Бесконтактный емкостной переключатель на логических элементах

БЕСКОНТАКТНЫЙ ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК – СДЕЛАЙ САМ

Сегодня никого не удивишь различными по назначению и эффективности электронными устройствами предупреждения, которые оповещают или включают охранную сигнализацию задолго до непосредственного контакта нежелательного «гостя» с охраняемым рубежом (территорией). Многие из таких узлов, описанных в литературе, на мой взгляд, интересны, но слишком сложные.

В противовес им предлагается простая электронная схема бесконтактного емкостного датчика (Рис. 4.11), собрать которую в силах начинающий радиолюбитель. Устройство имеет многочисленные достоинства, одно из которых (высокая чувствительность по входу) используется для предупреждения о приближении какого-либо одушевленного объекта (например, человека) к сенсору Е1.

Рис. 4.11. Электрическая схема бесконтактного емкостного датчика

Элементы схемы и их назначение

Основу схемы составляют два элемента микросхемы К561ТЛ1 (DD1), включенных как инверторы. Эта микросхема имеет в своем составе четыре однотипных элемента с функцией 2И-НЕ с триггерами Шмитта с гистерезисом (задержкой) на входе и инверсией сигнала на выходе. В таких элементах петля гистерезиса показывается внутри их обозначения.

Применение микросхемы К561ТЛ1 в данном случае оправдано тем, что она, как и серия К561 в частности имеет:

предельно малый рабочий ток;

высокую помехозащищенность (до 45% от уровня напряжения питания);

широкий диапазон питающего напряжения — от 3 до 15 В;

защищенность по входу от потенциала статического электричества и кратковременного превышения входных уровней.

Эти и другие достоинства микросхемы позволяют использовать ее в радиолюбительских конструкциях без каких-либо особых мер предосторожности и защиты. Кроме того, микросхема К561ТЛ1 позволяет включать свои независимые логические элементы параллельно, в качестве буферных элементов, вследствие чего мощность выходного сигнала кратно увеличивается.

Триггеры Шмитта — это, как правило, бистабильные схемы, способные работать с медленно возрастающими входными сигналами, в том числе с «примесью» помех. При этом они обеспечивают по выходу крутые фронты импульсов, которые можно передавать в последующие узлы схемы для стыковки с другими ключевыми элементами и микросхемами. Микросхема К561ТЛ1 (как, впрочем, и микросхема К561ТЛ2) может выделять управляющий сигнал, в том числе цифровой, для других устройств из аналогового, или нечеткого, входного импульса. Зарубежным аналогом микросхемы К561ТЛ1 является микросхема CD4093B.

Схема включения инверторов — классическая и описана в справочных изданиях. Особенность представленной разработки заключается в конструктивных нюансах.

После включения питания на входе элемента DD1.1 возникает неопределенное состояние, близкое к низкому логическому уровню. На выходе DD1.1 имеется напряжение высокого уровня, на выходе DD1.2 опять низкое. Транзистор VT1, играющий роль усилителя тока, закрыт. Пьезоэлектрический капсюль НА1 с внутренним генератором 34 не активен.

К сенсору Е1 подключена автомобильная телескопическая антенна. При нахождении человека рядом с антенной изменяется емкость между штырем антенны и полом. При этом элементы DD1.1, DD1.2 переключаются в противоположные состояния. Для переключения узла человек среднего роста должен находиться или проходить рядом с антенной длиной 35 см на расстоянии до 1.5 м.

На выводе 4 микросхемы появляется напряжение высокого уровня. При этом открывается транзистор VT1 и звучит капсюль НА1.

Конденсатор С). От емкости конденсатора С( зависит режим работы элементов микросхемы. Так, при уменьшении емкости С до 82…120 пФ узел работает иначе. Теперь звуковой сигнал звучит только пока на вход DD1.1 воздействует наводка переменного напряжения — прикосновение человека. Тип конденсатора — КМ6.

Электрическую схему (Рис. 4.11) можно использовать и как основу для триггерного сенсорного узла. Для этого следует исключить из схемы постоянный резистор Rlt экранированный провод. Сенсором в этом случае будут контакты микросхемы 1 и 2.

Последовательно с R] подключается экранированный провод (кабель РК-50, РК-75, экранированный провод для сигналов 34 — подходят все типы) длиной 1.0… 1.5 м, экран соединяется с общим проводом. Центральный (неэкранированный) провод на конце соединяется со штырем антенны.

При соблюдении этих рекомендаций, т. е. при применении указанных в схеме типов и номиналов элементов, узел генерирует звуковой сигнал частотой около 1 кГц (зависит от типа капсюля НА1) при приближении человека к штырю антенны на расстояние 10…1.5м. При этом триггерный эффект отсутствует, т. е. при удалении человека от антенны звук в капсюле НА1 прекращается.

