Схема. Ультразвуковой измеритель уровня жидкости

К достоинствам рассматриваемого ультразвукового уровнемера можно отнести малые размеры и потребляемую мощность, возможность измерения уровня агрессивных жидкостей, быстро приводящих в негодность погруженные в них металлические электроды обычных кондуктивных датчиков. В зависимости от установленного режима работы на индикатор выводится расстояние от поверхности жидкости до закреплённого над ней датчика или от поверхности до днища резервуара. Цифровая индикация с высоким темпом обновления даёт возможность судить о динамике изменения уровня.

Установленные пороги включения и выключения насосов, открывания и закрывания кранов или заслонок не изменяются при выключении и последующем включении прибора. Однако при необходимости они могут быть оперативно изменены в процессе его работы. Всё это позволяет с успехом использовать прибор в системах автоматического управления технологическими процессами.
Следует отметить, что на поверхности жидкости не должны плавать большие посторонние предметы, изменяющие характер отражения ультразвуковой волны. Например, очень плохо отражает ультразвук пористая поверхность, уровень отражённого от неё сигнала может стать недостаточным для работы прибора.

Основные технические характеристики
Измеряемое расстояние датчик—поверхность, см …….40…750
Дискретность отсчёта, см …………………………………1
Потребляемый ток по цепи 5 В, мА, не более ………….40
Потребляемый ток по цепи 9 В, мА, не более ………….100
Удаление датчика от измерительного блока при соединении кабелем с волновым
сопротивлением 75 Ом, м, не более………………………100
Схема Ультразвуковой измеритель уровня жидкости 1
Схема ультразвукового измерителя уровня жидкости показана на рис. 1. Микроконтроллер DD1 программно формирует на своём выходе RB3 пачки импульсов. Длительность пачки — около 400 мкс, период повторения — 500 мс. Частота импульсов, образующих пачку, в программе задана равной резонансной частоте датчика (пьезокерамического излучателя-приёмника ультразвука BQ1) — 33 или 40 кГц в зависимости от его типа.

Чтобы обеспечить необходимую мощность излучения, усилитель на транзисторах VT1 и VT2 доводит размах подаваемых на датчик BQ1 импульсов до 80 В. Этот усилитель питается двухполярным напряжением +/-40 В, получаемым с помощью преобразователя постоянного напряжения в постоянное на микросхеме DA1. Датчик соединяют с блоком коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 или 75 Ом.
Одновременно с началом пачки запускается внутренний счётчик микроконтроллера. Излучённая ультразвуковая волна (зондирующий импульс) достигает границы раздела воздух—жидкость и, отразившись от неё, возвращается назад к датчику, который теперь служит приёмником ультразвука.

