Folyadékérzékelés, folyadékszint-kapcsolók és -szabályozók
Mikroelektronika a villamossági eszközökben XIV.
2015/10. lapszám | Porempovics József | 13 070 |
Figylem! Ez a cikk 10 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A cikksorozat alaptémája szinte kimeríthetetlen, most, az utolsó részhez érve foglalkozunk még egy népszerű területtel: a folyadékok érzékelésével, folyadékszint-kapcsolókkal és -szabályozókkal.
A folyadékok érzékelésére számos elv, megoldás létezik az egyszerű úszókapcsolótól az optikai vagy kapacitív elven működőkön át egészen a radioaktivitást felhasználó berendezésekig. Nyilván ezek alkalmazási, alkalmazhatósági területei is eltérők, mindig az adott folyadékhoz és annak körülményeihez igazodva kell kiválasztani a mérő vagy szabályozó készüléket. A folyadékérzékelés hétköznapi felhasználása általában a vízhez kötődik. Gyakori feladat kutak, házi vízművek, tartályok, szennyvízátemelők, medencék vizének érzékelése, illetve a vízszint szabályozása.
A működést és felhasználást tekintve általában a következő feladatokhoz használunk víz- vagy folyadékérzékelést:
- egy folyadékszintet figyelve kapcsolunk pl. szivattyút;
- két folyadékszintet figyelve:
- töltünk pl. egy tartályt: ha a minimum szint alatt van a víz, akkor a maximumig töltjük pl. egy kútból;
- ürítünk pl. egy kutat: ha a maximumig van a kút vízszintje, akkor a minimumig kiszivattyúzhatjuk;
- csak vízkiömlést, tehát csak a víz jelenlétét figyeljük pl. pincék, mosókonyhák padlózatán – elzárható a főcsap, ha vizet érzékel;
- több folyadékszint figyelése, akár szintszabályozással együtt; pl. házi víztározó vízkészletének ellenőrzése (esetleg intelligens épületautomatizálási rendszerrel is!);
Konduktív elven működő folyadékszint-érzékelés három szondával.impulzust kiadó jeladó és két „vevő” szintszonda.A jelfeldolgozó áramkörben választható a kimenet működése, illetve a szabályozás logikája: töltés vagy ürítés.
A már említett sokféle érzékelési elv közül csak a legegyszerűbbel fogunk foglalkozni, mely egyúttal a megfizethetőbb árkategóriát is jelenti. Az érzékeléshez ezek a készülékek a folyadék vezetőképességét használják fel, amiből az is következik, hogy csak vezetőképes folyadékokhoz használható, mint a normál ivóvíz, kútvíz, esővíz, talajvíz stb., vagyis olyan folyadékokhoz, melyek kellő mennyiségben tartalmaznak ionokat is. A desztillált víz nem tartozik ide, ioncserélt víznek is szokták nevezni, bár némi vezetőképessége lehet, viszont nem éri el az említett készülékek érzékelési küszöbszintjét. A tiszta desztillált víz vezetőképessége 0,5 µS/cm, míg egy átlagos ivóvízé 500-1000 µS/cm (Siemens az ellenállás reciproka). Nem használható továbbá gyúlékony vagy robbanásveszélyes folyadékokhoz és ilyen környezetben sem (egyébként pl. a tiszta olaj sem vezet).
Az érzékelés elve nagyon egyszerű (2. ábra): a készülék egy odavezetett szondán keresztül mérőjelet bocsát ki, ezt a mérőjelet a vezetőképes folyadék ionjai az érzékelő szondához vezetik – tulajdonképpen a folyadék zárja az áramkört –, a készülék elektronikája pedig feldolgozza a kapott jelet. A mérőjel elvileg lehetne egyenfeszültség is, de a szondák polarizációjából származó hatások (pl. oxidáció, galvánhatás) elkerülése miatt megszaggatják valamilyen frekvencián (10 Hz, 50 Hz, 1 kHz stb.), tehát impulzussorozat kerül a jeladó szondára. A mérőjel feszültsége célszerűen törpefeszültség (pl. 3,5 V, 5 V stb.), és nem árt, ha a szondák galvanikusan leválasztottak a tápegységtől, hiszen pl. fürdő- vagy strandmedence szintszabályozására csak az ilyen típusok alkalmazhatók.