В эксперименте принимали участие животные — кошка и собака. Оказалось, что на их приближение к сенсору-антенне узел не реагирует. Принцип действия в данном устройстве основан на изменении емкости между сенсором-антенной Е1 и землей (общим проводом, всем тем, что соотносится к заземляющему контуру; в данном случае это пол и стены помещения). При приближении человека эта емкость существенно изменяется, что оказывается достаточным для срабатывания микросхемы К561ТЛ1.

Практическое применение узла трудно переоценить. В авторском варианте устройство смонтировано рядом с дверной коробкой многоквартирного жилого дома. Входная дверь — металлическая. Громкость сигнала 34, излучаемого капсюлем ΗΑ1, достаточна, чтобы услышать его на закрытой лоджии, и сопоставима с громкостью квартирного звонка.

Источник питания — стабилизированный, напряжением 9…15 В, с хорошей фильтрацией напряжения пульсаций по выходу. Ток потребления ничтожно мал в режиме ожидания (несколько мкА) и увеличивается до 22…28 мА при активной работе излучателя НА1. Бестранс- форматорный источник применять нельзя из-за возможности поражения электрическим током.

Оксидный конденсатор С2. Действует как дополнительный фильтр по питанию. Тип конденсатора — К50-35 или аналогичный на рабочее напряжение не ниже напряжения источника питания.

При эксплуатации узла выявлены интересные особенности. Так, на работу узла влияет напряжение питания. Оказалось, что при увеличении напряжения питания до 15 В в качестве сенсора-антенны достаточно использовать один обыкновенный многожильный неэкраниро- ванный электрический медный провод сечением 1…2 мм, длиной 1 м, без экрана и без резистора R^. Электрический медный провод подсоединяется непосредственно к выводам 1 и 2 элемента DD1.1. Эффект оказывается таким же.

При изменении фазировки сетевой вилки источника питания узел катастрофически теряет чувствительность и способен работать только как сенсор, т.е. реагирует на прикосновение к Е1. Это важно при любом значении напряжения источника питания в диапазоне 9…15 В. Очевидно, что второе назначение данной схемы — обыкновенный сенсор или сенсор-триггер.

Все это следует учитывать при изготовлении узла. Однако при правильном подключении можно создать важную и стабильную часть охранной сигнализации, обеспечивающей безопасность жилища и предупреждающей хозяев о нештатной ситуации еще до ее возникновения. Готовое устройство показано на Рис. 4.12.

Рис. 4.12. Устройство с автомобильной антенной в виде емкостного датчика

При неукоснительном соблюдении всех рекомендаций устройство не требует наладки.

Возможно, при других вариантах сенсоров и антенн узел проявит себя в ином качестве. Если экспериментировать с длиной экранирующего кабеля, длиной и площадью сенсора-антенны Е1 и напряжением питания узла, не исключено, что потребуется скорректировать сопротивление резистора R в пределах 0.1…100 МОм. Для уменьшения чувствительности узла увеличивается емкость конденсатора Ct. Если это не приносит желаемых результатов, параллельно С] включается постоянный резистор сопротивлением 5…10 МОм.

Транзистор VT1. Необходим для усиления сигнала с выхода элемента DD1.2. Без этого транзистора капсюль НА1 звучит слабо. Может быть заменен транзисторами КТ503, КТ940, КТ603, КТ801 с любым буквенным индексом.

Капсюль-излучатель НА1. Может быть заменен аналогичным капсюлем со встроенным генератором 34 и рабочим током не более 50 мА, например: FMQ-2015B, КРХ-1212В и аналогичными.

Благодаря применению капсюля со встроенным генератором проявляется интересный эффект: при приближении человека к сенсору-антенне Е1 звук капсюля монотонный, а при удалении (или приближении человека на расстояние около 1,5 м от Е1) капсюль издает стабильный прерывистый звук в соответствии с изменением уровня потенциала на выходе элемента DD1.2.

Если в качестве НА1 применить капсюль со встроенным генератором прерываний 34, например KPI-4332-12, звук будет напоминать сирену при относительно большом расстоянии человека от сенсора-антенны и стабильный прерывистый сигнал при максимальном приближении.

Относительным недостатком устройства можно считать отсутствие избирательности «свой/чужой», так как узел сигнализирует о приближении к Е1 любого лица, в том числе вышедшего «за булкой хлеба» хозяина квартиры. Основа работы узла — электрические наводки и изменение емкости. Такой узел эффективно работает только в больших жилых массивах с развитой сетью электрических коммуникаций.

Возможно, что такой прибор будет бесполезен в лесу, в поле — везде, где нет электрических коммуникаций осветительной сети 220 В. Такова особенность устройства.

Экспериментируя с данным узлом и микросхемой К561ТЛ1 (даже в штатном ее включении), можно получить бесценный опыт и реальные, простые в повторении, но оригинальные по сути и функциональным особенностям электронные устройства.

Монтаж элементов выполняется на плате из стеклотекстолита. Корпус для устройства может быть из любого диэлектрического материала.

