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。