Logo Modellismo per Tutti
AereoplanoAereo 2Aereo 3

LIVELLOSTATO

Controllo di Livello per Liquidi a Rifrazione in Kit di Montaggio


Ecco un originalissimo misuratore di livello per liquidi che sfrutta le proprietà ottiche dei diodi LED.



Oggettini analoghi vengono usati a livello industriale e i relativi sensori sono assai costosi. Volete provare a realizzarne uno da soli seguendo le indicazioni che presento qui?
Risparmio di denaro e divertimento assicurati!

Diverso tempo addietro stavo realizzando una pompetta per carburanti di aeromodelli e mi occorreva un sensore di livello che fosse in grado di indicare quando il serbatoio era pieno.In questi casi è possibile utilizzare un semplice galleggiante con un contatto magnetico che si chiude quando un anello di materiale leggerissimo viene sospinto verso l'alto. Questo sistema sicuramente funziona ma è abbastanza ingombrante e comunque si tratta pur sempre di un oggetto meccanico con parti in movimento che, affidabili quanto si vuole, sono sempre a rischio di inceppamento. E' di gran lunga preferibile un sistema ottico/elettronico. Di sensori a rifrazione ce ne sono in giro ma hanno costi improponibili per applicazioni in modellismo. A me occorreva qualcosa di molto economico e realizzabile in proprio.
Mi misi così a studiare il comportamento della luce nei diodi LED e non mi ci volle molto per riscoprire l'acqua calda e utilizzarla alla mia maniera.


PRINCIPIO di FUNZIONAMENTO

Come funziona questo sensore? Si basa sul principio della rifrazione della luce e soprattutto del diverso indice di rifrazione che si ha se un led è immerso in aria o in acqua.
Osserviamo le due foto: la prima è relativa al LED in aria (non tocca la superficie dell'acqua contenuta nel recipiente di vetro), la seconda invece è quando il LED ha almeno la punta immersa in acqua. Osservate il diverso grado di illuminazione della parte posteriore del LED, da dove escono i due terminali, e capirete la differenza.

LED non immerso in acqua: il led è molto luminoso.
LED immerso in acqua: il led sembra quasi spento!

Credo che sia chiaro il risultato che ha sulla diffusione della luce del led, il cambiamento dell'indice di rifrazione tra il materiale plastico di cui è fatto il led se immerso in aria oppure in acqua.

A questo punto è sufficiente aggiungere un fototransistor a contatto con la parte posteriore del led e un adeguato circuitino che rileva la differenza tra le due situazioni e il gioco è fatto! Per ottenere dimensioni più piccole possibili è pressoché inevitabile fare uso di componenti SMD. I componenti elettronici SMD (Surface Mounting Device - Dispositivi a Montaggio Superficiale) sono caratterizzati da dimensioni estremamente contenute e anche costi ridotti rispetto ai componenti tradizionali. Naturalmente è ancora possibile usare componenti tradizionali ma non aspettatevi certo le dimensioni ottenibili con gli SMD!
Guardiamo intanto lo schema elettrico che ho realizzato per questo sensore di livello.

Schema elettrico del Sensore di Livello a Rifrazione.
Elenco dei componenti:

DS1   1N4007
IC1   74HCT1G14
C1    4,7 uF 10V elettrolitico
C2    4,7 uF 10V elettrolitico
LD1   LED 5mm
FT1   SFH3710 Fototransistor
R1    150 Ohm
R2    100 KOhm
IC2   TPS76050 Regolatore 3,3V

Il led utilizzato è un normale led rosso da 5 mm di diametro ed è l'unico componente non SMD (detti a foro passante!), mentre il fototransistor è utilizzato per rilevare il livello dell'illuminazione presente nel retro del led.

