Бесконтактные датчики уровня воды
Рассмотрим две схемы бесконтактных датчиков, использующих пьезоизлуча-тели. 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 пьезопластипу, генератор не работает. Но как только уровень опустится настолько, что пьезоизлучатель окажется в воздухе, генератор запускается, подавая сигнал на выход датчика. После увеличения количества воды до прежнего уровня генератор снова останавливается.
Схема устройства изображена на рис. 3.36. Автогенератор собран па 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,
Рис. 3.36. Датчик с транзисторным генератором
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...15 В, 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, К ДЮЗ 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-п-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 пьезоизлуча-тель 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). Здесь автогенератор датчика построен на элементах DD1.1, DDlr2 и пьезоизлучателе BQ1. Элементы DD1.3, DD1.4 образуют триггер Шмиттада 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 — пьезоизлу-чателя 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
Рис. 3.37.
Датчик уровня воды с пьезоэлементом
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.
3.4.4. Устройства для отпугивания грызунов Простое устройство для отпугивания грызунов
Как уже отмечалось выше, неприятности может доставить вам не только вода, но и живые существа, а именно крысы. Эти вредные животные прекрасно питаются оплеткой и изоляцией проводов, а зубы их настолько остры и крепки, что могут разрушить даже металл. Именно для защиты вашего тайника и его содержимого от этих маленьких «монстров» и предназначены описываемые ниже приборы.
Рис. 3.38.
Простой генератор для отпугивания грызунов
Схема генератора, показанная на рис. 3 38, состоит из модулятора низкой частоты (Cl, C2/DD1 1, DD1 2, Rl, R2), генератора ультразвуковых колебаний (СЗ, С4, DD1 3, DD1.4, R3, R4), усилителя мощности на транзисторах VT1 — VT3 и излучателя, в качестве которого использован высокочастотный громкоговоритель 4ГДВ-1
При номиналах, указанных на схеме, генератор излучает частотно-модулированные колебания в диапазоне 15 40 кГц. Частота генератора регулируется резистором R4, частота модуляции регулируется резистором R2 в пределах 2 ..10 Гц
Необходимо иметь в виду, что ультразвуковые колебания, излучаемые этим генератором, могут отрицательно воздействовать на нервную систему человека и домашних животных Длительное пребывание в помещении с работающим генератором может вызвать головную боль, тошноту и другие ощущения дискомфорта, поэтому включать его рекомендуется непосредственно перед уходом из помещения
Если установить контакт SB1 таким образом, что при несанкционированном проникновении в помещение этот контакт замыкается, генератор может работать еще и как сирена охранной сигнализации, поскольку начинает излучать модулированные по частоте колебания в диапазоне 1000 2000 Гц
Следует иметь в виду, что при длительной работе в одном частотном диапазоне крысы могут адаптироваться, поэтому необходимо резисторами R2 и R4 изменять параметры излучения 2—3 раза в неделю Можно также применить такой прием конденсатор С4 соединить с отрезком провода, создающим дополнительную емкость, изменяющуюся при изменении температуры, влажности, силы ветра (если провод вывести наружу) и т д Тогда частота будет изменяться по случайному закону
Многочастотный генератор ультразвука
Постоянно звучащий тон, хотя и надоедлив, но вполне терпим. Иное дело, если тон переменный, например звук двух- или трехтональной сирены либо сирены с периодически изменяющейся часготой Воздействие таких источников звука на животных, не юворя уже о человеке, неизмеримо сильнее Эффективность возрастает, если частота модуляции звуковых колебаний совпадает с частотой некоторых жизненно важных биоритмов Подобные сирены способны вызвать даже у диких животных чувство тревоги, испуга и страха
Ультразвуковые излучатели отпугивающих устройств тоже должны воспроизводить колебания не постоянной, а каким-то образом промодулированной частоты. Поскольку на человека сильнее воздействует звук переменной частоты, видимо, на животных более эффективно будет влиять именно частотная модуляция ультразвука
Предлагаемое устройство (рис 3.39) представляет собой ультразвуковой генератор, частота колебаний которого промодулировапа инфразвуковыми колебаниями частотой 6.. 9 Гц Генератор инфразвуковой частоты образуют элементы DD1.1, DD1.2, резисторы Rl, R2 и конденсатор Cl Цепочка из резисторов R3, R4, R6, конденсатора С2, диодов VD1, VD2 и транзистора VT1 предназначена для
Рис. 3.39.
Ультразвуковой многочастотный генератор
периодического «увода» частоты ультразвукового генератора ~ симметричного мультивибратора, собранного на элементах DD1.3, DD1.4, резисторах R5, R7 и конденсаторах С5, Сб.
Его частота периодически, с частотой 6... 9 Гц, изменяется от 25 до 50 кГц.
