Схемотехника емкостного датчика уровня топлива Опции

[Baser]

Подскажите по возможным схемотехническим решениям для построения емкостного датчика уровня топлива.

Знаком с решениями этой задачи при мониторинге топлива (правда там я схемотехникой датчика не занимался, больше измерениями и обработкой сигнала). Но это был мониторинг, т.е. "показометр", а не измеритель, максимально простой и дешевый. За точностью и стабильностью, там не гнались, реально полученная точность 2-3% в общем-то устраивала.

Сейчас нужно разработать переносной датчик для коммерческого учета. Длина около 1.5 м, точность +/-1 мм.
Думал применить конструкцию в виде коаксиальных труб, где внешняя труба будет "землей", но уперся в то, что рекомендуемые схемы с мостами и синхронными детекторами требуют двух "горячих" обкладок измерительного конденсатора. Как лучше измерять?

При мониторинге применяли генераторные схемы емкость-частота, но не совсем ясно как там обеспечить долговременную стабильность.

Хочется услышать рекомендации людей, практически знакомых с данной темой...

[Tanya]

Сейчас нужно разработать переносной датчик для коммерческого учета.

Значит, Вы его будете вставлять-вынимать?

[Baser]

Да, датчик будет переносной. Но вопросы питания, юстировки датчика на резервуаре и т.д. отработаны.
Сейчас вопрос именно в выборе конструкции измерительного конденсатора и методе измерения, чтобы обеспечить метрологию.

Если брать коаксиальную конструкцию, у меня примерно получаются значения емкостей 200/700 пФ для основной секции и 7/22 пФ для секции измерения эпсилон.

[Tanya]

Да, датчик будет переносной. Но вопросы питания, юстировки датчика на резервуаре и т.д. отработаны.
Сейчас вопрос именно в выборе конструкции измерительного конденсатора и методе измерения, чтобы обеспечить метрологию.

Если брать коаксиальную конструкцию, у меня примерно получаются значения емкостей 200/700 пФ для основной секции и 7/22 пФ для секции измерения эпсилон.

Мне вот непонятно... Если датчик постепенно погружать, то можно обнаружить момент контакта, измерить высоту, потом задвинуть до дна.
Или Вы планируете его установить стационарно на какое-то время и в это время измерять?

[Baser]

Да, так можно, но не в этом приборе. Тут методика измерений "дана мне свыше" , менять я ее не могу.
Именно так: погрузили до дна, подождали выравнивания температуры, выставили вертикаль и померяли.

Варианты с ручной рулеткой и с сервомоторчиком выпускаются тоже, но это другой прибор.

[Vishv]

По Вашим данным (1,5 м; +- 1 мм) Вам требуется точность 0,07% - прошу прощения, но такие точности достигаются приборами класса "калибратор" (ну или очень близкими к ним), причем в лабораторных условиях!!!!
Кроме того, Вы ничего не сказали про стабильность фракционного состава топлива, а на требуемой точности это уже будет влиять, также как и
температура самого топлива.

[Baser]

По Вашим данным (1,5 м; +- 1 мм) Вам требуется точность 0,07% - прошу прощения, но такие точности достигаются приборами класса "калибратор" (ну или очень близкими к ним), причем в лабораторных условиях!!!!

Ну, спецы, которые этими вопросом занимались годами, на этом форуме несколько лет назад говорили про необходимость секционности таких датчиков. Причем утверждали, что при этом точность не зависит от общей длины. Мне в таком подходе много чего непонятно, вот и хочется пообщаться со знающими людьми

Кроме того, Вы ничего не сказали про стабильность фракционного состава топлива, а на требуемой точности это уже будет влиять, также как и
температура самого топлива.

Пока считаем, что эпсилон топлива однороден.
Температура будет мерятся с небольшой точностью (+/-1..2 градуса), думаю, что этого будет достаточно, чтобы программно скомпенсировать возможные температурные изменения геометрии датчика.

