3.4.3. Бесконтактные датчики уровня воды
Рассмотрим две схемы бесконтактных датчиков, использующих пьезоизлучатели. Первая срабатывает при полном погружении пьезоэлемента в воду, а вторая — при соприкосновении воды с поверхностью пьезодатчика.
Известно, что автогенератор с пьезоэлектрическим излучателем (например, ЗП-4), включенным в цепь положительной ОС, работает до тех пор, пока обе плоскости излучателя находятся в воздухе. Если же хотя бы к одной из них слегка прикоснуться пальцем, система окажется демпфированной. Колебания автогенератора при этом срываются. То же самое произойдет, если плоскость излучателя будет касаться поверхности жидкости. Таким образом, когда уровень жидкости высок и она смачивает пьезопластину, генератор не работает. Но как только уровень опустится настолько, что пьезоизлучатель окажется в воздухе, генератор запускается, подавая сигнал на выход датчика. После увеличения количества волы до прежнего уровня генератор снова останавливается.
Схема устройства изображена на рис. 3.36.
Рис. 3.36. 
Автогенератор собран на транзисторе VT1 и пьезоизлучателе BQ1 по довольно распространенной схеме. Он вырабатывает колебания частотой около 2500 Гц, которые через переходную цепь C1R3R4 поступают на вход триггера Шмитта, собранного на логических элементах DD1.1, DD1.2. Триггер преобразует колебания в последовательность прямоугольных импульсов той же частоты, стабильных по амплитуде.
Цепь, состоящая из диода VD2, резисторов R7 и R8 и конденсатора С4, преобразует прямоугольные импульсы в постоянное напряжение, выделяемое на конденсаторе С4. Второй триггер Шмитта, выполненный на элементах DD1.3, DD1.4, служит для дискретизации напряжения на конденсаторе С4, которое меняется довольно плавно. На выходе этого триггера сигнал скачком изменяется с высокого уровня, когда генератор работает, до низкого при его остановке.
Питать устройство можно от источника стабилизированного напряжения 3…15В, если микросхема DD1 — К561ЛА7 или 564ЛА7, и 5…9 В, — если К176ЛА7.
При напряжении 4 В устройство потребляет ток не более 4 мА, а при 15 В — не более 18 мА.
Диоды VD1 и VD3 предохраняют датчик от повреждения при ошибочной перемене полярности напряжения питания. Конденсаторы С2 и СЗ — сглаживающие. Питать датчик допустимо и от батареи элементов или аккумуляторов.
Таким образом, низкому уровню жидкости тут соответствует высокий уровень выходного напряжения, а высокому — низкий. Если же требуется инверсный сигнал, резисторы R3 и R4 нужно поменять местами, а также изменить на обратную полярность включения диода VD2.
Микросхему К561ЛА7 можно заменить на К561ЛЕ5,564ЛА7,564ЛЕ5, К176ЛА7 или К176ЛЕ5 без изменения нумерации выводов, а также четырьмя инверторами микросхемы К561ЛН2 или 564ЛН2 с изменением номеров выводов.
Диоды VD1 — VD3 могут быть любыми из серий КД102, КД103 или другими кремниевыми с допустимым прямым током не менее 20 мА. Транзистор — любой из серий КТ315, КТ312, КТ342, КТ503.
Допустимо применить здесь и транзистор структуры р-n-р (любой из серий КТ208, КТ209, КТ361, КТ502), но в этом случае его эмиттер подключают не к общему проводу, а к плюсовому выводу конденсатора СЗ. Так же поступают и с нижним по схеме выводом излучателя BQ1. Верхний по схеме вывод резистора R1 соединяют с общим проводом.
Описанный датчик чувствителен при работе с жидкостями, срыв колебаний автогенератора происходит, как правило, лишь в том случае, когда пьезоизлучатель полностью погружен в жидкость.
Вследствие того, что вода способна лишь понизить частоту резонанса излучателя примерно на 25 %, а не сорвать колебания генератора путем демпфирования колебаний пьезоизлучателя, датчик уровня жидкостей должен быть устроен несколько иначе (рис. 3.37).
Рис. 3.37. 
Здесь автогенератор датчика построен на элементах DD1.1, DD1.2 и пьезоизлучателе BQ1. Элементы DD1.3, DD1.4 образуют триггер Шмитта, а конденсатор С1 и резисторы R3 и R4 — переходную цепь.
Информационный вход D триггера DD2.1 соединен с собственным инверсным выходом, поэтому триггер выделяет период повторения импульсов на входе С (на выходе триггера Шмитта). Триггер DD2.2 играет роль элемента сравнения текущего значения упомянутого периода повторения с образцовой длительностью зарядки конденсатора С4 через резистор R8. Дифференцирующая цепь C5R9 служит для предустановки в единичное состояние триггера DD2.2 после включения питания.
Когда контролируемый уровень жидкости ниже нормы, частота автогенератора высока, поэтому конденсатор С4 за период не успевает зарядиться настолько, чтобы триггер DD2.2 переключился сигналом на входе С в единичное состояние. На выходе 1 устройства будет низкий уровень напряжения, а на выходе 2 — высокий.
Когда уровень жидкости достигнет нижней плоскости датчика — пьезоизлучатсля BQ1, частота автогенератора понизится, а конденсатор С4 за период будет успевать заряжаться до такого напряжения, при котором триггер DD2.2 переключится из нулевого состояния в единичное. На выходах устройства произойдет смена уровней.
Четкость срабатывания устройства обеспечена физическими свойствами самой жидкости. Так, обволакивание нижней плоскости пьезоизлучателя поднявшейся жидкостью и соответствующее понижение частоты автогенератора происходят довольно резко, причем независимо от того, хорошо или плохо смачивает она эту грань.
Столь же резко происходит и разрыв контакта между излучателем и поверхностью жидкости при опускании ее уровня. Важно, что остаточная жидкостная пленка на нижней плоскости датчика почти не изменяет его резонансной частоты. Величина жидкостного «гистерезиса» срабатывания по частоте зависит главным образом от вязкости и температуры жидкости и смачиваемости плоскости датчика.
Резистор R8 необходимо подобрать. Сначала измеряют частоту прямоугольных импульсов на выходе элемента DD1.4, когда пьезоизлучатель BQ1 находится в воздухе; предположим, она будет равна 2500 Гц. Затем снова измеряют частоту импульсов, когда нижняя плоскость пьезоизлучателя BQ1 контактирует с поверхностью контролируемой жидкости; пусть частота понизилась до 2000 Гц. Тогда сопротивление резистора R8 должно быть таким, чтобы переключение триггера DD2.2 из нулевого состояния в единичное и обратно происходило при средней частоте — 2250 Гц. Тем самым будет, в известной мере, устранено влияние на порог срабатывания датчика питающего напряжения, температуры и некоторого изменения свойств жидкости. При подборке резистора R8 вход С триггера DD2.1 на время отключают и подают на него прямоугольные импульсы соответствующей частоты от внешнего генератора. Из-за отсутствия «гистерезиса» момент срабатывания триггера DD2.2 по частоте будет сопровождаться некоторым «дребезгом». Не следует обращать на это внимания — он полностью исчезнет после восстановления нарушенного соединения.
Как уже было сказано, цепь C5R9 устанавливает триггер DD2.2 в единичное состояние сразу же после подачи питания. Тем самым предотвращаются случаи ложного кратковременного включения исполнительного механизма.
