Широкодиапазонный ЭИУ с линейной шкалой. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Индикаторы, датчики, детекторы

 Комментарии к статье

Применяемые в промышленности измерители уровня (ИУ) в большинстве своем неудобны в настройке, их показания зависят от времени. Применяемые для этих целей преобразователи давления содержат несколько приборов в измерительной "цепочке", поэтому требуют тщательной наладки.

Изменение плотности растворов (вследствие изменения температуры) и вносит свою "лепту" в нарушение отсчета уровня. Соединительные трубки, которые подводят перепад давления к дифманометрам, при измерениях не имеют протока жидкости, поэтому даже при горячей воде в емкости трубки легко перемерзают. Такая же ситуация и с "засорением" трубки: требуется частое обслуживание.

Электронные измерители уровня (ЭИУ) промышленного изготовления часто содержат большое количество деталей, не обладая при этом линейностью и стабильностью показаний. "Кустарные" ЭИУ, изготовленные кооперативами, часто имеют схемы с колебательными контурами, и при неудачной настройке их показания могут уменьшаться при увеличении уровня жидкости.

На заводе ЭНЗИМ (г.Ладыжин) в 1990 г. были установлены несколько ЭИУ по приведенным ниже схемам и выполнены следующие ремонтные работы: выброшена микросхема блока питания (БП); изготовлен БП по нашей схеме; пару раз меняли электролитический конденсатор; датчик - изолированный тросик "пропитался" шампунем - заменен на тросик во фторопластовой изоляции.

На рис.1 показана схема простого измерителя емкости с линейной шкалой. Конечно, в точности отсчета он уступает цифровым, но при подборе деталей радиолюбителем является очень удобным, так как по шкале заметно, в какую сторону отличается емкость испытуемых конденсаторов.

Если радиолюбитель изготовит схему на несколько диапазонов измерения емкости (выводы 2 и 6 таймера DA1 следует подключать в точку соединения частотозадающих RС-цепочек, а все подстроечные резисторы постоянно присоединены к выводу 3 таймера), то для наладки каждого диапазона измерения емкости потребуется один образцовый конденсатор.

Сложная внутренняя схема таймера работает просто. Два компаратора (входы 2 и 6) и триггерная схема с выходом 3 имеют два устойчивых состояния:

1) нуль на выходе, когда входное напряжение выше 1/3 напряжения питания;

2) высокое напряжение на выходе, когда входное напряжение ниже 2/3 напряжения питания.

С учетом этого напряжение на конденсаторе С1 все время колеблется между 1/3 и 2/3 питающего напряжения, а на выходе таймера генерируется последовательность прямоугольных импульсов.

Микросхема КР1006ВИ1 тем и хороша, что изменяя сопротивление резистора R1 от 200 Ом до 10 МОм и емкость конденсатора С1 от 10 пФ до максимальной, можно получить период колебаний от долей микросекунды до сотен секунд.

Стабилитрон VD1 всегда устанавливают на входе таймера, чтобы при налаживании не "пробить" входы таймера сетевой наводкой на паяльник и провода.

На транзисторе VT1 собран узел линейного преобразования сигналов входной частоты (от таймера) и испытуемой емкости в электрический ток.

Благодаря необычному включению VT1 и VD2, они по очереди перезаряжают испытуемый конденсатор в моменты повышения и понижения напряжения выходных импульсов. Если конденсатор заряжается через диод VD2 и резистор R4 (а также "общий" с транзистором резистор R7), то разряд определяется потенциалом базы транзистора и, вследствие высоких усилительных свойств данного транзистора, происходит по цепи коллектора и дальше в измерительную цепь! Только двухсотая часть разрядного тока уходит в базу транзистора!

Для сохранения коллекторного напряжения (чтобы транзистор мог работать как усилитель) потенциал базы "сдвинут" в сторону "плюса" питания с помощью делителя R4 и R5. Для того чтобы обеспечить "живучесть" схемы, сопротивление резисторов R2, R4, R7, R14 не следует уменьшать. Нумерация деталей такая, что описание этой схемы подходит и для последующих (одинаковые номера деталей выполняют одинаковую функцию).

Выходные импульсы тока с преобразователя емкость и частота - ток интегрируются конденсатором С5. С помощью резистора R6 можно подстроить выход по образцовому конденсатору. Конденсаторы С3 и С4 сглаживают пульсации напряжения питания, С2 - поддерживает постоянство напряжения на узлах сравнения компараторов таймера.

Короткое замыкание в цепи испытуемого конденсатора закрывает транзистор VT1 и не приводит к аварии.

Если измерительная головка РА1 крупная по размеру, монтажную плату можно закрепить прямо на клеммах измерительной головки. Стабилизированный блок питания можно изготовить в отдельном корпусе (рис.2).

Схема построена так, что один вывод измеряемого конденсатора присоединен к корпусу, в отличие от более простых схем, поэтому подобная схема позволяет измерять уровень проводящих жидкостей в резервуарах (рис.3).

Вместо испытуемого конденсатора ко входу схемы подключена емкость датчика уровня - вертикально закрепленный внутри емкости изолированный проводник. Если в наличии нет штыря, изолированного фторопластом, можно применить тросик во фторопластовой изоляции. Чтобы не делать "титанических" усилий для изоляции нижнего вывода тросика, который все равно замокнет, нужно вывести оба конца тросика вверх через уплотняющие и изолирующие бобышки. Преобразовательный блок следует закрепить возле вывода датчика емкости из сосуда, чтобы на вход преобразователя не подводить "лишнюю" емкость соединительного кабеля. Блок питания и показывающая головка установлены в электрощите.

Питание и выходной сигнал проходят по 4-жильному кабелю (если два сосуда с измеряемыми уровнями расположены рядом, четырех жил хватает для питания и снятия выходного сигнала с обоих преобразователей).

Рассмотрим отличия схемы на рис.3 от схемы на рис.1. Резистор R2 имеет больший номинал, чтобы уменьшить диапазон перестройки. Емкость конденсатора С1, определяющая частоту генератора "грубо", устанавливают применительно к объекту. Схема широкодиапазонная, она позволяет измерять емкость в интервале десятков пикофарад и десятков микрофарад, что соответствует измерению уровня в диапазоне "от стакана до океана". Погонная емкость датчика очень различная (фторопластовая изоляция тросика имеет толщину около 1 мм, а кабель, который можно применять в местах с невысокой температурой в роли датчика, может иметь толщину изоляции несколько миллиметров), промышленные резервуары с жидкостями имеют высоту от дециметров до десятков метров, поэтому мы приводим ориентировочные данные.

Вследствие линейного характера изменения выходного сигнала от входной емкости и частоты генератора на DA1 настройка схемы на объекте несложная: если выходной сигнал при полной емкости мал - следует уменьшить емкость С1, чтобы возросла частота генератора и увеличился выходной сигнал (и наоборот), причем такую "грубую" подстройку легко осуществить в пределах тысяч раз!

Транзистор VT1 блока преобразования включен "наоборот", чтобы его выходной сигнал подвести к накопительному конденсатору С5 и резистору R6, подсоединенным к "плюсу" источника питания. Транзисторы VT2 и VT3 преобразуют падение напряжения на R6 в выходной ток 0...5 мА, идущий от "плюса" к корпусу, чтобы присоединить измерительную головку РА1 вторым выводом к корпусу. Выходной сигнал является токовым - при изменении сопротивления измерительной головки (даже при последовательном включении второй) величина показаний не изменяется. Это определяется сравнением падения входного напряжения на резисторе R6 и "токового" напряжения на R8. Сравнивающий транзистор VT2 имеет неплохой коэффициент усиления, а второй из составных транзисторов (VT3) включен как усилитель тока. Чтобы скомпенсировать перепад напряжения на Б-Э переходе входного транзистора пары VT2, последовательно с входным резистором R6 включен кремниевый диод VD3.

Выходной транзистор сравнительно мощный, так как при КЗ емкостного датчика выходной ток возрастает.

При измерении уровня емкостным методом существенным является наличие начальной (нулевой) емкости датчика, когда в емкости еще нет воды.

Чтобы снизить показания выходного прибора, "отбираем" часть тока через R8 у транзисторов на резистор R9. Таким образом, некоторый ток, определяемый подстроечным резистором R9, идет через эмиттерный резистор сравнивающего транзистора VT2, а на выходной прибор эта часть тока не поступает!

Таким образом, полная настройка прибора включает:

• "грубую" подгонку диапазона измерений конденсатором С1;
• 100%-ную настройку при полной емкости резистором R1;
• подстройку "нуля" при пустой емкости резистором R9.

Резервным органом перестройки диапазона является резистор R6, изменение сопротивления которого без изменения частоты генератора на DA1 тоже приводит к изменению размаха выходного сигнала.