Принятый отражённый сигнал поступает на вход микросхемы DA2. Ограничитель на диодах VD5 и VD6 защищает его от значительно более мощного зондирующего импульса. Микросхема DA2 усиливает сигналы, фильтрует их, выделяет огибающую и преобразует её в прямоугольные импульсы амплитудой около 5 В, показанные на рис. 2.
Здесь tп — период повторения зондирующих импульсов; tз — задержка между излучённым зондирующим и принятым отражённым от контролируемой поверхности импульсами. Она может быть вычислена по формуле
Схема Ультразвуковой измеритель уровня жидкости 8
где L — расстояние между датчиком и отражающей поверхностью; Vзв — скорость звука. Если считать Vзв=333 м/с, а время — в микросекундах, то расстояние датчик—поверхность в сантиметрах равно
Схема Ультразвуковой измеритель уровня жидкости 9
Микроконтроллер с помощью встроенного счётчика-таймера измеряет интервал tз , переводит результат в сантиметры и выводит его на ЖКИ HG1 Хотя фактическая скорость звука в реальных условиях может отличаться от указанного выше значения, это приводит к погрешности измерения уровня жидкости не более 2 %, что для описываемого прибора вполне допустимо.
Схема Ультразвуковой измеритель уровня жидкости 2
При расстоянии датчик—поверхность менее 40 см нормальная работа прибора нарушается. В каждом периоде повторения зондирующих импульсов он принимает два и более отражённых сигнала, а вычисленное значение расстояния сильно отличается от истинного. В связи с этим в программе микроконтроллера наложен запрет на обработку отражённых сигналов, приходящих с задержкой менее 2,4 мс, и зона 0…40 см «закрыта» для измерения.
В случае временного отсутствия отражённых сигналов на ЖКИ выводится надпись «no SfnSor». Если их нет более 40 с, от напряжения высокого логического уровня на выходе RB4 микроконтроллера включается светодиод HL1. С возобновлением приёма отражённых сигналов измерения продолжаются.
Схема Ультразвуковой измеритель уровня жидкости 3
Чертёж печатных проводников платы прибора показан на рис. 3, а расположение деталей на двух её сторонах — на рис. 4 Все резисторы, кроме R14 и R17, типоразмера 1206 для поверхностного монтажа. Резистор R14 — С5-16Т мощностью 1 Вт, но можно применить и импортные аналоги. Выводы подстроечного резистора R17 (АСР CA6V) установленного со стороны печатных проводников, изогнуты и припаяны к соответствующим контактным площадкам. Все остальные резисторы — типоразмера 1206 для поверхностного монтажа. Дроссель L1 — ДПМ-0,1.

Транзисторы КТ502Е и КТ503Е могут быть заменены другими транзисторами средней мощности соответствующей структуры с допустимым напряжением коллектор—эмиттер не менее 80 В. Замену транзисторам КТ3102А следует подбирать из числа транзисторов структуры n-p-n с допустимым током коллектора не менее 100 мА и напряжением коллектор— эмиттер не менее рабочего напряжения используемых реле. Авторы применили реле AZ943-1C-9D с обмоткой на 9 В сопротивлением 225 Ом и контактами, способными коммутировать цепи переменного тока до 10 А при напряжении до 277 В.

Блок питания, подключаемый к контактам 1—3 колодки ХТ1, должен выдавать два напряжения: стабилизированное 5 В (ток нагрузки 40 мА) для питания микроконтроллера и других устройств прибора, нестабилизированное 9 В (ток нагрузки 100 мА) для питания реле. При использовании реле на другое напряжение следует позаботиться о наличии нужного напряжения в блоке питания.

Микросхему DA2 и все связанные с ней элементы необходимо экранировать, чтобы исключить воздействие помех. Экран, контуры которого показаны на рис. 4 штриховыми линиями, состоит из двух обечаек из тонкой лужёной жести, накрытых крышками из того же материала. Размеры экрана 35x30x5 мм со стороны печатных проводников и 35x30x10 мм с противоположной им стороны. Части экрана крепятся пайкой к отрезкам провода диаметром 1 мм, вставленным в предназначенные для этого отверстия печатной платы. Со стороны печатных проводников над подстроечным резистором R17 для его регулировки в крышке экрана просверлено отверстие диаметром 4 мм.
Схема Ультразвуковой измеритель уровня жидкости 4
Датчик BF1 — от ультразвукового уровнемера «ECOMAX LM 04M» украинского производства. Его резонансная частота — 33 кГц. Можно применить и ультразвуковые капсюли серии МА40 фирмы muRata (с резонансной частотой 40 кГц). Хотя эти капсюли выпускаются раздельно как излучатели ультразвука (например, MA40E7S) и как его приёмники (например, MA40E7R), все они обладают свойством обратимости.
В случае использования датчика с резонансной частотой 40 кГц необходимо уменьшить до 150 кОм сопротивление резистора R22, от которого зависит частота настройки внутреннего полосового усилителя микросхемы DA2.
График этой зависимости показан на рис. 5. В микроконтроллер должна быть загружена программа, соответствующая резонансной частоте датчика (файл UZU_33_7.HEX или UZU_40_7.HEX).

