鉆具沖洗裝置儲水罐水位控制器的原理及其應(yīng)用

李高山

摘要：隨著石油企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的飛速發(fā)展，水在生產(chǎn)中起著重要的作用。一旦斷水，輕則給生產(chǎn)帶來極大的不便，重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故及損失，因此對供水系統(tǒng)就提出了更高的要求，即及時、準(zhǔn)確、安全、充足的供水。

關(guān)鍵詞：NE555時基電路;水位控制;低成本

在工業(yè)生產(chǎn)中，水位控制裝置有著廣泛的應(yīng)用，如水塔，樓房水箱等。水位控制裝置的形式有很多種，浮子開關(guān)式、行程開關(guān)式、電節(jié)點(diǎn)式、壓力式、電子式、微機(jī)式等。這些裝置或多或少地存在著一些缺點(diǎn)：浮子開關(guān)式采用機(jī)械結(jié)構(gòu)，維護(hù)起來不方便;微機(jī)式控制裝置，雖然操作方便，但造價較貴。本設(shè)計從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，設(shè)計了一種水位自動控制裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單維護(hù)方便、工作可靠、性能價格比優(yōu)良，而且在不同程度上克服了其他方法的一些缺點(diǎn)，在多種場合下均可采用，本設(shè)計不用PLC，也不用單片機(jī)，用集成電路（NE555時基電路）的硬件控制電路便能全部達(dá)到要求，且具有控制靈敏、穩(wěn)定可靠、電路簡單、操作簡便、維護(hù)方便、性價比高的特點(diǎn)，成品可直接用于安裝在鉆具沖洗裝置儲水罐水位的自動上水和關(guān)斷。

一、工作原理

采用NE555時基集成電路組成的水位控制系統(tǒng)的電路圖如圖一所示。電路中NE555時基集成電路器IC1構(gòu)成施密特觸發(fā)器完成整個水位控制功能，設(shè)計電路圖原理（見圖一）

圖中A，B、C是三個電極檢測點(diǎn)。當(dāng)水位高于水位線A時，水泵停機(jī)，停止給水池加水：水位低于水位線B時，水泵工作，給水池加水。C電極是最低水位檢測點(diǎn)，它連接于電源VDD，當(dāng)水位低于水位線B時，C與B點(diǎn)不導(dǎo)通，導(dǎo)致IC1的2，6腳電位為零，NE555時基集成電路3腳輸出高電平，VT1導(dǎo)通，繼電器吸合，水泵給水池加水。

當(dāng)水位到達(dá)B點(diǎn)時，由于C，B兩點(diǎn)在水的作用下被短路，使IC1的2、6腳電位大于1/3VDD，此時IC1輸出端3腳維持高電平不變，水泵繼續(xù)給水池加水。

當(dāng)水位到達(dá)A點(diǎn)時，C，B，A三點(diǎn)被短路，使IC1的2，6腳電位等于4/5VDD，大于2/3 VDD，IC1的3腳輸出低電平，VT1截止，繼電器斷開，水泵停止給水池加水。

同理，當(dāng)水位下降，但還高于B點(diǎn)，此時IC1的2，6腳電位等于1/2VDD，大于13VDD，水泵仍然停止工作，只有水位低于B點(diǎn)時，此時IC1的2，6腳電位為低電平，VT1導(dǎo)通，繼電器吸合，水泵開始向水池加水。如此循環(huán)往復(fù)使水池中的水位保持在B、A之間

二、主要元件說明及工作原理

1、NE555定時器

NE555定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它的電源電壓范圍寬，可在4.5V～16V工作，輸出驅(qū)動電流約為200mA，最大工作頻率500KHz，延遲時間可以從數(shù)微妙至數(shù)小時范圍內(nèi)設(shè)定，因而其輸出可與TTL、CMOS或者模擬電路電平兼容。

電路工作原理：

NE555定時器內(nèi)部電路含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)管T，比較器的參考電壓由三只5KQ的電阻器構(gòu)成的分壓器提供。A1與A2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號自6腳，即高電平觸發(fā)輸入并超過參考電平2/3VCC時，觸發(fā)器復(fù)位，NE555的輸出端3腳輸出低電平，同時放電開關(guān)管導(dǎo)通;當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于1/3VCC時，觸發(fā)器置位，NE555的3腳輸出高電平，同時放電開關(guān)管截止。R_D是復(fù)位端（4腳），當(dāng)R_D=0，NE555輸出低電平。

2、電磁繼電器

繼電器是具有隔離功能的自動開關(guān)元件，一般由鐵芯、線圏、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合，這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。

