Monitorare il Livello del Liquido in una Cisterna con un Indicatore Elettronico a LED

Rileva, mediante una serie di elettrodi e segnala con altrettanti diodi luminosi, il livello del liquido contenuto in una cisterna, vasca o serbatoio.

Nei serbatoi e nelle cisterne, piccoli o grandi che siano, è sempre utile conoscere il livello del liquido contenuto: se sono trasparenti basta guardare, altrimenti bisogna ricorrere all’asticella graduata da introdurre fino al riferimento, quindi estrarre per vedere fin dove è lambita dal liquido; questo, a meno di non installare un rilevatore e segnalatore, meglio ancora se elettronico come quello che vi proponiamo in queste pagine.

L’unico requisito per poterlo installare è che il liquido da rilevare sia elettricamente conduttivo. La nostra proposta è un rilevatore dotato di sette elementi sensori, corrispondenti ad altrettanti elettrodi da collocare all’interno del serbatoio o cisterna da monitorare, ciascuno dei quali è associato a un LED che, quando si accende, indica che il liquido è arrivato al livello corrispondente.

Ma spiegheremo questo ed altro riguardante il funzionamento analizzando il circuito qui di seguito.

Schema elettrico

Il nostro indicatore di livello dei liquidi è ottenuto con un circuito estremamente semplice, basato su un unico circuito integrato qui utilizzato in maniera insolita: si tratta di un line-driver ULN2003, siglato U1 nello schema elettrico che trovate in queste pagine, che normalmente si impiega come stadio di potenza per comandare carichi quali le bobine dei relé partendo da livelli logici e segnali discreti provenienti da logiche in grado di fornire pochissima corrente.

In commercio da decine di anni, l’ULN2003 contiene, in un package DIP da 8 piedini per lato, sette Darlington NPN in configurazione open-collector, capaci di commutare ciascuno una corrente di 500 mA; ciascuno dei Darlington ha internamente al chip le resistenze di polarizzazione di base, componenti un partitore il cui ingresso corrisponde al relativo input.

 

Nella (Fig. 1), che propone lo schema interno e le connessioni del componente, i Darlington sono rappresentati da porte logiche NOT il cui ingresso corrisponde a quello del partitore di base; i collettori corrispondono alle uscite e ciascuno di essi è collegato alla linea comune positiva nell’ottica di utilizzare l’integrato per pilotare carichi induttivi come i relé. In questo caso il piedino COM andrà portato al positivo di alimentazione delle bobine o comunque dei carichi.

A tale riguardo va precisato che siccome integrati come questo e come i similari ULN2004, L203, L204 e via di seguito, nascono per funzionare da array di uscita per dispositivi logici, i diodi di protezione (freewheel) interni hanno un unico polo comune e quindi tutti gli utilizzatori gestiti da un integrato devono essere sottoposti alla stessa tensione di alimentazione; se in un’applicazione sussiste l’esigenza di dover alimentare carichi operanti a tensioni differenti bisogna utilizzare più ULN2003, uno per tensione.

Va inoltre ricordato che il piedino COM va sempre tenuto a un potenziale maggiore/uguale di quello di alimentazione del carico, altrimenti il diodo di protezione ne deriverebbe la corrente.

Stabilito ciò, possiamo vedere che ciascuna delle uscite dell’U1 pilota un LED (rosso) polarizzato attraverso una resistenza di limitazione dedicata e alimentato sul lato positivo dalla stessa linea che fa capo al piedino COM.

L’alimentazione del circuito, la cui presenza è evidenziata dal bipolo R1-LD1, perviene attraverso il diodo di protezione (dall’inversione di polarità) D1, a sua volta alimentato dai contatti 12V e GND (rispettivamente positivo e negativo).

Gli input dell’ULN2003 sono collegati ciascuno a una piazzola che va portata ad un contatto metallico all’interno del contenitore dove si trova il liquido da monitorare; in pratica si tratta di disporre tanti elettrodi quanti sono gli ingressi, più uno che è il comune, quindi collegarli agli input del circuito nello stesso ordine (di altezza o profondità, se preferite…) in cui sono collocati.

L’elettrodo comune, ossia quello connesso al positivo di alimentazione e siglato COM, deve essere collocato più in basso di tutti gli altri, perché dovrà sempre toccare il liquido; al limite può essere disposto allo stesso livello di quello che volete sia l’elettrodo del livello minimo, che intuitivamente corrisponderà ad S1.

Il funzionamento del circuito è abbastanza elementare, perché di fatto non c’è un galleggiante né una logica di conteggio: molto banalmente, ad ogni ingresso è associato un contatto che rimarrà isolato fin quando non verrà lambito o sommerso dal liquido, nel qual caso il liquido stesso si comporterà come una resistenza in grado di far fluire corrente dall’elettrodo comune (collegato al positivo di alimentazione a valle del diodo di protezione) alla base del Darlington corrispondente all’interno dell’integrato U1, causando la commutazione dell’uscita e l’accensione del LED corrispondente fra LD2 e LD8.

