В небольших городах и особенно в сельской местности, очень часто возникают проблемы с водоснабжением. Некоторые из этих проблем может решить устройство, описанное в этой статье.
Животноводческие хозяйства ежедневно расходуют большое количество воды на поение скота, приготовление кормов, мойку доильной аппаратуры, посуды, помещений для животных. Механизированная подача воды на животноводческие фермы освобождает персонал от трудоемких работ и отвечает требованиям современного общественного животноводства.
Автоматизация водокачек обеспечивает надежное водоснабжение без дежурного персонала, улучшает использование малодебитных источников воды, так как отбор воды осуществляется более равномерно. В автоматических системах водоснабжения чаще всего используются поплавковые и электродные датчики уровня воды в резервуарах. Поплавковые датчики состоят из поплавка и узла, который преобразует его перемещение в выходной электрический сигнал. Недостаток поплавковых датчиков – наличие подвижных частей. В зимнее время из-за их обмерзания поплавковый датчик, как правило, не работает.
Электродные датчики регистрируют изменение уровня жидкости по изменению активной проводимости междуэлектродного пространства. Электродные датчики не имеют подвижных частей, но в зимнее время они покрываются льдом, а лед, как известно, не проводит ток, и электродный датчик не дает информацию об уровне воды. Многие читатели в зимнее время наблюдали такую картину: водонапорная башня представляет собой огромную глыбу льда. Это происходит из-за того, что датчик верхнего уровня покрывается льдом за время, пока вода спустится до датчика нижнего уровня и поднимется обратно. Происходит перелив воды, и вода начинает течь с самого верха башни и, естественно, превращается в лед.
В описываемом ниже устройстве использован емкостной датчик уровня жидкости. Преимущество таких датчиков – надежность работы в самых неблагоприятных условиях, отсутствие подвижных частей и простота обслуживания. Принцип работы основан на измерении электрической емкости датчика при изменении уровня контролируемой среды вдоль оси датчика. Диапазон изменения зависит от типа датчика, его длины, характеристики измеряемой среды и монтажа датчика на резервуар. Емкостной датчик представляет собой электрод, погруженный в измеряемую среду. По конструкции электрода датчики подразделяются на стержневые, пластинчатые, тросовые и т.д. Обкладками датчика служат металлические стенки резервуара и зонд. Емкость конденсатора, образованного зондом и стенками, зависит от диэлектрической проницаемости вакуума, диэлектрической проницаемости измеряемой среды, длины датчика и уровня среды (воды). Приблизительно на метр уровня воды емкость датчика изменяется на 1000 пФ. Зонд должен быть изолирован от воды (достаточно использовать изолированный электрический провод). Если резервуар сделан не из металла, то необходимо опустить два провода, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Используя справочник по физике, можно определить величину емкости такого конденсатора.
Двухпозиционный регулятор уровня воды в резервуаре работает по следующему принципу: при заполнении резервуара до верхнего порогового уровня (ВУ) насос отключается, и идет расход воды до определенного нижнего уровня (НУ). Затем электронный блок включает насос, и он подает воду в резервуар до его заполнения до ВУ. Далее процесс повторяется.
Робота пристрою
З рис.1 показана принципиальная электрическая схема двухпозиционного регулятора уровня воды в резервуаре. Регулятор позволяет также «видеть» уровень воды в резервуаре с помощью четырех светодиодов VD5-VD8. Светодиод VD4 информирует о работе насоса.
Рис. 1
Работает схема следующим образом. Логический элемент DD1.1 формирует положительный импульс, соответствующий моменту перехода сети через нуль, который подается на один из входов логических элементов DD1.2, DD2.1, DD2.3. Инвертированный импульс с логического элемента DD1.3 поступает на три интегрирующие цепочки, которые формируют временной интервал, соответствующий нижнему уровня, верхнему уровню и текущему уровню воды в резервуаре. Логические элементы DD1.2, DD2.1, DD2.3 в сочетании с интегрирующими цепочками R2R5C1 (НУ), R3R6C2 (ВУ), R4R7C3Cд (текущий уровень) формируют три импульса, соответствующие нижнему, верхнему и текущему уровням воды в резервуаре. Логические элементы DD1.3, DD1.4 инвертируют импульсы НУ, ВУ, которые с них поступают на информационные входы D-триггеров DD3.1, DD3.2. Построечными резисторами R5-R7 устанавливают длительности импульсов НУ, ВУ и текущего уровней (т.е. они являются задатчиками НУ, ВУ и ТУ).