Come si nota dallo schema pratico, il fototransistor è montato praticamente a contatto con il retro del led. Il segnale presente all'uscita del fototransistor (sul collettore!) dipende dalla quantità di luce catturata dal fototransistor stesso, che è direttamente proporzionale alla luce riflessa indietro dal materiale plastico di cui è fatto il led.  In pratica sul collettore è presente una tensione continua tanto più bassa quanto più alta è la quantità di luce ricevuta. Questa tensione è inviato ad un circuito invertente a trigger di schmitt che presenterà alla sua uscita due soli livelli logici: 1 quando il led non è immerso (molta luce riflessa, serbatoio vuoto), 0 quando è immerso (poca luce riflessa, serbatoio pieno). Il led è sempre alimentato attraverso una resistenza adeguata alle caratteristiche del led utilizzato.

A questo proposito vorrei precisare che tutti i valori sono dimensionati per i componenti utilizzati e qualsiasi cambiamento ad uno solo può rendere critico il funzionamento del dispositivo.
In particolare, i componenti più critici sono il led trasmittente e la sua resistenza serie, il fototransistor e la sua resistenza di collettore e anche il montaggio meccanico che deve essere realizzato con cura.

La veduta d'insieme (ingrandita) del circuito stampato è riportata qui sotto. Le piste in rosso sono sul lato superiore, quelle in ciano appartengono al lato inferiore mentre la serigrafia dei componenti è visibile in giallo.


Qui di seguito riporto le singole facce in modo che sia possibile esaminarle separatamente.

 
 

Come si può notare, le dimensioni dello stampato sono veramente minuscole (21,8 x 10,8 mm); inoltre è stato realizzato con fibra di vetro di 1 mm di spessore contro gli usuali 1,6 mm. Però poteva essere ulteriormente ridotto, sia adottando componenti ancora più piccoli (come gli 0,4 x 0,2) sia montando qualcosa anche sul lato inferiore (oltre al fototransistor già presente sotto il led) ma avrebbe significato aumentare le difficoltà per chi volesse autocostruire il sensore, per cui ho preferito lasciare le cose come stanno.

 

ISTRUZIONI PER IL MONTAGGIO

Montare un circuito in SMD è meno difficile di quanto possa sembrare ad una prima occhiata, ma occorre avere una certa dose di manualità, che per altro ai modellisti non dovrebbe difettare per default!

Seguite le istruzioni seguenti e soprattutto attrezzatevi una volta per tutte in modo adeguato. Tanto con gli SMD vi capiterà sempre più spesso di scontrarvi, per cui...

Vi occorre un saldatore a punta molto fine (ci sono delle ottime stazioni saldanti a basso costo che sono perfettamente adeguate allo scopo), poi un sistema per tenere ben ferma la basetta mentre la saldate: potete far lavorare la vostra fantasia o utilizzare qualcosa di già fatto. Probabilmente, se siete modellisti da un po' di tempo, avrete già visto quella morsa della ditta Amati (Morsa Multiuso Gripper art. 7387) utilissima in campo modellistico e ottima anche in questo caso.

Non è indispensabile ma non sarebbe male se vi procuraste anche del flussante liquido (una boccettina durerà per tantissimi circuiti) che faciliterà di molto l'operazione di saldatura, specialmente in caso di stagnature ribelli o componenti con piedini molto fitti.

L'utensile più importante è però una pinzetta per tenere bloccato il componente durante la saldatura. Utilizzare una pinzetta normale non è una buona idea: il lavoro sarebbe complicatissimo, vi richiederebbe molto tempo, verrebbe molto male e avreste la tentazione di lasciar perdere tutto e passare ad altro. Forse è proprio questo particolare ad aver fatto nascere la leggenda che montare un circuito smd è una impresa snervante!
Ma cambiereste subito idea se vi procuraste una terza mano gravitazionale, un sorprendente utensile capace di snellire e semplificare in modo incredibile il montaggio degli smd, che diventa più rapido e facile che montare componenti tradizionali. Provare per credere!

