Une jauge de niveau universelle

[Tropique]

Hello,

Le projet à l'ordre du jour est sans prétention, mais il est utile, et comblera les désirs de pas mal de forumeurs à la recherche du capteur de niveau idéal.

Présentation
Cette jauge de niveau est une solution complète, clés en mains, qui couvre l'ensemble des aspects d'un tel matériel, depuis la technologie et la construction de la sonde, jusqu'à l'affichage final, en passant par le transport du signal et son conditionnement.

Dans cet exemple d'implémentation, elle est développée pour mesurer le niveau d'un réservoir d'eau de pluie allant de 0 à 2m, mais elle peut servir de façon quasi-universelle, avec peu ou pas de modifications:

• Le liquide peut être de l'eau, ou une solution genre eau de mer, des suspensions mixtes, type sauce ou ... purin, du béton liquide, de la boue...
• Le principe fonctionne aussi pour des milieux non-aqueux: huiles, carburants, acides, fluides divers, voire même des poudres.
  
• Avec une adaptation de la sonde, il serait même envisageable de l'utiliser pour du métal en fusion, du verre fondu, et bien d'autres choses.
  
• Quant à la plage de mesure, elle peut aller de quelques cm à plusieurs mètres, voire dizaines de mètres, et le liquide peut être stagnant (réservoirs, étangs, ...) ou mobile (rivière, ...) voire turbulent (cuve de brassage, ...)

Précisons d'emblée que c'est un instrument de grade "technique" ou industriel, non destiné à la métrologie ou au labo.
Linéarité, résolution et stabilité sont tout à fait correctes, mais il n'est pas question de viser le ppm.

La sonde elle-même est conçue pour pouvoir être fabriquée à partir de matériaux courants et bon marché, tout en offrant une bonne durabilité et une mise en oeuvre facile.
Le principe de mesure utilisé permet une bonne tolérance à l'environnement, qu'il soit physico-chimique ou électromagnétique.
Il n'y a pas à craindre de corrosion, et la sensibilité aux souillures, à l'humidité ambiante et aux algues et autres dépôts est minimale.

Et tout cela est obtenu grâce à deux circuits standards, courants et bon marché, plus une pincée de composants annexes.

Cela a-t-il suffi pour éveiller votre intérêt et vous mettre en appétit?

Alors rendez-vous à l'épisode suivant!

A suivre.....
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[hoffmann]

C'est clair que ça met en appétit !

A quand l'épisode suivant ? un ordre de grandeur ?

: )

Merci d'avance

[Tropique]

Principe de mesure:

La méthode utilisée est capacitive: voir le dessin.
L'électrode de mesure est constituée d'un conducteur, entouré d'un diélectrique à faible (jaune).
Cette électrode constitue l'une des armatures du condensateur représentatif du niveau, l'autre armature étant le liquide lui-même.
On obtient donc un condensateur cylindrique (coaxial), dont la valeur est proportionnelle à la longueur, càd la hauteur de liquide.

On voit immédiatement surgir deux problèmes: en l'absence de liquide, il y aura une certaine capacité résiduelle entre l'électrode de référence et l'électrode de mesure, et le liquide ne va généralement pas se comporter comme un conducteur idéal.
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• Le problème de la capacité résiduelle est facile à gérer: elle est relativement faible, et peut être éliminée lors de l'installation en corrigeant l'offset.
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• En ce qui concerne l'électrode liquide de référence, cela ne va pas constituer un problème non plus: sa section moyenne est très importante par rapport à celle du diélectrique, et même si sa conductance est faible, elle n'aura qu'une influence limitée.
  Il y a d'autres éléments à prendre en compte, qui vont encore faciliter les choses: si l'on prend le cas de l'eau, il suffit d'une très faible quantité d'ions dissous pour la rendre appréciablement conductrice.
  Même de l'eau de pluie contient assez de CO₂ pour montrer une certaine conductivité.
  Mais il y a surtout un autre effet qui va jouer: la constante diélectrique.
  L'eau a un de l'ordre de ~80, et même pure, elle jouera le rôle d'un "court-circuit électrostatique" presque parfait comparé à l'air.
  Qu'en est-il d'autres liquides, les alcanes p.ex. (essence, etc), qui sont des diélectriques presque parfaits, ayant un faible?
  Même faible, cet est encore substantiellement plus élevé que celui de l'air, et le résultat sera simplement une augmentation de capacité moins élevée en présence de liquide, qui pourra être compensée par un réglage d'échelle adéquat.

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Il reste un certain nombre de problèmes à régler. L'un d'eux est celui de la récupération du signal capacitif et de son transport.

