Схема предназначена для непрерывного измерения уровня воды с помощью внешнего ёмкостного датчика Cx, подключаемого к J1. Электрического контакта электродов с водой не требуется.
Основной целью было получить простой аналоговый выход без микроконтроллера и программной обработки. Прямое преобразование ёмкости датчика в напряжение оказалось менее удобным из-за небольшой величины изменения ёмкости и влияния паразитных ёмкостей. Поэтому ёмкость сначала преобразуется в частоту — этот параметр легко и стабильно формируется RC-генератором.
Два одинаковых канала REF и SENSE позволяют измерять не абсолютную частоту, а их разность, что уменьшает влияние питания, температуры и разброса параметров логики. Одновибраторы преобразуют каждый период генератора в импульс фиксированной длительности, поэтому после усреднения напряжение становится практически пропорциональным частоте. Далее обычный дифференциальный каскад на LM358 непосредственно выделяет разность двух каналов.
В результате получилась схема из распространённых компонентов, не требующая прошивки и сложной настройки, с достаточно линейным аналоговым выходом и возможностью простой калибровки нуля по сухому датчику.
В схеме используются два RC-генератора на SN74HC14. Частота опорного генератора REF устанавливается равной частоте измерительного генератора при сухом датчике. При повышении уровня воды ёмкость Cx увеличивается, поэтому частота измерительного генератора уменьшается.
После генераторов установлены одновибраторы, формирующие импульсы фиксированной длительности. После RC-фильтрации получаются два постоянных напряжения, пропорциональных частотам REF и SENSE. Дифференциальный каскад на LM358 формирует выходное напряжение, приблизительно пропорциональное разности частот:
VOUT ≈ K × (FREF − FSENSE)
Таким образом, при увеличении уровня воды выходное напряжение возрастает. Конденсатор 30 пФ, включённый параллельно внешнему Cx, улучшает линейность характеристики. Подстроечный резистор 100 кОм, зашунтированный постоянным 68 кОм, служит для точной установки нуля при сухом датчике.
Схема работает от +5 В, а выход рассчитан на подключение к АЦП микроконтроллера или другому высокоомному измерительному входу.
Конструкция ёмкостного щупа
В качестве чувствительного элемента используется обычный двухжильный кабель ВВГ 2×1,5 мм² длиной около 40 см. Примерно 30 см кабеля являются активной измерительной частью, остальные 10 см используются для подключения и размещения щупа.
Обе медные жилы работают как обкладки распределённого конденсатора. Собственная изоляция жил и внешняя оболочка кабеля полностью отделяют электроды от воды, поэтому металлические части с жидкостью не контактируют. Нижний конец кабеля должен быть герметично закрыт, чтобы исключить попадание воды внутрь оболочки. Никакой зачистки электродов на измерительном участке не требуется.
При погружении кабеля вода с высокой диэлектрической проницаемостью заменяет окружающий воздух и увеличивает ёмкость между жилами. Поскольку геометрия кабеля по длине практически постоянна, изменение ёмкости получается приблизительно пропорциональным длине погружённой части.
Для щупа ВВГ 2×1,5, использованного в макете, можно ориентироваться на изменение порядка 1 пФ на сантиметр погружения. Таким образом, для активной длины 30 см полный полезный диапазон изменения ёмкости составляет примерно 30 пФ. Точная начальная ёмкость зависит от конкретного кабеля, длины выводов и монтажа, поэтому её лучше измерять уже на готовой конструкции.
Параллельно щупу на плате установлен постоянный конденсатор 30 пФ C0G/NP0. Он добавляется к ёмкости датчика и используется для улучшения линейности преобразования «уровень → частота → выходное напряжение».
Практически это даёт очень простой механически прочный щуп: кусок серийного кабеля одновременно является и чувствительным элементом, и его изоляцией, а никаких металлических электродов, непосредственно контактирующих с водой, нет.
Выходное напряжение напряжение для такой конструкции примерно 0.1в … 3В. Примерно 100мВ на сантиметр.
ЛУТ)