Purtroppo ha un solo difetto: è un utensile professionale e quindi abbastanza costoso per chi non ne fa un uso continuato. Ma c'è una scappatoia: realizzare in proprio un clone della pinzetta, seguendo le istruzioni che pubblicherò tra breve in un post dedicato proprio a questo argomento.

Io stesso, alcuni anni fa, ho realizzato una pinzetta del genere. Dovevo saldare a mano una cinquantina di schedine, ognuna delle quali aveva una quarantina di resistenze, condensatori, integrati smd e, dopo un primo tentativo, mi resi subito conto che non era assolutamente possibile effettuare a mano un lavoro del genere. Farle montare a macchina però avrebbe significato spendere più di quanto ne avrei ricavato per cui la situazione era senza via d'uscita.

Ma la necessità aguzza l'ingegno e fu così che costruii una curiosa pinzetta con cui effettuai agevolmente tutto il lavoro, che risultò essere veloce e perfini divertente. Come detto, prossimamente vi spiegherò in dettaglio come realizzarvi una terza mano gravitazionale con pochi euro di spesa. Solo un po' di pazienza.

Normalmente, conviene iniziare il montaggio partendo dai componenti più bassi, quindi le due resistenze, i due integrati e infine il diodo 4007 e i due elettrolitici. Per i distratti ricordo di prestare attenzione alla polarità dei due elettrolitici e del diodo, i quali vanno inseriti rispettando la disposizione visibile nell'immagine riportata di seguito.

Nell'immagine ho riportato, per facilitarvi il compito, anche i valori delle due resistenze e una chiara indicazione sulla posizione dei due integrati. Fate attenzione a non scambiarli di posto altrimenti non funzionerebbe un tubo. Invece per il verso in cui montarli non ci sono difficoltà visto che hanno tre piedini da un lato e due dall'altro. Tra l'altro ecco un caso in cui può essere utile il liquido flussante: se si dovesse formare accidentalmente un ponticello di stagno su due di questi piedini, metteteci una goccia di flussante, capovolgete la schedina e con il saldatore fondete lo stagno. Come per magia lo stagno in eccesso verrà risucchiato dalla punta del saldatore e sarà molto più agevole eliminare l'eccedenza. Se necessario, ripetete l'operazione aggiungendo un altro po' di flussante.


Un discorso a parte meritano il led e il fototransistor. Il funzionamento del sensore dipende essenzialmente da questi due componenti. Come si vede dalle foto, i due sono montati nel lato inferiore dello stampato. Prestate attenzione al verso in cui saldare il fototransistor perché l'unica indicazione è costituita da un piccolo puntino verde, quasi invisibile, presente sul corpo del componente che indica il collettore come in questa immagine fortemente ingrandita (punto verde in alto a destra nell'immagine). Inutile dire che per vedere ad occhio questo puntino è indispensabile utilizzare una buona lente di ingrandimento.

Questo punto indica il collettore che va saldato sul lato inferiore sulla piazzola quadrata più vicina al centro dello schedino, mentre l'emettitore va su quella più vicina al bordo esterno. Fate attenzione che questo fototransistor è talmente piccolo che i due piedini arrivano a stento a toccare le due piazzole quadrate per cui dovrete centrarlo accuratamente, anche per evitare di cortocircuitare con lo stagno i due fori circolari destinati al diodo LED. Nell'immagine è indicato chiaramente i fori del LED che corrispondono al catodo e all'anodo. Ricordo che su un LED circolare da 5 mm il catodo (K) è indicato da una spianatina nell'anello circolare della base del led. Sul circuito stampato (nel lato superiore) si vede la serigrafia del LED.





A questo punto spellate leggermente i tre fili e saldateli nei tre fori loro assegnati, sul bordo della basetta. Non è indispensabile, ma vi conviene rispettare i colori come nelle foto: nero come GND, rosso per l'alimentazione positiva e l'ultimo colore per il segnale d'uscita. Controlliamo tutte le saldature e la disposizione dei componenti. Se non ci sono errori, diamo tensione e proviamo!
Qui sotto vediamo il LED acceso.