Необходимо иметь в виду, что отдатчика при прочих равных условиях зависит максимальная дальность действия прибора. Поэтому окончательное решение о типе этого элемента следует принимать только после тщательного изучения его характеристик и, желательно, экспериментальной проверки его пригодности.
Замена ЖКИ МТ10Т7-7 индикатором другого типа (даже если он жидкокристаллический) возможна лишь при изменении отвечающей за вывод информации части программы микроконтроллера.
Схема Ультразвуковой измеритель уровня жидкости 5
В изготовленном приборе в первую очередь необходимо проверить работу преобразователя напряжения +5 В в +40 В и -40 В. Эту проверку следует выполнять до установки на плату транзисторов VT1 и VT2. Подав напряжение +5 В, измеряют вольтметром напряжение -40 В на конденсаторе С13 и +40 В на конденсаторе С16. В случае несоответствия необходимо подобрать резистор R20. Затем окончательно собирают прибор и подключают к нему датчик.
Осциллографом проверяют наличие пачек импульсов на выводе 9 (RB3) микроконтроллера. На выходе усилителя (в точке соединения резисторов R9, R10) и на датчике BF1 размах этих импульсов должен быть около 80 В. Датчик должен издавать хорошо слышимые щелчки, повторяющиеся с частотой 2 Гц.

Дальнейшая регулировка сводится к установке чувствительности приёмной части прибора подстроечным резистором R17. Осциллограмма напряжения на выходе (выводе 1) микросхемы DA2 должна быть подобна изображённой на рис. 2. В каждом периоде должны наблюдаться один зондирующий и один отражённый импульсы. Если отражённых импульсов видно больше, необходимо подстроечным резистором R17 уменьшить чувствительность прибора. Для увеличения интенсивности отражённого сигнала необходимо позаботиться о том, чтобы вертикальная ось датчика (направление наибольших интенсивности излучения и чувствительности) была направлена строго перпендикулярно поверхности жидкости.

При включении питания уровнемера на его ЖКИ на 1 с появляется надпись «Start», затем она исчезает и начинается измерение уровня жидкости. Его результат в сантиметрах занимает на ЖКИ знакоместа с седьмого по девятое слева и обновляется два раза в секунду. Для перехода в режим установки параметров необходимо нажать на кнопку SB1 и удерживать её в течение примерно 8 с. На ЖКИ должна появиться на 1 с надпись «—«. Затем начнётся автоматический перебор параметров в следующем порядке:
SEt — выбор выводимого на ЖКИ расстояния (0 — поверхность—датчик, 1 — поверхность—дно резервуара);
LEU — расстояние от датчика до дна резервуара (только в режиме SEt=1, при SEt=0 этот параметр пропускается);
OFF 1 — уровень отпускания реле К1;
On 1 — уровень срабатывания реле К1′
OFF2 — уровень отпускания реле К2;
On2 — уровень срабатывания реле К2;
HySt — ширина зоны гистерезиса.

Каждый из них остаётся на индикаторе 7 с. По окончании цикла перебора прибор возвращается в рабочий режим. Фактически всегда измеряется расстояние датчик—поверхность. Но при SEt=1 перед использованием и выводом на ЖКИ оно вычитается из введённого пользователем значения параметра LEU.
Чтобы изменить значение любого параметра, во время его присутствия на ЖКИ нажимают на кнопку SB1 (увеличение) или SB2 (уменьшение). Параметру SEt нажатием на кнопку SB1 присваивают значение 1, а на кнопку SB2 — 0. На время удержания любой кнопки нажатой счёт времени прерывается. Если отведённого интервала времени на установку нужного значения не хватило, её можно продолжить, повторно войдя в режим просмотра параметров. Поскольку установленные значения параметров хранятся в энергонезависимой памяти микроконтроллера, они не изменяются при выключении и последующем включении питания прибора.

Все уровни задают в сантиметрах. Следует соблюдать следующие условия:
On KOFF1, On 2<OFF2 (при SEt=0);
On 1 >OFF1, On 2>OFF2 (при SEt=1).