Se il livello sarà tale da coprire più elettrodi, vedremo accendersi i LED corrispondenti, fino a un massimo di 7 in corrispondenza di quello che considereremo il massimo. La disposizione degli elettrodi determinerà l’ordine di accensione, ma in ogni caso gli input devono andare in ordine: se quello corrispondente all’elettrodo più basso è S1, il LED LD8 si illuminerà in corrispondenza del livello più basso rilevabile; al contrario, se S1 verrà collegato all’elettrodo più alto, l’ordine di accensione sarà da LD2 a LD8, partendo dal minimo e arrivando al massimo livello.

 

 

 

 

In caso di livello insufficiente a raggiungere l’elettrodo collocato più in basso nel recipiente, nessun LED risulterà acceso ad eccezione di quello di alimentazione: questo corrisponderà alla condizione di allarme, ossia alla segnalazione di serbatoio o vasca asciutta.

Ultimo dettaglio: qualcuno di voi si sarà domandato perché per rilevare il livello attraverso la conducibilità del liquido nel serbatoio o cisterna abbiamo usato un integrato che normalmente si usa come driver di carichi elettrici in continua e non, come sarebbe quasi più semplice e logico, avendo delle soglie ben definite, un array di gate logici come ad esempio un hex-NOT di tipo 4069 o 40106; ebbene, la risposta è che i CMOS sono più sensibili ai disturbi in quanto hanno gli ingressi ad altissima resistenza (o impedenza) a differenza dell’ULN2003, che basandosi su transistor bipolari può vedere eccitare i propri Darlington solo in presenza di correnti significative.

Quindi la nostra soluzione è adatta anche a situazioni dove bisogna tirare fili lunghi per collegare gli elettrodi, che passino magari in ambienti un po’ disturbati sotto l’aspetto radioelettrico.

Realizzazione e installazione

Bene, stabilito come funziona il nostro circuito, vediamo la parte più sostanziosa: la realizzazione e messa in opera.

Il kit FK015 è disponibile in scatola di montaggio, potete procedere con il montaggio dei pochi componenti richiesti, a partire dalle resistenze e dal diodo al silicio D1 (da tenere orientato come mostra il piano di montaggio visibile in queste pagine) e proseguendo con lo zoccolo per l’integrato (da orientare come indicato, ossia con la tacca di riferimento rivolta alle connessioni degli elettrodi di ingresso; il montaggio si completa inserendo e saldando il condensatore C1, i LED (per i quali va ricordato che il catodo è l’elettrodo che si trova dal lato dello smusso sul contenitore) e le morsettiere a passo 5 mm per le connessioni di alimentazione (12V e GND) e dei sette ingressi (S1÷S7) più il comune (COM). Servono in tutto cinque morsettiere bipolari.

L’ultimo componente da montare è l’ULN2003, da innestare nello zoccolo preposto ricordando di orientarlo con il riferimento rivolto alle morsettiere. Fatto ciò il circuito è pronto per l’installazione, non richiedendo alcuna taratura o regolazione preliminare; va chiaramente cablato collegandolo agli elettrodi e infine alimentato con una fonte di tensione continua del valore di 12÷14V, capace di erogare una corrente di almeno 200 milliampere.

E veniamo all’installazione: gli elettrodi da collocare nel contenitore del liquido devono preferibilmente esse equidistanti o comunque è utile segnarsi quanto corrisponde in termini di volume contenuto la distanza tra ciascuno: per esempio se la vasca è in grado di contenere liquido per 1 metro di altezza al punto che consideriamo il livello del massimo, si possono disporre equidistanti i 7 elettrodi dividendo il metro per 7 e poi collocando gli elettrodi a partire da 1/7 e andando a salire.

Quindi il primo dal basso (ipotizziamo S1) a 14,28 cm, il secondo (S2) a 28,56 cm, il terzo a 42,8 cm, il quarto a circa 57 cm, il quinto a 71,4 cm, il sesto a 85,7 cm e l’ultimo (S7) a 1 metro esatto.

Con tale collocazione, al livello di 14,28 cm corrisponderà l’accensione di LD8, a 28,56 cm quella sia di LD8 che di LD7 e così via, fino ad avere tutti i LED pilotati dall’ULN2003 illuminati al raggiungimento o superamento del metro di altezza. Si può anche collocare l’elettrodo del minimo giusto a livello del fondo del contenitore, se la struttura di quest’ultimo lo consente, ma in tal caso l’elettrodo comune va posto anch’esso in fondo alla vasca.

Per evitare di forare il serbatoio o vasca del caso, gli elettrodi è bene siano montati immersi dall’interno, vicini a una parete, tuttavia i collegamenti dovranno essere ben isolati fino al punto di posizionamento degli elettrodi, altrimenti vi sarà una falsa indicazione; l’ideale sarebbe introdurre e fissare nel serbatoio un tubo in plastica sigillato contenente i fili di collegamento e far uscire da esso una borchia metallica o una vite in acciaio inossidabile in corrispondenza di ogni elettrodo, all’altezza desiderata.