[Tanya]

программно скомпенсировать возможные температурные изменения геометрии датчика.

Вот не смотрела, но что-то мне подсказывает, что объемное расширение (от температуры) бензина будет больше, чем
у материала Вашего датчика.

[Vasily_]

http://www.technoton.by/dut

[Vishv]

http://www.technoton.by/dut

Так автору нужно 0,07% а в ссылке 0,2%

[smalcom]

Вот не смотрела, но что-то мне подсказывает, что объемное расширение (от температуры) бензина будет больше, чем
у материала Вашего датчика.

Вы правы. Если машина стоит на стоянке несколько дней, то на графиках уровня топлива очень хорошо видно когда выходит солнышко, и как потом ночью остывает топливо.

Кстати, внизу обязательно будет мёртвая зона: "неидеальное" топливо(с водой), не до конца вставили датчик, закоротили трубку на бак, неплотно из-за изолятора внизу трубки.

ТС, а вы не думали об измерении давления? Т.е. вставляем в сосуд трубку(или палку), на конце которой датчик давления и по давлению определяем уровень топлива.

[Baser]

Извиняйте, коллеги, но обсуждение все время норовит свернуть к чему-то, что я не спрашивал! Может я плохо объяснил,
может дал лишнюю информацию уводящую от темы

Вот не смотрела, но что-то мне подсказывает, что объемное расширение (от температуры) бензина будет больше, чем
у материала Вашего датчика.

http://www.technoton.by/dut

Вы правы. Если машина стоит на стоянке несколько дней, то на графиках уровня топлива очень хорошо видно когда выходит солнышко, и как потом ночью остывает топливо.
...
ТС, а вы не думали об измерении давления? Т.е. вставляем в сосуд трубку(или палку), на конце которой датчик давления и по давлению определяем уровень топлива.

Уровнемер не измеряет ОБЪЕМ топлива, он измеряет УРОВЕНЬ. Вот мне и надо измерять УРОВЕНЬ, который присутствует в момент измерений.
Причем именно ИЗМЕРЯТЬ.
Я уже упоминал, что знаком с датчиками для монторинга топлива (типа вышеупомянутого белорусского ДУТ-Е).
Применяемая там схемотехника не позволяет отнести эти датчики к ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ приборам, это всего лишь ИНДИКАТОРЫ.
Как сделать хороший индикатор я знаю, но мне нужно сейчас сделать хороший измеритель... (уровня! )

[smalcom]

Уровнемер не измеряет ОБЪЕМ топлива, он измеряет УРОВЕНЬ

а кто-то вам посоветовал измерять объём топлива?

[Егоров]

Емкостной измеритель будет давать трудно компенсируемые погрешности от температуры, примесей в топливе и еще ряд погрешностей, которые сегодня даже не видны. 2-3% - отличный результат и на большее не стоит рассчитывать. Для удаленного мониторинга вполне достаточно
Вам уровень измерять или трудоустроить микропроцессор?
Ну почему не повспоминать как проблема успешно и дешево решалась до лазеров и даже лампового триода? Инженер обязан безостановочно думать , даже имея в распоряжении два гвоздя и моток ржавой проволоки.
Отрезок тонкой пластиковой прозрачной трубки (это большой шаг цивилизации по сравнению со стеклом) на линейке , сообщающийся сосуд.
Ну, верх изобретательского искусства - та же мерная трубка с клапаном внизу. Погружаем, кратковременно открываем клапан, упирая щуп в дно, вытаскиваем, читаем непосредственно по линейке. Годится и для относительно строгой ревизии.

[VNS]

Подскажите по возможным схемотехническим решениям для построения емкостного датчика уровня топлива.
...нужно разработать переносной датчик для коммерческого учета. Длина около 1.5 м, точность +/-1 мм...

