Индикатор уровня жидкости на ИК лучах

Схема, описанная ниже, показывает, каким образом можно максимально использовать чувствительность пироэлектрического датчика и контролировать статическую разницу температур при помощи перфорированного диска, который должен вращаться перед датчиком.

На практике такая схема может применяться для индикации уровня жидкости в резервуаре большого размера, расположенном на расстоянии 5 м от датчика, при разнице температур окружающего воздуха и жидкости, составляющей 1 °С.

Кроме того, рассматриваемая система может использоваться для наблюдений за изменением температуры других объектов, например для контроля за тепловыми потерями в различных местах стены или крыши отапливаемого дома с целью их локализации.

Во избежание резкого снижения высокой чувствительности пироэлектрического датчика из-за тепловых помех необходимо поместить всю систему в корпус, предохраняющий ее от потоков воздуха (рис. 6.14).

Для предотвращения нежелательных перемещений масс воздуха вследствие вращения перфорированного диска его отделяют от пироэлектрического детектора при помощи диафрагмы или размещают во втором кожухе, имеющем небольшое отверстие.

Скорость вращения диска составляет 2 об/с. Так как он имеет пять лопастей, то в соответствии с рис. 6.15 получают тактовую частоту развертки диска 10 Гц.

Чтобы свести к минимуму помехи от усилителей, прибегают к синхронному детектированию. Опорный сигнал, требуемый для него, получают при помощи оптического прерывателя (оптического датчика с открытым каналом), который располагают в соответствии с рис. 6.14 и 6.15.

Поскольку контролируемый уровень жидкости находится на границе раздела сред «воздух-вода» в допустимых пределах, как показано на рис. 6.14, два элемента пироэлектрического приемника подвергаются воздействию различных температур. Тогда детектор фазы обеспечивает сигнал, который после сравнения с пороговым уровнем используют для управления процессом индикации.

В схеме, представленной на рис. 6.16, за пироэлектрическим приемником стоит транзистор р-п-р типа, TR1, обеспечивающий работу при оптимальном соотношении сигнал/шум.

Избирательный усилитель (IC2, коэффициент усиления 185 и IC3, коэффициент усиления 15) адаптирован к тактовой частоте 10 Гц. Его полоса частот находится в пределах от 7 до 15 Гц. Постоянное высокоточное опорное напряжение (Ucc / 2 = 3,25 В) операционных усилителей IC2 и IC3 получают с помощью IC1.

Синхронное детектирование обеспечивается с помощью двух дополнительных транзисторов TR2 и TR3. По очереди они детектируют (выпрямляют) сигналы с резисторов R10 и Rl 1. Общее напряжение, накапливаемое на конденсаторе С6, является результатом выпрямления. После согласования по сопротивлению при использовании IC4 и IC5 это постоянное напряжение усиливается приблизительно в 20 раз с помощью IC6.

В дополнение к этому операционный усилитель подавляет синфазное напряжение помех на выводах конденсатора Сб. Тем не менее некоторая разбалансировка может иметь место за счет разницы между остаточными напряжениями транзисторов TR2 и TR3. Ее компенсируют «точно» при помощи резистора R20 (или «грубо» резисторами R14, R16) таким образом, что в период покоя (в отсутствие разницы температур между двумя элементами пироэлектрического детектора) выходное напряжение IC6 точно соответствует центру средней зоны двухпорогового компаратора на IC7, IC8. Величина этого «окна» (ширины средней зоны), которая определяется величинами резисторов R25 - R29, составляет ±0,125 В. Индикатор (светодиод D3) зажигается, как только входное напряжение компаратора выходит за пределы «окна». В сумме Кус1ц по напряжению цепи усиления-детектирования составляет 13000.

Опорный сигнал обеспечивается схемой, представленной на рис. 6.17.

Элементы схем, изображенных на рис. 6.16 и 6.17 (измеритель уровня жидкости):

• С1: 2,2 мкФ, 25 В, электролитический;
• С2: 4,7 нФ, пленочный;
• СЗ: 2,2 мкФ, 25 В, электролитический;
• С4: 47 нФ, пленочный;
• С5, С6: 1,5 мкФ, пленочный;
• С7, С8: 2,2 мкФ, 25 В, электролитический;
• С9, СЮ: 15 нФ, пленочный;
• С11: 1 мкФ, 25 В, электролитический;
• D1, D2: BA 317 или 1 N 4148;
• IC1, 2, 3: счетверенный операционный усилитель LM 324;
• IC4, IC5: операционный усилитель TL 091;
• IC6, 7, 8: счетверенный операционный усилитель TL 094;
• IC9, 10: сдвоенный операционный усилитель LM 358;
• R1: 56 кОм;
• R2: 10 кОм;
• R3: 2,7 кОм;
• R4, R5: 10 кОм;
• R6: 2,2 МОм;
• R7, R8: 10 кОм;
• R9: 220 кОм;
• R10.R11: ЮОкОм;
• R12, R13: 10 кОм
• R14, R16: подстроечный резистор 100 кОм;
• R15, R17: 1,5 кОм;
• R18, R19: 470 кОм;
• R20: подстроечный резистор 2 кОм;
• R21: 1 кОм;
• R22, R23: 10 МОм;
• R24: 100 кОм;
• R25: 27 кОм;
• R26: 5,6 кОм;
• R27: 2,7 кОм;
• R28: 5,6 кОм;
• R29: 27 кОм;
• R30: 120 Ом;
• R31: 390 Ом;
• TR1: BCY 71 или BCY 559;
• TR2: ВС 109 или ВС 549;
• TR3: BCY 71 или ВС 559;
• оптический датчик с открытым каналом или эквивалентная дискретная цепь.

Оптопара состоит из светодиода ИК диапазона и фотодиода, управляющего усилителем, за которым следуют триггер Шмитта и выходной каскад. Опорный сигнал с последнего поступает через резисторы R12 и R13 на базы транзисторов TR2 и TR3. Существуют модули (предлагаемые фирмой Radio Spares 304-560), объединяющие все элементы, обведенные на рис. 6.17 штриховой линией. Тем не менее сборка на дискретных элементах достаточно проста. Во избежание взаимного влияния рекомендуется обеспечить питание схем, изображенных на рис. 6.16 и 6.17, от отдельных стабилизаторов с выходным напряжением питания +6,5 В, а также иметь независимый источник питания мотора перфорированного диска.

Литература: 2003 · Инфракрасные лучи в электронике. Шрайбер Г