датчика, который вызывается дрейфом напряжения драйвера устройства.

Блок-диаграмма работы

Не являясь прямонаправленным, емкостной датчик измеряет некоторую емкость от объектов, которые постоянно присутствуют в окружающей среде. Поэтому неизвестные объекты обнаруживаются им как увеличение этой фоновой емкости.

Она значительно больше, чем емкость объекта, и постоянно изменяется по величине.

Поэтому рассматриваемые устройства используются для обнаружения изменений в окружающей среде, а не для обнаружения абсолютного присутствия или отсутствия неизвестного объекта.

При приближении цели к зонду величина электрического заряда или емкости изменяется, что и фиксируется электронной частью датчика. Результат может выводиться на экран или сенсорную панель.

Для производства измерения прибор подключается к печатной плате с сенсорным контроллером. Сенсоры оснащаются управляющими кнопками. Которыми можно включать в работу несколько зондов одновременно.

Сенсорные экраны используют датчики с электродами, расположенными в ряды и столбцы. Они находятся либо на противоположных сторонах основной панели, либо на отдельных панелях, которые разделены между собой диэлектрическими элементами.

Контроллер циклически переключается между различными зондами, чтобы сначала определить, к какой строке касаются (направление Y), а затем к какому столбцу (направление X).

Зонды часто изготавливаются из прозрачного пластика, что повышает информативность результата измерения.



Использование LC-фильтров

Специализированный аналоговый интерфейс преобразует сигнал от емкостного датчика в цифровое значение, пригодное для дальнейшей обработки.

При этом периодически измеряется выходной сигнал датчика и генерируется сигнал возбуждения для зарядки пластины датчика.

Частота дискретизации на выходе датчика относительно низкая — менее 500 выборок в секунду, но разрешение аналого-цифрового преобразования необходимо для захвата небольших различий в емкости.

https://www.youtube.com/watch?v=AunjB3j3B5wu0026t=40s

В емкостном измерительном устройстве ступенчатая форма волны возбуждения заряжает электрод датчика. Впоследствии заряд передается в цепь и измеряется аналого-цифровым преобразователем.

Одной из проблем емкостного зондирования (как уже указывалось) является наличие постороннего шума. Эффективным способом повышения помехоустойчивости является модификация датчика путем подключения чувствительного к частоте компонента.

В дополнение к элементу переменного конденсатора к датчику добавляются дополнительный конденсатор и индуктор для формирования резонансного контура. Узкополосный отклик позволяет ему подавлять электрический шум.

При простоте LC- контура, его наличие обеспечивает ряд эксплуатационных преимуществ. Во-первых, благодаря присущим узкополосным характеристикам LC-резонатор обеспечивает отличную невосприимчивость к электромагнитным помехам.

Во-вторых, если известен диапазон частот, где существует шум, то смещение рабочей частоты датчика может отфильтровать эти источники шума без использования внешних схем.

LC-фильтры чаще применяют в многоканальных датчиках

Сферы применения

Данные устройства используются в следующих целях:

  • Для обнаружения пластмасс и других изоляторов.
  • В системах сигнализации, при установлении факта перемещений по контролируемой территории.
  • Как компонент охранных устройств автомобилей.
  • Для определения чистоты поверхности материалов после механической обработки.
  • С целью определения уровня жидких или газообразных рабочих сред в закрытых резервуарах.
  • При установке систем автоматического включения/выключения светильников.

Во всех случаях емкостные датчики подлежат обязательной калибровке в заводских или иных специализированных условиях.

Схемы для изготовления своими руками

Для организации сенсорного управления емкостной датчик легко создать на основе, конденсатора и пары резисторов. При касании к проводам, происходит накапливание электрического заряда, регулируя величину которого, можно изменять время зарядки/разрядки.

Такую схему можно применить для управления настольной лампой или иным светильником.

В схеме должен присутствовать электронный компаратор, который будет сравнивать время зарядки конденсатора с эталонным (пороговым) значением, и выдавать соответствующий управляющий сигнал.

Электронные схемы с сенсорным контролем более интерактивны для пользователя, чем традиционные, поэтому могут эффективно применяться с целью переключения питания.