Для коммерческого учёта требуется метрологическая аттестация и сертификация в органах Госстандарта. Следует начать с эталонных установок, на которых будет проверяться заявляемая точность измерения уровня. Если таковой установки нет, то у ТС есть возможность стать владельцем такой системы, которая будет состоять из трубы с прозрачной трубкой. Уровень жидкости измеряется металлической линейкой, которая расположена рядом с названной трубкой. Эта система должна быть аттестована как поверочная установка класса 0.05%. Эталонная измеряемая жидкость должна быть безопасна для хранения и эксплуатации. Без такого инструмента ТС разработчик будет работать вслепую...
Следует подумать о мерах пожарной безопасности.
Следует указать диапазон температур окружающей среды и атмосферного давления.
Состав и диэлектрическая проницаемость бензина тоже может изменяться и будет вносить дополнительную погрешность.
ТС должен помнить, что в измерении участвует часть измерительной линии уровнемера , которая расположена ВЫШЕ измеряемого уровня жидкости. Эта часть объёма должна быть изолирована от атмосферы окружающей среды конструкцией датчика.
С перечисленными проблемами пришлось столкнуться практически при аттестации емкостного уровнемера.

Емкостной измеритель будет давать трудно компенсируемые погрешности от температуры, примесей в топливе и еще ряд погрешностей, которые сегодня даже не видны. 2-3% - отличный результат и на большее не стоит рассчитывать. Для удаленного мониторинга вполне достаточно...

http://avtosensor.ru/?page_id=4345 - такой датчик уже разработан, сертифицирован и предлагается для применения в качестве измерителного прибора класса 1% для основной погрешности без учёта дополнительной погрешности.
Хороший прототип для дальнейшей работы в этом направлении.

[Tanya]

Емкостной измеритель будет давать трудно компенсируемые погрешности от температуры, примесей в топливе и еще ряд погрешностей, которые сегодня даже не видны. 2-3% - отличный результат и на большее не стоит рассчитывать.

А вот тут эти проблемы частично решаются введением калибровочного конденсатора в самом низу.
http://www.analog.com/library/analogdialog...ive_sensing.pdf

[Baser]

А вот тут эти проблемы частично решаются введением калибровочного конденсатора в самом низу.

Ну, я с самого начала писал, что планирую измерять диэлектрич.проницаемость дополнительной секцией датчика.
Как же без этого, когда в формулу емкости входит только геометрия и диэлектрич.проницаемость.

А сами эти Capacitance-to-Digital Converter (CDC) AD7745/AD7746 я забраковал сразу:
они не работают при наличии паразитной проводимости измерит.емкости.
В параметрах там уже при 1 МОм ошибка больше шкалы, а нормальная ошибка только при >100 МОм
Чистые нефтепродукты, конечно, не должны иметь проводимость, но на практике видел образцы солярки, которые коротили датчик сопр. ~100kOm

Кстати, возникла у меня мысль все упростить до безобразия: разбить датчик на секции и их коммутировать на один LC-генератор.
Кроме измерительных секций также коммутировать пару образцовых конденсаторов с емкостями из нижнего и верхнего пределов.
Плюсы:
При этом компенсируются практически все возможные ошибки и нестабильности.
LC-генератор нечувствителен к параллельной паразитной проводимости.
Последовательное сопротивление ключа возле емкости датчика тоже не сильно влияет (проверил 120 ом - нормально)
Минусы:
При емкостях десятки-сотни пикофарад и частоте сотни килогерц нужны индуктивности в единицы миллигенри - великоваты для стабильной детальки.
Секции датчика нужно тянуть в одно место к LC-генератору - под метр провода - а это решение чувствительно к параллельной паразитной емкости.
Похоже этот пункт все и перечеркивает, усилитель заряда в этом месте выглядит предпочтительней...

Что скажете?

[Огурцов]

у stm32f3 (и f0 на память) есть - курите
самому интересно, будет работать или должно

[Baser]

у stm32f3 (и f0 на память) есть - курите
самому интересно, будет работать или должно

Я конечно, знаю, что "краткость - сестра таланта", но все-же это вы о чем?