Для контроля включения питания устройство может быть снабжено индикаторным светодиодом, который подключается параллельно источнику питания.

Источник: Кяшкаров А. П., Собери сам: Электронные конструкции за один вечер. — М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2007. — 224 с.: ил. (Серия «Собери сам»).

Читайте также  Как провести проводку через стену?

Бесконтактные логические элементы

В любой электрической схеме управления можно рассмотреть логическую взаимосвязь между ее элементами. Например, если проанализировать схему реверсивного управления с помощью магнитных пускателей, можно обнаружить, что необходимым условием одного из пускателей является отключенное состояние другого. Эта логическая связь осуществляется размыкающими контактами магнитных пускателей.

В некоторых схемах логическая связь объединяет несколько элементов. На рис. 7.3 приведены схемы включения реле. Необходимым условием включения реле К является одновременное замкнутое состояние контактов К1 и К2 (рис. 7.3, а), а для включения реле К в схеме (рис. 7.3, б) достаточно замыкания К1 или К2. В первом случае выполняется логическая связь «И», а во втором случае логическая связь «ИЛИ».

Рис. 7.3. Схемы включения реле: а)– при замыкании контактов К1 и К2; б)– при замыкании контактов К1 или К2

В основу логических элементов заложены наиболее часто встречающиеся в электрических схемах логические связи. Логические элементы получили свои названия по осуществляемым ими логическим связям. Различают основные и дополнительные логические элементы.

К основным относятся элементы, выполняющие логические связи И, ИЛИ, НЕ и их комбинации ИЛИ – НЕ, И – НЕ.

Логические элементы имеют один или несколько входов и один выход. Логический элемент И характеризуется тем, что сигнал на его выходе появляется только при одновременной подаче сигналов на все входы. В логическом элементе ИЛИ сигнал на выходе появляется при подаче сигнала хотя бы на один из его входов. Элементы И и ИЛИ имеют не менее двух входов. Элемент НЕ имеет один вход.

Логические элементы применяются в схемах управления в качестве промежуточных элементов. Они выполняют различные элементарные операции, позволяющие получить нужную последовательность включения исполнительных элементов схемы.

Логические элементы выполняют те же функциональные операции, что и электромагнитные контактные реле. Они имеют два устойчивых состояния – «включено» и «выключено», которые обозначаются соответственно цифрами 1 и 0. Для электромагнитного реле цифра 1 обозначает замкнутое состояние контакта, а цифра 0 – разомкнутое. Для бесконтактного логического элемента цифра 1 указывает на наличие напряжения на его выходе, а цифра 0 – на отсутствие напряжения. Аналогично обозначаются и входные сигналы логических элементов буквой Х, а выходные – Y.

Логический элемент ИЛИ. Выполняет функциональную операцию логическое сложение. Сигал на выходе элемента появляется при наличии хотя бы одного входного сигнала – Х1 или Х2. Операция ИЛИ может выполняться для любого количества входных сигналов. Эту функцию можно реализовать в виде логического сложения . Тогда для различных сочетаний входных контактов – замкнутого (логическая 1) или разомкнутого (логический 0) – имеем: , , , (чисто логическое сложение).

Логический элемент И. Выполняет функциональную операцию логическое умножение. Сигнал на выходе элемента появляется только в том случае, когда оба входных сигнала равны 1. В остальных случаях .

Логический элемент НЕ. Выполняет функциональную операцию отрицания или инвертирования. При наличии входного сигнала Х1 = 1 выходной сигнал отсутствует (), а при отсутствии входного сигнала () выходной сигнал .

Логический элемент ИЛИ – НЕ. В этом комбинированном элементе при наличии хотя бы одного сигнала на входе (Х1, сигнал на выходе , а при отсутствии входных сигналов (Х1, Х2) . Кроме рассмотренных примеров логические элементы могут выполнять запоминание определенного уровня входного сигнала (операция «ПАМЯТЬ»), блокировку (операция «ЗАПРЕТ»), выдержку времени на включение и отключение, и другие функции.

Наиболее простым способом проектирования схем управления на логических элементах является перевод предварительно составленной релейно-контакторной схемы в бесконтактный аналог заменой сочетаний контакторов и реле эквивалентными бесконтактными логическими элементами. Логические функции можно реализовать на полупроводниковых элементах диодных, транзисторных или диодно-транзисторных в обычном или интегральном исполнении.

На рисунке 7.4 показан узел схемы управления нереверсивным электроприводом с использованием бесконтактных логических элементов.

Рис. 7.4. Узел схемы управления нереверсивным электроприводом:

а) – релейно-контакторный эквивалент; б) – на бесконтактных логических элементах

В исходном состоянии сигналы:

Х1 – на входе элемента 2 (триггер),

Х2 – на выходе элемента 1 (И – НЕ);

Y – на выходе элемента 3 (усилителя) – равны нулю. Следовательно, контактор КМ отключен.

