水位報(bào)警裝置在匯流池的應(yīng)用

王津紅

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710032）

0 引言

匯流池水位報(bào)警裝置,是匯流池供水調(diào)節(jié)過程中的重要附屬設(shè)備之一。在未安裝水位報(bào)警裝置以前，匯流池內(nèi)的水位情況主要通過人工方式定時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。若觀測(cè)巡視不及時(shí)，極易產(chǎn)生各類供水事故，嚴(yán)重影響城市供水安全，造成經(jīng)濟(jì)損失。基于以上背景，設(shè)計(jì)了匯流池水位報(bào)警系統(tǒng)，并在黑河藺家灣匯流池投入了測(cè)試應(yīng)用。當(dāng)匯流池水位上升或下降超過警戒水位時(shí)，水位報(bào)警器會(huì)發(fā)出警報(bào)和警鈴報(bào)警,通知工作人員及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)或退水，保證了供水安全。

1 報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)

本裝置由兩部分組成：水位檢測(cè)系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)。

本裝置的水位檢測(cè)系統(tǒng)安裝在匯流內(nèi)部，用于感應(yīng)匯流池的水位；報(bào)警系統(tǒng)安裝在值班室中，接收水位檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)，當(dāng)水位檢測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)時(shí)，點(diǎn)亮報(bào)警燈，通知工作人員水位超限，要進(jìn)行處理。當(dāng)報(bào)警信號(hào)取消后，報(bào)警燈熄滅。本裝置的功能框圖如圖1所示。

管道井的作用有兩個(gè)，一是固定浮子開關(guān)，便于維護(hù)；二是便于測(cè)量，水位濾波后減少了誤差和誤報(bào)。

圖1 系統(tǒng)框圖

本裝置中的水位感應(yīng)信號(hào)采用四個(gè)浮子開關(guān)組成，兩個(gè)一組，分別感應(yīng)上限水位和下限水位。采用兩級(jí)開關(guān)，防止開關(guān)損壞而造成報(bào)警失敗的冗余設(shè)計(jì)；利用兩個(gè)浮子開關(guān)形成滯回特性，防止誤報(bào)警。只有當(dāng)兩個(gè)浮子開關(guān)同時(shí)閉合或斷開時(shí)才能認(rèn)為浮子開關(guān)可靠地閉合或斷開。

當(dāng)水位上升，導(dǎo)致K1和K2被淹沒時(shí)，這時(shí)上限報(bào)警信號(hào)燈就會(huì)亮起，表示水位已經(jīng)超出上限了，同時(shí)報(bào)警電鈴也會(huì)周期性地響起，提醒工作人員水位已經(jīng)超限。當(dāng)水位下降，導(dǎo)致K3和K4露出水面時(shí)，下限報(bào)警信號(hào)燈就會(huì)亮起，這時(shí)表示水位已經(jīng)低于下限，同時(shí)報(bào)警電鈴也會(huì)周期性地響起，提醒工作人員水位已經(jīng)超限。采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

2 報(bào)警系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

報(bào)警系統(tǒng)的電路采用集成數(shù)字電路設(shè)計(jì)，保證了高可靠性，降低了成本，也方便了排查故障和更換元器件。

報(bào)警系統(tǒng)的電路由五部分組成：時(shí)鐘產(chǎn)生單元、信號(hào)采集單元、結(jié)果產(chǎn)生單元、故障診斷單元和驅(qū)動(dòng)單元。時(shí)鐘發(fā)生單元產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)，用于協(xié)調(diào)數(shù)字電路各部分的工作；信號(hào)采集單元在時(shí)鐘的控制下不斷采集浮子開關(guān)的開關(guān)信號(hào)，并保證信號(hào)的穩(wěn)定可靠；結(jié)果輸出單元用于產(chǎn)生可靠的報(bào)警信號(hào)；故障診斷單元用于判斷浮子開關(guān)的故障，防止報(bào)警失敗；驅(qū)動(dòng)單元用來將上一單元產(chǎn)生的信號(hào)放大到足以驅(qū)動(dòng)報(bào)警燈和報(bào)警鈴。