Емкость конденсатора определяет уровень чувствительности: при повышении емкости чувствительность увеличивается, но для питания устройства потребуется больше мощности и меньшее время срабатывания.

Для индикации можно применить обычный светодиод.

Ёмкостные датчики. Принцип работы и особенности

Схема емкостного датчика уровня

Как я уже писал в статье “Автоматизация. Начало. Что и почему.”, почти любая система автоматизации нуждается в информации о состоянии объекта управления. Там же я немного рассказал о том, какие датчики бывают. Однако, более подробное описание разных типов датчиков и особенностей работы с ними осталось за кадром.

В данной статье я немного подробнее расскажу про емкостные датчики, и их особенности. По большей части это обзорная статья, рассчитанная на начинающих и любителей. Профессионалы здесь не найдут ничего нового. Про обработку сигналов таких датчиков я расскажу в следующей статье.

Емкостный датчик, принцип работы

Как следует из названия, в основе этих датчиков лежит конденсатор, емкость которого изменяется под воздействием внешних факторов. А работа с датчиком сводится с измерению емкости, или измерению изменения емкости, этого конденсатора. Звучит просто, но реальность несколько сложнее.

Всем, из школьного курса физики, известна формула емкости плоского конденсатора

Из этой формулы видно, что наше внешнее воздействие может изменять три параметра конденсатора

  • Расстояние между пластинами, обкладками, конденсатора
  • Площадь одной из обкладок
  • Диэлектрическую проницаемость среды между обкладками

При этом первые два параметра являются механическими, а диэлектрическая проницаемость определяется свойствами среды (диэлектрика).

Датчики использующие изменение расстояния между обкладками

Проще всего изменять расстояние между обкладками

Здесь внешнее воздействие показано в виде вектора силы F. Это воздействие изменяет расстояние между обкладками. Причем одной из обкладок может быть сам контролируемый объект, например, подвижный стол, шток, держатель инструмента. Возможна и несколько иная реализация этого принципа построения датчика

Здесь предполагается, что подвижная пластина является проводящей. Фактически, такой датчик состоит из двух конденсаторов. При этом подвижная обкладка является для них общей.

Такая конструкция может быть полезной, если подключение подвижной обкладки к схеме измерения затруднительно.

Да, подвижный элемент не обязательно является обкладкой конденсатора и может быть выполнен из диэлектрика, но об этом чуть позже.

Датчики использующие изменение площади перекрытия обкладок

Изменение площади обкладок тоже возможно, например, так

Здесь подвижная обкладка движется параллельно неподвижной так, что расстояние между ними не изменяется. При этом площадью обкладки конденсатора будет площадь перекрывающейся части пластин, которая и изменяется при перемещении. На рисунке она ограничена пунктиром.

На первый взгляд кажется, что такая конструкция датчика менее удобна и, при этом, не отличающейся принципиально от предыдущей. Однако, разница весьма существенна. Дело в том, что изменение расстояния между обкладками становится неприменимым, при большой величине перемещения. Зато параллельное смещение не имеет, в разумных пределах, такого ограничения.

Точно так же, как в предыдущей конструкции, мы можем разделить неподвижную обкладку на две части и подключить их к схеме измерения

Датчики использующие изменение диэлектрической проницаемости

Это самый интересный, и самый общий случай. Диэлектрическая проницаемость разных материалов различна. Для вакуума она равна 1, однако, этот случай для нас особого интереса не представляет.

Диэлектрическая проницаемость воздуха очень блика к 1 (1,0001959 при 20 градусах и нулевой влажности). Диэлектрическая проницаемость бензина примерно равна 2, а воды 81. У многих пластмасс диэлектрическая проницаемость лежит в пределах 2-8.

Используемая для изготовления конденсаторов керамика обладает диэлектрической проницаемостью 10-200 и более.

Если диэлектрик не однороден, или занимает не все пространство между обкладками, то в формулу расчета емкости нужно подставлять эквивалентную диэлектрическую проницаемость. Так для двух слоев диэлектрика с разной проницаемостью емкость конденсатора будет определяться так

В случае датчиков, слоями диэлектрика могут являться, например, два слоя воздуха и некий материал, расположенный между обкладками.