Транзисторы VT2—VT5, каждый из которых включен по схеме эмиттер-ного повторителя, образуют двухтактный мостовой усилитель, нагрузкой которого служит динамическая головка ВА1 — она излучает ультразвук с частотной модуляцией. Диод VD3 и конденсаторы СЗ, С4 — это фильтр в цепи питания микросхемы DD1. Диод VD3, кроме того, предохраняет микросхему от выхода из строя в случае ошибочной полярности включения источника питания всего устройства.
Принцип работы ультразвуковой сирены следующий. Если, допустим, эмит-терный переход транзистора VT1 замкнуть проволочной перемычкой, он будет постоянно закрыт, поэтому диоды VD1 и VD2 тоже будут закрыты и ультразвуковой генератор станет работать с постоянной частотой около 25 кГц. Поскольку номиналы резисторов R5, R7 и конденсаторов С5, С6, входящих в мультивибратор, равны между собой, этот генератор формирует строго симметричные прямоугольные импульсы, обеспечивающие головке ВА1 работу без «перекоса». Это — низшая частота работы устройства.
Если теперь верхний (по схеме) вывод резистора R3 переключить на плюсовой проводник источника питания, а перемычку с эмиттер ного перехода транзистора VT1 удалить, то транзистор постоянно будет в открытом состоянии. В этом случае диоды VD1 и VD2 станут поочередно открываться с частотой 50 кГц — удвоенной частотой ультразвукового генератора, являющейся высшей частотой устройства.
В целом же устройство работает следующим образом. Когда сигнал низкого уровня на выходе элемента DD1.2 скачком сменяется высоким, примерно в течение 30 мс частота ультразвукового генератора изменяется (за счет плавного открывания транзистора VT1) с 25 до 50 кГц, после чего в течение 35 мс остается равной 50 кГц. Затем, когда сигнал высокого уровня на том же выходе элемента DD1.2 снова сменяется низким, генератор в течение 30 мс уменьшает свою частоту (из-за плавного закрывания транзистора VT1) с 50 до 25 кГц, после чего в течение 35 мс формирует импульсную последовательность низшей частоты.
Далее работа устройства циклически повторяется.
Частоту инфразвукового генератора можно изменять подбором сопротивления резистора R2, время нарастания и спада частоты ультразвукового генератора — резистора R3, а значение высшей частоты устройства — резистора R6. При необходимости изменения низшей частоты (обычно в сторону ее уменьшения вплоть до 20 кГц) одновременно подбирают резисторы R5 и R7, соблюдая при этом равенство их номиналов.
Резисторы устройства могут быть МЛТ-0,125 или МЛТ-0,25. Конденсаторы С1 -СЗ, С5 и С6 - любые керамические, а С4 - любой оксидный; диоды VD1 — VD3 — кремниевые импульсные или высокочастотные. Транзистор КТ315Г можно заменить другим из этой же серии. Составные транзисторы VT2 и VT4 могут быть любыми из серий КТ829, КТ972, a VT3 и VT5 - серий КТ853, КТ973. Если таких транзисторов нет, их можно составить из следующих пар- КТ3102А и КТ817Г (VT2, VT4), КТ3107А и КТ816Г (VT3, VT5). Микросхему К176ЛА7 (DD1) можно заменить на К561ЛА7, 564ЛА7, К176ЛЕ5, К561ЛЕ5, 564ЛЕ5.
Динамическая головка ВА1 — высокочастотная малогабаритная ЗГДВ-1. С головкой 6ГДВ-4 мощность ультразвуковых колебаний возрастет. Можно включить две головки, например ЗГДВ-1 или 2ГД- 36, соединив параллельно (соблюдая полярность) звуковые катушки, но их общее сопротивление не должно быть
меньше 4 Ом.
При напряжении источника питания 9 В и восьмиомной нагрузке ток, потребляемый устройством, не превышает 0,5 А, а с четырехомной нагрузкой — 1 А. Питать устройство рекомендуется от источника стабилизированного напряжения соответствующей мощности.
Чтобы затруднить грызунам адаптацию к отпугивающему сигналу, целесообразно, видимо, для модуляции ультразвуковых колебаний использовать более сложный генератор инфразвуковой частоты, например генератор псевдослучайной последовательности импульсов.
Рис. 3.40.
Генератор псевдослучайной последовательности импульсов.
Схема практической конструкции такого генератора приведена на рис. 3.40. В нем два дополнительных инфразвуковых генератора — на элементах DD2.1, DD2.2 и DD2.3, DD2.4, которые по отдельности способны формировать прямоугольные импульсы частотой около 1,9 и 3,6 Гц соответственно.Частоты всех трех генераторов выбирают так, чтобы они не были кратны одна другой. Тогда вместо методической частотной модуляции ультразвука удастся получить целые «трелив, напоминающие (разумеется, в звуковом диапазоне) не только птичье пенье, но и мышиный и крысиный писк в стрессовой ситуации.
Устройство с таким генератором колебаний инфразвуковой частоты наиболее точно имитирует тревожный писк грызунов, не воспринимаемый ухом человека, но прекрасно различаемый грызунами.
