可带大功率负载的防爆水位控制器
技术领域
本发明涉及电器领域,尤其涉及一种可带大功率负载的防爆水位控制器及水位控制方法。
背景技术
水位控制器是一种广泛应用于工业循环水、环保水处理、电热水器、太阳能热水器、农村自来水等领域的低压电器,其主要功能是自动控制水位。目前常用的电子式水位控制器普遍存在以下的技术问题:
1、感应电极上流通的是直流电流,存在正极电腐蚀、负极结垢而导致的使用寿命短和水质受金属离子污染的现象。
2、负载能力差,只能带动电磁阀、交流接触器一类的小功率负载而不能带动电动机之类的大功率负载,带动该类大功率负载还需另外的交流接触器。
3、触点存在火花,不能在易爆的场合使用。
4、只适用于控制自来水、江河水等普通水质的水位,不能控制GB17323-1998瓶装饮水纯净水,GB6682-92高纯水的水位。
发明内容:
本发明针对现有技术的缺陷而提供可直接带动大功率负载,可在易爆场合使用的可带大功率负载的防爆水位控制器。
一种可带大功率负载的防爆水位控制器,由存水容器,控制电路组成,存水容器中设置有高水位电极和低水位电极以及接地电极;控制电路通过由电极送来的水位控制信号,对负载进行控制;当存水容器中的水位低于低水位电极时,负载电路接通;当存水容器中的水位上升,高于低水位电极但低于高水位电极时,负载电路仍然接通;当存水容器中的水位到达高水位电极时,负载电路断开;当存水容器中的水位下降,再次低于低水位电极时,负载电路再次接通。
所述水位控制器以市政220V,50Hz的交流电而供电。
所述控制电路由降压电路,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组成。
由采样及交流平衡电路为电极提供微安级的交流电流,从而避免了电极的腐蚀和结垢。
所述水位控制器还具有常闭按钮,只要当水位低于高水位电极时,按下该按钮,水位控制器开始接通负载。
该负载可以为水泵,电动机,电磁阀,交流接触器线包等。
一种可带大功率负载的水位控制方法,在由存水容器和控制电路组成的系统中,在存水容器中设置高水位电极,低水位电极和接地电极,控制电路通过由电极送来的水位控制信号,对负载进行控制;当存水容器中的水位低于低水位电极时,控制电路接收信号,接通负载电路;当存水容器中的水位上升,高于低水位电极但是仍低于高水位电极时,控制电路接收信号,持续接通负载电路;当存水容器中的水位上升到达高水位电极时,控制电路接收信号,断开负载电路;当存水容器中的水位下降,低于低水位电极时,控制信号接收信号,再次接通负载电路。
所述系统以市政220V,50Hz的交流电而供电。
由控制电路中的采样及交流平衡电路为电极提供微安级的交流电流,从而避免了电极的腐蚀和结垢。
所述系统还设置有常闭按钮,只要当水位低于高水位电极时,按下该按钮,系统便开始接通负载。
该负载可以为水泵,电动机,电磁阀,交流接触器线包等。本发明实现上述目的所采取的技术方案如图1所示。
图1方案的思路为:
1、在水中插入的电极,在电极上通以微安级的交流信号,该电极将既不产生电腐蚀,也不会结垢。
2、市政220V的交流电在进入用户之前,已将中线(即N线)与大地可靠连接。只要用适当的电路将此AC220V,50HZ的交流电引入水中,就可以成为信号检测所需要的50HZ交流信号源。
3、把水位作为引入50HZ交流信号的开关,当水位高于D时,电极DD与交流信号源接通,反之则断开;同理,当水位高于G时,电极DG与交流信号源接通,反之则断开。
图1所示的技术方案中:
1、市政220V,50HZ的交流电经降压电路降压,整流电路整流、滤波稳压电路滤波稳压后,为执行电路提供稳定的直流电压。
2、以上的降压电路,整流电路,滤波稳压电路,执行电路除完成各自承担的常规任务外,还通过虚线所表示的大地,共同为插入水中的电极提供检测所需要的微安级的交流信号I和I′。
3、当容器中的水位低于D时,高水位电极DG和低水位电极DD均未浸没在水中,50HZ交流信号源与DG,DD断开,故I=I′=0,执行电路不工作,即图1所示的整个系统处于K1闭合、K2断开的初始状态,此时功率开关接通,负载起动(泵、电动机、电磁阀、交流接触器线包等,为叙述方便,以下简称负载为泵)。
4、水位上升但仍低于G时,由于K2仍为断开状态,故I=I′=0,泵继续通电抽水。
5、当水位到达G时,高水位电极DG和低水位电极DD均浸没在水中,均与50HZ交流信号源接通。此时,当市政交流电为负半周(N线为高电位,L线为低电位)时,电流I按N线→大地→E线→水→DG→系统电路→L线的路径流通并产生控制电压U0,执行电路受U0的控制而开始工作,导致K1断开,K2闭合,K1的断开又导致功率开关断开,使泵断电而停止工作。