А обязательно ли нужно перепаивать детали других номиналов при настройке прибора на объекте? Нет! В отличие от промышленных (и даже импортных) приборов мы используем имитаторы емкостного сигнала датчика уровня (рис.4).

После установки датчика уровня необходимо измерить емкость датчика при пустой емкости С0 и после наполнения жидкостью на 100% - С100.

После этого можно позвонить по телефону в другой город и там спаять и настроить ЭИУ по нашей схеме. В самом деле, выходной сигнал пропорционален емкости датчика, а характер изменения сигнала в зависимости от емкости - тоже линейный. Если "привязать" начало и конец шкалы, дальше все получается просто! Не нужно по многу раз наполнять 60-кубовые емкости водой, чтобы последовательно подстраивать 0 и 100% шкалы промышленного прибора. Необходимо переключить S1 в положение "Настройка", и хоть сотню раз "щелкать" тумблером S2, последовательно подстраивая шкалу прибора.

После этого нужно один раз наполнить емкость водой через счетчик-водомер и записать показания счетчика, соответствующие целым делениям шкалы.

На практике мы делаем более прозаически. Так как измерители емкости в разных местах могут быть неодинаково настроены (даже неодинаковый кусок провода на входе!), мы стараемся на месте подобрать конденсаторы, имитирующие начальную и конечную электрические емкости сосуда. При некоторой сноровке подбор емкости можно осуществить из 3...5 номиналов.

На шкале (это хитрость из практики) мы стараемся "выставить" начальную емкость не на 0, а на первое деление, чтобы отключение схемы либо обрыв датчика "бросились в глаза" оператору. Повреждение изоляции датчика, приводящее к замыканию входа схемы, вызывает "зашкаливание" стрелочного показывающего прибора.

Схема рис.3 подходит для монтажа начинающими, но для обеспечения удобства в наладке и линейности шкалы лучше изготовить схему по рис.5, особенно если требуется серия приборов для одинаковых условий измерения.

(нажмите для увеличения)

Рассмотрим эту схему более подробно, чем предыдущие, а так как нумерация деталей в схемах совпадает, это описание пояснит и предыдущие схемы.

Детали, сглаживающие пульсации напряжения:

• С3, С4 - питания;
• С2 - опорного напряжения таймера;
• С5 - накопительный на выходе преобразователя емкость напряжение.

Активные (нелинейные) элементы:

• DA1 - полупроводниковая микросхема - таймер - генератор прямоугольных импульсов для работы преобразователя емкость - напряжение;
• VT1 - транзистор преобразователя емкость - напряжение, который при каждом импульсе генератора перезаряжает измеряемую емкость и дает импульс тока на R6 и С5;
• VD2 - кремниевый диод, осуществляющий "обратную" перезарядку входной емкости (работает в паре с VT1);
• VT2 - полевой транзистор преобразователь напряжение - выходной ток;
• VT3 - биполярный транзистор, более мощный "помощник" VT2 (они действуют как один полевой транзистор с большой крутизной);
• VT4 - выходной транзистор, включенный с общей базой, стабилизирует напряжение питания на VT2, VT3, позволяющее им одинаково работать при изменении сопротивления нагрузки;
• VD1 - защитный стабилитрон в цепи входов таймера;
• VD3 - стабилитрон, поддерживающий необходимый потенциал базы выходного транзистора;
• VD4, VD5 - элементы защиты от обратной подачи напряжения питания на схему и проникновения высокого напряжения с выхода (цепь измерительного прибора) к элементам схем, это возможно при авариях.

Ограничители тока:

• R7 - в цепи датчика емкости;
• R13 - в цепи измерительного прибора (резистор должен перегореть при попадании высокого напряжения в цепи измерительного прибора).

Подстроечные элементы:

• R1 и С1 - частоты колебаний генератора;
• R6 (дополнительная регулировка) - уровня напряжения на входе преобразователя напряжение - ток;
• R9 - подстройки "нуля" выхода.

Ограничение регулировки (по месту):

• R2 (не меньше 200 Ом) - минимального сопротивления (максимальной частоты);
• R3 - максимального сопротивления (минимальной частоты);
• R10 (не меньше 250 Ом) отбора тока с транзисторов
• VT2 и VT3: ток уменьшает показания стрелочного прибора;
• R11 - минимального отбора тока (без этого резистора диапазон регулировки "нуля" вправо будет слишком большим).

