Czujnik przepływu cieczy w układzie WC

Układ elektroniczny

Zakładam, że układ elektroniczny wykonywać będzie osoba mająca chociaż trochę doświadczenia w tego rodzaju pracach i dlatego daruję sobie większość różnych dobrych rad dotyczących praktycznej realizacji. Dodam jedynie, że nie warto robić drobnych oszczędności na elementach decydujących o jakości i niezawodności całości urządzenia. Dlatego też nie polecam stosowania części z odzysku. O lutowaniu, które musi być czyste i pewne, wspominam tylko z przyzwyczajenia. Generalnie rzecz biorąc, nowicjusze powinni poprosić o pomoc kogoś, kto podobne prace wykonywał już wiele razy. Pamiętaj, że w listwie zasilającej występuje napięcie zmienne 230(V), które jest niebezpieczne dla zdrowia i życia! Zaprojektowanie płytki drukowanej do tak prostego układu jest bardzo łatwe. Nie ma też przeciwwskazań aby układ zmontować na tzw. płytce uniwersalnej. Numeracja nóżek wzmacniacza operacyjnego i przekaźnika podana jest na schemacie. Zależnie od elementów składowych posiadanego zestawu WC, kwestię usytuowania zasilacza i elementów elektroniki można rozwiązać w różny sposób. Także ewentualne obudowanie elektroniki i jej montaż pozostawiam inwencji wykonawcy. Jednak, aby wskazać drogę mniej doświadczonym użytkownikom, opisuję rozwiązanie, które wykonałem. Założyłem, że w moim przyszłym WC zostanie użyta pompka zasilana napięciem +12(V), np. doskonała Laing DDC. Ten fakt determinuje konieczność użycia stabilizowanego zasilacza 12(V), który może dostarczyć prąd o natężeniu minimum 1(A). Jeszcze lepiej - 1,5(A) lub 2(A). Chodzi o to, aby zasilacz nie pracował na pograniczu swoich możliwości energetycznych. Aby uporządkować sprawy zasilania nabyłem typową "komputerową" listwę zasilającą z wyłącznikiem.

Teraz kilka słów o zasadzie działania. Ze względu na to, że woda bardzo silnie tłumi przechodzące przez nią promienie podczerwone, użyte zostały elementy optoelektroniczne pracujące w paśmie fal widzialnych. Zastosowany układ scalony LM 358 jest podwójnym wzmacniaczem operacyjnym, przystosowanym do niesymetrycznego zasilania i pracuje w układzie komparatora. Jeden wzmacniacz pozostaje niewykorzystany. Całość przedstawiona jest na schemacie. Dająca silne białe światło i oświetlająca fototranzystor PT202C dioda świetlna L54PWC, zasilana jest z osobnego zasilacza napięciem stałym +12(V), poprzez opornik 1 k ohm redukujący napięcie. Napięcie pobierane z dzielnika utworzonego przez opornik 3,3 kohm i fototranzystor, podawane jest na wejście (+) komparatora, natomiast na wejście (-) podawane jest napięcie z dzielnika napięcia zrealizowanego przy pomocy oporników 360 ohm i 3,0 kohm. Gdy fototranzystor jest oświetlony (brak przepływu - klapka w pionie) wartość napięcia na wejściu (+) ustala się zależnie od natężenia oświetlenia - fototranzystor przewodzi. Dzielnik napięcia utworzony z oporników 360 ohm i 3,0 kohm podaje na wejście (-) napięcie o takiej wartości, że jest ono niższe lub wyższe od napięcia na wejściu (+), zależnie od oświetlenia fototranzystora. Brak oświetlenia (przepływ - klapka wychylona) powoduje wzrost napięcia na wejściu (+). Rezultatem jest skok napięcia na wyjściu komparatora z około 0(V) do +11(V), zadziałanie przekaźnika i pojawienie się napięcia zasilającego w gnieździe GS. Brak przepływu powoduje ponowne oświetlenie fototranzystora i skok napięcia na wyjściu komparatora z +11(V) do około 0(V). Przekaźnik nie podaje napięcia do gniazda GS, komputer jest wyłączony. Dwie diody 1N4148 zabezpieczają komparator przed przepięciami, które mogą się indukować na obwodzie sterującym przekaźnika.