При нажатии на кнопку 2 появляется сигнал Х1 на входе элемента 2, триггер открывается и пропускает этот сигнал через усилитель на катушку контактора. Контактор срабатывает и подключает электродвигатель к сети.

Отключение электродвигателя от сети осуществляется нажатием на кнопку SB1 или при размыкании контакта КК электротеплового реле. При этом триггер переключается и на его выходе устанавливается нулевой сигнал. В результате размыкается цепь питания катушки контактора.

Бесконтактный емкостной переключатель на логических элементах

Данный высокочувствительный, бесконтактный датчик наличия человека является результатом несложно эксперимента и может быть пригоден для множества полезных применений. Микросхема 74HC02 NOR работает как высокоимпедансный емкостной датчик. Она устанавливает / сбрасывает триггерную схему, и управляет светодиодом и реле для устройства управления мощностью. Простое размещение пальца вблизи площадки, будет достаточно для переключения триггера – прямое касание человеком не требуется, поэтому площадка может быть изолирована. Диапазон действия устройства с настраиваемым уровнем чувствительности составляет 15 мм. Устройство питается от 12В источника постоянного тока.

Данная схема является усовершенствованным вариантом предыдущего решения, для которого требуется две контактные площадки: Non-Contact Human Interface Capacitive Switch

Принцип работы

Емкость входа логического элемента обычно составляет 3 пФ. Для того чтобы сделать данный вход более чувствительным по отношению к емкости человеческого тела рекомендуется установить резистор смещения величиной 100 МОм. Также данную величину сопротивления можно получить из цепочки последовательно соединенных резисторов номиналом от 10 до 22 МОм. Второй вывод резистора подключается к потенциометру смещения, поэтому статическое входное напряжение может быть установлено очень близко к цифровому порогу срабатывания (около Vcc /2). Чувствительность также увеличивается путем снижения напряжения Vcc до уровня 3 В (минимальное рабочее напряжение составляет 2.0 В). Радиус действия устройства величиной 15 мм достигается путем использования резистора сопротивлением 62 МОм. Контактная площадка представляет собой 1 центовую монету, припаянную к резистору величиной 1 МОм. Радиус действия устройства увеличивается до 25 мм при использовании руки вместо пальца.

После установки или сброса триггерной схемы, конденсатор C2 заряжается или разряжается через резистор R7. Когда он достигает порога (Vcc /2), логические элементы U2A & B переключают входной сигнал на противоположный вход триггера.

N-канальный MOSFET 2N7000 (Q1) управляет ультраярким белым светодиодом с током 20 мА и реле напряжением 12 В.

Входной резистор величиной 1 МОм защищает интегральную схему от статического разряда и позволяет прикасаться к контактной площадке без опасности электростатического пробоя.

Трудности при разработке схемы

Наибольшей проблемой при проектировании схемы было поместить логический элемент U2C внутри цепочки U1. Элемент U2C бесконтрольно генерировал импульсы при пересечении порога срабатывания, что создавало электрические помехи, нарушающие работу всего устройства. Еще одной трудностью было, что один из входов логического элемента был поврежден (возможно, электростатическим разрядом), поэтому он имел избыточную утечку, которая предотвращала работу с уровнем высокого импеданса. Другим важным вопросом был тот факт, что когда напряжение логического элемента смещалось близко к напряжению переключения элемента, ИС начинала работать в линейном режиме и пропускать существенный ток источника питания – данный ток предотвращает высокий импеданс при регулировке источника питания, с которым я столкнулся в двухконтактной версии этой схемы. Поэтому я установил регулятор LM317LZ для создания источника питания с низким импедансом величиной 3 В. Далее я увеличил входное напряжение до 12 В и добавил в схему реле с напряжением срабатывания 12 В.

Установка контактных площадок

Контактные площадки также могут быть изолированы или размещаться на задней стороне тонкой пластины, например на кусочке окрашенного полотна и т.д.

Ограничения

Чем ближе потенциометр регулировки чувствительности установлен к пороговому значению, тем большая вероятность, что электростатическая или электромагнитная помеха приведет к переключению состояния. Поэтому не устанавливайте на максимальную производительность. Также не используйте данное схемное решения для критически важных приложений.

Будущие корректировки

В схему необходимо установить дополнительный логический элемент для предотвращения ненамеренного срабатывания триггера в случае, если палец не сразу убирается после установки / сброса триггерной цепи.

Бесконтактный емкостной переключатель на логических элементах

6. Логические бесконтактные элементы в дискретных системах автоматического управления

До последнего времени большинство логических операций в системах автоматического управления выполнялось преимущественно при помощи электромагнитных реле, т. е. с применением механических подвижных контактов. Наличие этих контактов значительно снижало надежность систем автоматического управления, а индуктивность катушек реле приводила к уменьшению быстродействия систем.

Создание электронных логических элементов и бесконтактных переключающих устройств позволяет заменить громоздкие релейные механизмы более надежными, легкими, компактными и быстродействующими элементами.