In questa immagine si vede il piccolo fototransistor incastonato sotto il diodo LED, sul lato inferiore dello schedino.


 

UTILIZZO DEL SENSORE DI LIVELLO

Il sensore di livello può essere utilizzato con una gran varietà di liquidi, come acqua, alcool, benzina, kerosene, gasolio, oli per motori e tanti altri, anche se ho avuto occasione di provarlo solo con i suddetti.


ATTENZIONE!!! Evitate di utilizzarlo con liquidi pericolosi come acidi forti, o prodotti pericolosi per la salute, o con solventi in grado di aggredire i materiali utilizzati per la realizzazione del sensore, primo fra tutti il diodo LED. Non si accettano responsabilità per danni derivanti da usi avventati o incauti. 
L'apparecchio non è adatto al controllo di situazioni o impianti che coinvolgano la sicurezza o la salute di persone o animali, né per impianti che per loro natura richiedono sistemi altamente professionali. Si tratta di un oggetto nato per scopi strettamente modellistici o di divertimento o studio. In ogni caso, sappiate sempre esattamente quello che state facendo quando lo utilizzate.


Comunque ecco un esempio di utilizzo in campo modellistico del sensore di livello, montato su un serbatoio carburanti. Effettuato un foro del diametro del LED (5 mm) si infila delicatamente il LED nel foro, spingendo con cautela onde evitare di danneggiare le saldature. Si blocca lo schedini sul serbatoio usando una colla bicomponente e si aspetta che asciughi il tutto. Per evitare fuoriuscite di liquido dal foro del LED, è sufficiente mettere una puntina di colla anche sullo stesso led, che funzionerà meglio di una guarnizione. Fate solo attenzione a non mandare la colla sotto il LED per evitare di oscurare il fototransistor. Se il foro è realizzato con cura e del giusto diametro, il LED si incastrerà con una lieve forzatura e praticamente potrebbe non esserci bisogno di altro per rendere a tenuta stagna il foro. Comunque una puntina di colla non guasterà mai.

A proposito del fototransistor, preciso che è piuttosto influenzabile dalla luce ambientale, per cui è bene che il dispositivo venga utilizzato in condizioni di luce attenuata o comunque di penombra. Non è necessario che lavori al buio totale (anche se sarebbe l'ideale) ma dovete evitare che venga colpito da luce diretta del sole o altre fonti molto intense che ne impedirebbero il corretto funzionamento.

L'alimentazione del circuito è regolata internamente a 5V, ed è in grado di funzionare pertanto con tensione di alimentazione di ingresso compresa tra i 5V e i 12V, anche se è consigliabile non superare i 9V per non surriscaldare lo stabilizzatore che, date le ridotte dimensioni dello schedino, non possiede nessun tipo di dissipatore. Con un po' di fantasia potreste comunque sempre aggiungerlo in qualche modo, se ritenete di dover lavorare per forza a 12V, oppure potreste inserire in serie al +12V una resistenza da 150 a 220 Ohm 1/4W (più che sufficiente) in modo da abbassare di 3 o 4 V l'alimentazione che arriva al sensore. Questa è di gran lunga la soluzione migliore.



Riepilogo caratteristiche tecniche del Sensore di Livello a Rifrazione.

Alimentazione: 5..9V (vedi articolo)
Uscita: 0 .. 5V:
0V = LED immerso nel liquido.
5V = LED non immerso nel liquido.
Assorbimento: circa 30 mA.
Dimensioni schedino: 21,9 x 10,8 mm
Peso: 13 g circa




DOVE ACQUISTARE IL KIT DI MONTAGGIO


Il kit di montaggio è reperibile sul sito www.modellismoclick.it a questo indirizzo:
Kit del sensore di livello a rifrazione 

Per completezza aggiungerò che è reperibile anche già montato e collaudato: 
Sensore di livello montato.


 

Acquista online