Il va falloir que le capacimètre qui extraira la valeur soit un peu particulier: il doit faire sa mesure par rapport à la masse.
Il n'est pas possible de faire la mesure de manière habituelle, avec une électrode émettrice et l'autre réceptrice, car sinon on va se trouver tributaire de problèmes de mode commun.
Le circuit de mesure sera donc un peu inhabituel.

D'autre part, comme il n'est généralement pas souhaitable d'installer de l'électronique directement au point de mesure, il va falloir trouver le moyen de transporter le signal sans qu'il soit influencé par l'environnement, ce qui implique un blindage, mais aussi sans qu'il soit influencé par le blindage, ce qui serait tout aussi gênant.

La solution est l'utilisation d'une "garde", qui va offrir au blindage une basse impédance, sans avoir d'influence sur le signal.

Il y a encore d'autres exigences annexes: pour des raisons de corrosion et de tenue des isolants à long terme en présence d'humidité, il faut un signal de mesure alternatif, symétrique, de faible amplitude et isolé en DC.
Il faut en outre qu'il soit à basse fréquence, pour ne pas générer de perturbations et être transporté sans problème, et qu'il soit lui-même immune aux perturbations habituelles, 50Hz, RF ou autre.

Nous verrons dans la suite comment tous ces impératifs ont pu être conciliés.

A suivre.....

[Tropique]

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Passons maintenant à l'examen du schéma:

Le signal de mesure est créé au moyen d'un générateur de fonction à peu près classique, constitué de U6 et U1.
Le signal triangulaire, de fréquence ~= 2.5KHz est prélevé par R18. Son amplitude est 6Vpp environ.

La cellule de mesure, construite autour de U4 est un différentiateur, dont la capacité à mesurer est l'élément réactif.

La configuration est inhabituelle, avec une attaque par l'entrée +, et le C.U.T. entre l'entrée - et le 0V.
Cela répond à la nécéssité de mettre à la masse une électrode du C.U.T.
En contrepartie, on retrouve en sortie de U4 le signal différentié (un carré) mais également le triangle d'excitation.
Pour éviter d'encombrer les étages suivants de ce triangle, il est éliminé par soustraction grâce à U3.


Quelques remarques sur ce qui précède:

• On pourrait s'inquiéter de ce que le comparateur à hystérésis du générateur de fonction soit créé à partir d'un switch analogique: les seuils dans cette configuration ne sont pas particulièrement bien définis, ce qui signifie que le rapport cyclique, le centrage, l'amplitude et la fréquence du triangle sont également mal définis.
  Cependant, il ne faut pas s'arrêter à ce genre de détails, et voir le système dans la globalité: une seule chose va déterminer l'amplitude du carré récupéré (à part le C.U.T.), c'est la pente en V/s du triangle.
  Or cette pente ne dépend que de C1 et R6, et les autres éléments se compenseront automatiquement l'un l'autre.
  
• Il y a de nombreux composants annexes, en plus de ceux réalisant effectivement la fonction: R18, R23, les diodes, C4.
  Ces composants permettent d'amortir et de stabiliser le différentiateur, et de protéger les circuits de signaux parasites.
  
• On constate également la présence de deux résistances apparemment superflues, R4 et R22.
  Elles sont nécéssaires à cause de l'étage de sortie en classe AB du 324, qui est particulièrement m...auvais.
  Ces résistances sont l'équivalent d'un ressort de rattrapage de jeu, qui garde les composants de la sortie sous une tension mécanique, pour leur éviter de brinqueballer lorsqu'on les secoue.
  C'est rudimentaire, mais efficace: sans elles, les signaux sont affectés d'une distorsion de croisement épouvantable, qui disparait comme par magie dès qu'on les branche.
  Cette distorsion doit être éliminée, car elle affecte la linéarité.

La configuration particulière du différentiateur permet de disposer facilement du signal de garde: il s'agit du signal d'entrée lui-même, qu'il suffit d'appliquer au blindage.
Les connections vers la sonde sont protégées par des condensateurs, qui bloquent toute possibilité de courant causé par des potentiels galvaniques.

Le signal extrait et nettoyé est ensuite appliqué à un switch, U5 qui fonctionne en détecteur synchrone: il clampe le "plancher" des carrés à la masse, et à ses bornes, on retrouve la valeur moyenne du signal, qui est ensuite filtrée et amplifiée par l'ampli de sortie, U2.
La sortie est normalisée à 1V par 70pF, on verra plus tard la raison de ce choix.
Une résistance vers la masse, R20 permet à la sortie de descendre effectivement à 0V (0.4mV dans le prototype).
L'alimentation se fait sous 12V, un régulateur intégré, 7812 ou mieux, LM317 est suffisant vu le niveau de précision global.

Le principe de mesure est intrinsèquement linéaire, et garantit une excellente réjection des bruits et parasites, qui sont forcément non-synchrones.
D'autre part, comme le détecteur ne réagit qu'à la composante capacitive de l'impédance, il élimine ipso facto l'effet des résistances, aussi bien série (résistance de masse de l'électrode liquide), que parallèle (souillures, film organique, fuites, ...).
Le résultat est une robustesse de mesure exceptionnelle, même dans des conditions très difficiles.
Cette robustesse est consolidée par le design très particulier de la sonde, que nous examinerons au prochain épisode.

La linéarité est quelque peu affectée par les composants de stabilisation et de protection: ils dégradent un peu la perfection du différentiateur, mais pour le type d'application envisagé ici, l'effet est pratiquement indécelable.
Idem pour les condensateurs d'isolation: avec une échelle totale de 140pF, l'effet du 10nF est infime, et se traduit par un léger tassement de l'échelle pour les fortes valeurs.
Il serait d'ailleurs possible de l'augmenter si cela constituait un problème.

A suivre......

[A voir en vidéo sur Futura]

[Tropique]

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Lors du post précédent, nous avons pu examiner le premier "pilier" de cette réalisation, le circuit de conditionnement, il est temps de nous attaquer au second, la sonde.
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• Cette élément est d'une importance cruciale, et va conditionner de nombreux aspects de l'ensemble fini: facilité de mise en oeuvre, de calibration, résistance aux attaques du temps et des intempéries, robustesse mécanique, étanchéité, et j'en passe.

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Voyons quel est le "portrait-robot" de cette sonde miracle:
Elle doit être constituée d'un conducteur de taille précise, entouré d'un diélectrique de bonne qualité, résistant mécaniquement, insensible à l'eau aux, solvants, huiles, carburants et produits chimiques en tous genre.
L'ensemble conducteur+diélectrique doit former la partie interne d'un condensateur cylindrique parfaitement régulier, ayant une capacité linéique précise, définie et reproductible.

-----Où dénicher une telle perle?-----

La réponse est d'une simplicité étonnante, et elle se trouve à l'intérieur d'un câble coaxial.
L'âme d'un tel câble répond précisément aux critères évoqués plus haut.
Les matériaux composant un coaxial et leurs caractéristiques dimensionnelles obéissent à des exigences très précises. Ce sont eux qui vont déterminer l'impédance caractéristique du câble ainsi que son coéfficient de vitesse.
Ces paramètres étant soumis à des tolérances strictes, les éléments intervenant dans leur valeur devront individuellement avoir une tolérance encore plus serrée, pour respecter le budget global.
En ce qui concerne le diélectrique, il existe un certain nombre d'options, aussi bien pour la matière (polyoléfines ou polymères fluorés), que pour sa préparation (massive, en mousse ou divisée).
Pour cette application, il faut un isolant massif, pour des raisons de robustesse et d'absorption d'humidité.
Le polyéthylène est courant, bon marché, hydrophobe et est remarquablement inerte vis-à-vis de la très grande majorité des substances chimiques. C'est donc un choix idéal pour des températures basses, typiquement moins de 100°C. Il en existe de sous-variétés, "cross-linked" notamment qui résistent mieux à la T°, mais si on doit travailler largement au-dela de 100°C, il est préférable d'opter pour les composés fluorés, typiquement le PTFE.
Eux aussi ont une inaltérabilité chimique remarquable.

Interéssons-nous maintenant aux aspects pratiques:

Le câble choisi peut être du 50 ohm (RG58 p.ex.), ou du 75 ohm (RG59). Pour cette dimension, la capacité linéique est de l'ordre de 100pF/m en 50 ohm, contre environ 70pF/m pour le 75 ohm. Il n'y a pas de préférence pour l'un ou l'autre, on peut choisir librement en fonction de la disponibilité. Le 50 ohm est utilisé dans la plupart des applications radio, et le 75 ohm se trouve dans les domaines de la vidéo et des télécoms.

Voyons comment préparer la sonde.
On commence par dénuder la longueur nécéssaire, en faisant attention à ne pas blesser l'isolant d'un coup de cutter malheureux: dénudage.
Il faut ensuite obturer l'extrémité de l'âme, pour bloquer toute remontée d'humidité. Pour cela, on tire sur le conducteur en maintenant la gaine en polyéthylène avec une pince coupante: extraction.
Lorsqu'on a sorti environ 5mm, on coupe au ras de la gaine: le fil sous tension se rétracte aussitôt à l'intérieur de la gaine: extrait.
On enfile ensuite un anneau de gaine thermorétractable sur le bout dépourvu de cuivre: thermo1.
On le rétracte à la chaleur, ce qui cause un collapsus du polyéthylène, et scelle définitivement l'extrémité: thermo2. On voit un début de goutte qui a commencé à sortir.

A suivre.....

[Tropique]

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Il faut ensuite étanchéiser la limite du dénudage: limite.
On enfile une longueur de thermorétractable, après avoir éventuellement garni la jonction de gelée d'étanchéité: thermo3.
On la rétracte: thermo4, et cette phase est terminée. Il restera à la mettre en place et à la maintenir.
Nous en discuterons au prochain épisode.
En attendant, quelques photos du proto:

A suivre.....

[Forhorse]

Plutôt que (d'essayer) d'étancheïfier le bout du coax, ne serait-il pas plus simple de lui faire faire un aller-retour dans le liquique, afin que les deux extremité (c'est a dire même celle qui n'est pas raccordé) soit constament en dehors du liquide ?
Le milieu de l'armature du condensateur ainsi formé serait donc au point bas de la cuve.

[Tropique]

Plutôt que (d'essayer) d'étancheïfier le bout du coax, ne serait-il pas plus simple de lui faire faire un aller-retour dans le liquique, afin que les deux extremité (c'est a dire même celle qui n'est pas raccordé) soit constament en dehors du liquide ?
Le milieu de l'armature du condensateur ainsi formé serait donc au point bas de la cuve.

C'est une possibilité, qui sera examinée avec d'autres lors du chapitre de l'installation.
Cependant, le fait que l'extrémité ne soit pas dans le liquide ne dispense pas de la rendre étanche: pour assurer une bonne tenue à long terme, l'ensemble de la sonde doit être rigoureusement étanche, pour éviter toute infiltration et remontée d'humidité.

[alainav1]

Bonjour,
le polyethylene est un materiau que j'on ne sait pas coller (si vous savez comment faire donnez nous l'astuce )
la seul façon que je connaisse c'est le "soudage "à l'air chaud sous atmosphere neutre (azote par exemple) .(j'ai appliqué cette technique dans l'industrie ).
donc la solution de sortir les extremités me semble une bonne idée car il y a de forte chance que dans le temps l'eau penetre dans le cable
cordialement
Alain

[Tropique]

Bonjour,
le polyethylene est un materiau que j'on ne sait pas coller (si vous savez comment faire donnez nous l'astuce )

Il peut se coller après traitement plasma/corona, mais ce n'est pas de cela qu'il est question ici, parce que ce n'est pas nécéssaire:

la seul façon que je connaisse c'est le "soudage "à l'air chaud sous atmosphere neutre (azote par exemple) .(j'ai appliqué cette technique dans l'industrie ).

C'est bien cette méthode qui est employée ici: voir photo "thermo2".
L'extrémité vidée de cuivre sur laquelle on a enfilé un anneau de gaine thermo est chauffée, ce qui fait fondre le polyéthylène, qui est ensuite écrasé par la pression de la gaine qui se rétracte.

[Forhorse]

Où en est ce projet ?
ça m'interessait bien...

[Tropique]

Patience, c'est dans le pipe-line, il faut attendre que ça ressorte....

[Tropique]

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Récapitulons d'abord les points à optimiser dans ce chapitre important:
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• Il faut maximiser le rapport (capacité utile)/(capacité morte).
  La capacité utile, c'est celle qui va varier en fonction du niveau, la capacité morte est le résidu lorsque le niveau est au minimum.
  D'où vient la capacité morte? Après tout, il y a un blindage relié à un potentiel de garde, qui est censé l'éliminer.

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Il y a deux soucis:
-L'effet de la garde n'est pas absolument parfait, et il y a une petite "fuite".
-La partie active de la sonde, non protégée par son blindage va inévitablement avoir une capacité vis-à-vis de l'espace ambiant.

Le premier effet n'a qu'une importance mineure, et peut facilement être réglé en décalant un peu l'offset de sortie.
Le second est potentiellement plus problématique, et peut prendre des proportions excessives si l'on ne prend pas de précautions pour le minimiser.
Il peut, en principe, être également compensé par l'offset de sortie, mais pour la stabilité et la précision, ce n'est en général pas une bonne idée de faire la soustraction de quantités importantes et similaires.
Il est de loin préférable de s'attaquer à la cause du problème, et minimiser la capacité "à sec".

L'autre aspect qu'il faut soigner est l'immunité à long terme vis-à-vis des souillures, films organiques et dépôts en tous genre.