Читайте также  Детектор обрыва скрытой проводки

Бесконтактный элемент, не имеющий движущихся контактов, является в механическом отношении статическим устройством.

В качестве бесконтактных элементов схем управления применяются вакуумные и газоразрядные лампы, магнитные усилители и полупроводниковые приборы. Хотя магнитные усилители и полупроводниковые приборы не являются идеальными выключателями (в отключаемой ими цепи ток не уменьшается до нуля), но благодаря высокой механической прочности и большому сроку службы они получают наибольшее распространение.

Использование в системах автоматического управления стандартных логических элементов значительно сокращает время, необходимое для проектирования систем. Кроме того, облегчается ремонт систем, ибо в этом случае он сводится к замене вышедших из строя элементов новыми стандартными элементами.

В последнее время появились новые конструкции электронных логических элементов, называемые «твердыми» схемами. В этих схемах нет отдельных сопротивлений, диодов, триодов и т. д. Чаще всего «твердая» схема представляет собой пластинку германия или кремния, по площади не превышающую поперечного сечения спичечной головки. На такой пластинке при помощи травления, диффузии и другими способами формируются диоды, триоды, конденсаторы и сопротивления. Благодаря этому один кристалл, не имеющий соединительных проводов, может выполнять очень сложные логические преобразования. Поскольку «твердые» схемы не имеют ни одной пайки, они обладают исключительно большой надежностью и поэтому в ближайшее время получат очень широкое применение в системах автоматического управления.

Рассмотрим вначале простейшие релейные схемы и логические элементы, заменяющие их. Так как эти логические элементы выполняют те же функции, что и релейные схемы, то они называются аналогами релейных схем.

Пусть в системе автоматического управления имеется цепь, в которой (рис. 2.35) последовательно включено три реле с нормально разомкнутыми контактами. Ток в этой цепи появится только тогда, когда будут поданы напряжения на катушки всех трех реле (A, В и С). В этом случае реле выполняют следующую логическую операцию:


Рис. 2.35. Логический аналог трех последовательно включенных реле

Эта логическая операция может быть выполнена при помощи одного логического элемента «И» (рис. 2.35).

Если три реле включены параллельно (рис. 2.36), то они выполняют логическую операцию D = A + B + C. Поэтому реле могут быть заменены логическим элементом «ИЛИ».


Рис. 2.36. Аналог параллельно включенных реле

Рассмотрим теперь случай, когда последовательно включены три реле с нормально замкнутыми контактами (рис. 2.37). Поскольку в этом случае необходима логическая операция

то она выполняется при помощи двух логических элементов: «ИЛИ» и «НЕ».


Рис. 2.37. Аналог последовательно включенных реле с нормально замкнутыми контактами

Параллельно включенные реле с нормально замкнутыми контактами (рис. 2.38) выполняют логическую операцию

Поэтому они могут быть заменены схемой, состоящей из логических элементов «И» и «НЕ».


Рис. 2.38. Аналог параллельно включенных реле с нормально замкнутыми контактами

Переключатель (рис. 2.39) выполняет две логические операции:

Поэтому они могут быть выполнены при помощи логического элемента «НЕ».


Рис. 2.39. Аналог переключателя

Очень часто в схемах автоматического управления применяются переключатели с самозахватом (рис. 2.40). Характерной особенностью таких переключателей является то, что они при помощи блок-контакта подают напряжение на свою катушку и поэтому не переключаются после снятия сигнала А. Возврат реле осуществляется при помощи кнопки (K). Как следует из схемы переключателя с самозахватом, он выполняет следующие логические операции:

Эти операции (при соответствующем согласовании входов и выходов логических элементов) выполняются логической схемой, показанной на рис. 2.40.


Рис. 2.40. Аналог переключателя с самозахватом

Чем сложнее релейная схема, тем больше логических элементов необходимо для ее замещения. Выбор типа этих элементов и схемы их соединения осуществляется на основе суждений алгебры логики, описывающих релейную схему.

В настоящее время начинается выпуск универсальных логических элементов, наличие которых позволяет создавать любую сложную логическую схему. Такие элементы изготовляются в виде печатных плат, которые очень удобны для монтажа и наладки. Для того чтобы эти элементы были в значительной мере универсальными, они выполняются так, чтобы их можно было использовать в самых различных комбинациях.

Рассмотрим в качестве примера конструкцию универсального логического элемента «И» (рис. 2.41). Элемент состоит (рис. 2.41, а) из трех одинаковых частей. A1÷A6 являются входами элемента, a B1÷B3 — выходами.


Рис. 2.41. Универсальный логический элемент ‘И’: а — внутренний печатный монтаж; б, в, г — внешние контакты и схемы их соединения

Если (рис. 2.41, б) контакты В соединить с соответствующими контактами K, то получится три логических элемента, каждый из которых имеет два входа. При соединении контактов по схеме, показанной на рис. 2.41, в, получается два логических элемента, один из которых имеет два входа (А1 и A2), а другой — четыре (A3÷A6). Соединение контактов по схеме 2.41, г позволяет получить один логический элемент с шестью входами.