■2.1 時(shí)鐘產(chǎn)生單元

時(shí)鐘產(chǎn)生單元的電路圖如圖2所示。

圖2中U1為TI公司生產(chǎn)的555定時(shí)器芯片TLC555，完全兼容CMOS技術(shù)生產(chǎn)的芯片，具有低功耗、高阻抗等優(yōu)點(diǎn)。U2也是TI公司生產(chǎn)的邏輯電路芯片SN74HC107，它是雙JK觸發(fā)器芯片，帶有清除端。C1為10μF的電解電容，為時(shí)鐘產(chǎn)生電路提供充放電回路。

圖2 時(shí)鐘產(chǎn)生單元電路

圖2上半部分電路是常見的方波產(chǎn)生電路，當(dāng)接通電源時(shí)，電容C1被充電，CEXT處電壓上升，當(dāng)CEXT處電壓上升到電源電壓的2/3時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，同時(shí)內(nèi)部放電三極管導(dǎo)通，此時(shí)fout555為低電平，電容通過C1、R2和內(nèi)部三極管放電，使CEXT處電壓下降。當(dāng)CEXT處電壓下降到電源電壓的1/3時(shí)，觸發(fā)器又被置位，fout555翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C1放電所需時(shí)間為：

當(dāng)C1放電結(jié)束時(shí)，內(nèi)部三極管截止，電源將通過R1、R2向電容C1器充電，CEXT處電壓由電源電壓的1/3上至電源電壓的2/3所需的時(shí)間為：

當(dāng)CEXT處電壓上升到電源電壓的2/3時(shí)，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得到一個(gè)周期性的方波，其頻率為：

由于555定時(shí)器內(nèi)部的比較器靈敏度較高，而且采用差分電路的形式，因此它的振蕩頻率受電源電壓和溫度變化影響很小。

由上述公式可知，輸出波形的高電平和低電平是不同的，因此不是標(biāo)準(zhǔn)的方波，同時(shí)由電路中的參數(shù)可知，當(dāng)C1=10μF、R1=R2=100kΩ時(shí)輸出頻率為0.48Hz左右，對(duì)于信號(hào)采集而言，這個(gè)值也過大，因此電路中又加入U(xiǎn)2。

U2是雙JK觸發(fā)器，當(dāng)它的JK端均為高電平時(shí)，每來一個(gè)時(shí)鐘上升沿，它的輸出就翻轉(zhuǎn)一次，相當(dāng)于二分頻，兩個(gè)觸發(fā)器的作用就相當(dāng)于將fout555進(jìn)行了四分頻，同時(shí)將時(shí)鐘變成占空比為50%的標(biāo)準(zhǔn)方波。

這樣在時(shí)鐘產(chǎn)生電路的末端，就生成一個(gè)頻率為0.12Hz左右的方波信號(hào)，它就是我們所需要的時(shí)鐘信號(hào)。

■2.2 信號(hào)采集單元

信號(hào)采集單元的電路圖如圖3所示。

圖3中U11為TI公司生產(chǎn)的邏輯芯片移位寄存器，型號(hào)是SN74HC164，它在前述時(shí)鐘信號(hào)f的控制下進(jìn)行工作。當(dāng)浮子開關(guān)K1未被淹沒時(shí)，U11的AB端輸入信號(hào)為0，則CLK引腳不管來多少個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，數(shù)據(jù)輸出端QA-QH均輸出0。U15為TI公司生產(chǎn)的邏輯芯片雙四輸入與非門，型號(hào)是SN74HC20，它的邏輯關(guān)系是，只有所有輸入為1時(shí)才輸出0，所以當(dāng)K1未被淹沒時(shí)，U15的兩個(gè)輸出不會(huì)同時(shí)為高電平1。U16是TI公司生產(chǎn)的邏輯芯片或非門，它的邏輯關(guān)系是只要有一個(gè)輸入是1則輸出0，所以只有U15的兩個(gè)輸出同時(shí)為0時(shí)，它才會(huì)輸出高電平。

當(dāng)水位逐漸高于K1時(shí)，受匯流池中波浪作用，每次時(shí)鐘信號(hào)f的上升沿到來時(shí)，U11的AB端信號(hào)有時(shí)為0有時(shí)為1，這時(shí)U15的輸出依然是高電平1。只有當(dāng)K1被完全淹沒后，U11的AB端輸入始終為0，這時(shí)U15的兩個(gè)輸出才同時(shí)為1，則U16輸出高電平，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

