CN101788827B

CN101788827B - 噪声式水位控制装置

Info

Publication number: CN101788827B
Application number: CN2010101156521A
Authority: CN
Inventors: 汪孟金; 李玮; 孙浙胜; 朱亮
Original assignee: Ningbo Zhenhai Huatai Electric Factory
Current assignee: HAIMEN HUANGHAI PIONEER PARK SERVICES CO., LTD.
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2030-01-29
Also published as: CN101788827A

Abstract

一种噪声式水位控制装置，该装置由直流电源10、放大电路20、检波电路30、比较电路40、执行电路50、接地电极AE、低水位电极AD、高水位电极AG及容器AV组成，其特征在于：采用水中的噪声信号Un对所述容器AV中的水位实行自动控制，上水过程中噪声信号Un为开路状态；用水过程中噪声信号Un为流通状态并接入放大电路20中；当噪声信号Un开路时，执行器件-继电器J的动合触点DH断开、动断触点DD闭合、负载RL与AC220V接通；当噪声信号Un接入放大电路20时，继电器J的动合触点DH闭合、动断触点DD断开、负载RL与AC220V断开。该装置由于电极中只有水中的噪声电流而无外加的直流或交流电流，电极不结垢不腐蚀，因此，运行可靠稳定。

Description

噪声式水位控制装置

技术领域

本发明涉及一种噪声式水位控制装置，尤其涉及一种采用水中噪声信号对水位进行自动调控的水位控制装置。

背景技术

水位控制装置是应用十分广泛的自动控制设备。其中，电子式水位控制装置因为具有小型、廉价、安装方便的优点，所以，在工农业生产、环境保护和日常生活等领域有大量的应用。所述的电子式水位控制装置基本的构成形式是：在盛水的容器中设置三根传感电极并在电极间施加直流电压，利用电极间有水时有直流电流在极间流动、无水时无直流电流这两种不同的情况，对水位实行自动控制。中国公开专利：CN200720060936.9电子自动控水器、CN200910115057.5水位控制电路、CN200910074261.7自动抽水控制器等就展示了以上所述的“直流”电子式水位控制装置。这种“直流”型的电子水位控制装置虽然具有以上所述的优点，但也存在以下的重大缺点：

1、因为电极间流通的是直流电流，所以存在“电鍍效应”，导致：a、正极(接直流电压正端的电极)不断地被“电腐蚀”、需频繁更换。中国专利CN99224691.1电极防腐形水位控制装置以实例说明了这种电腐蚀的严重程度。b、负极(接直流电压负端的电极)则不断地结垢，在水硬度较高的北方地区，这种负极结垢的现象则更为严重。而垢是导电性极差的物质，水位控制装置会因负极结垢而失效。C、正极不断地向水中释放金属离子，容器中的水会因此而受污染。在一些对水质有特殊要求的场合例如医院、科研部門就不能使用上述装置控制水位。

发明内容

本发明的目的就是針对上述现有技术的不足而提供一种电极不腐蚀不结垢的简单、廉价的“噪声式水位控制装置”。

本发明实现上述目的的技术思路为：在容器中设置接地、低水位、高水位三根电极，并采用水中的电噪声作测试信号，利用电极浸入水中时、对应电极有噪声信号输出；电极露出水面时、噪声信号开路、对应电极无噪声信号输出这两种不同的情况，实现对水位的自动控制。

众所周知，除纯净水以外的水，例如自来水、江河水、工业或生活污水都是具有一定导电能力的物质，其含有离子、水合电子(hydrated elecctron或eaq)等多种带电微粒。这些带电微粒受热、光、电磁场等作用，会产生热噪声、散弹噪声、闪烁噪声等多种噪声。根据《概率论》和热力学统计理论等方法可以证明，水中的噪声是功率频谱密度均匀、与频率无关的白噪声，其电压均方值为Un²＝4KTRB

