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幾種自動液位(水位)控制的方法介紹


在工農業生產以及日常生活應用中,常常會需要對容器中的液位(水位)進行自動控制。比如自動控制水箱、水池、水槽、鍋爐等容器中的蓄水量,生活中抽水馬桶的自動補水控制、自動電熱水器、電開水機的自動進水控制等。雖然各種水位控制的技術要求不同,精度不同,但基本的控制原理都可以歸納為一般的反饋控制方式,如下圖所示,它們的主要區別在于檢測液位的方式、反饋形式,以及控制器上的區別。

 

1、機電控制式水位控制

下圖是這種控制方式的結構示意。

 

漂浮在水面上的浮球與控制器中的“檢測機構”通過連桿機構相連,當水位發生變化時,浮球上下運動帶動“檢測機構”產生位移,這個位移可以直接用來驅動閥門動作,關閉或者開啟進水口,調節水位。如果需要控制的水閥較大,浮球的浮力不足以驅動控制水閥動作時,可以在“檢測機構”與“閥門控制”之間增加一套機電控制驅動裝置,具體控制過程為:①“檢測機構”的位移先去帶動一個位移開關動作;②位移開關控制電機的轉動;③電機驅動水閥門。

這種控制方式結構比較復雜,但可以對大型蓄水裝置進行控制,因此常常應用于工農業生產中。

2、全機械結構的水位控制方式

家用抽水馬桶是典型的全機械結構水位控制,當用戶進行沖水操作之后,蓄水箱的水被排空,浮球下降,這個信號通過連桿機構傳遞給進水閥門,使進水閥門開啟,對蓄水箱補水;隨著水量的增加,浮球逐步上移,直至達到設定的某個水位時,正好能夠關閉進水閥,停止進水。

由此可見,在這種水位控制系統中,浮球=水位檢測器(傳感器),連桿機構=控制器,水位的“給定量”通過進水閥門與連桿機構的相對位置來設定。

3、古老的水位控制

山區坡地種植水稻與平原不同,需要依山修筑層疊而上的梯田。

 

這種梯田結構至少有兩個作用:其一,保持每一塊田地都是平面,以便于耕作,其二,灌溉的水源從最上層引入,逐層注滿后又逐層向下澆灌,因此,當水量充足時,只要每一層田埂上的排水口高度合適,就可以確保每塊田地中的水位高度適中。其中的水位控制是自動的開環控制方式。

如果水源的水量不夠充裕,就需要通過人工控制的方式,以最小的耗水量,維持水位的適中。水量調控過程如下:由于每日的蒸發量不同、水稻生長的耗水量也不同(干擾因素),耕作者對底層出水量的觀察(檢測),判斷梯田的整體供水狀態(反饋、比較、控制),調整頂層入水量就可達到調控目的。這時就成了一個閉環的人工水位控制系統。

4、最簡單的自動水位控制裝置

在工廠化的家禽飼養中,由于飼養的的空間很小,家禽密度很高,飲水槽不可以做的很大,否則將被家禽踐踏而使引水受到污染。但又要保持有充足的水量,不斷的自動補充新鮮的飲水。解決這個矛盾的辦法就是需要一套自動水位控制系統,使得很小、很淺的飲水槽中始終有水而且水位維持不變。

由于蓄水桶上方密閉的空間氣壓比外界大氣壓強低,所以能夠保持蓄水桶中的水位高于水槽中的水位,當水槽中的水被飲用之后,外部的空氣將通過蓄水桶的下方桶口進入到桶上方的密閉區域中,降低了密閉區的壓強,蓄水桶中的水位降低,補充了水槽中的水,直至水槽中的水平面高過蓄水桶下方的桶口。

這個水位控制系統,非常可靠,而且極其簡單,似乎沒有如前所述的檢測裝置和反饋環節?

其實,這個系統巧妙地利用了空氣壓力的變化作為“檢測信號”,蓄水桶下部桶口的邊緣高度就是水位的“給定量”; 進入到桶上方的密閉區域中的空氣就是“反饋信號”,通過空氣的反饋,達到控制水位的目的,非常巧妙的設計。

5、啟示:

以上給出的幾種常用的水位控制方式,我們發現在某些特殊應用場合中,最簡單的結構卻具有最巧妙的設計思想,不僅成本低而且可靠性極高。

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