Модернизация аналогового прессостата для экспериментальных целей
Под аналоговым прессостатом в данной статье будет пониматься индуктивный датчик давления. В частности, будет рассматриваться датчик DN-S14. У него множество популярных аналогов, они применяются в стиральных машинках в качестве датчика уровня воды в баке. У данного датчика три контакта: общий, питание и сигнальный выход. Работая с промышленным оборудованием и КИП, мне приходилось сталкиваться с различными аналоговыми датчиками давления. У них есть различия по типу выходного сигнала. Он представлен значением постоянного тока или напряжения в зависимости от измеряемого давления. А под прессостатом я обычно понимаю простой переключающийся датчик давления. Выходные контакты у такого датчика аналогичны обычному переключателю: общий контакт и 2 контакта на замыкание и размыкание. Такие датчики в стиральных и посудомоечных машинках встречаются также часто, наряду с аналоговыми. Отличие лишь в том, что они служат датчиком фиксированного уровня (например, максимального), а аналоговый прессостат даёт информацию о конкретном значении уровня.
Рис. 1. Индуктивный датчик давления DN-S14
Года три назад мне отдали аналоговый прессостат DN-S14 от какой-то сломанной стиральной машинки. Как я уже написал выше, он представляет собой индуктивный датчик давления. Это я узнал, когда прочитал на него документацию. Кроме этого, в прошлом году я нашёл похожий датчик, но он был в неисправном состоянии. Мне удалось его разобрать на части и даже получилось отремонтировать. Напишу кратко, как такие датчики устроены. В его состав в основном входит резиновая мембрана, ферритовый стержень, приклеенный к ней по центру, катушка индуктивности и электрическая схема. Принцип работы очень простой. Под воздействием давления мембрана деформируется, заставляя стержень менять положение относительно катушки, изменяя индуктивность. Электрическая схема представляет собой генератор. Из-за изменения индуктивности генератор на выходе выдаёт ту или иную частоту. То есть, сигнал на выходе индуктивного датчика давления представляет собой переменное напряжение с меняющейся частотой в зависимости от приложенного к датчику давления. В конкретном случае с рассматриваемым датчиком частота меняется примерно от 25 кГц (отсутствие давления) до 21 кГц (максимальное давление). Забегая вперёд, форма сигнала — меандр. Верхняя частота в моём случае также чуть-чуть отличается. Я с такими датчиками столкнулся впервые. Если говорить про тот сломанный датчик, то его неисправность заключалась в оторвавшемся стержне от мембраны, но статья вовсе не об этом.
В тот же период времени я занимался мелким ремонтом посудомоечной машинки (ПММ). В ней в качестве датчика уровня применялся обычный прессостат, который служил датчиком заполнения бака. Мне как раз нужно было продиагностировать этот узел. И ещё мне было интересно знать и иметь представление, как изменяется уровень воды в баке при заполнении, сливе и в процессе циркуляции. Данный интерес многократно возрос, когда мне попался этот самый индуктивный датчик давления. У меня появилась идея понизить диапазон частот выходного сигнала с датчика на звуковой диапазон. С ним работать намного удобнее. Сигнал можно оценивать на слух. Следовательно, на слух можно оценивать значение и колебание давления. Также имеется возможность записывать сигнал на любое устройство звукозаписи для его дальнейшего анализа. Как я уже написал выше, частота сигнала меняется примерно от 25 до 21 кГц. То есть, с возрастанием давления частота убывает. Насчёт линейности я даже и не задумывался. Сегодня при подготовке данной статьи я нашёл некоторые иллюстрации, касающиеся датчика. На графике показана линейная взаимосвязь давления (точнее, уровня) и частоты в диапазоне от 25 до 21.5 кГц.
Рис. 2. Зависимость выходной частоты датчика от измеряемого параметра
Также есть принципиальная схема одного из таких датчиков. Актуальность схемы на случай моего датчика не гарантируется.
Рис. 3. Типовая принципиальная схема датчика
Насколько точны эти датчики, в частности, соответствует ли мой датчик тому графику — вопрос не ставился. По сравнению с промышленными датчиками давления данный датчик, как я считаю, так себе…, игрушка. Но со своим функциональным назначением он вполне справляется. Я не стал вмешиваться в электрическую схему датчика, тем более что она залита эпоксидной смолой. Вместо этого я решил изготовить свою схему-насадку. Как раз на кронштейне датчика было свободное место. Принцип понижения частоты сравним с принципом работы смесителя в радиоприёмнике.