上式中：K为波尔兹曼常数：1.38×10^-23焦耳/度(绝对温度)；

T为水的温度，以绝对温度计量；

R为水的等效电阻；

B为测试设备的通频带。

上式表明，所述的水中存在数值为Un的噪声电压。用示波器则可直观地显示该噪声电压Un，图1是上海地区自来水的噪声波形图。笔者还通过以下实验验证了所述的水中噪声信号Un的存在：用塑料脸盆取宁波市区自来水一盆，用灵敏度较高的电压表、电流表就可以测得该噪声信号的电压为mV级、电流为μA级；若在脸盆中撒10g食盐，所述的噪声电压下降而电流则增加。

如前所述，本发明就是一种利用所述的噪声信号Un来实现对水位自动控制的装置。

结合图2：本发明由直流电源10、放大电路20、检波电路30、比较电路40、执行电路50、接地电极AE、低水位电极AD、高水位电极AG及容器AV组成。

本发明的特征为：直流电源10输出的直流电压Uc的正端分别与放大电路20、比较电路40、执行电路50相连接，负端与线路接地线E相连接；低水位电极AD通过执行电路中的执行器件-继电器之动合触点DH与高水位电极AG连接；高水位电极AG通过第三电容C3与放大电路20相连接；放大电路20、检波电路30、比较电路40、执行电路50依次相连接、并且，它们均与线路接地线E相连接；接地电极AE处于低水位D以下的容器AV的底部、其也与线路接地线E连接。

容器AV若用金属制作，则接地电极AE可以省略，但所述的金属容器须与线路接地线E连接。

本发明的工作过程分为上水和用水两步过程：

1、上水过程：当容器AV中的水位低于低水位D时，低水位电极AD和高水位电极AG都露出水面，噪声信号Un开路，比较电路40输出低电平，执行电路中的执行器件-双组触点电磁继电器之动断触点DD闭合，负载(泵、电磁阀、交流接触器线包、晶闸管控制回路等，以下为叙述方便简称负载为泵)“泵”与AC220V接通并开始泵水，容器中的水位随之上升，当水位升至高水位G处、高水位电极AG浸入水中时，噪声信号Un经高水位电极AG、电容C3与放大电路20接通并经该放大电路20放大、检波电路30检波后送至比较电路40、此时，比较电路40输出高电平、执行电路则执行将继电器动合触点DH闭合、动断触点DD断开的指令，泵因与AC220V断开而停止泵水、水位便被保持在高水位G处。同时，由于继电器动合触点DH的闭合，低水位电极AD被接入电路系统中(称由放大电路20、检波电路30、比较电路40、执行电路50组成的系统为电路系统)。

2、用水过程：开始用水后，水位逐渐下降，当降至高水位G以下时，高水位电极AG露出水面，但由于低水位电极AD已被接入电路系统中，因此，噪声信号Un通过低水位电极AD仍保持流通。当水位降至低水位D以下时，噪声信号Un开路，电路系统复位至继电器动断触点DD闭合、动合触点DH断开的上水过程。本发明如此周而复始的循环，可以自动控制容器AV中的水位在高水位G(即不溢水)和低水位D(即不断水)之间。

本发明工作过程的特征是：采用水中的噪声信号Un对所述容器AV中的水位实行自动控制，上水过程中所述噪声信号Un为开路状态；用水过程中所述噪声信号Un为流通状态并接入所述放大电路20中；当所述噪声信号Un开路时，所述执行器件-继电器的动合触点DH断开、动断触点DD闭合、负载RL与AC220V接通；当所述噪声信号Un输入所述放大电路20时，所述继电器的动合触点DH闭合、动断触点DD断开、所述负载RL与AC220V断开。

所述的放大电路20可用分立器件也可用集成运算放大器组成。

所述比较电路40优先选用集成运算放大器组成，但也可以用分立器件组成。

所述的执行电路50中的执行器件优先选用双组触点的电磁继电器，也可选用固态继电器(Solid State Relays，SSR)、晶闸管(SCR)或双向晶闸管(TriodeAC Switch，TRIAC)。