Причем величина воздушных зазоров может быть разной с разных сторон, как это и показано на рисунке выше. Если известна диэлектрическая проницаемость объекта, мы можем таким образом определить его толщину. Если известна толщина, то можно определить диэлектрическую проницаемость и, в некоторой степени, отличить один материал от другого. Но это еще не самое интересное.

Если заполнить пространство между обкладками смесью диэлектриков с различающейся, но известной, диэлектрической проницаемостью, то можно определить процентный состав смеси. Например, так можно определить влажность древесины или почвы.

Вот так, например, можно реализовать подсчет движущихся объектов

Причем обкладки датчика могут располагаться не с двух сторон объектов, а с одной стороны. Если в качестве объектов используются зубцы шестерни, то можно измерить скорость ее вращения.

А если зубцы рейки, то величину перемещения. При этом объекты (в том числе, зубцы) не обязаны быть проводящими. Достаточно, что бы их диэлектрическая проницаемость была выше, чем у воздуха.

Причем чем больше разница, тем лучше.

Так же, можно определить, какая часть датчика заполнена объектом

Здесь датчик можно представить в виде двух включенных параллельно конденсаторов. Первый заполнен диэлектриков на глубину L2. Второй заполнен только воздухом на глубину L3. Степень заполнения получается расчетом.

На самом деле, промежуток L3 не обязательно должен быть заполнен воздухом. Вполне возможна ситуация, когда L2 заполнен водой, а L3 бензином, например.

И это позволяет определить уровень воды находящейся под слоем топлива.

Разумеется, возможно построение датчиков по схемам, показанным для датчиков с изменением расстояния между обкладками или площади обкладок, которые были приведены выше. Только подвижные элементы будут не проводящими. Это снижает чувствительность датчиков, но они сохраняют работоспособность. Я не буду приводить формулы расчета емкости для этих случаев.

Особенности емкостных датчиков

Емкостные датчики, не смотря на свою конструктивную простоту, не так просты в работе. Давайте рассмотрим некоторые из их важных особенностей. При этом собственно обработка сигнала с емкостных датчиков будет рассматриваться в следующей статье.

Очень высокое выходное сопротивление

Это одна из самых важных особенностей. Поскольку обкладки датчика разделены слоем изолятора, сопротивление датчика очень высокое.

Это необходимо учитывать при разработке схем обработки сигналов с емкостных датчиков.

Повышенные токи утечки, например, вызванные загрязнением поверхности печатной платы блока электроники или недостаточной защитой от влажности, могут привести, в некоторых случаях, даже к полной неработоспособности.

Низкая помехоустойчивость

Это следствие высокого сопротивления датчика. Обкладки датчика, фактически, являются антеннами, которые прекрасно улавливают помехи.

Поэтому требуется экранирование датчика, соединительных проводников и схемы обработки. Возможны и другие решения, например, использованием коаксиальной конструкции датчика.

Если этого недостаточно, или невозможно, то нужно применять методы фильтрации и усреднения.

Высокий уровень генерации помех

Работа с емкостными датчиками сводится к измерению их емкости. Более подробно это будет рассмотрено в следующей статье. Но уже сейчас можно сказать, что измерение выполняется не на постоянном токе. А значит, обкладки датчика не только являются не только антеннами принимающими помехи, но и антеннами излучающими помехи.

Проблема решается экранированием, снижением амплитуды переменного (импульсного) напряжения на обкладках датчика, уменьшением скорости изменения напряжения. Возможны и специальные конструктивные решения.

Собственная паразитная емкость датчика

Работая с емкостным датчиком мы, фактически, используем не абсолютное значение емкости, а величину ее изменения. При этом величина изменения часто является весьма малой. Что бы чувствительность датчика, которая определяется отношением величины изменения к полной емкости датчика, была выше, собственная (паразитная) емкость датчика должна быть как можно меньше.

Это тем важнее, чем меньше диэлектрическая проницаемость измеряемого объекта. Поскольку проводники от обкладок датчика до схемы обработки вносят ощутимый вклад в паразитную емкость их необходимо делать как можно более короткими. По этой причине большинство емкостных датчиков конструктивно объединены со схемами обработки.

И выходным сигналом датчика, в этом случае, является выходной сигнал схемы обработки.

Характеристики емкостных датчиков нелинейны

В большинстве случаев, емкость датчика изменяется нелинейно даже при линейном изменении внешнего воздействия.

Это не является существенной проблемой, если от датчика требуется определение порогового состояния, например, заданного минимального расстояния до объекта.

Но если датчик используется для измерения непрерывной величины, например, уровня жидкости в емкости, такая нелинейность должна учитываться или схемой обработки, или схемой управления.

Чувствительность к расположению датчика

И обкладки датчика, и соединительные проводники, и элементы схемы обработки сигнала, обладают емкостью относительно окружающих предметов, включая нашу планету.

Если автоматическая калибровка датчика не предусмотрена, а условия работы изменились, например, к датчику подошел оператор, или блок измерения переместили со деревянного стола на металлический, датчик может выдавать неверные данные.

Эту проблему можно решать конструктивно, схемотехнически, алгоритмически.

Для регистрации пороговых событий хорошим методом является автоматическая калибровка и фильтрация во времени, что позволяет отделить реальное событие от фонового.

При измерении непрерывных величин требуются более сложные, комбинированные, способы.В простых случаях возможно ограничиться ручной калибровкой при установке датчика.

Кстати, именно данная особенность приводит к сбоям простых самодельных систем полива растений, которые используют емкостные датчики. Если система используется для полива растения в горшке на подоконнике, или на полу, то датчик будет реагировать и на то, к растению подошел человек. Это можно устранить алгоритмически.

По той же причине невозможно откалибровать емкостный датчик влажности почвы на лабораторном столе и потом использовать его для полива в теплице или на грядке. Нужна калибровка датчика именно в том месте, где он будет применяться. И в тех датчиках, которые я упоминал в статье “Влажность почвы.

Почему все так не просто?” я все это учитываю.

Область применения емкостных датчиков

Емкостные датчики применяются достаточно широко. Я ограничусь лишь небольшим списком:

  • Пожалуй, самым известным их применением являются сенсорные экраны и прочие сенсорные элементы управления.
  • Различные измерительные приборы
  • Автоматические производственные линии (подсчет предметов, контроль наличия предмета, контроль заполненности емкости
  • Измерители уровня жидкостей и сыпучих тел
  • Датчики близости
  • Концевые датчики

Емкостные датчики выпускаются серийно, включая различные исполнения повышенной защищенности (например, взрывобезопасные). При этом есть датчики разной точности и разной дальности от контролируемых объектов. Емкостные датчики достаточно просты и дешевы, при этом обладают высокой надежностью. Но при этом требуют учета своей специфики. Впрочем, как и любые другие датчики.

Заключение

Я кратко, практически обзорно, рассказал о том, как работают емкостные датчики и какие особенности они имеют. В следующей статье поговорим о том, как обрабатывать сигналы с таких датчиков. То есть, о том, как устроены те самые “схемы обработки”.

До новых встреч!

Ёмкостные уровнемеры для жидкости

Схема емкостного датчика уровня

Это уровнемеры, проводящие измерения электрической емкости конденсаторного преобразователя (образуется пластинами или стержнями, что вводится в жидкость), и преобразующие эти измерения в уровень жидкости.

Существуют разные конструкции емкостных уровнемеров, позволяющие измерять емкость электропроводных и неэлектропроводных жидкостей (к электропроводным относятся те, у которых удельное сопротивление меньше 106 Ом*м). В случае работы с электропроводными жидкостями один из пластинчатых или стержневых электродов изолируется, а для неэлектропроводных оба остаются без изоляции.

Принцип действия емкостного уровнемера

В конструкцию емкостного уровнемера входит два основных элемента. Это емкостной датчик в виде стержня или кабеля цилиндрической либо плоской формы и вторичный преобразователь.

Основу прибора составляет чувствительный электрический конденсатор, четко фиксирующий все изменения в диэлектрической проницаемости среды.

При соприкосновении с жидкостью определяется емкость конденсатора, связанная с нею величина уровня жидкости в емкости, а затем полученные значения преобразуются в выходной сигнал, который и передается на внешнее оборудование для контроля.

