水位報警裝置在匯流池的應用

王津紅

（西安職業技術學院，陜西西安，710032）

0 引言

匯流池水位報警裝置,是匯流池供水調節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，極易產生各類供水事故，嚴重影響城市供水安全，造成經濟損失?；谝陨媳尘埃O計了匯流池水位報警系統，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，水位報警器會發出警報和警鈴報警,通知工作人員及時進行調節或退水，保證了供水安全。

1 報警裝置的設計

本裝置由兩部分組成：水位檢測系統和報警系統。

本裝置的水位檢測系統安裝在匯流內部，用于感應匯流池的水位；報警系統安裝在值班室中，接收水位檢測系統的信號，當水位檢測系統產生報警信號時，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，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 系統框圖

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

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超限。采取相應的應對措施。

2 報警系統的電路設計

報警系統的電路采用集成數字電路設計，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。

報警系統的電路由五部分組成：時鐘產生單元、信號采集單元、結果產生單元、故障診斷單元和驅動單元。時鐘發生單元產生時鐘脈沖信號，用于協調數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的開關信號，并保證信號的穩定可靠；結果輸出單元用于產生可靠的報警信號；故障診斷單元用于判斷浮子開關的故障，防止報警失敗；驅動單元用來將上一單元產生的信號放大到足以驅動報警燈和報警鈴。

■2.1 時鐘產生單元

時鐘產生單元的電路圖如圖2所示。

圖2中U1為TI公司生產的555定時器芯片TLC555，完全兼容CMOS技術生產的芯片，具有低功耗、高阻抗等優點。U2也是TI公司生產的邏輯電路芯片SN74HC107，它是雙JK觸發器芯片，帶有清除端。C1為10μF的電解電容，為時鐘產生電路提供充放電回路。

圖2 時鐘產生單元電路

圖2上半部分電路是常見的方波產生電路，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，觸發器被復位，同時內部放電三極管導通，此時fout555為低電平，電容通過C1、R2和內部三極管放電，使CEXT處電壓下降。當CEXT處電壓下降到電源電壓的1/3時，觸發器又被置位，fout555翻轉為高電平。電容器C1放電所需時間為：

當C1放電結束時，內部三極管截止，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，觸發器又發生翻轉，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，它的輸出就翻轉一次，相當于二分頻，兩個觸發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，數據輸出端QA-QH均輸出0。U15為TI公司生產的邏輯芯片雙四輸入與非門，型號是SN74HC20，它的邏輯關系是，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公司生產的邏輯芯片或非門，它的邏輯關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生的電路，對于下限報警信號產生電路而言，它們基本是一樣的，只是下拉電阻R11改成上拉，同時浮子開關的另一端接地即可。

■2.3 結果產生單元

結果產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，結果產生單元就是為了實現此功能

電路中使用了TI公司生產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信號處理后，水位開始下降，但報警信號并不馬上關閉，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信號采集單元采集到的浮子開關的狀態全部是斷開后，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。當其中一個出現故障或偶爾有較大波浪干擾情況下，也會出現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公司生產的邏輯芯片四二輸入異或門U19。當同一組的兩個浮子開關的狀態不一致時，芯片的輸出端會輸出高電平，驅動故障燈亮起。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哪一個出現了故障。

■2.5 驅動單元

驅動單元使用繼電器來驅動報警燈及報警電鈴，電路如圖6所示。

圖6 驅動單元電路

3 結束語

本該裝置投入運行后，一直工作狀態良好，水位的上下限位置可以調整，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測手段，使用液位傳感器來監測水位，通過無線傳輸方式把水位數據送到值班室，利用上位機設定上下限及水位的監測頻次，處理得到的數據。