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Questo circuito permette di rilevare la presenza di liquidi conduttivi (es. acqua impura) tra i propri terminali. Il circuito si compone di due parti: il sensore vero e proprio ed un trasduttore in grado di fornire un segnale digitale indicate la presenza o meno di liquido.
Il sensore può essere utilizzato sia come sensore di pioggia per evitare danni a tende, oggetti e chiudere finestre o per informare i sistemi domotici delle case della presenza di pioggia. Un altro utilizzo è quello di sensore di allagamento che come dice la parola stessa permette di rilevare la presenza di liquidi a terra come nel caso di un allagamento, infatti oltre che a segnalare l’eventuale presenza con un allarme, esso può essere usato per informare un eventuale sistema domotico come MassaBus della presenza di acqua e se previsto in fase realizzava esso potrà in automatico chiudere l’erogazione di acqua per evitare che possano avvenire danni ingenti. E ancora possiamo usarlo come rilevatore di umidità per il terreno delle piante, permettendo ad un inaffiatoio automatico o a un sistema di controllo di sapere quando la terra è secca. Inoltre, prendendo i terminali di rilevazione e lasciandoli scoperti può essere anche usato come sensore sensibile al tocco di un dito!
Il principio che sta alla base del funzionamento di questo tipo di sensori è il fatto che l’acqua con cui abbiamo a che fare sempre non è pura ma contiene al suo interno alcuni minerali disciolti che la rendono più o meno conduttiva, infatti l’acqua pura di per se è un isolante. La rilevazione del liquido quindi può essere fatta attraverso due conduttori che in assenza di acqua siano isolati, mentre in presenza di acqua, quest’ultima, chiuda un qualsivoglia circuito in grado di attivare un'uscita ad esempio digitale.
Detta così la questione è semplice però per realizzare un apparato funzionante è necessario considerare alcuni aspetti critici:
- L’acqua ha una conduttività variabile a seconda dei sali disciolti, inoltre la sezione di liquido che conduce può variare. Questo fa si che il liquido abbia una resistenza equiavelente molto variabile.
- I conduttori quasi sicuramente sono metallici. Come è risaputo la presenza di corrente elettrica contiuna tra due conduttori immersi in un liquido provoca un effetto chiamato elettrolisi: ciò comporta una reazione chimica in grado di cambiare le proprietà dei materiali rendendoli inutilizzabili dopo un certo tempo. Per evitare che l’elettrolisi avvenga è necessario invertire continuamente la polarità elettrica a cui i puntali sono sottoposti.
Di seguito, nella descrizione dello schema elettrico, verranno illustrate le varie metodologie per eliminare gli aspetti critici.
SCHEMA ELETTRICO
Il tutto è incentrato sull’integrato CMOS 40106 (struttura interna nella figura a fianco) che al suo interno contiene 6 porte NOT a trigger di Smith. La peculiarità di queste porte è quella di avere i livelli di tensione a cui la porta commuta di stato logico ben definiti e quindi garantiscono prestazioni migliori soprattutto in applicazioni dove è richiesto che la commutazione avvenga dopo che si è superata una ben definita soglia.
Tutto il funzionamento parte dall’oscillatore a porta NOT visibile in alto a sinistra dello schema. Come è noto uno porta logica di tipo NOT inverte lo stato logico all’ ingresso e questa caratteristica viene usata proprio per generare un onda quadra attraverso il multivibratore astabile costituito da R1 e C1. Questo elemento genera l’onda quadra sfruttando una sola porta NOT, il suo funzionamento è molto semplice: consideriamo la tensione ai capi del condensatore C1 e consideriamola inizialmente a 0V. In questa condizione la porta logica avendo in ingresso una tensione inferiore alla soglia minima porta la sua uscita a livello alto essendo invertente, questo fa si che il condensatore si inizi a caricare attraversola resistenza R1 e ciò avverrà fino a quando la tensione ai suoi capi sarà inferiore alla soglia superiore della porta logica. Quando la soglia viene superata la porta logica ha in ingresso un livello logico alto e pertanto la sua uscita lo avrà basso, così il condensatore attraverso R1 inizierà a scaricarsi, questo solo attraverso R1 e non tramite l’ingresso della porta logica che avendo un alta impedenza non rappresenta un carico rilevante per il condensatore. Questo ciclo continua all’infinito e dall’uscita della porta logica si otterrà un onda quadra di frequenza dipendente dai valori di R1 e C1. In dettaglio sotto è visibile la sezione circuitale del multivibratore.
