CN201732301U - 控制信号采自大地的水位控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自动控制领域，尤其涉及控制信号采自大地的交流式水位控制方法及装置。AC220V电源供电经L线的第一降压电路、N线的与L线对称的第二降压电路输入，再经整流电路整流，滤波稳压电路稳压后，为后级执行电路提供稳定的直流电压。当容器中的水位低于低水位时，高水位电极和低水位电极均露出水面，负载泵与AC220V接通，泵得电起动泵水，水位逐渐上升，当到达高水位时，高水位电极被水浸没，负载泵失电而停止泵水，水位就被控制在高水位处；当容器放水使得水位逐步下降时，高水位电极露出水面，第二执行开关已处于接通状态，保持第一执行开关断开、第二执行开关接通的状态，水位继续下降，当降至低水位时，控制系统复位至初始状态。

Description

控制信号采自大地的水位控制装置 

技术领域

本实用新型涉及自动控制领域，尤其涉及控制信号采自大地的交流式水位控制方法及装置。 

背景技术

水位控制方法及装置涉及一种广泛用于工农业生产，以及生活领域的容水装置的方法及装置，尤其涉及用于太阳能热水器、电热水器、燃气热水器以及屋顶水箱的自动控制方法及装置。 

现有的水位控制方法及装置主要分为以下两种： 

一、浮子干簧管式： 

浮子干簧管式水位控制方法及装置的工作原理是：带磁性的浮子随水位的高/低而相应上升/下降，磁性浮子的上升/下降又带动干簧管的闭合/断开，从而实现对水位的自动控制。浮子干簧管式水位控制方法及装置存在因其原理和结构而形成的固有缺点：1、引导磁性浮子作升/降机械运动的机械构件长期浸泡在液体中，受其中的腐蚀物侵蚀而恶化，例如受藻类和悬浮物的侵蚀而结垢，磁性浮子由于形成于其上的结垢阻挡而失灵，浮子干簧管式水位控制方法及装置也随之失灵。当浮子干簧管式水位控制方法及装置发生这种控制失灵的情况时，在工业循环水、环保水处理、屋顶水箱等领域尤为严重。2、磁性浮子、干簧管仅是控制器中的水位传感部件，还必须额外附加控制电路才能实现其控制功能。因此，浮子干簧管式水位控制方法及装置成本高，不适于很多对于价格敏感的应用领域。 

二、直流电子式： 

直流电子式水位控制方法及装置的工作原理是：市政供电的AC220V、50HZ的交流电经变压器降压、整流电路整流后变换成直流电，该直流电经由插入液体中的正、负电极在水中产生直流电流。通过电极被水浸没时，有直流电流；电极露出水面时，无直流电流两种不同的状 态来达到自动控制水位的目的。此种水位控制方法及装置的优点是结构简单、安装方便、造价低，但存在严重的缺点：由于水中流动的是直流电流，因此，电镀效应明显，正电极易于被腐蚀、而负电极易于结垢，使用寿命短，可靠性低。文献：《实用电子电路200例》，张庆双等编著，机械工业出版社，2003年版，第151-160页所介绍的七款水位控制方法及装置，均属此类直流电子式水位控制方法及装置，而目前现有的直流电子式水位控制方法及装置无法克服因其使用直流电而带来的这一缺陷。 

另外，上述两种形式的水位控制方法及装置均不能检测容器中的水是否安全接地，因此，用于屋顶水箱时，存在遭雷击的危险；用于电热水器等电加热容器中时，存在遭电击的危险。 

发明内容

本实用新型就是针对现有技术的不足，利用将液体用导体接地、控制信号采自地线来提供一种交流式水位控制方法及装置。本实用新型主要用于水位控制，也可以用于其他液体的液位控制。 

本实用新型提供一种控制信号采自大地的水位控制装置，包括接地电极，第一、第二降压电路，整流电路，滤波稳压电路，执行电路，信号保持电路，信号采集及交流平衡电路，其中： 

AC220V电源供电经L线的第一降压电路、N线的与L线对称的第二降压电路输入，再经整流电路整流，滤波稳压电路稳压后，为后级执行电路提供稳定的直流电压。 

本实用新型实现上述目的的技术方案如图1所示，技术特征是：第一降压电路10的一端与L线连接、另一端与整流电路30连接；第二降压电路20的一端与N线连接、另一端与整流电路30连接；整流电路30的输出端接滤波稳压电路40、滤波稳压电路40的输出端接执行电路50。信号采集及交流平衡电路70的一端接高水位电极AH及第二执行开关K2、另一端接信号保持电路60；信号保持电路60的输出端接执行电路50。 