本发明可以取得以下的有益效果：

1、由于电极中只有水中的噪声电流而无外加的直流或交流电流，所述的电极不受电腐蚀也不结垢，因此本发明可靠性高、寿命长能够长期稳定可靠地运行；

2、由于容器中的水不会受到金属离子的污染，因此，本发明也可以在对水质有特殊要求的场合应用。

3、容器AV为金属容器时，接地电极AE可以省略。与现有技术相比，本发明由于减少了一根电极，可为装置的安装带来极大的便利。

附图说明

图1为示波器显示的水中噪声Un的波形图

图2为本发明的原理方框图

图3为本发明优选的实施例的电路原理图。

图4为图3的实验样机的外形图

具体实施方式

图3为本发明优选的实施例的电路原理图。结合图3：变压器T、整流桥BR、第一、第二电容C1、C2和稳压二极管DW组成了所述的直流电源10，其为电路系统提供所述的直流电压Uc；所述的直流电压Uc的正端与电路系统中的第二、第三、第六、第八电阻R2、R3、R6、R8的一端以及所述继电器J的一端、第四二极管D4负极相连接；负端与所述的线路接地线E相连接。

接地电极AE位于容器AV的底部、低水位D的下面，其也与线路接地线E连接。若容器AV为金属制作，则此电极可以省略，但所述的金属容器须与线路接地线E连接。

第三电容C3、第一二极管D1、第一、第二、第三电阻R1、R2、R3以及第一三极管V1(型号9014)组成了所述的放大电路20，并且，第一二极管D1的正极、第一三极管V1的发射极以及第一电阻R1的一端均接所述的线路接地线E；所述第三电容C3的一端、第一、第二电阻R1、R2的另一端及第一二极管D1的负极均接第一三极管V1的基极；所述的第三电阻R3的另一端接第一三极管V1的集电极。

第四、第五、第六电容C4、C5、C6、第四电阻R4、第二、第三二极管D2、D3组成了所述的检波电路30，并且，第四电容C4的一端与所述的放大电路20中的第一三极管V1的集电极相接，另一端与第二二极管D2的负极及第三二极管D3的正极相连接；第五电容C5、第四电阻R4的一端、第六电容C6的正极均与第三二极管D3的负极相连接；第五电容C5、第四电阻R4的另一端、第二二极管D2的正极、第六电容C6的负极均接所述的线路接地线E。

第五、第六电阻R5、R6以及集成运放IC(型号393)组成了所述的比较电路40，并且，第五电阻R5的一端、集成运放IC的4脚接所述的线路接地线E；第五电阻R5、第六电阻R6的另一端接集成运放IC的2脚；集成运放IC的8脚接所述的直流电压Uc的正端，集成运放(IC)的3脚接所述的检波电路(30)中的第三二极管(D3)的负极。

第七、第八、第九电阻R7、R8、R9、第二三极管V2(型号9014)、第四二极管D4、继电器J(包括其二组触点DH及DD)、发光二极管LED组成了所述的执行电路50，其中，继电器J为执行器件；连接关系是：第七电阻R7的一端、第二三极管V2的发射极均接所述的线路接地线E；第七电阻R7、第八电阻R8的另一端及第二三极管V2的基极均与所述的比较电路40中的集成运放IC的1脚相连接；第二三极管V2的集电极与第四二极管D4的正极及所述的继电器J的另一端相连接；第九电阻R9、发光二极管LED串联后再与所述的负载RL并联，该三者串并联后一端接AC220V的N端、另一端与所述的继电器J的动断触点DD的一端及负载线101连接；所述的继电器J的动断触点DD的另一端与AC220V的L端连接；所述的继电器J的动合触点DH的一端与所述的低水位电极AD连接；另一端与所述的高水位电极AG及所述的第三电容C3连接。

