Уровнемер емкостной Опции

[Слесарь]

Здравствуйте!
Помогите расчитать схему для уровнемера емкостного?
Уровнемер представляет собой фторопластовую трубку с электродом помещенным внутри. Трубка с электродом помещена в металлическую емкость с жидкостью. Электрод и жидкость в емкости являются обкладками конденсатора, емкость этого конденсатора требуется измерить. Чем выше уровень жидкости, тем больше емкость.
Электрод имеет длину 40 см, D6.
Диаметр фторопластовой трубки 16мм.
Какая может быть хоть примерная емкость если трубка на половину погружена в воду?



Подскажите, могу ли я этот электрод подключить непосредственно к выводу МК PIC16 или PIC18 (через развязывающий резистор)? Притянуть к плюсу питания сопротивлением в 100 кОм. Программно занулять портом МК электрод конденсатора для полного разряда. Снимать разряд переключением порта в режим входа и считать время до появления заряда уровня лог. высокого уровня. Рабочий ли это метод? Какая требуется частота контроллера для такого использования?

[kovigor]

Какая может быть хоть примерная емкость если трубка на половину погружена в воду?

Вот, про емкость цилиндрического конденсатора:

http://physicsleti.narod.ru/fiz/html/point_3_4.html

а вот та же формула:

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%...%82%D0%BE%D1%80

[Слесарь]

Спасибо за подсказку! Но мне неизвестно диэлектрическая проницаемость фторопласта, можно я опущу этот параметр?



Получилось 0,7. Если считал радиусы и высоту в метрах, то как понимаю, получил емкость в Фарадах?

[EUrry]

Спасибо за подсказку! Но мне неизвестно диэлектрическая проницаемость фторопласта, можно я опущу этот параметр?

Тоже проблему нашли!!! Как же его опустить, если это один из основных параметров! Примите ε = 2,2.

[Слесарь]

а вот та же формула:

http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%...%82%D0%BE%D1%80

И здесь получил результат 0,7

Тогда результат - 1,72

Неправильно считал внешний диаметр, не по воде, а по внешней стенке. Вода то обвалакивает фторопластовую трубку.
Результат примерно 2,7. Эта емкость в каких единицах? Явно не в Фарадах

[Harbinger]

Там конденсатор не совсем цилиндрический. Внешней обкладкой является стенка бака, если он, конечно, проводящий (центральный электрод-то изолирован тефлоном, и проводимость воды не влияет... впрочем, смотря чем мерять. Фактически там параллельная RC-цепь, и по совести надо мерять её импеданс). А если нет, то неизвестно что.
Для пиков есть готовые библиотечки, под другие цели заточенные, правда (датчики прикосновения). Если не заморачиваться высокой точностью, то можно приспособить. (upd) При перекрытии по ёмкости в 81 раз вообще-то вряд ли.
Советую кое-что почитать насчёт измерения емкостей - RC-генератор с последующим измерением генерируемой частоты, перенос заряда (курить, например, библиотечки под STM8), АЦП последовательного приближения (это силабсы реализовали аппаратно) и пр.
Есть готовые решения в виде ИС, меряющие от 1 до почти 300 пФ с весьма приличной точностью (12...16 бит), но они далеко не бюджетные и не умеют работать "от земли", т.е. понадобится 2 изолированных электрода. Из них самое дешёвое, кажись, вот это, в пределах десятки $ по комплектации.

[Слесарь]

Там конденсатор не совсем цилиндрический. Внешней обкладкой является стенка бака, если он, конечно, проводящий (центральный электрод-то изолирован тефлоном, и проводимость воды не влияет... впрочем, смотря чем мерять. Фактически там параллельная RC-цепь, и по совести надо мерять её импеданс). А если нет, то неизвестно что.
Для пиков есть готовые библиотечки, под другие цели заточенные, правда (датчики прикосновения). Если не заморачиваться высокой точностью, то можно приспособить.

С программированием проблем нет. Вопрос по физике и времени необходимом для регистрации нарастания заряда на электроде, сможет ли регистрировать МК?. Одной из обкладок конденсатора является вода в сосуде. Вода обвалакивает изолятор фторопласт.

