Доброго времени суток.
Передо мной поставили такую задачу. Нужно отслеживать уровень жидкости (жидкость прозрачная) в колбе диаметром около 30 мм. Пределы изменения уровня от 0 до 20 см. Точность нужна порядка 1 мм. Скорость изменения небольшая , максимум порядка 2-3 мм в секунду.
Емкостной метод скорее всего не подходит, так как плотность втекаемой в колбу жидкости изменяется (уменьшается).
Посоветуйте, какой принцип можно измерения использовать и какие датчики.

Все же, ИМХО, емкостной метод наиболее подходит для этой задачи.

Но датчик нужно делать либо с опорным каналом, либо секционированным.
Если жидкость с меняющейся плотностью равномерно перемешивается и не расслаивается,
достаточно расположить на дне опорный чувствительный элемент, идентичный конструкции основного,
и по изменению его электрической емкости корректировать показания.

Если перемешивание не интенсивное или есть склонность к расслоению - разбиваете чувствительный элемент на N равных секций, измеряя емкость предыдущей корректируете показания текущей.
Подобные вещи делала финская фирма LabKo, но в масштабах резервуаров. На их сайте я в свое время находил более-менее подробное описание принципа.

Не проще ли измерять положение поплавка?

В колбе диаметром 30 мм?
Тем более, при различной плотности различна и глубина погружения поплавка.
И как измерить расстояние до поплавка с точностью 1 мм?
Если делать классическую систему с измерением задержки ультразвукового импульса,
то цена уровнемера может выскочить за разумные пределы.

А что, 30 мм это какое-то магическое число? Что Вас смущает?

Вы б хотя бы параметры жидкости указали, что ли.
А то ведь и ультразвук в разных жидкостях по-разному распространяется.

ИМХО маловат диаметр для поплавка, он своим объемом займет значительную часть колбы,
при своих размерах будет плохо выталкиваться жидкостью. Придется принимать меры, чтобы он не "зависал" и не подклинивал, при это внутри его должен быть расположен достаточно мощный магнит.

В данном случае ультразвук распостраняется не в жидкой среде, а в стержне, на который насажен поплавок, поэтому параметры среды влияют исключительно на плавучесть поплавка.

если колба прозрачная - можно поставить видеокамеру и измерять

если не прозрачнаю можно измерять в тепловом диапазоне (с помощью тепловизора) - правда, дороговато

ультразвук - будет очень сложно, стенки сосуда будут переотражать. Получится очень сложная математика и дорогие излучатель/приемник.

оптический измеритель - слишком маленькие углы, не хватит чувствительности, очень сильно реагирует на волны.

остается только емкостный: две пластины для измерения деэлектрич. проницаемости жидкости, две для воздуха, две для уровня (суммарной емкости). Если подойти грамотно, получится три электрода - один общий - на всю длину, два измерительных - между собой и между общим. здесь сложность только в проработке математической модели.

как было сказано раньше, можно построить многоуровневый датчик. простой в построении, не требует глубоких познаний в метематике.

Спасибо за советы.

Немного деталей: Колба прозрачная. Для моей задачи крайне нежелательно использовать контактный метод (т.е. поплавок не подойдет). Измеряемая жидкость - бензин или диз. топливо (после перегонки).

Информация об уровне нужна как обратная связь для автоматического регулирования мощности печи для нагрева исходной жидкости (до перегона).

Не понял - как снимать данные об уровне при помощи видеокамеры ?

Смешиваются ли разные фракции жидкости я не знаю. Но жидкости по своему составу могут использоваться разные.

Попробую реализовать емкостной датчик с дополнительным измерением диэлектрической проницаемости.

20см - да это же ширина листа А4!
- линейка от сканера то что прекрасно подойдет
Kodak linear sensor
достать из сканера выйдет дешевле чем купить отдельно)

С помошью видеокамеры будет громоздко - у того же Logitech есть SDK к их вебкамерам с примерами как получить картинку. Понадобится РС для обработки. ( хотя если взять аналоговую камеру то может и AVR хватить )

Бензин или диз. топливо - очень неплохо!
Возможно, что даже Епсилон мерить не придется, у продуктов после перегонки
эта величина порядка 1,8 единиц и меняется слабо.
Может получиться так, что итоговая погрешность Вас устроит без опорного канала.
Не помешают короткие элементы у дна и у крышки.
Контролируя их емкость можно обезопаситься от опустошения колбы, от перелива,
а также производить калибровку датчика.
В этом случае датчик вырождается в генератор на одном элементе 74hc132 с
резистором и конденсатором, подключенный к порту микроконтроллера.
Емкость чувствительного элемента входит в RC, уровень пропорционален периоду.
И не забудьте про искробезопасные цепи, иначе неровен час устроите день космонавтики

to OqRom: еще раз огромное спасибо. Советуемый Вами подход кажется мне наиболее простый в реализации. На нем и остановлюсь.
Другие подходы тоже заслуживают внимания - с ними тоже попробую поиграться попозже.
Еще маленький вопрос: а возможно ли распологать электроды не в колбе, а снаружи? Тогда и дня космонавтики не будет, и колбу можно извлекать безболезненно для датчика.

