液位控制设计报告

2009级课程设计报告

液位自动控制

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目录

课题名称：液位自动控制 (3)

1.概述 (3)

2.系统组成框图 (4)

2.1系统工作原理框图 (4)

2.2功能原理： (4)

3.单元电路设计 (5)

3.1液位传感器基本工作原理 (5)

3.2液位信号处理电路 (5)

3.3液位信号处理电路参数计算： (5)

3.4控制输出电路设计 (6)

3.5浪涌抑制与防雷电路设计 (6)

3.6系统电源电路设计 (6)

3.7电源电路参数计算 (7)

4.系统电路设计 (7)

4.1电路原理图 (8)

4.2系统电路布线图 (8)

5.心得体会 (9)

附页1 (10)

表1 液位控制系统元器件明细表 (10)

设计任务书

课题名称：液位自动控制

设计要求：

A.水塔液位自动控制，水不溢出，不缺水，无需人值班看守；

B.液位传感器成本最低；

C.系统电路简单，低成本；

D.符合国家卫生标准；

E.符合EMC(EMI/EMS电磁兼容)标准;

F.符合用电安全（外壳安全接地≤4Ω；U、V、W相线对地电阻≥20MΩ）。

已知条件：主要元件液位传感器、继电器G6B、稳压管LM7812、整流器BB107 、EMC 电磁兼容等。

功能要求：水塔液位自动控制，水不溢出，不缺水，无需人值班看守。

学习要求：了解液位传感器、继电器G6B、稳压管LM7812、整流器BB107 、EMC电磁兼容的基本原理；掌握继电器、稳压管、整流器等主要器件参数的测试方法。

1.概述

目前在用的水位控制方式主要有以下几种：

1）电极式水位控制系统：

使用多个电极线与水面接触，探测水位，价格便宜。

缺点：属于开关量控制，无法给出实际水位。探测电极容易腐蚀，安装不便。如有污物会粘附在电极上，使水位失控。

2）浮球水位控制器

分管式浮球与缆浮球。管式浮球适合清水及粘度不大的液体。缆浮球适合污水。

优点：价格适中，可以做出高、低、超高、超低四点控制。

缺点：属于开关量控制，无法给出实际水位。浮球上易粘附污物，使浮球不能可靠动作，管式浮球容易卡滞，缆浮球容易缠绕，所有浮球都有触点接触不良现象。结果都是系统失控。调整控制点（水面高低）很不方便。

3）液位变送器+智能控制器方式

优点：属于模拟量控制，可以实时显示水位数值，对于水位失控或设备故障可以提前预警。集成了双泵智能控制，控制系统接线简单。可设高、低、超高、超低四点控制，控制点（水面位置）在控制器上设定，极其方便。智能控制器可与电脑联网，可以远程监视水位及设备运行情况。

缺点：价格高。

4）超声波液位控制器

优点：属于模拟量控制，可以实时显示水位数值，对于水位失控或设备故障可以提前预警。集成了双泵智能控制，控制系统接线简单。可设高、低、超高、超低四点控制，

控制点（水面位置）在控制器上设定，极其方便。智能控制器可与电脑联网，可以远程监视水位及设备运行情况。探头不与待测物质接触，适合污水及有毒有害液体的液位控制。

缺点：价格高。不适合水面有大量气泡的场合

通过以上对不同液位传感器性能的分析和设计任务书的设计要求，选择电极式液位传感器组成液位自动控制电路。其特点为，液位自动控制，不溢出，不缺水，无需人值班看守；采用电极式液位传感器,该产品执行标准GB/T13638-92，。其工作原理是，通过无缝钢管筒体内所安装预先设定的不同长度的不锈钢电极棒，在水位变化过程中与水接触或脱离，从而向二次仪表送出不同液位的信号（高水位、中水位与低水位），通过二次仪表实现液位显示、自控、满水、缺水报警等，达到确保安全运行，减轻劳动强度的目的。系统电路简单，低成本，符合国家卫生标准。

2.系统组成框图

2.1系统工作原理框图

系统工作原理框图如图1所示。

图1 系统组成框图

2.2功能原理：

电极式传感器安装在容器的上方，电极插入液体（分高液位、中液位、低液位），使高液位电极对准液体的上限，中液位电极对准液体的1/3处，低液位电极对准液体下限。测量时，电极上通有交流信号电压，当水位上升接触到高液位电极时，该电极就把交流信号电压传输给信号放大器，放大后的信号控制继电器开关停止蓄水。当水位下降离开中液位电极时，该电极就没有信号电压传输给放大器，继电器开始接通蓄水。因此通过水与电极接触与不接触，就可以正确测量出水位高低位置，控制水位在最高液位的1/3以上，保证用户能不间断用水。