A szondák úgynevezett passzív szondák, semmilyen aktív elektronikát nem tartalmaznak. Anyagukat tekintve leggyakoribb a rozsdamentes acélból, esetleg rézből készült szonda használata. A szondákat mindig az adott folyadék tulajdonságaihoz kell megválasztani. Más, szigorúbb kritériumok vannak ivóvíznél, és mások esetleg szennyvíznél vagy agresszív folyadékoknál. Használható olyan szonda, amelynél a tartály tetejétől hosszú pálcákkal állítható a szint, és zárt, vízálló burkolat alatt csatlakoztathatók a vezetékek. Kedvezőbb áron kaphatók viszont azok a szondák, melyeknél a szondák vezetékei is beérnek a folyadékba, így az elektromos kötések is folyadékban lehetnek. Védelmükről gumigyűrűs és szelencés tömítések gondoskodnak (1. ábra).
Moduláris kivitelű folyadékszintszabályozó. az előlapon választható töltés és ürítés funkcióval. Külön potenciométerrel állítható az érzékenység, illetve késleltetés a hullámzásokból adódó téves kapcsolások kiküszöbölésére.
Ivóvíznél ekkor a vezetéknek is alkalmasnak kell lennie ivóvízhez, vagy agresszív folyadéknál megfelelően ellenállónak. Mechanikai szennyeződéseket tartalmazó folyadékhoz történő használatkor figyelembe kell venni, hogy a szennyeződés, pl. fűszál, papír, amíg nedves, vezetheti az ionáramot, így ha a mérőjel és a szintszonda között megakad, odatapad, akkor téves kapcsolást okozhat. Fémtartálynál egyes eszközök mérőjel- kimenetei közvetlenül a tartályra köthetők, így a tartály egész teste „adószondaként” működik – ebben az esetben nagyobb valószínűséggel fordulhat elő a mechanikai szennyeződés megakadásából eredő téves kapcsolás, hiszen a tartály falának teljes magasságában jelen van a mérőjel.
A 3. ábrán egy moduláris kivitelű egyszerű folyadékszint-szabályozó látható vázlatos bekötési rajzzal. Az érzékenység beállítására külön potenciométer szolgál ellenállás értékkel, mely üledékképződésre hajlamos folyadékoknál tehet jó szolgálatot. A hullámzásokból eredő téves kimeneti kapcsolásokat késleltetés beállításával lehet elkerülni, mely mind a be-, mind a kikapcsolást késlelteti.
Az elektronikai áramkörökkel számos egyszerű megoldás létezik folyadék érzékelésére és az erre épülő különböző logika szerinti szabályozásra. Megmaradva a vezetőképes folyadékoknál, kétféle érzékelési módszerből indulhatunk ki. Egyik, amikor a folyadékot egy feszültségosztó ellenállásaként illesztve egy áramkörbe, az osztó feszültségét összehasonlítjuk egy beállított referencia feszültségszinttel, amit ha túllép, akkor a szondafolyadékban van. A megoldás hátránya a szondák polarizációja, ami hosszú távon oxidációhoz vezet. Másik módszernél – melyet a szabályozókban is alkalmaznak – a mérőjel nem tiszta egyenfeszültség, hanem a gyártó által megválasztott frekvencián kiadott négyszögjel, éppen a polarizáció elkerülésére. Ebben az esetben ugyan a folyadék vezetőképessége szabja meg a vételi oldal áramköreibe érkező áramot, de csak egyenirányítás után lesz kiértékelhető jel.
CMOS integrált áramkörrel megépíthető folyadékszint-érzékelő áramköri részlete. A kimenetekkel tranzisztorok közbeiktatásával akár relék is működtethetők. Üzemeltetéshez biztonsági transzformátorral leválasztott 12 V egyenfeszültség szükséges.
A 4. ábrán egy CMOS integrált áramkörrel összeállított kapcsolás látható, mely akár meg is építhető – természetesen csak leválasztott törpe -egyenfeszültséggel táplálható, pl. 12 V-ról. A CD4093 CMOS IC 4 db Schmitt-trigger bementű NAND kaput tartalmaz. Az IC1A kapu egy oszcillátort képez (ezért kell a Schmitt-trigger), mely kb. 1 kHz frekvenciájú jelet ad ki a jeladó szondára, többek között a már említett okból. A 3. kimeneten megjelenő jel amplitúdója közel a tápfeszültség, melyet egy kondenzátor csatol ki a szondára, elkerülve ezzel a kimenet rövidre zárhatóságát. A szintszondák által „elfogott” jelet mindkét szintnél ugyanolyan áramköri kapcsolás fogadja. A kondenzátoros csatolást követően a pulzáló jelet diódák egyenirányítják és a C4, C6 kondenzátorok szűrik, simítják, majd a kapuáramkörök bemeneteire kerülnek. A bemenetek jel nélküli állapotban a viszonylag nagy, 10 MOhm-os ellenálláson keresztül logikai „0” szinten vannak (közel nulla volton), így a kimenet logikai „1” szinten, azaz közel a tápfeszültségen van (a kapu negálja a bemenetet). Ha jel érkezik az egyenirányítás után, akkor logikai „1” állapotba kerülnek a bemenetek, ezért a kimenet logikai „0” állapotba kerül. Tehát a „0” állapotot használhatjuk fel a továbbiakban vagy közvetlenül egy-egy relét vezérelve PNP kapcsolótranzisztorral vagy egy mikrovezérlő bemenetére vezetve jelillesztés után (3,3 V, 5 V).