Гистерезис необходим для защиты от ложных срабатываний. Например, такое срабатывание может произойти при появлении импульса помехи в интервале между уровнями срабатывания и отпускания реле. Чтобы этого не произошло, программа микроконтроллера сравнивает каждый новый отсчёт уровня с предыдущим. Новый отсчёт считается истинным и выводится на ЖКИ, если он отличается от предыдущего не больше, чем на заданное значение HYSt. Например, при предыдущем отсчёте 150см и HYSt=10 допустимым будет считаться новый отсчёт в пределах от 140 до 160см. Результаты, не попавшие в этот интервал, будут проигнорированы. А если помеха всё-таки попадёт в него, она внесёт незначительную погрешность.

При очень быстром изменении уровня жидкости или при волнении на её поверхности рекомендуется задать HYSt=10, в противном случае достаточно 5—7.
Нажатием и удержанием в течение 5 с кнопки SB2 можно перезапустить микроконтроллер. После этого работа его программы начнётся с самого начала, как при включении питания, а на выводах 11 и 12 будет установлен низкий логический уровень, что обесточит обмотки реле К1 и К2.
Схема Ультразвуковой измеритель уровня жидкости 7
Рассмотрим работу прибора на примере. Пусть установлены следующие значения параметров: SEt=0, On 1=150, OFF1=250, текущий уровень жидкости — 180см, жидкость прибывает. Когда расстояние от датчика до поверхности жидкости станет равным или меньше 150 см, на выводе 11 микроконтроллера будет установлен высокий логический уровень и сработает реле К1. Сигнализируя об этом, во втором слева знакоместе индикатора появится цифра 1. В результате включения управляемого с помощью реле К1 исполнительного устройства (насоса или крана) количество жидкости в резервуаре станет уменьшаться, а расстояние между её поверхностью и датчиком увеличиваться. Когда это расстояние станет равным или больше 250 см, высокий логический уровень напряжения на выводе 11 микроконтроллера сменится низким, обмотка реле К1 будет обесточена, а исполнительное устройство выключено. Во второе знакоместо индикатора будет выведена цифра 0.

Аналогичным образом, но в зависимости от параметров On 2 и OFF2, управляет своим исполнительным устройством реле К2. Его состояние отображают цифры 0 или 2 на четвёртом знакоместе индикатора. Процедуры управления реле К1 и К2 работают независимо одна от другой.
При необходимости можно проинвертировать логику работы этих процедур — сделать так, чтобы при достижении уровня, заданного параметром On 1 (On 2), соответствующее реле отпускало якорь, а при достижении уровня, заданного параметром OFF1 (OFF2), — срабатывало. Для этого достаточно поменять местами коды в парах ячеек программной памяти микроконтроллера, адреса которых указаны в таблице.
Схема Ультразвуковой измеритель уровня жидкости 6
Проще всего это сделать, открыв соответствующий НЕХ-файл в программе управления программированием, например ICProg. На рис. 6 показан фрагмент окна буфера программной памяти микроконтроллера этой программы с загруженным файлом UZU_33_7.HEX. Отмечены ячейки, подлежащие изменению.
Установив курсор на такую ячейку, нужно двойным щелчком левой кнопки мыши перейти в режим редактирования её содержимого и ввести новое значение. Например, чтобы изменить логику работы реле К1, нужно код 1686Н из ячейки 32FH перенести в ячейку ЗЗЗН, а имевшийся в ней ранее код 1286Н записать в ячейку 32FH. Откорректированную программу необходимо загрузить в микроконтроллер.

Прилагаемые файлы:   uzu.zip

А. КУКСА, В. СНИГУР, г. Севастополь, Украина
«Радио» №6 2012г.

2 thoughts on “Схема. Ультразвуковой измеритель уровня жидкости

  1. Добрый день, а можно этим изделием отслеживать точно изменяющийся уровень топлива в баке при заправке????? И как он или сам датчик соприкасается с емкостью?

  2. Добрый день собрал я это устройство настроил как описано но показания на дисплее 160-170
    хотелось консультацию автора

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *