Электронный уровнемер

В практике радиолюбителей иногда возникает необходимость контролировать уровень жидкости в закрытых резервуарах. Такой аналоговый или цифровой контроль с минимальной дискретностью позволяют осуществлять ультразвуковые и емкостные датчики уровня. Однако эти довольно сложные и дорогостоящие приборы находят применение только в промышленности. Описанные в статье электронные уровнемеры являются дискретными и предназначены для контроля уровня жидкости в различных емкостях.

Предлагаемые 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.

Схема первого варианта уровнемера показана на рис. 1. Делитель напряжения, образованный одним из резисторов R1 - R6 и сопротивлением датчика, подключенного к одному из входов 1 - 6 и общему проводу 7, задает логический уровень напряжения на входе инвертора. Последний одновременно выполняет роль буферного элемента. Выходы инверторов подключены к светодиодам, на основе которых и построена шкала уровней. Для защиты от возможных наводок и импульсных помех на входе каждого инвертора установлена интегрирующая цепь R7C3 - R12C8.

Включенному светодиоду соответствует разомкнутое состояние датчика. Благодаря такому решению потребляемый ток при погружении всех датчиков в воду или раствор, т. е. при полностью залитой емкости, не превышает 2 мА. Питать уровнемер можно от любого стабилизированного источника напряжением 4... 15 В. При питании пониженным напряжением (4 В) необходимо подобрать резисторы R13 - R18 для обеспечения желаемой яркости светодиодов и резисторы R1 - R6 по критерию надежного срабатывания инверторов микросхемы DD1.

Суммарный ток, потребляемый уровнемером при срабатывании всех индикаторов, т.е. при опорожнении емкости, можно оценить из расчета 4 мА на каждый вольт напряжения питания IW- Таким образом, при напряжении питания Uпит = 4 В потребляемый ток составит 16 мА, а при 15 В - 60 мА.

Эскиз печатной платы этого уровнемера представлен на рис. 2.

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 отдатчиков 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 контретируемых 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 C3 - 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). Схема второго варианта уровнемера дана на рис. 3.

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, выполненного по второй схеме (рис. 4), предусмотрено место для установки интегрального стабилизатора К142ЕН5, применение которого позволит подключать индикаторный блок к выпрямителю с выходным напряжением до 15 В.

О деталях конструкции. 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.

Автор: И.Цаплин, г.Краснодар

Обсудить на форуме