Pour agir efficacement sur ce plan, il est nécessaire de comprendre comment fonctionnent les mécanismes de réjection du système en présence d'effets indésirables.
Car, à l'usage, on constate une véritable "intelligence" du système, une aptitude assez remarquable à discriminer entre le "vrai" niveau, et les effets parasites.

Il faut se souvenir que le circuit ne mesure que la composante capacitive de l'impédance: il élimine aussi bien les composantes résistives série que parallèle.
Il est donc insensible aux résistances de fuite et à la résistance de masse du liquide.

Pourtant, il rejette l'effet parasite d'un film humide sur la sonde, alors que c'est également équivalent à un circuit RC série. La différence, c'est la valeur de la résistance: la résistance longitudinale du film liquide se chiffre en mégohms ou dizaines de mégohms. La pulsation de coupure de ce RC est donc plus basse, même avec une capacité se chiffrant seulement en dizaines ou centaines de pF.

La zone "charnière" pour la discrimination est la fréquence d'échantillonnage du système, ici 2.5KHz: tout ce qui est principalement résistif à cette fréquence sera considéré comme perte, et éliminé du résultat, alors que si c'est majoritairement capacitif, ce sera pris en compte.

Cette fréquence a été choisie en combinaison avec les caractéristiques géométriques de la sonde et les propriétés du liquide pour garantir une discrimination optimale, et rendre ainsi le système très robuste, mais cela ne signifie pas que l'on puisse se permettre n'importe quoi.

Si la sonde est libre, isolée dans le liquide, il n'y aura guère de soucis. Mais en général, il faudra la rendre solidaire d'un support.
Ce support aura plusieurs effets néfastes: il va altérer la géométrie du champ électrique à proximité de la sonde, et il va permettre à des dépôts de s'accumuler entre lui et la sonde.
Si le support est isolant, ces effets seront en grande partie discriminés, par contre s'il est conducteur, ils vont devenir problématiques: la capacité morte va augmenter, et si des résidus s'insèrent entre la sonde et le support, ils vont perturber la mesure, car il ne s'agira plus d'une résistance longitudinale ayant un faible rapport surface/longueur, mais d'une résistance transversale d'une valeur bien plus faible.

A la lumière de ce qui précède, on peut en déduire les règles d'installation de base:

• La sonde doit être aussi dégagée que possible, de préférence avec un support minimal, et surement pas conducteur.
• Il faut essayer également de ne pas plaquer la sonde contre une paroi, qui sera généralement à un potentiel proche de la terre.

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La figure montre quelques cas "idéalisés", càd débarrassés des contingences des supports, qui doivent obéir aux règles ci-dessus.

1. est la forme "canonique". La sonde peut être tendue entre une potence et le fond du réservoir, ou fixée à un "tuteur", en fibre de verre p.ex.
2. montre comment ajuster (augmenter) la sensibilité en inclinant la sonde. La valeur affichée vaudra .
3. double la sensibilité, et permet de ne pas plonger l'extrémité dans le liquide. Cela peut servir par exemple pour une sonde fabriquée à partir de PTFE (Teflon), qu'il n'est pas possible de souder comme le polyéthylène.
4. le spiralage permet d'augmenter la sensibilité à une valeur arbitrairement élevée.
5. illustre comment afficher le résultat en volume plutot que d'indiquer le niveau en hauteur, et comment corriger dès la sonde les variations géométriques du réservoir. La sonde est verticale dans la partie la plus étroite, et plus ou moins inclinée dans les parties plus larges.
   
6. réalise la même chose, mais avec une spirale à pas variable.

Ces exemples sont bien sûr non-limitatifs, et bien d'autres configurations sont utilisables.

A suivre......

[Tropique]

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Autres sondes, autres matières