本实施例的工作过程为：AC220V经变压器T降压、整流桥BR整流、第一、第二电容C1、C2滤波、稳压二极管DW稳压后，产生了直流电压Uc。该Uc经电阻R2、R3、R6、R8及继电器J分别与放大电路、比较电路、执行电路连接；另外，其经电阻R6、R5分压，在集成运放IC的反相输入端2脚上产生了比较电路的参考电压U2。

当容器AV中的水位低于低水位D时，高水位、低水位电极AG、AD均露出水面，噪声信号Un开路。此时，集成运放IC同相输入端3脚上的电压U3低于反相输入端2脚上的参考电压U2即U3＜U2，IC输出端1脚输出低电平，三极管V2截止，执行器件继电器J不动作，其动合触点DH处于断开的位置、动断触点DD处于闭合的位置，负载泵得电泵水，发光二极管LED也得电发光、指示泵正在泵水、本实施例正处于“上水”过程中。

由于泵水，水位将逐渐上升，当水位到达高水位G处时，高水位电极AG浸到水，噪声信号Un与放大电路20接通，经电容C3耦合、三极管V1放大、第三二极管D3检波、电容C5、C6滤波，产生了直流信号U3，并且，只要调整R4、R5、R6的阻值，就可使U3＞U2，此时集成运放IC的输出端1脚输出高电平，三极管V2导通，继电器J得电动作，其动合触点DH闭合、导致低水位电极AD接入电路系统中；同时，其动断触点DD断开、导致负载泵断电停止泵水、发光二极管LED熄灭，告知上水过程结束，本实施例进入用水过程。

由于用水，容器AV中的水位将逐步下降，当水位降至高水位G以下时，高水位电极AG露出水面、其失去传导噪声信号Un的作用，但由于继电器J的动合触点DH已闭合，所以，噪声信号Un仍可通过低水位电极AD传导，噪声信号Un仍与放大电路20接通。当水位降至低水位D以下时，低水位电极AD也露出水面，噪声信号Un再次开路，继电器J复位至动断触点DD闭合、动合触点DH断开的初始状态，泵又开始泵水。本实施例如此周而复始的工作，可自动控制容器AV中的水位在高水位G和低水位D之间。

综上所述，可以总结：本实施例的特征是：采用水中的噪声信号Un对容器AV中的水位实行自动控制。当噪声信号Un开路时，执行器件-继电器J的动合触点DH断开、动断触点DD闭合、负载RL得电工作；当噪声信号Un接入电路系统时，继电器J的动合触点DH闭合、动断触点DD断开、负载RL失电停止工作。

本实施例由于电极中只有水中的噪声电流而无外加的直流或交流电流，电极不结垢不腐蚀，因此，运行可靠稳定。图4所示的实验样机，经-夏一秋一冬的连续开机工作后，仍能稳定可靠地运行。

Claims

1.一种噪声式水位控制装置，该装置由直流电源(10)、放大电路(20)、检波电路(30)、比较电路(40)、执行电路(50)、接地电极(AE)、低水位电极(AD)、高水位电极(AG)及容器(AV)组成，其特征在于：采用水中的噪声信号(Un)对所述容器(AV)中的水位实行自动控制；并且，所述直流电源(10)输出的直流电压(Uc)的正端分别与所述放大电路(20)、所述比较电路(40)、所述执行电路(50)相连接，负端与线路接地线(E)相连接；所述低水位电极(AD)通过所述执行电路(50)中的执行器件-继电器(J)之动合触点(DH)与所述高水位电极(AG)连接；所述高水位电极(AG)通过第三电容(C3)与所述放大电路(20)相连接；所述放大电路(20)、所述检波电路(30)、所述比较电路(40)、所述执行电路(50)依次相连接、并且，它们均与所述线路接地线(E)相连接；所述接地电极(AE)处于低水位(D)以下的所述容器(AV)的底部、其也与所述线路接地线(E)连接；上水过程中所述噪声信号(Un)为开路状态；用水过程中所述噪声信号(Un)为流通状态并接入所述的放大电路(20)中；当所述噪声信号(Un)开路时，所述的执行器件-继电器(J)的动合触点(DH)断开、动断触点(DD)闭合、负载(RL)与AC220V接通；当所述噪声信号(Un)为流通状态并接入所述放大电路(20)时，所述继电器(J)的动合触点(DH)闭合、动断触点(DD)断开、所述负载(RL)与AC220V断开。