1）液位传感器采用电极式液位传感器；

2）液位信号处理采用BJT放大；

3）控制输出电器星三角电机控制电路；

4）浪涌抑制与防雷EMC；

5）系统电源220V/50Hz市电；

3.单元电路设计

3.1 液位传感器基本工作原理

电极式液位传感器的基本原理是利用液体水有一定水阻的物理性质，设置长度不等的三根导体作为具有相应功能的电极，利用液位水位的变化的状态所形成的电信号来完成液位变化转换成相应电信号的电极式液位传感器的功能。

主要技术参数：

1.使用介质：非腐蚀性液体，比重≦1

2.工作压力：≤2.5Mpa

3.工作温度：≤250℃

4.相对湿度：≤85%

3.2液位信号处理电路

图2 液位信号处理原理图

其工作原理是，无水时，BJT截止，继电器常闭触点接通负载回路，开始泵水。水位上升，水淹没中水位电极（BJT截止）继续上水，当水上升，淹没高水位电极，高水位电极与低水位电极由水连通，构成BJT固定偏置电路BJT饱和，继电器吸合，常开触点闭合，电机水泵停止供水。依次循环工作，保证不间断供水。

3.3 液位信号处理电路参数计算：

继电器工作电压为+12V，工作电流为20mA,故BJT基极电流=20mA,BJT放大倍数β

=100，故 ,所以，= .

可知，水阻为300.因此，选取=10 , .

发光二极管工作电压1V-2V,工作电流2mA-10mA.故===5.5.

因此，选故==5.1.

在BJT基极加一个稳压二极管D4,其反相击穿电压为2.1V，BJT的 =6V.当基极电流达到2.1V﹤6V时，稳压二级管先被击穿，从而起到保护BJT的作用.

在继电器K1两端加续流二极管，可以保证集电极电流突变时，将继电器内电感产生的电压释放，从而保护BJT的CE结不被击穿。

3.4 控制输出电路设计

有液位输出信号控制继电器K1工作，然后控制三相交流工作。

图3 电器星三角电机控制电路

3.5浪涌抑制与防雷电路设计

采用TVS防雷击，抑制浪涌电流。TVS是普遍使用的一种新型高效电路保护器件，它具有极快的响应时间(亚纳秒级)和相当高的浪涌吸收能力。当它的两端经受瞬间的高能量冲击时，TVS能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，以吸收一个瞬间大电流，从而把它的两端电压钳制在一个预定的数值上，从而保护后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。正因为如此，TVS可用于保护设备或电路免受静电、电感性负载切换时产生的瞬变电压，以及感应雷所产生的过电压。

3.6系统电源电路设计

图4 电源电路原理图

该电源电路简单，主要分为防雷电路部分和开关电源电路部分，采用复合式对称电路，共模、差摸保护。它用变压器把市电220V降压为17V（图中未显示），该低压经D1︿D4整流，再用C2、C4的大容量电解电容器滤波，再通过12V稳压块可获得纹波很低的直流（DC）12V电压。

3.7电源电路参数计算

查阅相关资料可知，二极管整流电路，其输出电压最大50V,电流最大1A.三单稳压块选用LM7812,其输入电流亦为1A,输入电压为14.5V-27V,输出电压为12V。由LM7812的资料可知，稳压块输入端接电容,输出端接电容

=240mA,,,,.

故

滤波电容

选取标称值

, ,

4.系统电路设计

根据以上系统单元电路设计，将各级单元电路按系统原理框图进行组合设计，构成系统工作原理电路图。

4.1电路原理图

图5 系统电路原理图4.2 系统电路布线图

图6 PCB图顶层布线图

图7 PCB图底层布线图

5.心得体会

在这次试验设计和调试的过程中，使我充分的认识，实验是对自己课本知识的应用，与学习的理论知识有一定的差距，不可照搬课本。应该基于课本进行思考，并应用于实践。同时，要把实验看做提高自己能力的方式，而不是去凑热闹，老师说怎么做就怎么做，应该独立思考，完成实验。焊接时，对于整体的电路不可以有一个该连接的而没连接的引脚或电路。虽然表面上看其来它对其没有太大影响但是事实并非如此，所以当我们再焊接时千万不可有一点马虎。在开始调试过程中，出现急躁现象，使得调试思路不清晰，没有进展。最后在老师的指导下才理清思路，从而也让我深刻的记着调试的主要方法：逐级调试。这种方法使我很快并且很清楚的了解问题的出处。例如，继电器K的焊接，首次并没有深入了解每个引脚的作用，就焊接了，结果出现错误。在老师的指导下，用万用表测出每个引脚的作用，重新焊接，电路一切正常。所以对于我们电气专业的来说，在开始设计电路时思路就应该很清晰，并且熟悉所选用的元器件的功能和重要

参数，这样我们做得才有意义。

附页1

表1 液位控制系统元器件明细表