Если о блоке Touch sensing I/Os, так такие блоки нынче популярны, напр. у Микрочипа есть Charge Time Measurement Unit (CTMU).
Freescale, SiLabs таким балуется.
Но это же примитивный интерфейс для построения дешевых емкостных органов управления.
О какой метрологии там может идти речь? Хорошо, если о 5% в тепличных условиях.

[Огурцов]

микрочип я ненавижу, остальное не знаю, ы ?
метрология никакая не нужна, датчик либо сработал, либо нет
ставите в линейку 256 сколько вам там надо пар и получаете свою метрологию
ну если ещё и паранойя, то можно ткр учесть или что-нибудь с нулевым взять

[Baser]

метрология никакая не нужна, датчик либо сработал, либо нет
ставите в линейку 256 сколько вам там надо пар и получаете свою метрологию

Коротенькие датчики такие делают, да.
Но в данном случае нужно 1.6 м = 1600 входов будет многовато, это все-таки не военно-аэрокосмическая разработка.

[Огурцов]

неправильно
какая вам нужна точность ?
предположим +/-1%, что в метрологии уже само по себе очень хорошо
1% == 100 датчиков
если датчики допускают подключение матрицей, 10x10, нужно всего 20 пинов
мне видится длинная стеклянная трубка, на которую осаждено серебро
задача лишь точно нанести изолирующий слой
вариант - на токарном "нарезать" с нужным шагом резьбу
а затем сошлифовать вдоль трубки с одной стороны и с противоположной
получившиеся 200 контактов распаять, где 100 - просто

Сообщение отредактировал Огурцов - Apr 10 2015, 13:04

[Baser]

какая вам нужна точность ?
предположим +/-1%, что в метрологии уже само по себе очень хорошо
1% == 100 датчиков
если датчики допускают подключение матрицей, 10x10, нужно всего 20 пинов
мне видится длинная стеклянная трубка, на которую осаждено серебро...

Про точность я писал, +/-1мм

Матрицу, судя по всему, применить придется в виде разбиения всей длины на куски-секции, вопрос в их длине.

стеклянная трубка для переносного датчика - это утопия, скорее всего на печатных платах нужно делать.

Но сама идея сделать кол-во секций равной цене деления, в целом хорошая, и даже реализуемая, но боюсь, цена и технологичность будут не слишком...

У меня сейчас текущие вопросы концепции датчика:
- заземленный с наружной стороны коаксиальный датчик или печатный датчик с двумя "горячими" обкладками в земляной трубе-корпусе;
- длина секций;
- вид и схемотехника преобразователя (емкость в ???).

[Vasily_]

(емкость в ???).

Думаю что надо делать емкость время заряда.
А такие датчики не рассматривали? http://www.litegps.ru/oborudovanie/datchik...ya-topliva.html

[Огурцов]

мм

ерунда, вам нужно измерять с точностью не миллиметры, а литры

точность 2-3% в общем-то устраивала

а зачем точнее ? на штатном показометре вообще всего три деления - полный и полупустой и пустой
2% - это 50 литров с точностью 1 литр, +/-30 рублей и уехать далеко не уедешь

[Baser]

Огурцову
Вы бы все-таки прочитали мой первый пост, "что мне нужно мерять", а не утверждали все время, что лучше меня осведомлены о моем техническом задании
Вот другой мой пост, где я уже почти вышел из себя

Еще раз исключительно для Вас, Огурцов:
Этим датчиком мне нужно измерять Уровень в мм,
литры меня не интересуют.
Измерение топлива в баке автомобиля тоже не интересует.

А такие датчики не рассматривали?

Нет, исходя из требований конструкции, оптимален емкостной.