所述的整流电路30、滤波稳压电路40、执行电路50、信号保持电路60、信号采集及交流平衡电路70均与线路“地”相连接。 

在叙述图1方案之前，首先应注意到市政输电网在进入用户之前，已将中线N线良好的接大地。因此，若将容器100中的水通过接地电极AW与大地相连接，就相当于接地电极AW通过其与N线之间的大地电阻RE与N线相连接。只要设计适当的电路，就可以从大地中采集到控制水位所需的控制信号。 

市政AC220V交流电在图1所示的方案中有两个输入端口：第一个为由L线、N线组成的显性输入端口：AC220V交流电经L线的第一降压电路10、N线的与L线对称的第二降压电路20输入，再经整流电路30整流，滤波稳压电路40滤波稳压后，为后级执行电路50提供稳定的直流电压。第二个为由大地和L线组成的隐形输入端口。显性输入端口和隐形输入端口的公共线是L线。隐形输入端口的主要任务是从大地中采集控制水位所需的50HZ控制信号。其采集信号的过程为： 

AC220V为负半周时，图1所示的信号电流11按下述路径流通：N线→大地电阻R0→接地电极AW→水体→高水位电极AH或低水位电极AL→信号采集及交流平衡电路70→信号保持电路60→线路地⊥→整流电路30→第一降压电路10L线。信号电流I1的流动，可为执行电路50提供控制电压U2。 

当AC220V为正半周时，图1所示的交流平衡电流I2按下述路径流通：L线→第一降压电路10→整流电路30→滤波稳压电路40及执行电路50→线路地⊥→信号采集及交流平衡电路70→高水位电极AH或低高水位电极AL→水体→接地电极AQ→大地电阻R0→N线。 

至此，本实用新型要作以下几点说明： 

一、市政AC220V交流电在本实用新型中有两种用途： 

1、作为电源使用：AC220V从由L线、N线组成的显性端口输入，经降压、整流、滤波和稳压后为本实用新型提供直流电压。 

2、作控制信号之用：AC220V从由L线和大地组成的隐形的输入端口输入，为本实用新型提供信号电流I1、信号电压U2。 

二、本实用新型进一步的技术措施是：对金属容器，本实用新型可以省略接地电极AE，而将整个金属容器用导体接大地后取代接地电极AE。 

三、交流平衡电流I2就控制水位而言，完全是多余无用的。引入该交流平衡电流的目的是实现三个电极上的“交流平衡”。信号电流I1和交流平衡电流I2在时域上的关系为：当AC220V负半周时，I1流动，I2＝0；当AC220V为正半周时：I2流动、I1＝0。本实用新型只要适当地调整相关电路的器件参数，就可使I1、I2大小相等，方向相反。如果以时间为横轴，将I1、I2画在一起，就组成了图2所示的正弦波交流电流。三个电极：高水位电极AH、低水位电极AL和接地电极AW上流动的就是这种正弦波交流电流，因此，它们既不电腐蚀也不结垢。 

四、如前所示，隐形输入端口为信号输入端口，只有水与大地用导体相连接，本实用新型才能采集到控制信号，否则，本实用新型因无控制信号而不能正常工作，本实用新型采用的就是这种水接大地的工作模 式。据此情况，本实用新型的一个显著优点便已显现。众所周知，水与大地一旦用导体相连接，就可确保涉水人员免受雷击和电击，即可有效地保证用水的安全性。此特性对放置于相对高处的太阳能热水器和屋顶水箱的防雷击、家庭电热水器的防电击，意义尤为显著。 

图1所示的技术方案对水位的控制过程如下： 

a)高水位H的控制：当容器100中的水位低于低水位L时，高水位电极AH和低水位电极AL均露出水面，I1＝I2＝0，控制电压U2＝0，此时，第一执行开关K1闭合、第二执行开关K2断开。由于第一执行开关K1的闭合接通，负载R(负载可以是电磁阀、交流接触器、泵等。为叙述方便，此处，以负载R为泵作为示例)与AC220V接通，泵上电起动后泵水，水位逐渐上升，当到达高水位H时，高水位电极AH被水浸没，I1、I2开始流通，控制电压U2生成，第一执行开关K1断开、第二执行开关K2闭合。由于第一执行开关K1的断开，负载泵失电而停止泵水，水位就被控制在高水位H处。 

b)低水位控制：由于容器100放水，水位逐步下降，高水位电极AH开始露出水面，此时由于第二执行开关K2已处于接通状态，因此通过低水位电极AL，I1、I2继续流通，控制电压U2继续存在，控制系统仍保持第一执行开关K1断开、第二执行开关K2接通的状态。水位继续下降、当降至低水位L时，控制系统复位至初始状态。如此周而复始的工作，可以保证容器100中的水位既不高于高水位H也不低于低水位L。 

