浮球式控制器的設計

劉清文

（河南工業(yè)職業(yè)技術學院機械工程學院，河南 南陽 473000）

1 現(xiàn)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(tǒng)[2]的一種通用家庭自動控制裝置，應用于城郊以及農(nóng)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(jīng)推出了自動上水控制裝置，但是實際應用中生產(chǎn)成本較高，安全性與穩(wěn)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(chǎn)與生產(chǎn)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(jié)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(yōu)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(jiān)測傳感器，長時間使用保護套易發(fā)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(jù)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(yōu)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(yōu)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(yōu)點：用戶改造成本低；強電弱電分離，保證使用安全；可根據(jù)用戶用水量需求調整水泵抽水量，提高了產(chǎn)品的適用性。

經(jīng)過對已有方案與優(yōu)化方案的比較可知，方案一中因為對已有上水系統(tǒng)需要改造內容較多，導致改造費用與后續(xù)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(jù)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(fā)生漏電現(xiàn)象后果將十分嚴重。優(yōu)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(yōu)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(tǒng)出現(xiàn)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(lián)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(lián)結；繞線輪通過彈簧提供的拉力完成對細線的卷曲，使系統(tǒng)時刻處于動態(tài)平衡狀態(tài)。圖5 中深黑色部分為通電線路。當環(huán)形回路中金屬觸頭與金屬板（環(huán)形回路中共色部分）接觸時，整個系統(tǒng)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(tǒng)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(huán)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(wěn)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(tǒng)始終處于平衡狀態(tài)。

圖5 水位控制器的結構示意圖

環(huán)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(huán)形回路的滑道中做橢圓往復運動，歷經(jīng)斷電通電循環(huán)，從而對接觸器進行通斷電的控制。該環(huán)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(huán)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(huán)形回路中的金屬觸點隨齒條一起經(jīng)環(huán)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(huán)形回路中的金屬觸點達到導槽最左端，觸點與環(huán)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(huán)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(jù)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(xiàn)全自動工作、增加可靠性與安全性。

2）針對傳統(tǒng)浮球控制方案的不穩(wěn)定問題，采用環(huán)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(huán)形回路的往復循環(huán)工作方式，增加使用過程的穩(wěn)定性。