Электроды снаружи, думая не получится, а вот в колбе с такой точностью, тоже думаю будут проблемы. В качестве совета:
1. Датчик изготовить ввиде трех коаксиальных стержней, внутренний и наружный потом соединить вместе и посадить на общий провод, с центрального снимать сигнал.
2. В качестве диэлектрика при конструировании стержня использовать фторопласт (все остальное смачивается и дает ошибку при измерениях).
3. Минимальное расстояние между электродами 1 мм (ниже проявляются капиллярные эффекты)

Думаю при такой конструкции суммарная емкость сухого датчика будет ~ 100pF

Действительно, электроды снаружи колбы малоэффективны. Во-первых, 95 процентов поля замкнется через стекло, соответственно чувствительность датчика будет очень низкой.
Во-вторых, от плотности прилегания электрода к стеклу будут очень сильно зависеть показания.


Совет выполнить датчик по известному принципу "трба в трубе" безусловно дельный, однако ИМХО,
может быть сложноват конструктивно для Вашей задачи. Предлагаю попробовать пакет из трех латунных пластин, боковые заземлены. Так как продукт заведомо диэлектрик, считаю, что можно обойтись без изоляции пластин. Чем меньше зазор (в разумных пределах), тем выше приращение емкости на единицу длины, соответственно выше точность. Можно попробовать выполнить чувствительный элемент печатным способом на текстолите.

А будет ли меняться Епсилон, если диз. топливо не сразу после перегонки, а
а)залито на заправке;
б)загустело из-за низкой температуры;
в)в него налит антигель;

А если применим шаблон изобретателя. Что нам мешает использовать хорошо известное? Переменная проницаемость и плотность вещества? Мы их не всегда знаем, но ведь меняются они не так уж часто.
Ну, тогда это единственное, что нужно преодолеть. Делаем два датчика. Один, собственно, измерительный, а второй - наливаем мерное количество того же вещества для эталона-калибровки. Сравниваем- вычисляем.
Если, скажем, три дни завод гонит бензин, потом три дизтопливо, потом самогон до конца месяца - это годится, устанавливать новый эталон с переходом на новое вещество.
Может я не все особенности процесса, самой задачи, понял, но посмотрите и извлеките пользу, если получится.

а что посоветуете для бензобака? желательно обойтись минимальными изменениями конструкции, т.е. без вырезания больших отверстий

А если применить датчик давленияи трубочку опучтить на дно вышей колбы?

Например MPVZ5004 диапазон 0 - 400 мм Н2О.

А если все таки внутри? 2-х слойная гибкая полиимидная плата, линейка из 512 электродов (нормы 0.2*0.2), 256- возбуждения - разбиты на 8-16 групп, 256- приемные - разбиты на 2*(8-16) групп. На электроды возбуждения, через мультиплексор подаем частоту (10-20 мГц). Приемные подключены на полупериодный выпрямитель и далее на 32 входовый АЦП. Последовательно опрашиваем приемные входы, меняя группы возбуждения через мультиплексор. Обнаруживается граница жидкость-воздух. Разница по уровням напряжений, с учетом паразитных емкостей будет процентов 30 при разрешении -0.6-0.8 мм.

А если механико-оптический:

Внутри колбы плавает пробка с отражающей боковой поверхностью.
На некотором расстоянии от колбы стоит вращающееся зеркало, которое освещает источник, к примеру, лазерная указка или инфракрасный светодиод .
От зеркала по колбе скользит световое пятно, которое отражаясь от пробки, попадает в фотоприемник. На нижней части колбы зафиксировано еще одно зеркальце. Разность во времени от двух отражений и будет определять уровень жидкости. Скорость вращения зеркала можно менять, а результаты измерений усреднять.

И еще один метод,
Параллельно колбе, по направляющим движется источник света и фотоприемник. А пробка по-прежнему в колбе. А дальше следящая система.

тут сказали, что плотность меняется. не годицца.

не силен в оптике, но где-то видел в ютубе, как на один конец прозрачной трубки светили светодиодом, и свет расходился по всей жидкости. жидкость (вода?) еще и текла при этом. вода светилась, а остальное пространство - нет. то есть в жидкосте свет отражался частично, а частично шел дальше. что если дно колбы подсветить, колбу накрыть коробкой, и замерять уровень освещенности внутри коробки. больше уровень в колбе - больше света. получится так?

или так:колбу на весы. в колбу кинуть измеритель плотности, или поплавок. зная массу колбы, ее объем, показания измерительюя плотности можно вычислить объем жидкости в колбе. только как мерить плотность??

Пузырьковый принцип измерения.

все-таки при помощи веб камеры вполне можно измерить. компьютер там не нужен, если жидкость имеет оттенок. колбу поставить напротив белого листа, камеру к микроконтроллеру, а там смотреть кол-во белого цвета. меньше белого - больше уровень. и все

IMHO для бочки, через которую кубометры солярки текут, можно и цивилизованное оборудование купить. Каталог любой серьезной компании автоматизацией занимающейся десяток решений предложит, к том числе и взрывозащищенных.