Весь принцип действия таких уровнемеров основан на том, что у жидкостей и газового пространства над ними разные электрические свойства. Чувствительные элементы, погруженные в жидкость, определяют емкость, а вторые обкладки, остающиеся «снаружи», так же делают замеры, и на основании этих сведений делаются выводы о высоте жидкостного столба.

Что касается системы электродов, то она может различаться в зависимости от модели. В большинстве случаев – это металлические плоские пластины либо полые цилиндры.

Область применения емкостных уровнемеров жидкости

Емкостные уровнемеры обеспечивают непрерывное измерение уровня жидких сред. Приборы такого типа подходят для использования в разных промышленных отраслях, в том числе:

  • Пищевая промышленность: производство спиртного, соусов, напитков;
  • Химическая промышленность: выпуск лаков, красок, жидких строительных материалов, бытовой химии;
  • Системы водоснабжения и водоотведения;
  • Предприятия по добыче и фасовке воды, в том числе минеральной;
  • ЖКХ и сельское хозяйство;
  • Нефтепереработка, транспорт с топливными баками;
  • Фармацевтические компании.

Назначение уровнемеров для жидкости емкостного типа

Устройства для измерения уровня емкостного типа могут использоваться для поведения замеров в резервуарах, хранилищах, трубах, в топливных баках. Они позволяют определить текущий уровень жидкости или отследить непрерывное изменение уровня.

Также есть модели, способные обеспечить замеры в глубоких емкостях и скважинах или подходящие для проведения бесконтактного контроля.

В «связке» с дополнительными датчиками такие приборы могут передавать информацию на внешнее оборудование или следить за тем, чтобы уровень контролируемой жидкости оставался стабильным.

Преимущества  емкостных уровнемеров для жидких веществ

Емкостные датчики уровня для жидких веществ отличаются от других типов измерителей уровня такими достоинствами:

  • Могут проводить замеры в емкостях с разными типами жидкостей, отличающихся не только по составу, но и по физическим свойствам (по температуре, плотности, степени электропроводности);
  • Обеспечивают быстрый отклик, отличаются высокой чувствительностью к изменениям;
  • Допускаются для работы с агрессивными, опасными жидкостями;
  • Могут работать даже в вакууме, то есть широкий диапазон давления жидкости в емкости не будет препятствием для проведения измерений;
  • В конструкции нет подвижных элементов, что обеспечивает надежность, безопасность и долговечность эксплуатации.

Однако поправку чувствительности придется производить под каждый новый вид продукта. Кроме того, для работы с вязкими, кристаллизующимися и взрывоопасными жидкостями такие устройства не подходят (они чувствительны к налипаниям на зонд).

Как определить емкость измерительного преобразователя емкостного уровнемера?

Емкость преобразователя, которая зависит от уровня, рассчитывают по формуле

Спр = Си + С1С2/(С1 + С2), где:

  • С1 – емкость конденсатора с обкладками на поверхности электрода и электропроводной жидкости;
  • С2 – емкость конденсатора с обкладками на поверхности жидкости (размещается там же, где и обкладка С1) и на поверхности емкости (резервуара или бака);
  • Си – емкость проходного изолятора.

Всегда учитывают, что при увеличении высоты жидкости С1 и С2 растут, поскольку увеличивается площадь обкладки.

Схема подключения ёмкостного уровнемера

Емкостной датчик уровня для топливных или стационарных топливных баков может подключаться по цифровой или аналоговой схеме с использованием изолированной CAN-шины и контроллера.

Также используется двухпроводная схема подключения, позволяющая непрерывно контролировать уровень жидкости.

Кроме того, отдельные модели можно монтировать с использованием трубной насадки или с кабельным пробником.

Поскольку емкостные уровнемеры измеряют емкость конденсатора, а изолятором-диэлектриком служит продукт измерения, то для точного проведения работ приборы можно устанавливать только в емкости с металлическими стенками, причем та из стенок, куда будет выполняться крепление должна быть расположена строго параллельно зонду.

После подключения выполняют контрольный запуск, проводят калибровку на абсолютно пустой и полностью заполненной емкости.

https://www.youtube.com/watch?v=AunjB3j3B5wu0026t=40s

В компании «Измеркон» предлагают емкостные датчики контроля уровня топлива с полным описанием и инструкцией по подключению (представлены схемы в зависимости от интерфейса).