圖3 信號(hào)采集單元電路

因?yàn)闀r(shí)鐘信號(hào)的頻率為0.12Hz左右，而要想輸出報(bào)警信號(hào)，必須要在連續(xù)8個(gè)時(shí)鐘的上升沿時(shí)，K1均要閉合，也就是相當(dāng)于8/0.12=66秒。也就是說，只有當(dāng)K1閉合一分鐘左右時(shí)才會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，這樣做是為防止波浪導(dǎo)致的誤報(bào)。

上述是上限信號(hào)報(bào)警產(chǎn)生的電路，對(duì)于下限報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生電路而言，它們基本是一樣的，只是下拉電阻R11改成上拉，同時(shí)浮子開關(guān)的另一端接地即可。

■2.3 結(jié)果產(chǎn)生單元

結(jié)果產(chǎn)生單元的電路圖如圖4所示。

本功能模塊保證報(bào)警可靠，當(dāng)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)后，水位向相反方向變化時(shí)，并不會(huì)立即取消報(bào)警，而是要保證水位完全變化到安全位置后才取消報(bào)警，結(jié)果產(chǎn)生單元就是為了實(shí)現(xiàn)此功能

電路中使用了TI公司生產(chǎn)的邏輯芯片四二輸入與門U17和四二輸入或門U18。此電路功能比較簡(jiǎn)單，在此不再贅述。

當(dāng)工作人員對(duì)上限報(bào)區(qū)信號(hào)處理后，水位開始下降，但報(bào)警信號(hào)并不馬上關(guān)閉，只有當(dāng)水位下降到K1、K2完全露出水面，即大約一分鐘的時(shí)間內(nèi)信號(hào)采集單元采集到的浮子開關(guān)的狀態(tài)全部是斷開后，報(bào)警信號(hào)才會(huì)取消，對(duì)于下限報(bào)警信號(hào)也是當(dāng)水位完全淹沒K3、K4后才取消報(bào)警。

■2.4 故障提示單元

因?yàn)槊總€(gè)位置安裝兩個(gè)浮子開關(guān)來提高電路的可靠性，所以正常情況下兩個(gè)浮子應(yīng)該是同時(shí)可靠閉合或斷開的。當(dāng)其中一個(gè)出現(xiàn)故障或偶爾有較大波浪干擾情況下，也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)斷開一個(gè)閉合的情況，這時(shí)會(huì)故障指示燈會(huì)點(diǎn)亮，告知工作人員應(yīng)該檢查浮子開關(guān)是否卡死或者有臟東西導(dǎo)致短路。這一部分電路如圖5所示。

圖4 結(jié)果輸出單元電路

圖5 故障診斷單元電路

此電路中使用了TI公司生產(chǎn)的邏輯芯片四二輸入異或門U19。當(dāng)同一組的兩個(gè)浮子開關(guān)的狀態(tài)不一致時(shí)，芯片的輸出端會(huì)輸出高電平，驅(qū)動(dòng)故障燈亮起。如果工作情況允許，工作人員應(yīng)及時(shí)檢查浮子對(duì)應(yīng)組的浮子開關(guān)哪一個(gè)出現(xiàn)了故障。

■2.5 驅(qū)動(dòng)單元

驅(qū)動(dòng)單元使用繼電器來驅(qū)動(dòng)報(bào)警燈及報(bào)警電鈴，電路如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)單元電路

3 結(jié)束語

本該裝置投入運(yùn)行后，一直工作狀態(tài)良好，水位的上下限位置可以調(diào)整，動(dòng)作靈敏、能夠及時(shí)把報(bào)警信號(hào)和故障信號(hào)送到工作人員值班室，提醒工作人員及時(shí)應(yīng)對(duì)處理，達(dá)到了預(yù)期目的。本裝置未來的改進(jìn)方式就是要引進(jìn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段，使用液位傳感器來監(jiān)測(cè)水位，通過無線傳輸方式把水位數(shù)據(jù)送到值班室，利用上位機(jī)設(shè)定上下限及水位的監(jiān)測(cè)頻次，處理得到的數(shù)據(jù)。