在此过程中,如果不采取其他技术措施,水中仅有电流I流动,那么仍为直流的工作原理,接地电极E将被电腐蚀,电极DG,DD上将结垢,水质将受金属离子污染。
为避免上述情况的发生,本发明特别设计了“采样及交流平衡电路”。由于该电路的作用,在交流负半周时电流I流动,在交流正半周(L线的电位高于N线的电位)时电流I′按下述路径流动:L线→系统电路→DG→水→E线→大地→N线。并且,I≈I′,数值为数微安培。如果以时间为横轴,将I与I′画在一起,则波形为图2所示的50HZ的正弦波。由此可知,浸没在水中的电极上流动的是数μA级的交流电流。因此,电极既不会腐蚀也不会结垢。
6、泵停止工作后,当水位逐渐降至G以下,D以上时,由于低水位电极仍浸在水中,K2仍继续接通,I与I′仍继续流通,U0仍继续存在,故K1仍断开,功率开关仍截止断开,泵仍停。
7、当水位低于D时,DG、DD均露出水面,均与50HZ交流信号源断开,导致I=I′=0,U0=0,故执行电路复位,系统回复到K1闭合,功率开关接通,泵工作,K2断开的起始状态。如此周而复始的工作,本发明可以控制水位在G(不溢出)与D(不缺水)之间。
8、常闭按钮AN的作用:当水位低于G时,无论任何时刻,只要按一次按钮,系统就自动开启泵抽水,直至水位到达G,泵才自动停止。
当水位由D向G上涨时,由于K2是断开的,所以无论按或不按AN,系统均继续抽水,直至水位到达G,泵自动停。
水位处于G时,由于高水位电极DG已浸到水,所以不论按与不按AN,I、I′、U0均存在,K1总是断开,所以按AN无效不起作用。
当水位由G向D下降时,若不按AN,水位须降至D以下,泵才会启动。若此时用户希望将水抽满,则只要按一次AN,系统即复位抽水,直至水位到达G,泵才停止抽水。
附图说明:
图1为本发明的原理方框图;
图2为水位传感电极的电流波形图;
图3为本发明第一实施例的电路原理图;
图4为本发明第二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。
本发明第一实施例如图3所示,容器中的水通过接地线E与大地相连,市政电网的N线通过大地(虚线所表示)和E线也与水相连。R1//C1、R2//C2组成降压电路,以保证系统用电的安全性。D1-D4组成电源桥式整流电路,R3为限流电阻,DW1、C3、C4组成稳压与滤波电路。以上电路共同作用为执行电路提供稳定的直流电源。
V1、继电器J、IC1及它们的附属器件共同组成执行电路。继电器J有JK1、JK2两组触点。IC1为电压比较器,其端口2、端口3的输入阻抗极大,最小也有1000MΩ。因此,两个端口之间,两个端口对线路地即⊥之间,可以认为是互相隔离的,也就是说,端口2与后续的信号获取电路、采样及交流平衡电路也是互相隔离的,我们无须担忧I1、I2通过IC1的端口2、端口3窜入IC1中。当端口3的电压U3大于端口2的比较电平U2时,端口1输出高电平,反之,当端口3的电压U3小于端口2的比较电平U2时,端口1输出低电平。
R8、R9、C5、C6、D6组成控制信号获取电路,二极管D6的单向导通特性,IC1的高输入阻抗特性,可以防止交流平衡电流I2窜入本控制信号获取电路中。C5、C6组成对控制信号的滤波电路,C6对I1有平滑作用,可以保证在AC220V正半周、I1=0时,控制信号U3继续存在。调整R6、R7的阻值,可以获得合适的比较电压,调整R8、R9、R10的阻值,可以保证控制信号I1到来时,U3大于U2。
D6、D7、R10、JK2以及容器中的三个电极DG、DD、E共同组成采样及交流平衡电路。由于D7的作用,AC220V负半周时,I1只能通过R10、R6的路径流通;同样,由于D6的作用,I2只能通过D7、R10的路径流通。I2对检测而言是“无用”的电流,但为了保证E、DG、DD三个电极中的电流为“交流”,所以I2也必须存在,I2被称为交流平衡电流。为保证系统其他电路正常工作,I1、I2必须非常小,为微安级。因此,R10必须非常大,取兆欧级。R10采用大阻值电阻的另一个作用是:进入电极中的电流为微安级的微弱电流,可以确保人身安全。
双向晶闸管VS、双向二极管VD、JK1及电阻R、电容C组成功率开关。当JK1闭合时,AC220V通过电阻R对电容C充电,当电容C上的电压高于双向二极管VD的击穿电压时,电容C就通过双向二极管VD向双向晶闸管VS的控制极放电,触发双向晶闸管VS导通,负载泵得电工作。当JK1断开时,双向晶闸管VS无触发电流,便截止关断,泵停止工作。
此种功率开关有以下优点:第一,流过JK1的触发电流很小,只有数毫安,但流过负载、双向晶闸管VS的电流却可高达上百安培。第二,导通与关断时,无火花且动作快捷,适宜在防爆防火的场合使用。
本实施例的工作过程为:
1、当水位低于D时,电极DD、DG均未与50HZ交流信号源接通,所以I1=I2=0,U3=0,JK2断,JK1通,双向晶闸管VS导通,泵通电工作。
2、当水位高于D,但低于G时,I1=I2=0,U3=0,JK2仍断,JK1仍通,双向晶闸管VS仍导通,泵继续通电工作。
3、当液位到达G时,
在AC220V负半周:
信号电流I1按以下路径流通:
N线→大地→E线→水→DG→R10→D6→R9→R8→线路地⊥→D4→R1//C1(降压)→L线,由于I1的流动,使U3大于U2的条件成立,IC1的1端输出高电平,V1导通,继电器线包J通电,JK1断,双向晶闸管VS截止关断,泵停,同时JK2接通,电极DG、DD连接接通。在该状态下,二极管D7反向偏置,交流平衡电流I2=0。
在AC220V正半周时:
由于二极管D6处于反向偏置状态,故I1=0,但由于C5、C6已充满电,因此U3大于U2的条件仍保持,V1仍导通,JK1仍断,双向晶闸管VS仍关断,JK2仍接通。
此时,交流平衡电流I2按下述路径流通:
至此,我们应注意到以下的情况:
第一,在AC220V负半周时流动的控制信号I1和在AC220V正半周流动的交流平衡电流I2虽然路径略有不同,但由于R10是大阻值的电阻,I1、I2的值主要由该R10决定,故I1≈I2。若以时间为横轴将I1、I2画在同一座标上,就是图2所示的正弦波交流电。因此,三个电极上流动的是交流电流,不腐蚀,也不结垢。
第二,本发明采用AC220V市政交流电作为检测用的信号源,由于市政交流电相对强大,稳定。因此,本发明抗干扰能力强,虚警或漏警率低。
第三,由于R10为高阻值电阻,I1、I2为微安级电流,因此,它们的流动对路径中的电路影响甚微,不会对这些电路的工作产生干扰。
第四,由于R10为高阻值电阻,在容器中放置GB17323-1998瓶装饮用纯净水或GB6682-92高纯水(二级)时,电极E与电极DG、DD之间呈现的阻抗远小于R10的阻值。因此,本发明也可用于上述两种水的水位控制。
以上叙述的是本实施例在水位由低水位D上涨至高水位G时的控制过程,下面叙述水位由高水位G下降至低水位D时的控制过程:
1、当水位低于G但高于D时,JK2仍闭合,I1、I2继续流通,U3大于U2的条件仍成立,JK1仍断,JK2仍通,双向晶闸管VS仍关断,泵仍停止。
2、当水位下降至D以下时,系统复位,如此周而复始的工作,可以保持水位始终在D与G之间。
本发明第二实施例如图4所示,该实施例的控制过程与第一实施例相同,此处不再重复。与第一实施例不同之处是功率开关。其功率开关由两个单向晶闸管VS1、VS2构成。控制过程为:当JK3闭合接通时,在AC220V的正半周,单向晶闸管VS2的阳极A与阴极K之间施加了反向电压,故其截止不导通,但其阴极K与控制极G之间存在一定的电阻,交流正半周电压通过该电阻向单向晶闸管VS1提供触发电流与电压,使其导通。同理,在AC220V的负半周,单向晶闸管VS1截止,单向晶闸管VS2导通。而当JK3断开时,单向晶闸管VS1、VS2均因得不到触发电流而截止关断。
上述无触点的交流开关电路仅有数毫安的电流流过开关JK3,却能控制单向晶闸管VS1、VS2的通断,并可向负载提供数百安培的电流,且无火花、动作迅速,特别适合在防火防爆的场合使用。
本发明的功率开关也可以采用另外的扩容继电器J1,即当继电器J的触点闭合时,扩容继电器J1的线包通电,其触点闭合,泵通电工作;反之,当继电器J的触点断开时,导致扩容继电器J1断开,泵断电停止工作。
扩容继电器J1为全密封的防爆型继电器,因此也可以在需防爆的场合使用。
本发明重点采用了以下两项技术措施:
一、安全技术措施:
本发明采用220V、50HZ市政电压作为检测用的交流信号源引入水中,但采取了以下方法,保证涉水人员的用电安全:
1、L线或N线端口用R、C降压网络降压。
2、电极DG、DD均与大阻值电阻(图3中的R10、图4中的R19)连接,用此大阻值的电阻进一步降压并限流。
3、50HZ的检测信号源系通过浸在水中的接地线E线而引入水中,因此水是接地的,可确保涉水人员的人身安全。
水接大地后,本发明方可正常工作,否则,水中无50HZ的交流信号源,本发明不能工作。此技术措施强制用户必须将水接大地。这样,可以确保电热水器一类高危涉水电器的用水安全性。
二、防爆技术措施
1、流过手动按钮AN触点的电流为微安级的电流,触点通断时无火花发生。
2、本发明的执行电路中包括一个双触点继电器,其一组触点用于控制水中低水位电极与高水位电极之间的通与断,触点电流为微安级电流,无火花产生;另一组触点用于控制晶闸管或另一继电器线包的导通与截止,触点电流为微安级电流,也不会产生火花。
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。