Уровнемер топлива с интерфейсом CANДлина штока: 800 мм / 1600 ммЧувствительность: > 2 единиц на мм, обычно 15 единиц на ммФильтры цифровой интеграции: Настраиваемая константа времени и коэффициент интеграции, скорость изменения выходного сигнала 15…240 мм/мин

Емкостной сенсорный датчик своими руками

Схема емкостного датчика уровня

Емкостной датчик – это один из типов бесконтактных датчиков, принцип работы которого основан на изменении диэлектрической проницаемости среды между двух обкладок конденсатора. Одной обкладкой служит сенсорный датчик схемы в виде металлической пластины или провода, а второй – электропроводящее вещество, например, металл, вода или тело человека.

При разработке системы автоматического включения подачи воды в унитаз для биде возникла необходимость применения емкостного датчика присутствия и выключателя, обладающих высокой надежностью, устойчивостью к изменению внешней температуры, влажности, пыли и питающему напряжению.

Хотелось также исключить необходимость прикосновения человека с органами управления системы. Предъявляемые требования могли обеспечить только схемы сенсорных датчиков, работающих на принципе изменения емкости.

Готовой схемы удовлетворяющей необходимым требованиям не нашел, пришлось разработать самостоятельно.

Получился универсальный емкостной сенсорный датчик, который не требует настройки и реагирует на приближающиеся электропроводящие предметы, в том числе и человека, на расстояние до 5 см. Область применения предлагаемого сенсорного датчика не ограничена. Его можно применять, например, для включения освещения, систем охранной сигнализации, определения уровня воды и в многих других случаях.

Электрические принципиальные схемы

Для управления подачей воды в биде унитаза понадобилось два емкостных сенсорных датчика. Один датчик нужно было установить непосредственно на унитазе, он должен был выдавать сигнал логического нуля при присутствии человека, а при отсутствии сигнал логической единицы. Второй должен был служить включателем воды и находиться в одном из двух логических состояний.

При поднесении к сенсору руки датчик должен был менять логическое состояние на выходе – из исходного единичного состояния переходить в состояние логического нуля, при повторном прикосновении руки из нулевого состояния переходить в состояние логической единицы. И так до бесконечности, пока на сенсорный включатель поступает разрешающий сигнал логического нуля с датчика присутствия.

Схема емкостного сенсорного датчика

Основой схемы емкостного сенсорного датчика присутствия является задающий генератор прямоугольных импульсов, выполненный по классической схеме на двух логических элементах микросхемы D1.1 и D1.2.

Частота генератора определяется номиналами элементов R1 и C1 и выбрана около 50 кГц. Значение частоты на работу емкостного датчика практически не влияет.

Я менял частоту от 20 до 200 кГц и влияния на работу устройства визуально не заметил.

С 4 вывода микросхемы D1.2 сигнал прямоугольной формы через резистор R2 поступает на входы 8, 9 микросхемы D1.3 и через переменный резистор R3 на входы 12,13 D1.4. На вход микросхемы D1.

3 сигнал поступает с небольшим изменением наклона фронта импульсов из-за установленного датчика, представляющего собой кусок провода или металлическую пластину. На входе D1.4, из за конденсатора С2, фронт изменяется на время, необходимое для его перезаряда.

Благодаря наличию подстроечного резистора R3, есть возможность фронты импульса на входе D1.4, выставить равным фронту импульса на входе D1.3.

Если приблизить к антенне (сенсорному датчику) руку или металлический предмет, то емкость на входе микросхемы DD1.3 увеличится и фронт поступающего импульса задержатся во времени, относительно фронта импульса, поступающего на вход DD1.4. чтобы «уловить» эту задержку про инвертированные импульсы подаются на микросхему DD2.

1, представляющую собой D триггер, работающий следующим образом. По положительному фронту импульса, поступающего на вход микросхемы C, на выход триггера передается сигнал, который в тот момент был на входе D. Следовательно, если сигнал на входе D не изменяется, поступающие импульсы на счетный вход C не оказывают влияния на уровень выходного сигнала.

Это свойство D триггера и позволило сделать простой емкостной сенсорный датчик.

