浮球式控制器的設計

劉清文

（河南工業職業技術學院機械工程學院，河南 南陽 473000）

1 現有控制方案

自動上水控制器是以水位檢測裝置[1]為核心，綜合了基礎電路技術和控制系統[2]的一種通用家庭自動控制裝置，應用于城郊以及農村家庭供給日常用水。由于水泵的工作特性，導致使用結束時必須斷電，雖然市面上已經推出了自動上水控制裝置，但是實際應用中生產成本較高，安全性與穩定性有所欠缺，故而對自動上水控制器進行了重新設計，降低生產與生產與改造程本，并將水電進行分離，從而達到安全使用的目的。

1.1 方案一：PLC+水位探針設計

通過在水箱中安置電子水位傳感器，通過傳感器不同節點與水接觸從而判斷水位高低[3]，PLC 控制原理示意圖如圖1 所示。

圖1 PLC 控制原理示意圖

優點：可以使用戶對水箱內的水位有較為明確的認識。

缺點：水箱內需要放置通電的水位監測傳感器，長時間使用保護套易發生老化腐蝕；水位傳感器可適用的水位深度范圍較為固定，當用戶對用水量需求較大時不能很好的滿足用戶需求；進行水箱改造成本較高。

1.2 方案二：擺臂浮漂設計

通過在水箱中放置擺臂浮球，根據浮球擺臂的角度從而判斷水位高低[4]。擺臂浮球原理示意圖如圖2 所示。

圖2 擺臂浮球原理示意圖

優點：用戶改造成本較低。

缺點：受限于水箱直徑限制，擺臂活動范圍受限，進而導致每次上水量有所限制；水箱內浮球中通強電，長期使用無法保證浮球密閉性，存在一定的安全隱患；浮球長時間在水中使用會導致內部觸電接觸不良，引起無法給水泵通電或者斷電的故障。

2 優化設計方案

2.1 設計原理

通過在水箱中安置垂直移動的浮球，將水位信息反饋給控制器，由控制器對水泵進行通斷電控制。

優點：用戶改造成本低；強電弱電分離，保證使用安全；可根據用戶用水量需求調整水泵抽水量，提高了產品的適用性。

經過對已有方案與優化方案的比較可知，方案一中因為對已有上水系統需要改造內容較多，導致改造費用與后續維護成本較高，且水位傳感器長度固定，不能滿足不同用戶對儲水量的要求；方案二由于是根據浮球擺臂角度判定水位高低，所以存在著擺臂過長或者過短，進而導致水泵頻繁工作，降低水泵壽命，且水箱內通強電，一旦發生漏電現象后果將十分嚴重。優化后采用浮球垂直移動位置進而判斷水位高低，可以更加精確的對水箱內水位進行控制，從而避免了水泵的頻繁工作，同時水箱內沒有通電設備，保證了長時間使用的安全性。浮球+控制器原理示意圖所圖3 所示。

圖3 浮球+控制器原理示意圖

2.2 硬件配置設計

優化后設計方案是一種電磁式上水控制器，其電路結構如圖4 所示。水位控制器控制接觸器線圈的通電與否，接觸器安裝在水泵與電源之間，對水泵的工作狀況進行控制。

圖4 電磁式自動上水器的電路結構示意圖

為了顯示正在上水，在水泵供電電路中加入通電警示器，如指示燈、或電鈴。在自動系統出現故障時可以選擇手動進行上水以及斷電操作。

水位控制器工作原理：水箱內浮球自身的重力與細繩的拉力（由彈簧拉伸后的形變提供）以及水箱內水提供的浮力三力平衡，使得浮球能夠漂浮在水箱內的水面上并收緊細繩，其結構如圖5 所示。繞線輪錐形齒輪采用同軸聯結，在工作時候同步轉動，繞線輪對細繩進行收緊或者放松操作；錐形齒輪與齒輪也采用同軸聯結；繞線輪通過彈簧提供的拉力完成對細線的卷曲，使系統時刻處于動態平衡狀態。圖5 中深黑色部分為通電線路。當環形回路中金屬觸頭與金屬板（環形回路中共色部分）接觸時，整個系統通電，水泵開始抽水工作；當金屬觸點與金屬板斷開時，整個系統斷電，水泵停止抽水工作。由于整個水位控制器安置在水箱上方外側的封箱中，并不會與水源進行直接接觸，因此繞線輪、錐形齒輪、錘形齒輪、齒輪、齒條、環形回路均采用ABS 材質制作即可滿足使用要求。齒輪嚙合部分可以使用少量油脂進行潤滑，以保證長時間使用的穩定性。浮球因為要長期與水源直接接觸，因此應采用無毒塑料制作，內部安置的有配重塊，保證整個系統始終處于平衡狀態。

圖5 水位控制器的結構示意圖

環形回路具體結構如圖6 所示，整體為橢圓形，內部有兩條凹槽滑道，圖5 中的觸頭在滑道中做來回的橢圓運動，凹槽內的滑道分為上下兩部分。上半部分沒有安置金屬板，為斷電部分，該階段的滑道部分為左側高右側低；下半部分安置的有金屬板，為通電部分，該階段的滑道部分為左側低右側高。圖5 中觸頭始終在環形回路的滑道中做橢圓往復運動，歷經斷電通電循環，從而對接觸器進行通斷電的控制。該環形回路因為是安置在水箱上方的密閉空間內，所以采用ABS 材質制作即可滿足使用要求。

圖6 環形回路的結構示意圖

3 工作過程

水箱工作過程：閉合圖4 中總開關，當水箱內水位下降時，浮球跟隨水面一起向下移動，通過細繩拉動繞線輪向上轉動，繞線輪帶動錐形齒輪一起向上轉動，錐形齒輪與齒輪一起向右旋轉，齒輪帶動齒條向左移動，環形回路中的金屬觸點隨齒條一起經環形回路中上側的導槽向左移動。當水箱內水位下降到預設高度時，剛好環形回路中的金屬觸點達到導槽最左端，觸點與環形回路中下側金屬板接觸形成閉合回路，相當于開關閉合，從而導致接觸器線圈KM 通電，接觸器開關閉合，電燈跟水泵通電，進而水泵開始工作往水箱中抽水。

隨著水箱內水位的上升，浮球也在隨著水面不停上升。彈簧拉著齒條向右移動，與齒條嚙合的齒輪跟錐齒輪一起向左旋轉，帶動嚙合的錐齒輪向下旋轉，與錐齒輪同軸的繞線輪向下旋轉將細線纏繞在繞線輪上的凹槽中。當水箱內水位上升到預設高度時，環形回路中的金屬觸點剛好達到最右端，觸點斷開與金屬板的接觸，接觸器的線圈KM斷電，接觸器觸點斷開，水泵跟上水指示燈斷電停止工作，上水過程到此結束。

采用手動模式時，閉合開關給上水指示燈與水泵通電，使水泵可以進行抽水工作。調整水箱內水位時只需要根據實際需要，將細固定在繞線輪不同的槽位中，按照繞線輪不同槽位提示的不同長度預留細繩長度即可。

4 結論

1）通過對浮球上水控制器的重新設計，使其達到可以預設水箱內水位高低、實現全自動工作、增加可靠性與安全性。

2）針對傳統浮球控制方案的不穩定問題，采用環形回路設計，對水電進行分離，確保了日常使用的安全性，同時因為采用環形回路的往復循環工作方式，增加使用過程的穩定性。