Con R1 pari a 10K e C1 pari a 100nF la frequenza dell’onda quadra è di circa 1 kHz. Tale frequenza può essere modificata variando i valori di R1 e C1, la frequenza dipende (circa) dall’inverso della constante di tempo R * C cioè 1/(R * C). Il circuito continua utilizzando un'altra porta NOT dell’integrato utilizzata come buffer invertente: il suo scopo è quello di non caricare il multivibratore precedente permettendo così di variare il carico in uscita (verso R2) della seconda porta logica senza andare a modificare i tempi di caricamento e scaricamento di C1, avendo come già detto anche la seconda porta logica un ingresso con impedenza molto alta e un uscita a bassa impedenza. L’inversione logica del segnale effettuata dalla porta non incide sul funzionamento del circuito.
Seguono la resistenza R2 che garantisce protezione all’uscita della porta logica da eventuali corto circuiti e C2 che ha un compito particolare e fondamentale nel funzionamento del sensore: il suo scopo è quello di eliminare il valore medio dell’onda quadra appena generata. Infatti come è noto il condensatore rappresenta un circuito aperto per le correnti continue e una resistenza (o meglio impedenza) per le correnti alternate. Questo fa si che il condensatore porti a questo effetto:
Come si nota Vin è l’andamento della tensione nel tempo in uscita dalla porta logica. Essa è un onda quadra avente valor medio pari a Vin/2 e un andamento da0 a Vin, pertanto l’elettrolisi avviene comunque in quanto i terminali del sensore sono posti, sebbene per metà del tempo, alla stessa polarità. Il condensatore C2 invece fa si che l’elettrolisi non possa avvenire in quanto il condensatore annullando il valore medio dell’onda quadra provoca un continuo cambio di segno (Vout) nella polarità alla quale i terminali del sensore sono sottoposti. Quindi Vout ha un valor medio pari a 0 e una tensione (riferita sempre a Vin) pari a +Vin/2 e –Vin/2 questo fa si che la polarità dei terminali del sensore cambi continuamente e questo fa si che l’elettrolisi non possa avvenire. Quando il sensore è in contatto con l’acqua tra i due terminali si instaura praticamente un corto circuito che permette all’onda quadra di passare negli stadi successivi del circuito. Successivamente C3,R3 proteggono l’ingresso della successiva porta logica da eventuali correnti provocate da tensioni parassite (in arrivo dall’acqua) e R4 in particolare assicura che l’ingresso non sia ad uno stato logico flottante, portando ad un malfunzionamento del circuito.
Il diodo D4 ha lo scopo di far passare all’ingresso della porta logica solo le parti dell’onda quadra avente tensione maggiore di 0. Questo è necessario per far si che all’ingresso della porta logica non vi siano mai tensioni negative. Infatti come è possibile notare quando la tensione è maggiore di 0 il diodo può essere considerato come un circuito aperto e la tensione viene posta all’ingresso della successiva porta logica. Quando invece la tensione è minore di 0 il diodo conduce e ha ai sui capi una tensione massima di 0,7V che dalla porta logica vengono visti come -0,7V che è un valore sopportabile dalla porta logica. In realtà volendo è possibile anche omettere il diodo D4 in quanto la porta logica per via dell’architettura CMOS è già dotata internamente di tale diodo come ricorda il datasheet (parte visibile sotto), comunque D4 rimane utile per eventuali casi imprevisti che possono portare il diodo della porta logica alla rottura (esempio dispersioni della tensione di rete) in quanto il diodo D4 supporta correnti fino a 200mA.
La corrente che scorre nel diodo e nel sensore è comunque in casi normali limitatissima dato i valori alti delle resistenze coinvolte prima e dopo il circuito e dal fatto che la porta logica ha un ingresso ad alta impedenza. Questo porta ad avere un circuito molto sensibile in grado di rilevare anche la minima presenza di liquido tra i sui terminali. Le due porte logiche successive risultano funzionare da semplice buffer in quanto effettuano la negazione due volte: questo permette di avere un ingresso ad alta impedenza (lato sensore) e un uscita a bassa impedenza per gli stadi del circuito successivi.
Lo stadio successivo si occupa di trasformare l’onda quadra (oramai mezza, visto che la parte negativa è stata eliminata in precedenza) in un segnale continuo, inoltre si occupa di ritardare di alcuni secondi la disattivazione quando finisce la rilevazione di acqua, evitando così eventuali segnali instabili che potrebbero portare problemi agli stadi successivi. Questo stadio è composto innanzitutto dal diodo D2 il cui scopo è quello di fare da canale di non ritorno: se la porta logica ha in uscita un livello alto nel diodo scorrerà la corrente che porterà alla carica di C4, se però la porta logica si porta a livello basso e il condensatore è carico il diodo essendo in polarizzazione inversa impedisce che il condensatore si scarichi attraverso di esso. Quando il diodo D2 è in conduzione la resistenza R5 si occuperà di caricare velocemente il condensatore scarico senza sovraccaricare l’uscita della porta logica (infatti è di soli 100 ohm). Essendo l’ingresso della porta logica successiva ad alta impedenza per scaricare il condensatore in un tempo ragionevole è stata inserita la resistenza R6 che oltre a mantenere un livello logico definito quando il condensatore è scarico si occupa di scaricarlo. Con questi valori di R6 e C4 una volta ripristinato l’isolamento tra i contatti del sensore l’uscita si disattiverà nel giro di 1-2 secondi. Se si vuole modificare questo tempo è possibile agire aumentando R o C per aumentare il tempo o diminuire R o C per diminuire tale tempo. E’ possibile calcolare (circa) il tempo di ritardo moltiplicando i valori di R e C (trovando la costante di tempo).
