CN101937239B - 电子式水位控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子式水位控制器，其使用市政交流电经降压电路降压，滤波稳压电路滤波和稳压，为执行电路提供工作所需的电源电压，在加热容器中预设一个基准水位，当加热容器中的水位高于或低于预设基准水位时，采样及交流平衡电路获取采样电极的信号电流并送至控制信号获取电路，该控制信号获取电路将电流转换为控制电压，送至执行电路，执行电路则对系统的加热开关做出开或关的操作。其使用的市政交流电可以为AC220V的50Hz交流电。

Description

电子式水位控制器

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，尤其是涉及一种电子式水位控制器。

背景技术

水位控制器是一种应用十分广泛的自动化器件，在工业循环水、污水处理、食品加工、化学工业、汽车工业、太阳能热水器等领域都有大量的应用，在自来水尚未普及的中西部农村，屋顶水箱更是用其来控制水箱的水位。

公知的水位控制方法主要有两种：一种是浮子开关，利用浮子随水位的高低作上下机械运动来控制水位。这种浮子开关的缺点是：水中粘性水垢会影响浮子上下运动，使水位控制系统产生控制错误。

另一种是直流电水位控制系统，即利用变压器对220V市政交流电进行降压和隔离，再利用整流电路将降压后的交流电变成直流电，将电极放入水中，利用水位的高低来控制电路通断，从而检测和控制水位。但直流控制法存在以下问题：1、电镀效应：正电极在水中不断地被消耗；2、负电极上会结上不导电的水垢，使得系统失灵；3、正电极会向水中释放金属离子，影响水质。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是针对上述现有技术的不足，而提供一种直接使用市政电网AC220V的50Hz交流电的电子式水位控制器。

本发明所采用的技术方案如下：

市政电网使用的是AC220V的50Hz的交流电，可以采用此现成的交流电来检测水位，这种方法的优点为：1、相对于机械结构的浮子开关，而对包含粘性物质的水中具有更高的使用可靠性；2、相对于直流电水位控制系统，不会引起系统失灵，对水质无任何影响，提高了可靠性，降低了成本。

市政电网是功率较强的电网，虽然其抗干扰能力较好，但直接将其输入水中是非常危险的。因而本发明的关键就是如何安全地利用市政电网的220V的50Hz市政交流电检测水位。

市政电网的220V，50Hz交流电有两条线路：相线L和中线N。且市政电网在输电至用户的配电箱下方均设置一根接地金属桩，此桩与用户的中线N是相连的，也就是说中线N都与大地相连接。

因而本发明采取的技术方案如图1框图所示：

接地电极与AC220V的中线N之间的虚线表示大地，通过大地和接地电极，容器中的水就得到了两种效应：第一，与市政交流输电网的中线N相连；第二，已经接地，因而任何人员与容器中的水接触都是安全的，不会有危险。

图1中符号为

的线路板地线在本发明中起到了两种作用：第一，常规作用：为线路板上的整流电路等电路提供公共地线，即线路板接地；第二、特殊作用：当容器中的水浸没采样电极时，在AC220V负半周时，接地电极(或称水中中线N)将通过相关电路及该线路板地线与相线L连通；在AC220V正半周时，相线L也将通过相关电路及该线路板地线与接地电极(或称水中中线N)连通。

因而在本发明中把AC220V交流电当作检测水位的交流信号源，而容器中的水位相当于接通或断开信号源的开关，当水位高于C时，相当于开关接通，采样电路开始采样；当水位低于C时，相当于开关断开，采样电路停止采样。

下面结合图1具体说明：AC220V交流电经降压电路降压，滤波稳压电路滤波和稳压，为执行电路提供了工作所需的直流电压。

当水位高于C时，采样电路获取信号电流I并送至控制信号获取电路，该控制信号获取电路将电流I转换为控制电压，送至执行电路，执行电路则对系统的相应开关做出开或关的操作。

为了使采样电极和接地电极内流通的电流为交流电流，以避免流通直流电流带来的诸多缺陷。交流平衡电路则在AC220V正半周时(此时相线L为高电位，中线N为低电位)输出电流I′。电流I′在数值上与电流I相等，相位上相差180°，它们之间的关系如图2所示。若忽略整流二极管0.7V起始导通电压的影响，以时间为横轴，将I、I′合在一起，则为50Hz的正弦波交流电流。图2所示的正弦波交流电流就是采样电极和接地电极内流通的电流。