Когда емкость антенны, из за приближения к ней тела человека, на входе DD1.3 увеличивается, импульс задерживается и это фиксирует D триггер, изменяя свое выходное состояние. Светодиод HL1 служит для индикации наличия питающего напряжения, а HL2 для индикации приближения к сенсорному датчику.

Схема сенсорного включателя

Схему емкостного сенсорного датчика можно использовать и для работы сенсорного включателя, но с небольшой доработкой, так как ему необходимо не только реагировать на приближение тела человека, но и оставаться в установившемся состоянии после удаления руки. Для решения этой задачи пришлось к выходу сенсорного датчика добавить еще один D триггер, DD2.2, включенный по схеме делителя на два.

Схема емкостного датчика была немного доработана.

Для исключения ложных срабатываний, так как человек может подносить и удалять руку медленно, из-за наличия помех датчик может выдавать на счетный вход D триггера несколько импульсов, нарушая необходимый алгоритм работы включателя. Поэтому была добавлена RC цепочка из элементов R4 и C5, которая на небольшое время блокировала возможность переключение D триггера.

https://www.youtube.com/watch?v=9XhXjy4BPrsu0026t=20s

Триггер DD2.2 работает так же, как и DD2.1, но сигнал на вход D подается не с других элементов, а с инверсного выхода DD2.2. В результате по положительному фронту импульса, приходящего на вход С сигнал на входе D изменяется на противоположный.

Например, если в исходном состоянии на выводе 13 был логический ноль, то поднеся руку к сенсору один раз, триггер переключится и на выводе 13 установится логическая единица.

При следующем воздействии на сенсор, на выводе 13 опять установится логический ноль.

Для блокировки включателя при отсутствии человека на унитазе, с сенсора на вход R (установка нуля на выходе триггера вне зависимости от сигналов на всех остальных его входах) микросхемы DD2.

2 подается логическая единица.

На выходе емкостного выключателя устанавливается логический ноль, который по жгуту подается на базу ключевого транзистора включения электромагнитного клапана в Блоке питания и коммутации.

Резистор R6, при отсутствии блокирующего сигнала с емкостного датчика в случае его отказа или обрыва управляющего провода, блокирует триггер по входу R, тем самым исключает возможность самопроизвольной подачи воды в биде. Конденсатор С6 защищает вход R от помех. Светодиод HL3 служит для индикации подачи воды в биде.

Конструкция и детали емкостных сенсорных датчиков

Когда я начал разрабатывать сенсорную систему подачи воды в биде, то наиболее трудной задачей мне казалась разработка емкостного датчика присутствия. Обусловлено это было рядом ограничений по установке и эксплуатации.

Не хотелось, чтобы датчик был механически связан с крышкой унитаза, так как ее периодически надо снимать для мойки, и не мешал при санитарной обработке самого унитаза. Поэтому и выбрал в качестве реагирующего элемента емкость.

Конструкция сенсорного датчика присутствия

По выше опубликованной схеме сделал опытный образец. Детали емкостного датчика собраны на печатной плате, плата размещена в пластмассовой коробке и закрывается крышкой.

Для подключения антенны в корпусе установлен одноштырьковый разъем, для подачи питающего напряжения и сигнала установлен четырех контактный разъем РШ2Н.

Соединена печатная плата с разъемами пайкой медными проводниками в фторопластовой изоляции.

Сенсорный емкостной датчик собран на двух микросхемах КР561 серии, ЛЕ5 и ТМ2. Вместо микросхемы КР561ЛЕ5 можно применить КР561ЛА7. Подойдут и микросхемы 176 серии, импортные аналоги.

Резисторы, конденсаторы и светодиоды подойдут любого типа.

Конденсатор С2, для стабильной работы емкостного датчика при эксплуатации в условиях больших колебаниях температуры окружающей среды нужно брать с малым ТКЕ.

Установлен датчик под площадкой унитаза, на которой установлен сливной бачок в месте, куда в случае протечки из бачка вода попасть не сможет. К унитазу корпус датчика приклеен с помощью двустороннего скотча.

Антенный датчик емкостного сенсора представляет собой отрезок медного многожильного провода длинной 35 см в изоляции из фторопласта, приклеенного с помощью прозрачного скотча к внешней стенке чаши унитаза на сантиметр ниже плоскости очка. На фотографии сенсор хорошо виден.