Le altre due porte logiche successive hanno anche loro la funzione di buffer infatti forniscono a partire da un ingresso ad alta impedenza un’uscita a bassa impedenza. Con queste due ultime porte logiche si utilizzano nel dispositivo tutte le 6 porte logiche dell’integrato 40106. Successivamentela resistenza R7 limita la corrente alla base del transistor TR1 di uscita. Il transistor a seconda dello stato logico dell’uscita dall’ultima porta logica va in saturazione attivando il carico o in interdizione. Tra il + del circuito e il collettore del transistor TR1 è possibile collegare il carico che si deve attivare in caso di presenza di liquidi: può essere un relè, un led, un ingesso di una scheda di I/O come nel caso del sistema domotico MassaBus oppure un qualsiasi carico che assorba massimo 100 mA (con TR1 BC547 e R7 da 4,7Kohm) e supporti una tensione pari a quella di alimentazione del circuito. Nel caso in cui si usi un relè o un carico induttivo è necessario montare anche il diodo D3 che protegge il transistor dalle extratensioni di commutazione provocate dal relè, altrimenti D3 è possibile ometterlo. Anche LD1 e R8 sono opzionali e servono unicamente da indicazione di attivazione. Il circuito così composto (escludendo il relè o il carico applicato) consuma pochi mA sia a riposo che in presenza di liquidi, quindi l'assorbimento maggiore da considerare per scegliere l'alimentatore giusto è quello del carico sull'uscita del sensore (max 100mA). Infine D1 si occupa di proteggere il circuito e il carico in uscita dalle inversioni di polarità, mentre C5 e C6 si occupano di filtrare la tensione in ingresso da eventuali disturbi o auto-oscillazioni.
COLLEGAMENTI SCHEDA TRASDUTTORE
Ecco di seguito lo schema di collegamento della scheda. In particolare è presente il connettore di alimentazione che deve essere in corrente continua con una tensione tra i 9V e i 18V, l’uscita che permette di collegare relè o altro funzionate alla stessa tensione di alimentazione e il connettore a cui collegare il sensore utilizzato.
TIPI DI SENSORE
In questo articolo vengono descritti due tipi di sensore: uno è adatto a rilevare gli allagamenti, mentre l’altro è adatto come sensore di pioggia. Entrambi possono essere collegati ai contatti sensore del circuito allo stesso modo e senza alcuna polarità.
Per utilizzare il dispositivo come sensore allagamenti è necessario predisporre due puntali metallici collegati ad una scatola di plastica, meglio se stagna. I puntali dovranno arrivare a filo del pavimento o al livello in coi vorrete che l’acqua faccia scattare il sensore. I puntali possono essere distanziati a piacere senza però metterli troppo distanti (non oltre30 cm) o in cortocircuito.
Questa configurazione può anche essere usata per rilevare l'umidità del terreno di una pianta o di un giardino, permettendo ai sistemi di controllo e irrigazione di sapere quando la terra è secca e necessità di acqua.
Per utilizzare il dispositivo come sensore di pioggia è necessario utilizzare una piastrina di rilevazione come quella mostrata sotto. Per realizzarla è sufficiente cerare un circuito stampato partendo dal master fornito e da li stagnare tutte le piste fino a creare una unica traccia di stagno.Il sensore a posto attaccato ad una parete e inclinato di circa 45° con la parte delle piste posta verso l’alto. Potete modificare lo stampato da me preparato allargando o restringendo la distanza tra le piste per aumentare o diminuire la sensibilità alla pioggia.
CIRCUITI STAMPATI
Attenzione! Queste sono soltanto immagini indicative. Per la realizzazione fate riferimento ai file allegati.
Nello stampato mancano i componenti LD1, R8 e RL1 in quanto montati esternamente.
- Sensore di pioggia (da realizzare solo se utilizzato in questa maniera)
I fili vanno saldati nei terminali quadrati.
ALCUNE IMMAGINI
Di seguito è disponibile il link per scaricare l'archivio zip contenente i file per la realizzazione. I file originali dei circuiti stampati e degli schemi sono in formato FidoCad, mentre i master da stampare per realizzare le schede sono in formato PDF.
BUON LAVORO!