下面结合图3所示的工作原理图，进一步说明本发明。

图4中，R₁//C₀为降压电路，D₁-D₄为桥式整流电路，DW₁、C₁、C₂为稳压滤波电路，RL为执行电路呈现的等效阻抗。R₂、R₃、C₃、C₄为控制信号获取电路，R₄、D₅、D₆、D₁、D₃、R₁//C₀为采样及交流平衡电路。

AC220V的交流电压经R₁//C₀降压，桥式整流器整流和C₁//C₂滤波，DW₁稳压后，为执行电路提供了稳压直流电源。

当容器中的水位高于A，AC220V处于负半周时(此时相线L为低电位，中线N为高电位)，图4中的电流I₁按下述路径流通：

中线N→大地→接地电极→水→采样电极→R₄→D₅→C ₃ //C ₃ 滤波→R₃→R₂→D₂→R₁//C₀→相线L

当容器中的水位高于A，AC220V处于正半周时(此时相线L为高电位，中线N为低电位)，图4中的电流I₂按下述路径流通：

相线L→R₁//C₀→D₃→R_L→D₆→R₄→采样电极→水→接地电极→大地→中线N。

本发明中，R₄为高阻值电阻，并且R₄远大于R₃+R₂，R₄远大于R_L，因此I₂与I₁数值上基本相等，相位差180°。

若忽略二极管D₅、D₆、D₂、D₃的0.7V起始导通电压的非线性影响，AC220V与I₂、I₁的关系可由图4表示。从图4可以看出，采样电极和接地电极中流通的是50Hz的正弦波交流电流。

且从图3可以得出如下结论：

1、只要适当选取R₄、R₃、R₂的值，就可以获取本发明需要的控制电压U。

2、水位高于A时，U＞0，水位低于A时，作为侧使用的信号源AC220V断开，则I₁＝0，U＝0。

3、有了控制信号U，后续的执行电路就可以对相应的开关做出开或关的控制。

4、降压电路R₁//C₀，整流电路D₁-D₄以及执行电路，除承担降压、整流、执行的功能外，还完成了沟通I₁、I₂的功能。

5、AC220V在图3中，有两个输入端口，一个是左边的输入端口，输入AC220V的目的是为执行电路提供直流稳压电源。另一个是右边输入水中的隐形端口，目的是提供检测所需的交流信号源，这两个输入端口的公共线是相线L。

附图说明

图1为本发明原理方框图；

图2为本发明中的电极电流波形图；

图3为本发明的工作原理图；

图4是交流市电和电极电流的对照波形图；

图5是本发明第一实施例的电路原理图；

图6是本发明第二实施例的电路原理图；

图7是本发明第三实施例的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。但应当理解这里的说明并不构成对本发明保护范围的限制。

图5是本发明第一实施例的电路原理图。如图5所示，作为水位检测信号源的AC220V通过中线N→大地→接地电极引入(图5中，中线N与E之间的虚线表示大地)。

当水位低于D时，相当于检测用的信号源断开。此时，I_D、I₄、I_G、I₃均为零，且U_D＝0，U_G＝0。电压比较器IC₁、IC₂的1端均为低电平，开关三极管V₁、V₂均截止，继电器J_G、J_D均无电流流过，它们各自的常闭触点K_G、K_D均闭合接通。

K_G、K_D闭合接通后，AC220V被施加到C₁₀//R₇支路上，经C₁₀//R₇降压、D₁₀-D₁₃全波整流、C₈-C₉滤波，D_W3稳压后，该直流电压被施加到继电器J₃上，其常开触点K₃闭合接通。

由于K_G、K_D、K₃的闭合接通，AC220V被施加到负载(电磁阀、水泵等用电负载，在本实施例中可以是水泵)上，负载(水泵)通电，开始泵水。

当水位高于D但低于G时，信号源AC220V信号源与低水位电极A_D接通，信号源AC220V负半周时(中线N的电平高于相线L的电平)，电流I_D按照以下路径流通：中线N→大地→接地电极→水→低水位电极A_D→R₂₃→D₁₈→R₂₂→R₂₁→(线路板地线)→D₁₀→C₅//R₅→相线L