Выходной импульс с логического элемента DD2.3 поступает на тактовые входы обоих D-триггеров. D-триггеры DD3.1, DD3.2 выполняют функцию сравнения импульсов по длительности. Как известно, сигнал с информационного входа D-триггера передается на его выход по фронту тактового импульса. Если в момент действия фронта тактового импульса (ТУ) на информационном входе присутствует высокий уровень, то он передается на прямой выход триггера, а если низкий, то на выходе действует низкий уровень. Этот уровень сохраняется до прихода следующего тактового импульса. На логических элементах DD4.1, DD4.3 выполнен логический полусумматор, который совместно с RS-триггером DD4.2, DD4.4 осуществляют двухпозиционный алгоритм регулирования. Выходной сигнал триггера с помощью транзистора VT1 включает реле К1. Контакты реле должны быть включены в цепь управление насосом. Логические элементы DD5.1-DD5.5 служат в качестве буфера питания светодиодов VD1-VD5. Желательно использовать сверхьяркие светодиоды. Светодиоды (<НУ, >ВУ) используются красного цвета свечения, остальные – зеленого. Цепочка C5R9 устанавливает триггеры в исходное состояние при включении питания регулятора.
Разводка печатной платы устройства и расположение элементов на ней показано на рис.2.
Рис. 2
Налаштування пристрою
Настройка заключается в регулировке резисторов задатчиков. Вначале добиваются свечения светодиодов (<НУ) и (<ВУ). Затем по мере наполнения резервуара регулировкой резисторов R5 и R7 выставляют нижний уровень воды таким образом, чтобы погас светодиод (<НУ) и начал светить светодиод (>НУ). При этом светодиод (<ВУ) должен светить. При достижении уровнем воды верхнего уровня регулировкой резистора R6 добиваются погасания светодиода (<ВУ) и свечения светодиода (>ВУ). При этом светодиод (НАСОС) должен погаснуть.
Надо отметить, что светодиод (>ВУ) при нормальной работе регулятора светит малое время, так как насос при достижении верхнего уровня останавливается. Но бывает так, что при ручной работе текущий уровень превышает установленный верхний уровень, о чем будет свидетельствовать свечение светодиода (>ВУ). При пробое изоляции датчика этот светодиод также будет светиться при любом уровне воды в резервуаре.
В регуляторе использовано реле JZC-20F с катушкой в 400 Ом. Контакты реле коммутируют ток 10 А Регулятор достаточно универсальный, например, установив вместо резистора R4 термистор и заменив конденсаторы Сд, СЗ, С4 одним термостабильным конденсатором, можно регулировать температуру.
Особенности работы с устройством
Для защиты устройства от возможных перенапряжений необходимо дополнительно установить быстродействующие защитные диоды (супрессоры). Принцип действия всех быстродействующих устройств защиты заключается в закорачивании цепи прохождения сигнала помехи и рассеивании имеющейся у нее энергии на защитном элементе. Быстродействие супрессоров составляет всего лишь несколько пикосекунд. Можно использовать Р4КЕ16А, Р6КЕ16СА, 1,5КА16СА. Они рассеивают мощность 400…600 Вт, а напряжение срабатывания у них 14,4… 16 В. Провод к датчику лучше использовать в виде витой пары, тогда помех будет меньше. Один провод идет к датчику, а другой – к корпусу резервуара (если он металлический) или к другому проводу, который может быть неизолированным от воды.
Автор: Вячеслав Калашник, г. Воронеж