Wartości oporników dzielnika dobrano doświadczalnie, przy obecności w czujniku zwykłej wody. Ich dobieranie "na sucho" mija się z celem - po wpuszczeniu wody do czujnika, będzie on cały czas wskazywał, że ciecz chłodząca jest w ruchu. Spowodowane to jest mniejszym natężeniem światła padającego na fototranzystor po przejściu przez wodę, w porównaniu z powietrzem. Dodanie środków koloryzujących bądź zapobiegających powstawaniu glonów może spowodować konieczność ponownej regulacji. Jak to zrobić opisane jest nieco dalej. Praktyczna realizacja wymaga wprowadzenia niewielkiej modyfikacji w listwie zasilającej, zgodnie ze schematem, a użyty do tego miedziany przewód powinien mieć średnicę minimum 1,0 mm, o ile pobierany prąd nie przekracza 3 (A). Jeżeli pobierany prąd jest większy, średnicę przewodu należy dobrać, tak aby nie przekroczyć gęstości prądu 4(A/mm²). Pozostałe gniazda listwy zasilającej znajdują się cały czas pod napięciem i służą do zasilania reszty urządzeń współpracujących z komputerem. Wyłącznik na listwie odłącza napięcie sieciowe od wszystkich gniazd. Zastosowałem nowoczesny przekaźnik elektroniczny pozbawiony elementów ruchomych, który może dostarczyć do obciążenia prąd zmienny o napięciu do 250(V) i natężeniu 2(A). Zalecane jest podłączenie, równolegle do jego nóżek nr 1 i 2, układu przeciwzakłóceniowego - szeregowo połączonego rezystora 100 ohm i kondensatora 10 (nF), typu MKPX2. Istnieje wiele typów takich przekaźników, różniących się wartościami napięcia sterującego i prądu dostarczanego do obciążenia. Tabelka zawiera parametry najczęściej stosowanych. Ostatni z nich bez problemu obsłuży, z ogromnym zapasem, najbardziej wypasiony zestaw. Ja użyłem przekaźnik JGC5F/12D-0T ponieważ prądożerne karty graficzne i procesory z najwyższej półki mnie nie interesują.

Kilka bezstykowych przekaźników mocy i ich parametry

A teraz konkretne rozwiązanie. Zrobiłem tak: na wolnym "śledziu" przykręciłem 2 gniazda: DC - dla +12(V) i "cinch" - dla napięcia sterującego przekaźnikiem. Płytkę z kompletną elektroniką (za wyjątkiem przekaźnika JGC5F/12D) przylutowałem do końcówek elementów optoelektronicznych i po próbach przykleiłem punktowo do korpusu detektora klejem "Poxipol". Usytuowanie płytki i końcówek widać wyraźnie na jednej z fotografii. Najważniejsze jest aby końcówki diody i fototranzystora były po wklejeniu do korpusu detektora równoległe do jego osi podłużnej, ale tu uwaga: dłuższa końcówka tranzystora (emiter) i krótsza końcówka diody (katoda) muszą być skierowane w stronę, z której do czujnika wpływa ciecz chłodząca. Dzięki temu, po zagięciu, trafią one we właściwe otwory w płytce drukowanej, czyli na masę. Pomyłka grozi zniszczeniem elementów optoelektronicznych. Z płytki wyprowadzamy przewody zasilania do wspomnianego wyżej gniazda DC. Zasilacz +12(V)/2(A) jest wpięty w gniazdo listwy zasilającej i podłączany bezpośrednio do gniazda DC na "śledziu". Daje to możliwość wykorzystania bez problemu, w razie potrzeby, zasilacza +12(V) do innych celów. Z listwy zasilającej, z umieszczonym w niej przekaźnikiem, wyprowadziłem ekranowany przewód, przylutowany do nóżki (4) przekaźnika i masy (5), zakończony wtykiem "cinch". Oczywiście ekran przewodu to masa. Centralny styk gniazda "cinch" jest połączony przewodem (nie musi być ekranowany) z punktem na płytce z elektroniką, gdzie diody 1N4118 są zlutowane z punktem lutowniczym przewidzianym dla opornika R. W rezultacie nóżka (4) przekaźnika otrzyma sygnał z wyjścia komparatora. Progowa wartość napięcia sterującego, które uruchamia przekaźnik JGC5F/12D, to 9,6(V). Styki masy gniazd DC i "cinch" łączymy bezpośrednio ze sobą kawałkiem przewodu i lutujemy. W tym samym miejscu musimy przylutować przewód masy (minus zasilania 12V) płytki z elektroniką. To bardzo ważne!

Aby wykluczyć zakłócenie pracy czujnika przez wewnętrzne źródła światła w komputerze, (katody, wentylatory, pamięć, itd.) czujnik po wykonaniu i uruchomieniu można owinąć czarną elektrotechniczną taśmą izolacyjną, na całej jego długości. Jeżeli nie stwierdzimy zakłócającego wpływu wewnętrznych źródeł światła na działanie detektora, to dzięki użyciu pleksiglasu lub poliwęglanu staje się on dodatkowym świetlnym "bajerem" w naszej maszynie. Ze względu na tłumienie promieni podczerwonych przez wodę z premedytacją użyłem diody LED dającej białe światło, ale dla kogoś kto modyfikuje komputer w określonym kolorze, droga do eksperymentów stoi otworem. Wystarczy sprawdzić czy układ będzie działał z niebieską, zieloną, żółtą, pomarańczową lub czerwoną LED o podwyższonej jasności. Ja nie wypróbowałem tych wariantów, ale uważam, że powinien działać, bo zakres czułości spektralnej fototranzystora PT202C obejmuje fale o długości od 400 do 1200 nm. Pokazuje to jedna z grafik. Być może będzie potrzebna zmiana napięcia podawanego na wejście (-) komparatora. Dotyczy to zwłaszcza światła niebieskiego, na które fototranzystor jest wyraźnie mniej czuły. Aby ułatwić sobie regulację docelową przy świetle białym oraz próby ze światłem kolorowym, należy zamiast dzielnika napięcia z oporników 360 ohm i 3,0 kohm użyć potencjometr montażowy, tzw, "podkówkę" o oporności 1,0 kohm, którą wlutowujemy w miejsce opornika 360 ohm, wykorzystując jedynie jej 2 nóżki: suwak i dowolną z pozostałych. Natomiast opornik 3,0 kohm wlutowujemy docelowo. Suwak potencjometru, ustawiamy tak, aby oporność "podkówki" była maksymalna. Fototranzystor powinien być zasłonięty. Żarówka symulująca obciążenie, podłączane do gniazda GS, nie świeci się. Zaczynamy powoli kręcić suwakiem, zmniejszając oporność "podkówki". W pewnym momencie przekaźnik włączy obciążenie i żarówka zaświeci się. Wtedy jeszcze minimalnie kontynuujemy obrót i próg działania komparatora mamy ustawiony. Opuszczenie klapki (odsłonięcie fototranzystora) powinno teraz spowodować zgaszenie żarówki. Po zakończeniu regulacji wylutowujemy "podkówkę", mierzymy oporność od suwaka do wykorzystanej końcówki i zastępujemy ją stosownym opornikiem, wybierając z typoszeregu najbliższą, mniejszą od zmierzonej, wartość. Zdecydowanie odradzam pójście na łatwiznę i pozostawienie "podkówki" na płytce z elektroniką. Rozregulowanie układu, wcześniej lub później, mamy wtedy niemal pewne. Jeżeli ktoś koniecznie chce mieć stałą możliwość regulacji, to powinien użyć potencjometr wieloobrotowy, tzw. helitrim, wykorzystując jedynie połączenie do suwaka i dowolnej końcówki. Istotną przeszkodą dla wykonania "barwnej" wersji czujnika może być wytłumienie któregoś z kolorów dodanym do wody środkiem zapobiegającym powstawaniu glonów. Jest to mało prawdopodobne, ale o tym można się przekonać tylko doświadczalnie. Przypominam, że wszystkie pomiary należy wykonywać z czujnikiem napełnionym cieczą chłodzącą, najlepiej podczas jej przepływu. W tym celu wykonałem stanowisko pomiarowo-badawcze w zlewozmywaku. Eksplozja radości mojej żony, z tego powodu, pozostanie mi długo w pamięci. Kobiety, kobiety - żadnej estymy dla techniki, tylko kasa i kasa...

Należy mieć świadomość, że po wykryciu braku przepływu cieczy w obwodzie WC, komputer zostanie wyłączony w trybie natychmiastowym, bez zamknięcia systemu operacyjnego. To chyba niewielka niedogodność w zamian za uratowanie CPU i (lub) GPU przed zniszczeniem?! Malkontentom, którzy poczytają to za poważną wadę odpowiem, że częściej spotka nas taka przykrość z powodu braku lub zakłóceń napięcia w sieci, niż zaniku przepływu cieczy w układzie WC. Tylko nie odkrywajcie Ameryki, że można przecież zastosować zasilacz UPS, który zabezpiecza przed takimi sytuacjami! W firmach - i owszem - czasem można się na niego natknąć. Pośród użytkowników prywatnych jakoś go nie spotkałem, chociaż zapewne są osoby, które mają i stosują to przydatne urządzenie.

Prawdopodobnie istnieje też możliwość wykorzystania sygnału z komparatora do sterowania wyłączania komputera za pośrednictwem płyty głównej, przy użyciu programu typu Motherboard Monitor i jego funkcji "shut down", ale odbędzie to się kosztem "utraty" jednego z gniazd przewidzianych do kontroli obrotów wentylatorów. Jeżeli nie muszą być wykorzystywane wszystkie, takie rozwiązanie pozwala uniknąć stosowania przekaźnika mocy, obniżając koszt wykonania w pełni funkcjonującego układu, zabezpieczającego CPU i (lub) GPU. Eksperymenty i dobór stosownego dzielnika napięcia wyjściowego pozostawiam zainteresowanym.

A co mają zrobić użytkownicy stosujący pompki zasilane napięciem 230(V~)? Z reguły są one zasilane bezpośrednio z listwy i uruchamiane manualnie. W praktyce całe rozwiązanie pozostaje bez zmian. Wprawdzie istnieje możliwość zastosowania tańszego, niestabilizowanego zasilacza, ale przekonałem się (mam taki zasilacz) podczas prób samej elektroniki, że powoduje to problemy z działaniem urządzenia. W sieci z reguły napięcie jest nieco niższe od znamionowego. W rezultacie napięcie sterujące podawane do przekaźnika jest czasami trochę za niskie i całość nie działa. Jeżeli zasilacz "trzyma" pod obciążeniem napięcie +12(V), to problem nie występuje.

Wzmacniacz operacyjny LM 358

Schemat układu komparatora i połączenia go z przekaźnikiem mocy

Czułość widmowa fototranzystora

Dioda LED

Fototranzystor