Au début du sujet, il a été dit que le procédé pouvait s'appliquer à pratiquement n'importe quelle matière, conductrice ou diélectrique.
Dans le cas de poudres, ciment, farine ou autres, la sonde peut rester identique.
Les valeurs de calibration, principalement l'échelle devront être adaptées en conséquence.
Si l'on doit travailler à température élevée, on peut choisir comme base un coax ayant un isolant fluoré pour des T° allant jusqu'à quelques centaines de °C.
Si la sonde est soumise à des conditions environnementales difficiles autres que la T°, le Teflon est également un bon choix: il a une meilleure résistance aux UV solaires que le polyéthylène.
Si l'on désire s'en tenir au polyéthylène pour une sonde fonctionnant à l'extérieur dans un environnement ouvert, il est possible de la protéger avec une gaine thermorétractable noire, "UV-resistant", qui doit être en polyoléfine irradiée également pour une bonne homogénéité avec le support.
Idéalement, cette gaine devra couvrir l'entièreté de la partie active (dénudée), et recouvrir un dizaine de cm du coax intact, de façon à garantir une bonne étanchéité.
Pour les hautes températures, les silicones seraient en principe également utilisables, mais leur tenue en T° est très fortement dégradée en présence de nombreux solvants.
Il faut donc soigneusement évaluer la situation en fonction de tous les paramètres avant de choisir cette option.
Pour des températures réellement élevées, il faudra abandonner le coaxial et se tourner vers d'autres matériaux de base.
Pour des métaux, verres ou autres matières en fusion, une tige en tungstène ou kovar glissée dans une gaine de quartz permettra de franchir allègrement les 1000°C.
On n'est pas non plus forcé de s'en tenir à une géométrie cylindrique.

Philosophie d'installation

On l'a vu, la sonde est le prolongement d'un coaxial modifié, qui vient se connecter au module de conditionnement.
Le but n'est pas de transporter le signal sur de longues distances, mais bien de donner une certaine liberté d'installation pour pouvoir placer le boitier de conditionnement à un endroit accessible et sûr, loin des éclaboussures et du contact direct avec le fluide à mesurer.
La connection de garde stresse le différentiateur en consommant sa marge de stabilité, et la compensation a été conçue pour une distance max de 5m en 50ohm, càd 500pF (plus pour du 75ohm).
Il y a une marge confortable, et s'il manque 50cm ou 1m pour faire une installation correcte, on peut se le permettre, mais s'il faut 10m, il sera impératif de revoir le dispositif.
Si on veut déporter le signal sur de longues distances, il faut repartir du module avec le signal conditionné: 3 fils sont suffisants, la consommation n'est que de quelques mA et varie peu.
Si la résistance des fils devient vraiment prohibitive, on peut utiliser un cable à deux paires, l'une servant à l'alimentation, et l'autre reprenant le signal et la masse distante.
Pour de longues liaisons, il est recommandé d'installer des parasurtenseurs.

Calibration après installation:

Une fois la sonde en place, on règle le zéro. Pour ce faire, il ne faut pas vidanger le niveau jusqu'à 0, mais garder une hauteur faible, p.ex. 1cm, et régler le zéro pour lire cette valeur.
Cette façon de procéder permet d'éliminer la discontinuité qui se produit quand le liquide entre en contact avec l'extrémité de la sonde: il y a une discontinuité, un saut brutal de ~1.5x le diamètre de la sonde causé par la capacité de dispersion, et on n'en tient pas compte en calibrant de cette manière.
Ensuite, on augmente le niveau jusqu'à une valeur raisonnable, de H_tot/2 au moins, et on règle "range" pour lire la valeur correspondante.

Autres échelles

La version donnée en exemple convient pour une hauteur totale de 2m. De petits ajustements sont possibles en modifiant le réglage de l'ampli de sortie, mais les changements importants doivent se faire en amont, sur le différenciateur, pour des raisons de dynamique: c'est R7 qu'il faut adapter.
On peut la diminuer dans les proportions nécessaires en fonction de la hauteur. Il n'est pas conseillé de l'augmenter: avec un affichage 2000pts, la résolution de base est de 1mm, qui peut être portée à 0.1mm en travaillant à 200mV fsd.
0.1mm constitue une limite pour ce genre de système, vu le diamètre du coaxial, et une valeur plus élevée pour R7 augmenterait inutilement la sensibilité aux parasites.
Pour des valeurs sensiblement plus élevées, il peut éventuellement être nécessaire d'augmenter les condensateurs de couplage C10 et C2, pour ne pas dégrader la linéarité.

Exploitation de la sortie

On peut se contenter de l'afficher sans plus, un voltmètre 2V donnera directement la valeur en mètres. La plupart des modules d'affichage ont une sensibilité de 200mV, mais le diviseur permettra encore une mise à l'échelle supplémentaire: il est plus facile d'atténuer que d'amplifier.
On peut également connecter un microcontroleur ou un automate programmable pour un traitement plus complexe.
Il est aussi possible de créer des alarmes à différents niveaux, avec des comparateurs ayant sur leur autre entrée une tension de seuil réglable dérivée du 12V.

