水位報警裝置在匯流池的應用

王津紅

（西安職業(yè)技術(shù)學院，陜西西安，710032）

0 引言

匯流池水位報警裝置,是匯流池供水調(diào)節(jié)過程中的重要附屬設備之一。在未安裝水位報警裝置以前，匯流池內(nèi)的水位情況主要通過人工方式定時進行觀測，勞動強度較大。若觀測巡視不及時，極易產(chǎn)生各類供水事故，嚴重影響城市供水安全，造成經(jīng)濟損失。基于以上背景，設計了匯流池水位報警系統(tǒng)，并在黑河藺家灣匯流池投入了測試應用。當匯流池水位上升或下降超過警戒水位時，水位報警器會發(fā)出警報和警鈴報警,通知工作人員及時進行調(diào)節(jié)或退水，保證了供水安全。

1 報警裝置的設計

本裝置由兩部分組成：水位檢測系統(tǒng)和報警系統(tǒng)。

本裝置的水位檢測系統(tǒng)安裝在匯流內(nèi)部，用于感應匯流池的水位；報警系統(tǒng)安裝在值班室中，接收水位檢測系統(tǒng)的信號，當水位檢測系統(tǒng)產(chǎn)生報警信號時，點亮報警燈，通知工作人員水位超限，要進行處理。當報警信號取消后，報警燈熄滅。本裝置的功能框圖如圖1所示。

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

圖1 系統(tǒng)框圖

本裝置中的水位感應信號采用四個浮子開關(guān)組成，兩個一組，分別感應上限水位和下限水位。采用兩級開關(guān)，防止開關(guān)損壞而造成報警失敗的冗余設計；利用兩個浮子開關(guān)形成滯回特性，防止誤報警。只有當兩個浮子開關(guān)同時閉合或斷開時才能認為浮子開關(guān)可靠地閉合或斷開。

當水位上升，導致K1和K2被淹沒時，這時上限報警信號燈就會亮起，表示水位已經(jīng)超出上限了，同時報警電鈴也會周期性地響起，提醒工作人員水位已經(jīng)超限。當水位下降，導致K3和K4露出水面時，下限報警信號燈就會亮起，這時表示水位已經(jīng)低于下限，同時報警電鈴也會周期性地響起，提醒工作人員水位已經(jīng)超限。采取相應的應對措施。

2 報警系統(tǒng)的電路設計

報警系統(tǒng)的電路采用集成數(shù)字電路設計，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。

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

■2.1 時鐘產(chǎn)生單元

時鐘產(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。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，為時鐘產(chǎn)生電路提供充放電回路。

圖2 時鐘產(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，當接通電源時，電容C1被充電，CEXT處電壓上升，當CEXT處電壓上升到電源電壓的2/3時，觸發(fā)器被復位，同時內(nèi)部放電三極管導通，此時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CEXT處電壓下降到電源電壓的1/3時，觸發(fā)器又被置位，fout555翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C1放電所需時間為：

當C1放電結(jié)束時，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所需的時間為：

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

由于555定時器內(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，因此不是標準的方波，同時由電路中的參數(shù)可知，當C1=10μF、R1=R2=100kΩ時輸出頻率為0.48Hz左右，對于信號采集而言，這個值也過大，因此電路中又加入U2。

U2是雙JK觸發(fā)器，當它的JK端均為高電平時，每來一個時鐘上升沿，它的輸出就翻轉(zhuǎn)一次，相當于二分頻，兩個觸發(fā)器的作用就相當于將fout555進行了四分頻，同時將時鐘變成占空比為50%的標準方波。

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

■2.2 信號采集單元

信號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，型號是SN74HC164，它在前述時鐘信號f的控制下進行工作。當浮子開關(guān)K1未被淹沒時，U11的AB端輸入信號為0，則CLK引腳不管來多少個時鐘信號，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，型號是SN74HC20，它的邏輯關(guān)系是，只有所有輸入為1時才輸出0，所以當K1未被淹沒時，U15的兩個輸出不會同時為高電平1。U16是TI公司生產(chǎn)的邏輯芯片或非門，它的邏輯關(guān)系是只要有一個輸入是1則輸出0，所以只有U15的兩個輸出同時為0時，它才會輸出高電平。

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

圖3 信號采集單元電路

因為時鐘信號的頻率為0.12Hz左右，而要想輸出報警信號，必須要在連續(xù)8個時鐘的上升沿時，K1均要閉合，也就是相當于8/0.12=66秒。也就是說，只有當K1閉合一分鐘左右時才會產(chǎn)生報警信號，這樣做是為防止波浪導致的誤報。

上述是上限信號報警產(chǎn)生的電路，對于下限報警信號產(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。

本功能模塊保證報警可靠，當產(chǎn)生報警信號后，水位向相反方向變化時，并不會立即取消報警，而是要保證水位完全變化到安全位置后才取消報警，結(jié)果產(chǎn)生單元就是為了實現(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。此電路功能比較簡單，在此不再贅述。

當工作人員對上限報區(qū)信號處理后，水位開始下降，但報警信號并不馬上關(guān)閉，只有當水位下降到K1、K2完全露出水面，即大約一分鐘的時間內(nèi)信號采集單元采集到的浮子開關(guān)的狀態(tài)全部是斷開后，報警信號才會取消，對于下限報警信號也是當水位完全淹沒K3、K4后才取消報警。

■2.4 故障提示單元

因為每個位置安裝兩個浮子開關(guān)來提高電路的可靠性，所以正常情況下兩個浮子應該是同時可靠閉合或斷開的。當其中一個出現(xiàn)故障或偶爾有較大波浪干擾情況下，也會出現(xiàn)一個斷開一個閉合的情況，這時會故障指示燈會點亮，告知工作人員應該檢查浮子開關(guān)是否卡死或者有臟東西導致短路。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。當同一組的兩個浮子開關(guān)的狀態(tài)不一致時，芯片的輸出端會輸出高電平，驅(qū)動故障燈亮起。如果工作情況允許，工作人員應及時檢查浮子對應組的浮子開關(guān)哪一個出現(xiàn)了故障。

■2.5 驅(qū)動單元

驅(qū)動單元使用繼電器來驅(qū)動報警燈及報警電鈴，電路如圖6所示。

圖6 驅(qū)動單元電路

3 結(jié)束語

本該裝置投入運行后，一直工作狀態(tài)良好，水位的上下限位置可以調(diào)整，動作靈敏、能夠及時把報警信號和故障信號送到工作人員值班室，提醒工作人員及時應對處理，達到了預期目的。本裝置未來的改進方式就是要引進自動化監(jiān)測手段，使用液位傳感器來監(jiān)測水位，通過無線傳輸方式把水位數(shù)據(jù)送到值班室，利用上位機設定上下限及水位的監(jiān)測頻次，處理得到的數(shù)據(jù)。