Используя стандартные логические элементы типа «НЕ», «И», «ИЛИ», можно синтезировать (создавать) кибернетические системы автоматического управления, выполняющие сложные логические суждения.

Естественно, что для согласования логической схемы, собранной из универсальных элементов, с остальной частью системы автоматического управления необходимы преобразующие устройства, согласовывающие эти части системы по напряжениям и токам.

Рассмотрим пример синтеза кибернетической системы автоматического управления, выполненной на логических элементах.

На рис. 2.42 показан бак, из которого непрерывно вытекает вода. Наполнение бака производится по трубопроводу, имеющему вентиль K. Необходимо разработать систему автоматического регулирования уровня воды в баке. При этом требуется, чтобы вентиль К открывался тогда, когда уровень воды опустится ниже точки a, и закрывался при достижении водой точки b.


Рис. 2.42. Система автоматического регулирования уровня воды в баке

В соответствии со сказанным возможны три режима работы вентиля:

а) уровень воды ниже точки а — вентиль необходимо открыть;

б) уровень воды находится между точками a и b — вентиль должен быть либо открыт (при наполнении бака), либо закрыт (при расходовании воды);

в) уровень воды достиг точки b — вентиль надо закрыть.

Установим два датчика, сигнализирующих об уровне воды в баке. Пусть первый датчик дает сигнал (А) в том случае, когда уровень воды в баке находится в точке а и выше. Сигнал на выходе второго датчика (В) пусть появляется тогда, когда вода достигла уровня b.

Тогда в соответствии с тремя режимами работы вентиля логическую схему управления можно представить следующим образом:

1) если A = 0 и B = 0, то надо открыть вентиль (сигнал С);

2) если A = 1, а В = 0, то не нужно изменять положение вентиля;

3) если A = 1 и В = 1, то необходимо закрыть вентиль.

Составим теперь логическую схему, выполняющую эти условия.

Прежде всего, из условия 1 следует, что сигнал открытия вентиля (С) определяется выражением

Кроме условия 1, необходимо также обеспечить выполнение условия 2. Однако уравнение (2.34) не удовлетворяет этому условию. Действительно, в том случае, когда вода находится ниже уровня а, сигналы A = 0 и B = 0. Поэтому (условие 2.34) С = 1, т. е. дается сигнал на открытие вентиля. Но после того, как уровень воды превысит точку а, появится сигнал А = 1 и в соответствии с условием (2.34) С = 0. В этом случае вентиль закроется, хотя он должен быть открыт. Чтобы избежать такого положения, несколько изменим условие (2.34) и запишем:

В соответствии с данной логической операцией получаются следующие режимы работы системы автоматического регулирования:

а) A = 0, B = 0; тогда С = 1, т. е. в том случае, когда уровень воды находится ниже точки а, дается сигнал (1) на открытие вентиля;

б) A = 1, B = 0; тогда С = 1, т. е. при подъеме уровня воды выше точки а (после открытия вентиля) вентиль остается открытым;

в) А = 1, B = 1; тогда С = 0, т. е. после достижения точки b вентиль закрывается;

г) A = 1, B = 0; тогда С = 0, т. е. при снижении уровня воды (после закрытия вентиля) вентиль остается закрытым.

Следовательно, сложное логическое суждение (2.35) полностью удовлетворяет требованиям, поставленным перед системой автоматического регулирования уровня воды. Это суждение (рис. 2.42) реализуется при помощи четырех логических элементов (двух элементов типа «НЕ», элементов «И» и «ИЛИ»). Выход элемента «И» включается на катушку электромагнита. При появлении сигнала на катушке (С = 1) электромагнит открывает вентиль К, после снятия этого сигнала (С = 0) вентиль закрывается.

Так происходит синтез кибернетических систем на основе логических элементов.

Емкостные датчики и реле схемы

Емкостные датчики схемы на логических элементах

Схема работает на звуковых частотах. Для увеличения чувствительности в контур генератора низкой частоты добавлен полевой транзистор.

Генератор прямоугольных импульсов с частотой следования последних 1 кГц выполнен на элементах DD1.1 и DD1.2. В качестве выходного каскада предназначен DD1.3, нагрузкой которого является телефонный динамик.

С целью увеличения чувствительности схемы можно добавить количество радиокомпонентов, введенных в RC — цепь.

Схема должна начать работать сразу после включения. Иногда нужно подстроить сопротивление R1 на пороговую чувствительность.

Читайте также  Замена старой проводки в квартире своими руками

При регулировке реле возможны два варианта его функционирования: срыв или возникновение генерации при появлении емкости. Установка нужного нам схемотехнического варианта выбирается подбором номинала переменного сопротивления R1. При приближении руки к Е1 подстройкой сопротивления R1 делают так, чтобы расстояние, с которого запускалась схема, составляло 10 — 20 сантиметров.