应用本实用新型，可以带来以下的有益效果： 

1、采用了从大地中采集控制信号的技术，用户只须将水通过导体接大地，本实用新型即可正常工作，因此，安装简单方便。 

2、采用了只有水与大地用导体相连接，本实用新型才能采集到控制信号的工作模式，因此，可以有效地防止涉水人员遭雷击或电击，系统的安全性能好。 

3、由于采用了以下技术：a)用现有的AC220V作控制信号并以大地作回路采集控制信号；b)采用了“单元电路复用”的技术，整流电路等单元电路既实现各自的功能，又构成了控制信号与交流平衡电流的流通通道。因此本实用新型的线路简单、所用器件少、制造成本低。所用的器件少，又直接导致了故障率低、可靠性高的有益效果。 

附图说明

图1为本实用新型的原理方框图。 

图2为信号电流I1与交流平衡电流I2在时间轴上的合成波形图。 

图3为本实用新型实施例的电路原理图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细描述，但应当理解这里所说的详细描述并不构成对本实用新型保护范围的限制。 

本实用新型的实施例如图3所示，第一电阻R1与第一电容C1组成L线的第一降压电路10、第二电阻R2与第二电容C2组成N线的与L线对称的第二降压电路20，第一电阻R1、第二电阻R2分别为第一电容C1、第二电容C2的泄放电阻。第一至第四二极管D1——D4组成桥式整流电路30。第三电阻R3、第三电容C3、第四电容C4及第一稳压二极管DW1组成滤波稳压电路40。 

前述的第一及第二降压电路10、20、整流电路30、滤波稳压电路40等单元电路在本实用新型中起到了以下的双重作用：一、常规作用为后级电路提供稳定的直流电压。二、特殊作用为信号电流I1、交流平衡电流I2提供流通通道，此作用将在后面详细叙述。 

第一三极管V1、第二三极管V2、第一继电器J1、第二继电器J2、集成双运算放大器IC-1、IC-2以及它们的外围器件共同组成了执行电路50。集成双运算放大器IC-1、IC-2在本实用新型中均设计成为电压比较器。U3为参考电压、U2为信号电压。参考电压U3分别加至集成双运算放大器中IC-1的同相输入端3脚和IC-2的反向输入端6脚；信号电压U2也分别加至集成双运算放大器中IC-1的反向输入端2脚和集成双运算放大器中IC-2的同相输入端5脚。 

第十一电阻R11、第十二电阻R12、第五电容C5、第六电容C6组成信号保持电路60。由于第五电容C5、第六电容C6的作用，当AC220V正半周、信号电流I1＝0时，信号电压U2仍可继续维持。信号二极管D6、平衡二极管D7、信号门槛电阻R13、平衡门槛电阻R14，共同组成信号采集及交流平衡电路70。当AC220V负半周时，由于信号二极管D6正向偏置、平衡二极管D7反向偏置，因此I2＝0，I1流通。同理，AC220V正半周时I1＝0，I2流通。 

本实施例有以下特征： 

1、第一电阻R1与第一电容C1并联后一端与L线连接另一端与第一二极管D1的负极及第二二极管D2的正极连接；第二电阻R2与第二电容C2并联后一端与N线连接另一端与第三二极管D3的正极及第四二极管D4的负极连接。 

2、信号门槛电阻R13与信号二极管D6串联后一端与高水位电极AG连接，另一端(D6的负极端)与第五电容C5、第六电容C6及第十一电阻R11连接；平衡门槛电阻R14与平衡二极管D7串联后一端(D7正极端)与线路地连接，另一端与高水位电极AG连接。 

3、第二继电器的动合触点DH2的一端与低水位电极AD连接另一端 与高水位电极AG连接。 

4、接地电极AE的一端连接大地另一端伸入水体中。 

本实施例的工作过程分为上水位控制和下水位控制二个过程： 

一、上水位控制：当本实用新型开机运行时，若水位低于高水位G，则隐形端口输入的AC220V未与控制系统(所述的控制系统是指实施例中的电路部份)接通，故信号电流I1＝0、交流平衡电流I2＝0、信号电压U2＝0，此时集成双运算放大器中IC-1的1脚输出高电平，第一三极管V1导通，第一继电器J1得电，其动合触点DH1吸合，负载RL(例如为泵)通电，泵起动泵水，容器100中的水位逐步上升，当水位到达高水位G时，AC220V通过由L线和大地组成的隐形输入端口输入到控制系统中，信号电流I1、交流平衡电流I2受AC220V的驱动，都按各自的路径流通：在AC220V的负半周：平衡二极管D7反偏、I2＝0，I1则按以下路径流通：N线→大地电阻RE→AE→水体→AG→R13→D6→R11→R12→线路地⊥→D1→R1和C1→L线。 