Для настройки чувствительности сенсорного датчика необходимо после его установки на унитаз, изменяя сопротивление подстроечного резистора R3 добиться, чтобы светодиод HL2 погас.

Далее положить руку на крышку унитаза над местом нахождения сенсора, светодиод HL2 должен загораться, если руку убрать, потухнуть.

Так как бедро человека по массе больше руки, то при эксплуатации сенсорный датчик, после такой настройки, будет работать гарантировано.

Конструкция и детали емкостного сенсорного включателя

Схема емкостного сенсорного включателя имеет больше деталей и для их размещения понадобился корпус большего размера, да и по эстетическим соображениям, внешний вид корпуса, в котором был размещен сенсорный датчик присутствия не очень подходил для установки на видном месте. Внимание на себя обратила настенная розетка rj-11 для подключения телефона. По размерам она подходила и имела хороший внешний вид. Удалив из розетки все лишнее, разместил в ней печатную плату емкостного сенсорного выключателя.

Для закрепления печатной платы в основании корпуса была установлена короткая стойка и к ней с помощью винта прикручена печатная плата с деталями сенсорного выключателя.

Датчик емкостного сенсора сделал, приклеив ко дну крышки розетки клеем «Момент» лист латуни, предварительно вырезав в них окошко для светодиодов. При закрывании крышки, пружина (взята от кремниевой зажигалки) соприкасается с латунным листом и таким образом обеспечивается электрический контакт между схемой и сенсором.

Крепится емкостной сенсорный включатель на стену с помощью одного самореза. Для этого в корпусе предусмотрено отверстие. Далее устанавливается плата, разъем и закрепляется защелками крышка.

Настройка емкостного выключателя практически не отличается от настройки сенсорного датчика присутствия, описанного выше. Для настройки нужно подать питающее напряжение и резистором отрегулировать, чтобы светодиод HL2 загорался, когда к датчику подносится рука, и гас, при ее удалении.

Далее нужно активировать сенсорный датчик и поднести и удалить руку к сенсору выключателя. Должен мигнуть светодиод HL2 и загореться красный светодиод HL3. При удалении руки красный светодиод должен продолжать светиться.

При повторном поднесении руки или удалении тела от датчика, светодиод HL3 должен погаснуть, то есть выключить подачу воды в биде.

Универсальная печатная плата

Представленные выше емкостные датчики собраны на печатных платах, несколько отличающихся от печатной платы приведенной ниже на фотографии.

Это связано с объединением обеих печатных плат в одну универсальную. Если собирать сенсорный включатель, то необходимо только перерезать дорожку под номером 2.

Если собирать сенсорный датчик присутствия, то удаляется дорожка номер 1 и не все элементы устанавливаются.

Не устанавливаются элементы, необходимые для работы сенсорного включателя, но мешающие работе датчика присутствия, R4, С5, R6, С6, HL2 и R4. Вместо R4 и С6 запаиваются проволочные перемычки. Цепочку R4, С5 можно оставить. Она не будет влиять на работу.

Ниже приведен рисунок печатной платы для накатки при использовании термического метода нанесения на фольгу дорожек.

Достаточно распечатать рисунок на глянцевой бумаге или кальке и шаблон готов для изготовления печатной платы.

Безотказная работа емкостных датчиков для сенсорной системы управления подачи воды в биде подтверждена на практике в течении трех лет постоянной эксплуатации. Сбоев в работе не зафиксировано.

Однако хочу заметить, что схема чувствительна к мощным импульсным помехам. Мне приходило письмо о помощи в настройке. Оказалось, что во время отладки схемы рядом находился паяльник с тиристорным регулятором температуры. После выключения паяльника схема заработала.

Еще был такой случай. Емкостной датчик был установлен в светильник, который подключался в одну розетку с холодильником. При его включении свет включался и при повторном выключался. Вопрос был решен подключением светильника в другую розетку.

Приходило письмо об успешном применении описанной схемы емкостного датчика для регулировки уровня воды в накопительном баке из пластика. В нижней и верхней части было приклеено силиконом по датчику, которые управляли включением и выключением электрического насоса.

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.