Для включения различных исполнительных механизмов в емкостном реле используем сигнал с выхода элемента DD1.3.

Для включения света проходят рядом со вторым емкостным преобразователем, а для отключения освещения в помещении с первым.

Срабатывание преобразователя приводит к переключению RS триггера построенного на логических элементах. Емкостные датчики сделаны из отрезков коаксиального кабеля , с конца которых на длину около 50 сантиметров снят экран. Край экрана требуется изолировать. Датчики устанавливают на дверном каркасе. Длину неэкранированной части датчиков и номиналы сопротивлений R5 и R6 подбирают при отладки схемы так, чтобы триггер надежно срабатывал при прохождении биологического объекта на расстоянии 10 сантиметров от датчика.

Пока емкость между датчиком и корпусом мала, на сопротивлении R2, и на входе элемента DD1.3 формируются короткие импульсы положительной полярности, а на выходе элемента такие же импульсы но уже инвертированные. Емкость С5 медленно заряжается через сопротивление R3, когда на выходе элемента имеется уровень логической единицы, и быстро разряжается через диод VD1 при логическом нуле. Т.к разрядный ток выше зарядного, напряжение на емкости С5 имеет уровень логического нуля, и элемент DD1.4 заперт для сигнала звуковой частоты.

При приближении к элементу любого биологического объекта его емкость относительно общего провода возрастает, амплитуда импульсов на сопротивлении R2 падает ниже порога включения DD1.3. На его выходе будет постоянная логическая единица, до этого уровня осуществится наполнение емкостью конденсатор С5. Элемент DD1.4 начнет пропускать сигнал звуковой частоты, и в динамике раздастся звуковой сигнал. Чувствительность емкостного реле можно регулировать подстроечной емкостью С3.

Датчик изготавливается своими руками с использованием металлической сетки с размерами 20 х 20 сантиметров, для хорошего уровня чувствительности реле.

В этой схеме емкостного реле к логическому элементу DD1.4 подсоединен транзистор VT1, в коллекторную цепь которого включен тиристор VS1 управляющий мощной нагрузкой.

На транзисторах VT1 – VT3 собран усилитель электрического сигнала, формирующегося в результате наводки от человека. Емкость С1, диоды D2 и D3 используются для защиты реле от любого ложного срабатывания.

Сенсор изготавливается своими руками из алюминиевой или медной пластины с размерами 100 мм х 100 мм.

Устройство, собранное по схеме ниже, реагирует на присутствие любого проводящего объекта, в том числе и человека. Чувствительность датчика можно регулировать потенциометром. Схема не позволяет обнаруживать движение объектов, но она хороша именно в роли датчика присутствия. Одним из очевидным решением использования в быту емкостного датчика присутствия является самодельная схема автоматическое открывания дверей. Для этих целей схема устройства должна быть размещена с передней части двери.

Основой этого емкостного устройства являются осциллятор с T1 и одновибратор. Осциллятор это типовой генератор Клаппа стабильной частоты. Поверхность емкостного датчика действует как конденсатор для колебательного контура, и в этой конфигурации частота будет около 1 МГц.

Время переключения схемы можно изменять в широком диапазоне с помощью переменного резистора Р2. Не надо подносить металлические предметы близко к датчику, т.к емкостное реле останется в закрытом состоянии. Эта схема также может быть применена в роли детектора агрессивных жидкостей. Главное достинство здесь заключается в том, что поверхность емкостного датчика не вступает в прямой контакт с жидкостью.

На полевом транзисторе выполнен маломощный генератор с частотой следования импульсов 465 кГц, а на биполярном транзисторе электронный ключ для срабатывания реле К1, контактами которого включается исполнительный механизм. Диод используется в схеме при случайном изменении полярности подсоединяемого источника питания.

Радиус действия емкостного реле и чувствительность, зависит от регулировки С1 и конструкции датчика, если вас заинтересовала это разработка то вы можете скачать журнал моделист конструктор по ссылке чуть выше.

Основа схемы маломощный генератор ВЧ. К колебательному контуру L1C4 подсоединена металлическая пластина. Поднесенная к ней ладонь руки или другая часть тела человека представляет собой вторую обкладку конденсатора Cд. Емкость конденсатора тем выше, чем больше площадь его обкладок и меньше расстояние между ними. Катушку индуктивности L1 намотайте на каркасе 8—9 мм, склеенном из бумаги. Катушка СОСТОИТ ИЗ 22—25 витков провода ПЭВ-1 0,3—0,4, намотанных виток к витку. Отвод необходимо сделать от 5—7-го витка, считая от начала.