A gyári folyadékszint-szabályozók általában nem a fenti, viszonylag egyszerű áramköri megoldással működnek, de nem is sokkal bonyolultabbakkal. A jelfeldolgozáshoz itt is már természetes a mikrovezérlő használata, de a szondák felől érkező váltakozó jelet csak jelformálás után lehet a mikrovezérlő bemeneteire csatolni, ezért a jelfogadás bemeneti áramkörei nem sokban térnek el a kis áramkörben használtaktól.
Az 5. ábra egy mikrovezérlővel felépített folyadékszint-szabályozó elvi működési vázlatát mutatja. A bemenetek jelformálása általában műveleti erősítőkkel történik, melyek kimenete a mikrovezérlő analóg bemeneteihez csatlakoznak, tehát a mikrovezérlő analóg jelet kap, ezt dolgozza fel. Ez azért fontos, mert az érzékenység beállítására így nem szükséges külső analóg áramkörökkel megépített potenciométereket használni, hiszen a mikrovezérlő további analóg bemenetei erre felhasználhatók, így a belső digitalizálás után digitális korrekciókra, beállításokra is lehetőség nyílik.
A folyadékszintszabályozó modulok áramkörei. Két alap elektronikai alkatrészre épülnek: mikrovezérlőre és műveleti erősítőre. A műveleti erősítő a jelfeldolgozást és a hozzá tartozó beállításokat biztosítja, míg a műveleti erősítő a szondáktól érkező bemeneti jelet formálja, konvertálja a mikrovezérlő számára is értelmezhető, elfogadható jelszintre.
Ennek megfelelően mind az érzékenység, mind a késleltetés beállítása csak néhány alkatrészt igényel, konkrétan két potenciométert és pár szűrőtagot, de a folyamatba történő tényleges beavatkozás már a mikrovezérlőbe égetett programon múlik. A mérőjel generálását is nyugodtan a mikrovezérlőkre lehet bízni, hiszen legtöbbjük rendelkezik úgynevezett impulzusszélesség-modulált kimenettel (PWM), mely programozottan küldi a négyszögjelet a kicsatoló tranzisztoros áramkörre, majd a kondenzátoron keresztül a szondára. A töltés és ürítés funkciók közötti választás egy egyszerű kapcsolóval megoldható, melynek „értelmezése” és feldolgozása szintén a programban történik, és a kimenet logikája e szerint működik. A modul tápellátásáról kapcsolóüzemű tápegység gondoskodik, természetesen a galvanikus leválasztást biztosító nagyfrekvenciás transzformátoros kivitelben. Az áramkör felhasználói kimenete a belső relé kontaktusai, melyek ez esetben a kivezetett potenciálmentes váltóérintkező sorkapcsai. Terhelhetősége sokszor bőven elegendő egy kisebb szivatytyú működtetésére.
Zárszó
A cikksorozat utolsó részének végére érve megköszönöm a figyelmüket, remélve, hogy a napi munkavégzéshez is hasznos kiegészítéssel szolgáltak az itt felsorakoztatott információk. Az elektronika világa és a villamosipar régi barátságban vannak, ezt a kapcsolatot próbálta erősíteni ez a cikksorozat. Hogy elérte-e az eredetileg kitűzött célját, az kiderülhet majd a dolgos hétköznapokon is, amikor az eszközök felhasználása közben előkerülnek az egyes témaköröknél említett információk, melyek segíthetnek esetleg kiválasztani, beállítani vagy alkalmazni az elektronikus áramköröket tartalmazó eszközöket.
A következő – általam jegyzett – cikksorozat már nem a mikroelektronikával fog foglalkozni, de megmarad továbbra is a vezérlés és szabályozás témaköre, és az alapcél is változatlan: használható információkkal szolgálni egyszerű köntösben.