[тау]

Одной из обкладок конденсатора является вода в сосуде. Вода обвалакивает изолятор фторопласт.

у Вас 2 конденсатора , один с фторопластом в кач диэлектрика, а другой с водой (или воздухом) в кач диэлектрика. По вашей схеме эти два конденсатора будут соединены типа последовательно. У воды эпсилон =80 . Когда воды нет - эпсилон =1.

Расчет для фторопластового такой

2*pi*8.85*10^-12*2.2*0.4/Ln(16/6) = 49.9 pF

для водяного/воздушного посчитайте сами.

Сообщение отредактировал тау - Dec 8 2011, 17:51

[yakub_EZ]

И здесь получил результат 0,7

Тогда результат - 1,72

Неправильно считал внешний диаметр, не по воде, а по внешней стенке. Вода то обвалакивает фторопластовую трубку.
Результат примерно 2,7. Эта емкость в каких единицах? Явно не в Фарадах

Должна быть в фарадах. Скорее всего на 8.85е-12 не домножили. Там вообще мизер должен быть, пики.

[Слесарь]

поколо 33 пиков емкость меня устраивает. Способен ли вход МК регистрировать задержку для заряда такого конденсатора через сопротивление в 100 кОм? Как говорил ранее, электрод подключен к МК через развязывающий резистор порядка 100 Ом.

[MaslovVG]

И здесь получил результат 0,7

Тогда результат - 1,72

Неправильно считал внешний диаметр, не по воде, а по внешней стенке. Вода то обвалакивает фторопластовую трубку.
Результат примерно 2,7. Эта емкость в каких единицах? Явно не в Фарадах

Формула вероятно системе СГСЭ Тогда ёмкость в сантиметрах 1см=0,9пикофарады.

поколо 33 пиков емкость меня устраивает. Способен ли вход МК регистрировать задержку для заряда такого конденсатора через сопротивление в 100 кОм? Как говорил ранее, электрод подключен к МК через развязывающий резистор порядка 100 Ом.

Провода от датчика до МК будут иметь ёмкость несколько тысяч пикофарад.

[Слесарь]

Провода от датчика до МК будут иметь ёмкость несколько тысяч пикофарад.

Электрод прикручен гайками к платке с МК

[MaslovVG]

Электрод прикручен гайками к платке с МК

И температура платы порядка 100 градусов.

[Слесарь]

Новая вводная, в воде может присутствовать потенциал постоянного или переменного напряжения. Надо делать два изолированных электрода во фторопласте. Вода обвалакивая фторопласт будет увеличивать емкость меж электродами.

[Harbinger]

Надо делать два изолированных электрода во фторопласте. Вода обвалакивая фторопласт будет увеличивать емкость меж электродами.

Тогда упомянутая мной фиговина на AD7745 окажется самое то. МК будет заниматься только периодическим съёмом данных по I2C.

[Слесарь]

Тогда упомянутая мной фиговина на AD7745 окажется самое то. МК будет заниматься только периодическим съёмом данных по I2C.

Спасибо! Уже задал вопрос дилеру AD о наличии таковых и цене, жду ответа.

[Слесарь]

Ответ диллера AD: добрый день!
AD7745ARUZ под заказ упаковка 96 шт. срок 5 недель, 227.34р.

А мне надо на этой неделе. Придется снова изобретать свой метод.

[XVR]

А мне надо на этой неделе. Придется снова изобретать свой метод.

А заказать через Inet - не подойдет? ( http://www.efind.ru/icsearch/?search=AD7745A - есть на складе в нескольких фирмах, все отсылают почтой)

[Слесарь]

А заказать через Inet - не подойдет? ( http://www.efind.ru/icsearch/?search=AD7745A - есть на складе в нескольких фирмах, все отсылают почтой)

У меня привычка покупать только у дистребьютеров производителя. Заходишь на сайт AD в раздел купить и смотришь там адреса, телефоны в своем регионе. Нет, значит нет.

