CN101957623B

CN101957623B - 可带大功率负载的防爆水位控制器

Info

Publication number: CN101957623B
Application number: CN2010101858168A
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: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2030-05-28
Also published as: CN101957623A

Abstract

本发明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，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。

Description

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V_S、双向二极管V_D、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V_D的击穿电压时，电容C就通过双向二极管V_D向双向晶闸管V_S的控制极放电，触发双向晶闸管V_S导通，负载泵得电工作。当JK₁断开时，双向晶闸管V_S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V_S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V_S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V_S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V_S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V_S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V_S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V_S1、V_S2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V_S2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V_S1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V_S1截止，单向晶闸管V_S2导通。而当JK₃断开时，单向晶闸管V_S1、V_S2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V_S1、V_S2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。

Claims

1.一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，其中，存水容器中设置有高水位电极、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；其中，

所述控制电路由降压电路，整流电路，稳压与滤波电路，执行电路，控制信号获取电路，采样及交流平衡电路组成；所述降压电路由并联连接的第一组R//C电路和第二组R//C电路组成，并分别与市政220V交流电的L线和N线连接；所述整流电路为电源桥式整流电路，该电源桥式整流电路分别与所述第一组R//C电路与第二组R//C电路连接；所述稳压与滤波电路由并联连接的稳压二极管与两个电容器构成，其与所述电源桥式整流电路连接；所述执行电路包括三极管、继电器、电压比较器，其与所述稳压与滤波电路连接；所述控制信号获取电路与所述执行电路中的电压比较器的正极输入端连接；所述采样及交流平衡电路与控制信号获取电路连接；

所述继电器为双触点继电器，该双触点继电器的第一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，第二触点用于控制负载的接通与断开，其中，所述继电器的第二触点通过功率开关与所述负载连接；

所述功率开关由双向晶闸管、双向二极管、电阻和电容构成，或者由两个单向晶闸管构成；

所述水位控制器还具有常闭按钮，该常闭按钮设置于低水位电极与所述继电器的第一触点之间，只要当水位低于高水位电极时，按下该常闭按钮，水位控制器开始接通负载。

2.如权利要求1中所述的可带大功率负载的防爆水位控制器，其特征在于：

采样及交流平衡电路具有与所述高水位电极连接的兆欧级电阻，使得所述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。

3.如权利要求1中所述的可带大功率负载的防爆水位控制器，其特征在于：

该负载为水泵，电动机，电磁阀或交流接触器线包。

4.如权利要求1中所述的可带大功率负载的防爆水位控制器，其特征在于：

所述电压比较器的正极输入端的电压大于负极输入端电压时，其输出高电平，反之，则输出低电平。