Двухпозиционный регулятор уровня воды в резервуаре

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.

Работа устройства

На 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

Настройка устройства

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