Я вчера пол ночи думал, от генератора переменного напряжения AD7730 (есть в наличии) запитывать мост из R и C. Среднии точки моста подключить на вход дельта-сигма АЦП AD7730. Если будет изменяться емкость, то соответственно будет нарушаться баланс моста, АЦП должен будет регистрировать?

[maksimp]

А если так:
На ножке МК формируем меандр. Через резистор 1 МОм например подаём его на этот стержень.
Из-за ёмкости воды получается RC цепочка, меандр превращается в затухающие экспоненты, с постоянной времени зависящей от уровня воды.
Со стержня, на всякий случай через защитный резистор, и через повторитель на ОУ, заводим напряжение на АЦП, меряем экспоненту в нескольких точках и вычисляем её постоянную времени, а по ней - ёмкость и уровень.
АЦП нужен достаточно быстрый. Встроенный в STM32 должен подойти, сигма-дельта обычно слишком медленные.

[kovigor]

...

Откопал у себя в архиве интересную книжечку, рекомендую скачать и глянуть:

Михлин "Высокочастотные емкостные и индуктивные датчики". Она есть в сети. Если не найдете - вышлю.

Хотя ладно, вот, выкладываю. Там и про ваш датчик написано:

http://zalil.ru/32234568

[maksimp]

от генератора переменного напряжения AD7730 (есть в наличии) запитывать мост из R и C. Среднии точки моста подключить на вход дельта-сигма АЦП AD7730. Если будет изменяться емкость, то соответственно будет нарушаться баланс моста, АЦП должен будет регистрировать?

Скорее, можно сделать мост или делитель только из конденсаторов - постоянных и датчика, запитать его от AD7730 и им же мерить что получается.

[Tanya]

Формула вероятно системе СГСЭ Тогда ёмкость в сантиметрах 1см=0,9пикофарады.

В СГС нет епсилон0

[Слесарь]

Скорее, можно сделать мост или делитель только из конденсаторов - постоянных и датчика, запитать его от AD7730 и им же мерить что получается.

Я думаю, надо пробовать оба плеча моста использовать в роле датчика, положительное и отрицательное. Чтоб баланс нарушался вдвойне.
Думаете резисторе не нужны при переменке? Чтож, вполне возможно. Посмотрим как это отразится на измерениях. Конденцаторы, как понимаю, лучше взять от старых радиоприемников, керамические.
Пока еще не определился с ключами для питания моста.

Есть еще одна вводная, в воде будет присутствовать потенциал. Дублирующий датчик уровня выполнен в виде электрода погруженного в воду. Фаза 220V -> реле -> электрод -> вода
Температура вода-пар 100 ... 150 гр. Давление до 1 кг/см2

Михлин "Высокочастотные емкостные и индуктивные датчики". Она есть в сети. Если не найдете - вышлю.

За книжку спасибо! По возможности ознакомлюсь с теорией. Да и на лампах сделать было бы интересней для указанных рабочих температур, жаль у ламп большая плывучесть по постоянному току.
Уровнемер там, как понимаю, с обратногй связью. Надо подумать. Мож правда сделать экзотику. Лампы имеются под рукой.

[maksimp]

Думаете резисторе не нужны при переменке? Чтож, вполне возможно. Посмотрим как это отразится на измерениях. Конденцаторы, как понимаю, лучше взять от старых радиоприемников, керамические.
Пока еще не определился с ключами для питания моста.

Для АЦП по идее нужно постоянное напряжение в течение определённого времени. На конденсаторном мосте оно таким и будет, если запитать его меандром.
Резистор нужен тоже для стекания токов утечки, большой такой чтобы постоянная времени была больше времени измерения, то есть много МОм в данном случае.

Конденцаторы, как понимаю, лучше взять от старых радиоприемников, керамические.

Можно и новые керамические группы М47 по ТКС. Для номиналов в десятки пикофарад они такие и будут.

Пока еще не определился с ключами для питания моста.

Прямо от микросхемы не годится? Нагрузка в десятки пикофарад - не так много.