Настройка реле

Подсоедините в коллекторную цепь биполяярного транзистора V1 миллиамперметр на 10 мА и между точкой соединений миллиамперметра с катушкой L1 и эмиттером второго транзистора подсоединить конденсатор 0,01—0,5 мкФ. Металлическую пластину временно отключите от генератора. Следя за показаниями миллиамперметра, кратковременно замыкаем L1C4. Коллекторный ток V1 дрезко падает: с 2,5—3 до 0,5—0,8 мА. Максимальные показания соответствуют генерации, наименьшие — ее отсутствию. Если генератор возбуждается, присоедините к нему пластину и медленно поднесите ладонь. Коллекторный ток должен снизиться до уровня 0,5—0,8 мА.

Слабые изменения тока усиливается с помощью двухкаскадного УНЧ на V2, V3. А для того чтобы можно было управлять нагрузкой бесконтактным методом, конечная ступень схемы построена на тринисторе V5.

Движок переменного сопротивления R4 устанавливают в крайнее нижнее положение. И затем его медленно двигают вверх до тех пор, пока не включится индикатор H1. Теперь подносим ладонь к пластине и проверяем работу устройства.

Диод V4 в цепи тринистора V5 исключает появление импульса обратного напряжения. А V6 и сопротивление R7 защищают тринистор от пробоя. Для тринистора с Uо6р. = 400 В элементы V6 и R7 можно убрать из схемы.

Бесконтактные выключатели (датчики) от производителя АО НПК ТЕКО

Бесконтактные выключатели (бесконтактные датчики, бесконтактные переключатели, конечные бесконтактные выключатели) — это приборы промышленной автоматизации, предназначенные для контроля положения объектов. ГОСТом 26430-85 был введён термин «бесконтактный выключатель». Впоследствии ГОСТом Р 50030.5.2-99 термин заменён на «бесконтактный датчик». В настоящее время для данных изделий используются оба термина.

Так же применяется название — «датчики приближения» (proximity sensors). Бесконтактный выключатель (БВК) осуществляет коммутационную операцию при попадании объекта воздействия в зону чувствительности выключателя. Отсутствие механического контакта между воздействующим объектом и чувствительным элементом БВК обеспечивает высокую надежность его работы.

Емкостный датчик CSB A41A5-31N-6-LZ

Цена за 1 шт.: 2 340 р.!—> По запросу

На складе: предзаказ.

Срок отгрузки: 3-15 дней

Датчик контроля минимальной скорости IV111B А81A5-01G-10-L

Цена за 1 шт.: По запросу!—> По запросу

На складе: предзаказ.

Срок отгрузки: до 45 дней

Бесконактный выключатель ISB B2B-31N-3-LZ-C

Цена за 1 шт.: 780 р.!—> По запросу

На складе: предзаказ.

Срок отгрузки: 3-15 дней

Принцип действия бесконтактных датчиков

Принцип действия бесконтактных выключателей (датчиков) основан на изменении амплитуды колебаний генератора при внесении в чувствительную зону датчика конкретного материала определенных размеров. Расстояние переключения устройства задается в зависимости от потребностей процесса и разновидности датчика. Бесконтактный способ распознавания объекта воздействия позволяет существенно повысить надежность работы устройства по причине отсутствия движущихся и трущихся деталей.

Перечень функциональных возможностей бесконтактных датчиков широк. Обнаружение положения объекта, подсчет, позиционирование и сортировка предметов на конвейерах, контроль перемещения и скорости, обнаружение поломок механизмов, определение угла поворота, измерение перекоса и еще много других функций заложено в понятие «датчик приближения», как еще называют бесконтактный выключатель.

Именно потому их используют в самых разных отраслях: от металлообработки до пищевого производства, как элемент автоматизации транспорта и для контроля в станкостроении, для управления водо- газо, нефтеснабжением и на морских нефтеперерабатывающих платформах. Чтобы подобрать подходящий переключатель, стоит ознакомиться с классификацией датчиков по принципу их действия.

Индуктивные датчики реагируют на металлические, магнитные, ферромагнитные или аморфные материалы нужных размеров. Эффект достигается за счет изменения амплитуды колебаний генератора при попадании объекта в чувствительную зону датчика.

Подберите индуктивный выключатель:

Емкостные выключатели обнаруживают как металлические, так и диэлектрические объекты. Принцип действия выключателя основан на изменении емкости конденсатора, выполняющего роль чувствительного элемента, при внесении в чувствительную зону объектов.

Подберите емкостный выключатель:

Оптические бесконтактные датчики обнаруживают контролируемые объекты, отражающие или прерывающие оптическое излучение. Коммутационный элемент у оптических бесконтактных датчиков полупроводниковый или релейный. Дальность действия этих датчиков может достигать значения 150 метров.

Подберите оптический выключатель:

Магниточувствительные датчики служат для обнаружения в пространстве намагниченного объекта. Срабатывание датчика происходит при изменении напряженности магнитного поля, вызванного, например, перемещением постоянного магнита, расположенного на подвижной части механизма.

Подберите магниточувствительный выключатель:

Бесконтактные датчики могут быть исполнены в особо прочных корпусах из специальных материалов, согласно стандарту NAMUR, а также с приемкой 5.