[Огурцов]

литры меня не интересуют

это может быть только в случае если бак всегда один и тот же
если баки разные, высокие, широкие, большие, маленькие - сделайте датчики разной длинны и вернитесь с точностью на землю

[katernik]

А сами эти Capacitance-to-Digital Converter (CDC) AD7745/AD7746 я забраковал сразу:
они не работают при наличии паразитной проводимости измерит.емкости.
В параметрах там уже при 1 МОм ошибка больше шкалы, а нормальная ошибка только при >100 МОм
Чистые нефтепродукты, конечно, не должны иметь проводимость, но на практике видел образцы солярки, которые коротили датчик сопр. ~100kOm

Интересно, решили вы свою задачу ?
Что скажете о Capacitance-to-Digital Converter PCap01 от ACAM ?
http://www.acam.de/products/picocap/pcap01/

[НЕХ]

http://masterok.livejournal.com/2591268.html

[brag]

Я делал датчик уровня емкостной на STM32. Использовал 8 каналов АЦП и соответственно 8 зон датчика. Получил погрешность меньше процента. Ничего кроме МК и емкостного элемента не нужно.
Смысл очень прост:
1. Разряжаем sample-n-hold-конденсатор, подключив вход самого АЦП на землю (соответствующими битами в соответствующем регистре, практически у все МК есть такая возможность).
2. В это же время заряжаем измерительный конденсатор, подключив его к vdd, то есть просто просто переводим пин в режим GP-OUT и устанавливаем его в 1
4. Переводим пин в аналоговый режим, тем самым отключив его от vdd, пин болтается в воздухе
5. Теперь очень быстро надо подключить вход АЦП к этому пину, в норм МК это делается одной инструкцией. И запустить выборку АЦП.
6. Все, пин можно(и нужно) отключать от входа АЦП
7. Дождаться окончания работы АЦП, таким образом мы получим напряжение, равное vdd/(1+Csh/Cm), то есть обычный емкостной делитель.
Данный метод очень устойчив к наводкам и можно довольно точно измерить емкость. Но он нелинеен(из за самой природы емкостного, да и резистивного делителя), поэтому я использовал 8 каналов для линеаризации, а также 9й канал для компенсации свойств жидкости и температуры.

[VNS]

Я делал датчик уровня емкостной на STM32. Использовал 8 каналов АЦП и соответственно 8 зон датчика. Получил погрешность меньше процента. Ничего кроме МК и емкостного элемента не нужно...

- для лабораторных условий...
В реальных условиях погрешность возрастает до 5% и более. Колебания температуры, влажности, химического состава измеряемой среды и окружающей атмосферы, испарение лёгкой фракции и накопление тяжёлой на разделе сред на корпусе датчика, отложения минеральных солей, вибрация и коррозия...

[Baser]

Интересно, решили вы свою задачу ?

К сожалению, пока до конца не решил, т.к. эту задачу начальство постепенно передвинуло в самые низкоприоритетные и сейчас я ей занимаюсь крайне редко. А задача интересная, поскольку все остальные работы у меня - "бери лопату и копай" - принципиально все понятно, только делай.
А тут мозги поднапрячь нужно

На сегодняшний день провел поиск решений, выбрал конструкцию, отмоделировал схему, развел платы, сделал первый полумакетный образец половины датчика (80 см). В программной части добрался до измерения емкости всех секций. Сейчас все лежит на столе ожидает продолжения.

Результаты пока обнадеживающие, работает так, как и обещали "голландские учОННые"
Тут я шучу, т.к. схему я скомпилировал из разных кусочков из научных работ и диссертаций основателей и работников фирмы SMARTEC. А диссеры там серьезные: все возможные погрешности рассчитаны сотнями формул на кипе страниц

Что скажете о Capacitance-to-Digital Converter PCap01 от ACAM ?
http://www.acam.de/products/picocap/pcap01/

Мельком глянул - как-то принцип измерений не впечатлил. Одна полярность заряда-разряда.
У голландцев там все время переключаются полярности возбуждения, разряда, компенсации. И заряд-разряд линейный.

И ничего не сказано о возможной резистивной утечке измерительного конденсатора.
В моей схеме результаты моделирования обещают ошибку 0.2% при утечке 1 МОм и 1.1% при утечке 200 кОм.
Надеюсь, что в реальном датчике будет не намного хуже.