Есть еще одна вводная, в воде будет присутствовать потенциал. Дублирующий датчик уровня выполнен в виде электрода погруженного в воду. Фаза 220V -> реле -> электрод -> вода

Если наведённая помеха не превысит допустимое синфазное напряжение на АЦП то будет работать. В этом отношение выше предложенный вариант с измерением экспоненты быстрым АЦП может быть лучше, так как там в цепи резисторы меньшего номинала и через ту же ёмкость наводка меньше.

Сообщение отредактировал maksimp - Dec 9 2011, 12:47

[Слесарь]

Прямо от микросхемы не годится? Нагрузка в десятки пикофарад - не так много.

Действительно. Я что-то затупил.
Спасибо за рекомендации!

[Rst7]

В общем, трудности топикстартера ожидают очень веселые.

Я бы выбирал для воды частоту измерения емкости не менее 100кГц, иначе будет проявляться проводимость воды.

На один электрод подается меандр с такой частотой (сигнал возбуждения), второй электрод подключается на вход зарядового усилителя. На выходе зарядового усилителя сигнал надо синхронно выпрямить (на ключи подавать сигнал возбуждения) и пустить на интегрирующий АЦП.

Кроме того, рекомендую делать электроды коаксиальные - на наружный подаете сигнал возбуждения (можно, кстати, сразу с ножки проца), а внутренний - на вход усилителя.

Не забудьте, что операционник в зарядовом усилителе нужно брать быстродействующий и с полевиками на входе. Я в крайний раз использовал AD8065.

[Sirko]

Топик целиком не просматривал, по этому могу че-то ляпнуть не то. Просто поделюсь своими соображениями.
Как-бы там нибыло, но емкость имеет сопротивление на переменке. Почему бы не воспользоваться этим? На делитель из емкостей (емкость бака и образцовая емкость) подать тот-же меандр и через детектор мерять напряжение с образцового.
Где-то так.

[Rst7]

На делитель из емкостей (емкость бака и образцовая емкость) подать тот-же меандр и через детектор мерять напряжение с образцового.

Ну классический способ с зарядовым усилителем, о котором я писал выше, собственно говоря он и есть - просто образцовая емкость включена в ООС операционника.

Только в отличии от моста позволяет подключить измеряемую емкость длинными кабелями (емкость экранированного кабеля, через который подключен измерительный конденсатор, не влияет результат).

Ну а синхронный выпрямитель и интегрирующий АЦП - это как бы классика вменяемой метрологии. Недорого, точно, и помехоустойчиво.

[ILYAUL]

Для АЦП по идее нужно постоянное напряжение в течение определённого времени.

Ну это Вы погорячились , совсем не обязательно и АЦП по большому счёту на это наплевать

[Слесарь]

Рисую пробную плату, дождемся результата

[Harbinger]

Ну это Вы погорячились , совсем не обязательно и АЦП по большому счёту на это наплевать

Ну хотя бы на время преобразования нужно удержать.

[ILYAUL]

Ну хотя бы на время преобразования нужно удержать.

Так ему для этого своя емкость дана , зарядил и преобразовывает

[Harbinger]

Тем временем ёмкость разряжается через входное сопротивление АЦП...

[ILYAUL]

Тем временем ёмкость разряжается через входное сопротивление АЦП...

Ну это понятно , это есть всегда , только если она разрядится в пределах LSB , то на результате это не скажется

[Слесарь]

Для АЦП по идее нужно постоянное напряжение в течение определённого времени. На конденсаторном мосте оно таким и будет, если запитать его меандром.
Резистор нужен тоже для стекания токов утечки, большой такой чтобы постоянная времени была больше времени измерения, то есть много МОм в данном случае.

Питается мост из конденсаторов ~100 пФ частотой 250 кГц. Мультиметр не регистрирует половины напряжения в средней точке моста. АЦП еще не настроил, есть реакция только на прикосновение к емкостям. Надо попробовать подключить осцилограф или сразу ставить резисторы паралельно всем конденсаторам моста. Резисторы сбалансируют мост, а изменение емкостей конденсаторов будут вносить разбалансировку.

[Слесарь]

В принципе, емкостной уровнемер по моей схеме работает. Но уж больно большое влияние наводимой в воде переменки 50Гц. Пробую разобраться с возможностями фильтра микросхемы. Да и схему прибора немного подправить.