Рис. 4. Структурная схема устройства для понижения частоты
Схема представляет собой генератор опорной частоты, фазовый детектор на популярной микросхеме CD4046, фильтр НЧ на RC цепочке и делитель для задания требуемого уровня выхода. А фильтр НЧ отсекает вторую боковую полосу и сглаживает выходной сигнал. Микросхема CD4046 обычно применяется в радиоприёмниках, она имеет многофункциональное назначение. Я не буду вдаваться в подробности её блочной схемы. Отмечу лишь, что в моей схеме применяется только один блок данной микросхемы — первый фазовый компаратор (на рисунке — красная заливка). Соответственно, используется всего три сигнальных вывода микросхемы: первый вход, второй вход и выход. К входам подключаются соответственно выход датчика и выход опорного генератора. Может быть, в моей схеме данную микросхему применять нерационально, слишком громоздко. Можно было бы сделать этот узел и на других элементах, в том числе и на логических. Я об этом додумался только во время написания этой статьи. Возможно, даже хватило бы одного элемента «И», ибо мы имеем дело с перемножением двух сигналов разных частот с формой меандра. Но мне под руку попалась именно эта микросхема, и очень хотелось изготовить устройство побыстрее.
Генератор опорной частоты я решил изготовить на базе таймера микроконтроллера. Пожалуй, это самый быстрый вариант. Я выбрал микроконтроллер Atmega8, он у меня также был в наличии. Тактируется он от кварца для предания устройству относительной точности. Кварц я взял на 8 мГц. Генератором частоты выступает 16-битный таймер МК с делителем 1 в соответствующем режиме. Параметром частоты служит регистр OCR1A для соответствующего выхода OC1A МК (пин 13). Точнее, это типа виртуальный 16-битный регистр в CodeVisionAVR, представленный как композиция двух регистров OCR1AH и OCR1AL. В зависимости от его значения выходная частота f вычисляется просто: f=OCR1A/fc/2, где fc — частота кварца. Нам нужна опорная частота 25 кГц. Стоит отметить, что преобразование отзеркалит характеристику зависимости частоты от давления: если частота сигнала с выхода датчика с ростом давления убывала, то в звуковом диапазоне с преобразователя она будет возрастать, что весьма удобно на практике. Поэтому мы берём в качестве опорной частоты максимальную частоту. Для такой частоты параметр таймера OCR1A=8000/25/2=160. Учитывая неточность датчика и начальное давление в измеряемой среде, может возникнуть необходимость подстройки опорной частоты вручную. На датчике есть механический винт, который можно для этого использовать, но его лучше не трогать. Ведь датчик как-никак откалиброван. Ещё подстройка опорной частоты нужна для установки стартовой звуковой частоты, так как от 0 Гц стартовать крайне неудобно. Очень низкая частота не всегда воспроизводится на тех или иных акустических системах и не всегда попадает в звукозапись. Поэтому в своей конструкции я предусмотрел две кнопки подстройки опорной частоты (вверх или вниз). С их помощью можно сдвинуть (увеличить или уменьшить) на единицу тот самый параметр таймера. Для визуализации такого сдвига я предусмотрел 4 светодиода. Визуализация осуществляется в двоичном виде, то есть комбинацией свечения светодиодов. Получается, что отобразить можно всего 16 комбинаций. Соответственно, предусмотрено 16 вариантов опорных частот относительно какой-то базовой, заранее выбранной и сохранённой в EEPROM. Но со временем я на всякий случай предусмотрел и изменение базовой частоты. Для этого нужно включить устройство, удерживая две кнопки в нажатом состоянии. Тогда активируется режим изменения базовой частоты. Точнее, параметра таймера, соответствующего базовой частоте (от 0 до 239 для удобства, больше и не нужно). На светодиодах он визуализируется старшими и младшими четырьмя битами по очереди. На момент написания статьи базовая частота у меня выбрана 27.58 кГц, точнее, параметр таймера равен 145. При этом значении в обычном режиме изменять параметр можно от 145 как раз до 160, что рассчитывалось выше. То есть, всего 16 целочисленных вариантов. Все расчёты я выполнил в таблице Excel. Они очень просты. Также в таблице для каждого режима представлена комбинация светодиодов в виде заливки ячеек.