三、主要單元組成及功能

1、信號產(chǎn)生單元

信號產(chǎn)生單元主要由IC1 NE555芯片的引腳引出的探極和儲水罐組成。

該單元的作用是產(chǎn)生有效的輸入信號。主要原理是利用水的弱導(dǎo)電性。水屬于弱導(dǎo)電質(zhì)，可用來傳遞微弱的電信號。鑒于此原理，將該部分設(shè)計成由水面的上升與下降來控制電信號的接通與斷開：當(dāng)水位上升時斷開電信號;當(dāng)水位下降時接通電信號。

2、信號處理單元

信號處理單元主要由IC1 NE555芯片、電磁繼電器以及和它們所連接的控制電路組成。

該單元主要是對輸入信號進(jìn)行處理，然后輸出控制信號給繼電器和顯示燈。

IC1通過對水塔中探極所傳遞來的高低電平信號來控制繼電器K具體控制過程如下：當(dāng)探極C（低水位）高于水位線時，IC1的2腳為低電平，使IC1發(fā)生置位，3腳輸出的高電平使繼電器J1吸合，觸點(diǎn)K1閉合，水泵因得電而運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行抽水;當(dāng)水位上升至探極A（高水位）時，相應(yīng)IC1復(fù)位，3腳輸出的低電平使繼電器K釋放，觸點(diǎn)K1斷開，水泵因斷電而停止工作，不再繼續(xù)抽水。

4.實(shí)物制作與元件檢測

a、電路安裝設(shè)計：

根據(jù)電路圖和元器件的實(shí)際情況和布線規(guī)則進(jìn)行布線，最后安裝完成進(jìn)行不通電檢測。下邊是我學(xué)習(xí)過程中了解到的元件布局和布線的規(guī)則，安裝電路的時候必須遵從這些規(guī)則才能制作出符合要求的控制單元。

b、電磁繼電器的檢測：

本次設(shè)計實(shí)物制作中用的是JYB-714A12V8腳NE555時間控制電路，根據(jù)實(shí)物的引腳來用萬用表電阻檔分別接觸各個引腳，有電阻值為幾百歐姆的兩個引腳為線圈，除了線圈引腳外的引腳中電阻值為∞的一對則為常開觸點(diǎn)。檢查繼電器的好壞與區(qū)分線圈和常開觸點(diǎn)的方法如下;

（1）通過檢測線圈的直流電阻，可判斷繼電器是否正常。其方法是用萬用表的歐姆擋，量程可據(jù)繼電器的標(biāo)稱值，額定電壓越高，阻值也就越大，一般選擇Rx100k擋或Rx1k擋。將兩表筆分別接到線圈的兩引腳，如測得的阻值與標(biāo)稱值基本相同表明線圈良好，如電阻值為∞，表明線圈開路。

（2）檢測繼電器觸點(diǎn)。接觸電阻用萬用表的Rx1k擋，表筆分別接常閉觸點(diǎn)的兩引腳，其阻值應(yīng)為0Ω，然后將表筆再接常開觸點(diǎn)的兩引腳，阻值應(yīng)為∞。然后給繼電器通電，使銜鐵動作，將常轉(zhuǎn)為開路、將常開轉(zhuǎn)為閉合，再用上述方法進(jìn)行檢測，其阻值正好與初次測量相反，表明觸點(diǎn)良好。

四、實(shí)物調(diào)試

在儲水罐低水位，使探極C（低水位）位于水位線之下，此時綠色指示燈亮;上電后水泵工作抽水，直到水位上升到探極A（高水位）處，看水泵能否實(shí)現(xiàn)自動停止抽水同時紅色指示燈亮。經(jīng)調(diào)試后可以實(shí)現(xiàn)以上基本功能，低水位綠燈亮，水泵自動抽水;到達(dá)高水位時則紅色指示燈亮，水泵停止抽水。

五、設(shè)計總結(jié)

此次設(shè)計終于實(shí)現(xiàn)了自動控制水位的功能。設(shè)計利用基本電路做到了自動上水功能，并且此電路在實(shí)際生產(chǎn)中很好搭建，在經(jīng)濟(jì)上花費(fèi)代價比較低，可以提高供水效率。改裝近半年，一切運(yùn)行正常，避免了因人員的操作失誤照成的缺水停工，滿水缺人管理造成水資源流失，節(jié)約了人力和物力，降低了勞動強(qiáng)度，節(jié)約了水資源，切合實(shí)際應(yīng)用。

（作者單位：中石化中原石油工程有限公司管具公司中原項(xiàng)目部）