信号源AC220V正半周时(相线L的电平高于中线N的电平)，电流I₄按照以下路径流通：相线L→C₅//R₅→D₇→R₆→R_L(开关三极管V₂、R₁₇、R₁₈、R₁₉、R₂₀及电压比较器IC₂所呈现的对线路板接地的等效电阻)→

(线路板地线)→D₁₉→R₂₃→低水位电极A_D→水→接地电极→大地→中线N

本实施例在选择电路元件的参数时，应当特别注意到以下两个方面：第一，按满足I_D＝I₄的条件(数值相等)，选择电路元件；第二，为了不干扰V₂与IC₂的工作，选择I_D、I₄为微安级电流。

由于I_D流过R₂₁，故其两端产生电压U_D，当U_D＞U₃时，电压比较器IC₂的1端为高电平，V₂导通，J_D通电，K_D断开。由于K₃、K_G仍为闭合导通状态，故水泵继续泵水。

当水位超过G时，I_G开始流通，在U_G＞U₂时，电压比较器IC₁输出高电平，V₁导通，继电器J_G通电，其常闭触点K_G断开，K_G的断开使J₃断电，其常开触点K₃也断开，水泵断电停止泵水，上水过程结束。

在用水过程中，随着水位下降，当水位低于G时，I_G＝0，U_G＝0，电压比较器IC₁输出低电平，V₁截止，继电器J_G断电，其常闭触点K_G复位接通，但此时K₃、K_D都为断开状态，故水泵仍断电。

当水位继续下降到D以下后，I_D＝0，U_D＝0，继电器J_D断电，K_D复位接通，K₃闭合，水泵泵水。以上过程可以用表1总结。

表1

图6是本发明第二实施例的电路原理图。如图6所示，第二实施例控制水位的过程及工作原理与第一实施例完全相同，所不同的是检测用信号源的引入方式稍有不同，第一实施例中由中线N→大地→接地电极引入，而第二实施例中则直接由中线N引入。

第二实施例中由于中线N与水连接，而交流电网的中线N与大地相连的，所以使用时是十分安全的。

最后应该说明，以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明的技术方案，所以，本领域的技术人员应当理解，虽然在理解本发明技术方案的基础上，可以对本发明进行修改或等同替换，但一切不脱离本发明的实质和范围的技术方案及改进，均应在本发明的权利要求所涵盖的范围内。

Claims (3)

1.一种电子式水位控制器，其包括：降压电路、整流电路、滤波稳压电路、执行电路、控制信号获取电路、采样及交流平衡电路、采样电极和信号源引入电极，其特征在于：

降压电路的输入为AC220V的50Hz的市政交流电；所述交流电经该降压电路降压并通过整流电路及滤波稳压电路进行滤波和稳压，从而为该执行电路提供工作所需的直流电路；

所述采样及交流平衡电路获取采样电极的信号电流并送至所述控制信号获取电路，所述控制信号获取电路将电流转换为控制电压并送至所述执行电路，所述执行电路控制水泵的工作；其中，

所述采样电极包括高水位电极和低水位电极，所述采样及交流平衡电路具有分别连接高水位电极和低水位电极的第一电压比较器和第二电压比较器；所述第一电压比较器和第二电压比较器用于控制水泵的开关；

所述信号源引入电极直接与所述市政交流电的中线N连接，从而使得所述市政交流电直接用作水位检测用信号源。

2.如权利要求1所述的电子式水位控制器，其特征在于：

所述采样电极和信号源引入电极位于加热容器中。

3.如权利要求2所述的电子式水位控制器，其特征在于：

(1)当加热容器中的水位低于低水位电极时，水泵通电；

(2)当加热容器中的水位高于低水位电极且低于高水位电极时，水泵通电；

(3)当加热容器中的水位高于高水位电极时，水泵断电；

(4)当加热容器中的水位由高到低再次到达高于低水位电极且低于高水位电极时，水泵断电；

(5)当加热容器中的水位低于低水位电极时，水泵再次通电，并重复步骤(2)-(4)。

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