Рис. 5. Расчёт частоты таймера для МК AVR в Excel
Если установить опорную частоту ниже максимальной 25 кГц, то на выходе устройства при нарастании давления будет наблюдаться так называемый переход через ноль. Понижаемый диапазон частот при такой конфигурации попадает в отрицательную область. Но на слух отрицательная частота звучит также как и положительная. На физическом уровне отрицательной частоты не существует, это просто абстракция. Разве что, сигнал будет в противофазе, что никак не сказывается на его форме. Я дорисовал картинку с исходным графиком, где изобразил характеристики, которые отображают зависимость моей пониженной частоты от давления (уровня) с тремя различными конфигурациями опорной частоты. Шкала значений звуковых частот для моих нарисованных линий изображена на правой стороне. Зелёная линия — если опорная частота выше частоты покоя датчика на 0.5 кГц. Красная линия — если опорная частота равна частоте покоя. Синяя ломаная линия — если опорная частота ниже частоты покоя на 1 кГц. Эти числа я взял для примера. Как раз, синяя линия поясняет вышесказанное: в точке 100 мм наблюдается переход через ноль.
Рис. 6. Зависимости выходной частоты устройства от измеряемого параметра
Кроме вышеперечисленных компонентов, в схеме применяются вспомогательные компоненты: линейный регулятор по питанию, фильтрующие конденсаторы, клеммы и т.д. Питание устройства осуществляется от 12 В.
Печатную плату удалось изготовить так, чтобы она хорошо вписалась в размеры кронштейна датчика. Разъёма для прошивки МК нету, но вместо него просто контакты для припаивания проводов для разовой прошивки. Микросхема CD4046 размещена на панельке, у которой извлечено большинство неиспользуемых ножек для экономии места на плате. Неиспользуемая ножка 9 служит в качестве опоры для более надёжной фиксации запаянной панельки в плате. Провода с разъёмом датчика запаяны непосредственно в плату.
Рис. 7. Печатная плата устройства
Рис. 8. Плата в готовом виде с обратной стороны
Рис. 9. Конструкция в сборе и передняя сторона платы
Данный датчик я подключал к своей ПММ параллельно с имеющимся штатным прессостатом. Для этого я приобрёл в автомагазине простой разветвитель трубок и применил гибкие трубки соответствующего диаметра.
Рис. 10. Датчик с разветвителем трубок
Для тестирования датчика на столе давление в него можно нагнетать ртом через трубку или резиновой грушей из аптеки. Сначала посмотрим, что показывает обычный осциллограф на выходе датчика и на выходе преобразователя при изменении давления. Ниже представлены две анимации.
Исходный сигнал с датчика
Преобразованный сигнал с выхода устройства
Сразу видно, что с выхода моего преобразователя сигнал меняется не только по частоте, но и по амплитуде, что не очень идеально, чем хотелось бы. Видимо, такая характеристика RC фильтра.
Затем я подключил устройство к звуковой карте с частотой дискретизации 192 кГц и записал два сигнала. Запись длится полминуты. Во время записи я изменял давление в датчике также с помощью груши.
Рис. 11. Вид аудиозаписи двух сигналов в Adobe Audition
Левый канал — сигнал с датчика, правый — сигнал с преобразователя. В записи на общем виде также наблюдается изменение амплитуды с изменением частоты на выходе преобразователя. На рисунке также представлен частотный вид. Даже исходный сигнал усыпан гармониками и зеркалками. А преобразованный сигнал смотрится ещё хуже. Кроме пониженной области частот присутствует ещё и повышенная — в районе 50 кГц. Она симметрична относительно опорной частоты, и в идеале она должна быть отфильтрована. Напоминаю, что частота дискретизации записи — 192 кГц. То есть, реально слышимая полоса частот — нижняя 1/5 часть всего записанного диапазона.
На рисунке 12 представлены АЧХ по двум каналам в момент времени, соответствующий положению курсора на предыдущем рисунке. По нему можно оценить значения амплитуд на той или иной частоте.
Рис. 12. АЧХ двух сигналов
При увеличенном масштабе волнового вида видны точки дискретизации обоих сигналов с их графической интерполяцией (рис. 13).
Рис. 13. Волновой вид сигналов в увеличенном масштабе
По спектральному виду канала с исходным сигналом (рис. 14) при увеличенном масштабе можно оценить максимальную и минимальную его частоту. Максимальная — около 26.8 кГц, а минимальная — примерно 20.4 кГц.
Рис. 14. Диапазон частот исходного сигнала с датчика на спектральном виде
Наконец, ниже представлено видео с демонстрацией работы устройства. На видео наложены текстовые комментарии. Звук видео — сигнал с устройства.
А ещё даю ссылку на архив с фрагментами записей сигналов набора воды, циркуляции и слива работающей моей посудомоечной машинки.