由于信号电流I1的流通，第十二电阻R12的两端便产生了信号电压U2。并且，电路元件的配置可保证U2＞U3。此时：集成双运算放大器中IC-1的1脚输出低电平，第一三极管V1截止，第一继电器J1失电，其动合触点DH1断开，泵断电停止泵水，容器100中的水位保持在高水位G处。 

与此同时，由于U2＞U3，集成双运算放大器中IC-2的7脚输出高电平，第二三极管V2导通，第二继电器J2得电，其动合触点DH2闭合，将低水位电极AD接入控制系统中。 

在AC220V的正半周，信号二极管D6反偏，I1＝0，交流平衡电流I2则按以下路径流通： 

叙述至此，本实用新型需说明三点： 

(1)I1、I2流通的路径不相同，为了达到|I1|＝|I2|的目的，本实用新型通过综合调整电阻R11、R12、R13、R14的阻值的办法来达到|I1|＝|I2|、U2＞U3的目的。 

(2)I1、I2大小相等，方向相反，若将它们合在时间轴上，则为正弦交流电流，因此水中AG、AD、AE三个电极上流通的均是交流电流，它们既不结垢，也不电腐蚀。 

(3)I2流通时，为不干扰V1、V2的工作状态和不影响U3的值，本实用新型采取了以下的技术措施：信号门槛电阻R13、平衡门槛电阻R14均采用大阻值电阻，使I1的大小主要由信号门槛电阻R13的阻值决定、I2的大小也主要由平衡门槛电阻R14的阻值决定，并且，取I1、I2为微安级的电流。这样的设计，可为本实用新型带来以下的有益效果： 

a)因为I1、I2是微安级的电流，所以它们在系统中流通，不会干扰V1、V2，IC-1、IC-2等元件所在的单元电路的工作。也能使系统中降压电路、整流电路、滤波与稳压电路、执行电路等单元电路既能完成各自承担的常规任务，也能成为I1、I2流通的渠道。采用这种“一种单元电路，实现二种用途”的“单元电路复用”技术，可以降低系统的制造成本和提高系统的可靠性。 

b)因为门槛电阻R13、R14均是高阻值的电阻，尤若设置了一道“高门槛”。只有如AC220V这样的强信号，才有可能越过此“高门槛”、输入至系统并控制系统的运行；几伏、几十伏的干扰信号，根本无法逾越此“高门槛”，因此，本实用新型的抗干扰性能超常的优良。 

c)门槛电阻配合L线、N线的对称降压电路，对AC220V再次降压，使输入水中的交流电压降为安全电压，解除了涉水人员的触电之忧。 

二、下水位控制：泵停、容器100开始放水后，水位逐步降至高水位G以下，高水位电极AG露出水面，由于低水位电极AD已接入控制系统中，因此I1、I2改由AE→AD的路径继续保持流通，第一三极管V1截止、第二三极管V2导通的工作状态继续保持。容器100继续放水、当水位低于低水位D时，控制信号AC220V断开，I1＝I2＝0，U2＝0，DH1闭合，泵得电又开始泵水，系统归零复位。如此，周而复始的工作，可以实现本实用新型自动控制水位的目的。 

本实施例进一步的技术措施为：当容器为金属容器时，接地电极AE可以省略，改由用导体接大地的金属容器取代接地电极AE。 

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

Claims (6)

1.一种控制信号采自大地的水位控制装置，包括接地电极，第一、第二降压电路，整流电路，滤波稳压电路，执行电路，信号保持电路，信号采集及交流平衡电路，其特征在于：

AC220V电源供电经L线的第一降压电路、N线的与L线对称的第二降压电路输入，再经整流电路整流，滤波稳压电路稳压后，为后级执行电路提供稳定的直流电压。

2.根据权利要求1所述的控制信号采自大地的水位控制装置，其特征在于：

第一降压电路的一端与L线连接、另一端与整流电路连接；第二降压电路的一端与N线连接、另一端与整流电路连接。

3.根据权利要求1所述的控制信号采自大地的水位控制装置，其特征在于：

整流电路的输出端接滤波稳压电路、滤波稳压电路的输出端接执行电路。

4.根据权利要求1所述的控制信号采自大地的水位控制装置，其特征在于：

信号采集及交流平衡电路的一端接高水位电极及第二执行开关、另一端接信号保持电路。

5.根据权利要求1所述的控制信号采自大地的水位控制装置，其特征在于：

信号保持电路的输出端接执行电路。

6.根据权利要求1所述的控制信号采自大地的水位控制装置，其特征在于： 

整流电路、滤波稳压电路、执行电路、信号保持电路、信号采集及交流平衡电路均与线路“地”相连接。 

Images