2.如权利要求1所述的噪声式水位控制装置，其特征在于：变压器(T)、整流桥(BR)、第一、第二电容(C1)、(C2)和稳压二极管(DW)组成了所述的直流电源(10)，其为电路系统提供所述的直流电压(Uc)；所述的直流电压(Uc)的正端与电路系统中的第二、第三、第六、第八电阻(R2)、(R3)、(R6)、(R8)的一端以及所述继电器(J)的一端、第四二极管(D4)负极相连接；负端与所述的线路接地线(E)相连接。

3.如权利要求2所述的噪声式水位控制装置，其特征在于；第三电容(C3)、第一二极管(D1)、第一、第二、第三电阻(R1)、(R2)、(R3)以及第一三极管(V1)组成了所述的放大电路(20)，并且，第一二极管(D1)的正极、第-三极管(V1)的发射极以及第一电阻(R1)的一端均接所述的线路接地线(E)；所述第三电容(C3)的一端、第一、第二电阻(R1)、(R2)的另一端及第一二极管(D1)的负极均接第一三极管(V1)的基极；所述的第三电阻(R3)的另一端接第一三极管(V1)的集电极。

4.如权利要求3所述的噪声式水位控制装置，其特征在于；第四、第五、第六电容(C4)、(C5)、(C6)、第四电阻(R4)、第二、第三二极管(D2)、(D3)组成了所述的检波电路(30)，并且，第四电容(C4)的一端与所述的放大电路(20)中的第一三极管(V1)的集电极相接，另一端与第二二极管(D2)的负极及第三二极管(D3)的正极相连接；第五电容(C5)、第四电阻(R4)的一端、第六电容(C6)的正极均与第三二极管(D3)的负极相连接；第五电容(C5)、第四电阻(R4)的另一端、第二二极管(D2)的正极、第六电容(C6)的负极均接所述的线路接地线(E)。

5.如权利要求4所述的噪声式水位控制装置，其特征在于；第五、第六电阻(R5)、(R6)以及集成运放(IC)组成了所述的比较电路(40)，并且，第五电阻(R5)的一端、集成运放(IC)的电源负端4脚接所述的线路接地线(E)；第五电阻(R5)、第六电阻(R6)的另一端接集成运放(IC)的反相输入端2脚；集成运放(IC)的电源正端8脚接所述的直流电压(Uc)的正端；集成运放(IC)的同相输入端3脚接所述的检波电路(30)中的第三二极管(D3)的负极。

6.如权利要求5所述的噪声式水位控制装置，其特征在于；第七、第八、第九电阻(R7)、(R8)、(R9)、第二三极管(V2)、第四二极管(D4)、继电器(J)、发光二极管(LED)组成了所述的执行电路(50)，所述继电器(J)包括动合触点(DH)和动断触点(DD)，其中，继电器(J)为执行器件；连接关系是：第七电阻(R7)的一端、第二三极管(V2)的发射极均接所述的线路接地线(E)；第七电阻(R7)、第八电阻(R8)的另一端及第二三极管(V2)的基极均与所述的比较电路(40)中的集成运放(IC)的输出端1脚相连接；第二三极管(V2)的集电极与第四二极管(D4)的正极及所述的继电器(J)的另一端相连接；第九电阻(R9)、发光二极管(LED)串联后再与所述的负载(RL)并联，该三者串并联后一端接AC220V的N端、另一端与所述的继电器(J)的动断触点(DD)的一端及负载线(101)连接；所述的继电器(J)的动断触点(DD)的另一端与AC220V的L端连接；所述的继电器(J)的动合触点(DH)的一端与所述的低水位电极(AD)连接；另一端与所述的高水位电极(AG)及所述的第三电容(C3)连接。