Electrode de référence

Beaucoup de détails ont été donnés à propos de la sonde, mais rien n'a été dit jusqu'ici à propos de l'électrode de masse. Elle est pourtant théoriquement aussi importante, mais en pratique cause peu de difficultés.
En fait, dès qu'elle entre en contact avec le liquide, le système est opérationnel, elle est très peu critique.
La raison provient des propriétés de l'eau: sa forte constante diélectrique, et sa conductivité dès que des traces ioniques sont présentes.
Ce n'est pas une raison pour se montrer négligent, et il faut également que le contact soit assuré pour tous les niveaux, y compris les plus bas.
Si le réservoir est métallique, le problème est automatiquement réglé, dans le cas contraire, une bande de tôle inoxydable fait parfaitement l'affaire.

Attention!
Ce qui est valable pour l'eau ne l'est pas pour d'autres matières. Je n'ai fait des essais qu'avec de l'eau, mais on peut prévoir qu'avec des liquides diélectriques, huiles ou carburants p.ex., l'électrode devra être beaucoup plus substantielle pour compenser l'absence de conduction et la faible constante diélectrique. Il en ira de même pour nombre de poudres également.

Fin.

[Forhorse]

Bonjour,
Je pense réaliser cette sonde de niveau. Dans quel proportion faut-il modifier R7 par rapport à la hauteur utile de la cuve ?
Par exemple pour une hauteur de 1m, quel serait alors la nouvelle valeur ?

De même sur le schéma, le branchement de U1 n'est pas franchement clair.

[Tropique]

En-dessous de 2m, je recommande de ne pas modifier R7: pour 1m, à la hauteur max, le circuit d'origine donnera environ 1V de sortie si un câble de 75 ohm est utilisé pour la sonde, et ~1.5V si c'est du 50ohm (RG58 ou similaire).
Cela permet une résolution théorique de 1mm avec un voltmètre quelconque, pouvant être poussée à 0.1mm avec un 10000 ou 20000 points.
Si ce n'est pas encore suffisant, c'est que ce circuit ne convient pas, il n'est pas destiné à de la métrologie fine, et augmenter inutilement R7 augmentera la susceptibilité aux parasites sans aucun bénéfice.

Si on emploie du coax de 50 ohms et que l'on veut conserver la relation 1mV=1mm, bien pratique pour employer tel quel un voltmètre standard, R7 devrait faire 100K. Il est aussi possible d'y arriver sans modif, en poussant l'ajustable "range" en butée, mais ce n'est pas une bonne solution, on n'a plus aucune latitude de réglage.

Pour U1, deux opérateurs sont mis en parallèle (on peut même en mettre 3, puisqu'ils sont disponibles).
E est la commande, Y et Z les deux bornes du switch (qui peuvent être interverties, c'est indifférent).

[Glork]

une simple balance ne serait-elle pas suffisante pour mesurer la hauteur du produit que l'on met dans un récipient dont on en connait le volume et sa surface de base;connaissant la densité du produit, on en déduit la hauteur dans ce volume?

[Tomane]

Bonjour,
c'est fini ?

[Tropique]

Bonjour,
c'est fini ?

Ben oui: tu as le schéma, les explications, la description de la sonde, les régles de mise en oeuvre, donc Yapluka, Faukon...

Il n'y a pas de PCB, je suis désolé, c'est un aspect que je ne couvre pas, mais si quelqu'un en fait un (peut-être toi?), il en fera peut-être bénéficier la communauté.

[PIC sur PAC]

bonsoir
je suis tenté par cette jauge miraculeuse car je suis entrain de finir une citerne enterrée de 6m50 de haut. Donc une jauge serai la bien venue.
J'ai une (pour le moment) petite question sur la réalisation de la sonde:
est-il nécessaire de de retirer le blindage sur la partie immergée ne pourrait-on pas l'utiliser directement comme électrode de référence. On coupe le blindage au niveau utile. On garde la partie huate comme blindage puis on se reprend sur le reste pour réaliser l'électrode de référence.
Euh je ne suis pas sur d'être très clair auquel cas je ferai un petit dessin.
PS: pour une mesure de 6m il y a une précaution particulière à prendre?
Merci au concepteur en tout cas!

[Tropique]

Si je vois bien ce que tu veux faire, ça ne fonctionnera pas: le blindage restant sur la partie active, il y aura en permanence une capacité, liquide ou pas, et l'indication sera toujours proche du max, même avec la citerne vide.

PS: pour une mesure de 6m il y a une précaution particulière à prendre?

Non, pour maximiser la linéarité, il est peut-être préférable de multiplier C10 et C2 par 3.
Il faudra probablement adapter l'échelle (R7), parce qu'en gardant 1V/m, il risque d'y avoir une saturation pour 6.5V.

[bg35]

Bonjour.
Je suis intéressé par cette jauge mais je n'arrive pas à comprendre le branchement du 4066 pourriez vous faire un schéma
Je vous remercie.