Ограничение регулировок нужно для того, чтобы при изготовлении серии приборов с одинаковыми пределами входного сигнала не искать переменные резисторы с номиналом, не входящим в ряд стандартных сопротивлений и в то же время обеспечить подстройку прибора в нешироких пределах около норм, т.е. облегчить подстройку.

Если бы промышленность изготовляла приборы, такие ограничители выполнялись бы с помощью переключателей либо перемычек, но радиолюбителю намного проще припаять резистор нужного номинала.

Детали, поддерживающие необходимый режим работы каскадов:

• R4, R5 - "сдвигают" потенциал импульсного напряжения на базе транзистора - преобразователя VT1 к "нулю", чтобы обеспечить запас напряжения на коллекторе (иначе усилительные свойства транзистора ухудшатся);
• R6 - согласует средний ток, идущий с коллектора VT1, с максимальным напряжением на входе преобразователя напряжение - ток (этим резистором тоже можно "грубо" регулировать максимальный выходной сигнал);
• R8 - резистор в истоке транзистора VT2 каскада преобразования напряжение-ток, этот резистор задает масштаб преобразования;
• R12 - обеспечивает питание стабилитрона необходимым током.

Аналогично предыдущим эта схема содержит конденсаторы постоянной емкости, имитирующие емкость датчика при пустой и заполненной жидкостью емкости.

По сравнению с преобразователями емкостного сигнала датчика уровня, изготовленными промышленностью, схема имеет следующие преимущества:

• менее сложная схема (намного); линейность показаний в зависимости от уровня; широкий диапазон перестройки;
• высокая надежность; легкость и быстрота выяснения причины неправильных показаний;
• невероятно, всего 28 деталей, из которых смонтировано четыре блока (каскада)!

Автор: Н.П.Горейко

Смотрите другие статьи раздела Индикаторы, датчики, детекторы.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Бензопила с микропроцессором 01.02.2014 Компания Husqvarna разработала "умную" технологию бензопилы, которая адаптирует инструмент к любым условиям работы. Система автоматического контроля и управления мощностью двигателя AutoTune отличается особым строением карбюратора и наличием в нем микропроцессора, отвечающего за работу основных систем. Проще говоря, AutoTune регистрирует и учитывает условия эксплуатации и режим работы бензопилы: качество топлива, температуру в карбюраторе, обороты двигателя, степень загрязнения воздушного фильтра и пр. Полученная информация обрабатывается микропроцессором, который регулирует подачу топлива карбюратора, обеспечивает постоянную высокую производительность двигателя и предотвращает перегрузки. Подобные характеристики позволяют с эффективностью использовать бензиновую технику даже в экстремальных погодных условиях или с топливом низкого качества, отмечают в Husqvarna. Активация системы не требует от пользователя специальных навыков. Она происходит автоматически при запуске пилы. На полное сканирование исходных данных и настройку карбюратора уходит от 3 до 5 минут работы под нагрузкой, после этого инструмент функционирует максимально эффективно. Кроме того, AutoTune оптимизирует работу двигателя при пуске "на холодную", что предотвращает его перегрузки и дальнейшие поломки. Другая уникальная особенность AutoTune - возможность подключения к ПК при помощи специального программного обеспечения для проведения диагностики состояния пилы. Подобную операцию можно провести у авторизованного дилера Husqvarna при прохождении техосмотра или ремонте. Встроенный в AutoTune процессор фиксирует историю по всем основным рабочим показателям: ошибки двигателя, количество рабочих часов, температурные режимы и пр. Выведенная на экран, эта информация позволяет максимально точно определить причины возможных неисправностей или провести профилактику. Программное обеспечение позволяет проверить корректность работы самих датчиков, используемых системой.

Другие интересные новости:

▪ Эффективные вертикальные солнечные системы для парковок

▪ Сверхскоростные SD-карты Verbatim

▪ Датчики на айбергах засекут подводные лодки

▪ Дешевый светящийся дозиметр

▪ Водород в таблетках

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Стабилизаторы напряжения. Подборка статей

▪ статья Конвертер. История изобретения и производства

▪ В чем специфика халифата Аббасидов? Подробный ответ

▪ статья Прицеп для мотоцикла с коляской. Личный транспорт

▪ статья Автономный биоэнергетический модуль БИОЭН-1. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Электроустановки во взрывоопасных зонах. Классификация взрывоопасных смесей по ГОСТ 12.1.011-78. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026