[Tropique]

Si on prend par exemple le brochage du 4066:



Le "E" du schéma est l'entrée de controle, par exemple la broche 13 du premier opérateur, et "Y", "Z" sont les bornes du switch, donc 1 et 2 pour cet exemple. Ces deux bornes sont indifférentes et interchangeables librement.

Les opérateurs eux-mêmes sont interchangeables, on peut prendre la configuration la plus facile pour le routage du typon ou le cablage.

Pour le premier (U1), deux opérateurs sont mis en parallèle fil à fil. Le quatrième opérateur n'est pas utilisé, on peut soit mettre ses trois pins à la masse, soit le connecter en parallèle (fil à fil) avec un des précédents, ce n'est pas critique.

Il ne faut pas oublier de raccorder aussi l'alim et la masse au 14 et au 7 respectivement.

[bg35]

Bonjour.
J'ai travaillé sur le tracé d'un circuit imprimé que je mets en pièce jointe, si une quequ'un est intéressé je pourrai le mettre à l'échelle sans les composants sa taille est environ 7cm x 7cm, par contre si quelqu'un veut bien vérifier qu'il n'y a pas d'erreur d'implantation je l'en remercie.
Cordialement.

[Tropique]

Merci pour ton travail, cela semble très valable

Pour faciliter une vérification détaillée, aurais-tu la version "schéma électrique" de ton circuit?

Je ne sais pas avec quel programme tu l'as dessiné, mais en général, la saisie se fait sur le schéma électrique plutot que directement en PCB, et c'est plus lisible qu'un circuit imprimé.

Comme le netlist est commun, il ne sait pas y avoir de divergence entre les deux puisque c'est la machine qui le garantit.

[bg35]

Pour la réalisation du circuit imprimé je me donne des impératifs par exemple avoir un circuit carré et avoir les entrées et sorties sur le même coté ensuite je place les composants en évitant les straps ou le passage entre les pattes des circuits intégrés et à la fin je vérifie si toutes les connexions sont présentes.
Je n'ai pas de logicel spécifique pour circuit imprimé je travaille avec un logiciel dessin.J'ai fait une modif au niveau des résistances variables

[Tropique]

Cela semble bon. En tous cas, je ne détecte pas d'erreur, mais je ne peux rien garantir, l'exercice n'est pas des plus faciles, et on a vite fait de rater quelque chose.

Le mieux est d'en tirer un, et voir si tout fonctionne comme prévu.

[Jacques94]

Bonjour,
Tout d'abord merci de partager ce projet de sonde capacitive.
Je cherche à mesurer le niveau de granulets de bois (pelets) dans un silo pour ma chaudière.
Pensez vous que cette sonde peut fonctionner avec du bois densifie en granules standard :
6mm de diamètre, et 10 a 20mm de long en bois de pin?
Le silo mesure 1m5 de haut est en acier inoxydable relie à la terre.
Merci d'avance.

[Tropique]

Bonjour,
Tout d'abord merci de partager ce projet de sonde capacitive.
Je cherche à mesurer le niveau de granulets de bois (pelets) dans un silo pour ma chaudière.
Pensez vous que cette sonde peut fonctionner avec du bois densifie en granules standard :
6mm de diamètre, et 10 a 20mm de long en bois de pin?

Oui j'en suis convaincu.
Il y a quelques inconnues, comme la forme optimale de la sonde pour cette application et le coéfficient de calibration, mais ce genre de chose peut être éclairci facilement et à peu de frais en faisant quelques essais.

Pour tenir compte de la granularité du milieu, il faudrait à mon avis opter pour un diamètre de sonde plus important: par exemple un tube métallique glissé dans une série de tubes en polypropylène de diamètres croissants.
Il restera probablement une certaine dépendance par rapport à la nature exacte des pellets, leur taux d'humidité, etc, mais je ne pense pas que ce soit très grave, c'est essentiellement le facteur d'échelle qui sera impacté, pas le zéro.

Un prototype peut être construit avec des valeurs de base, qui seront ensuite adaptées en fonction des tests. Ca ne coutera presque rien, il faudra essayer quelques condensateurs et résistances supplémentaires.
Différentes options peuvent également être essayées pour la sonde.

Une chose est sûre: cela fonctionnera dès le départ, mais il sera souhaitable de faire des optimisations pour maximiser la précision, répétabilité, etc, et exploiter au mieux l'échelle de l'indicateur choisi.

[pm33]

Bonjour,
Il me semble que sur le circuit imprimé l'alimentation du LM324 est inversée le + doit être broche 4 et le - broche 11