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在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及日常生活應(yīng)用中,常常會需要對容器中的液位(水位)進(jìn)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(bǔ)水控制、自動電熱水器、電開水機(jī)的自動進(jìn)水控制等。雖然各種水位控制的技術(shù)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(qū)別在于檢測液位的方式、反饋形式,以及控制器上的區(qū)別。
?1、機(jī)電控制式水位控制
下圖是這種控制方式的結(jié)構(gòu)示意。
漂浮在水面上的浮球與控制器中的“檢測機(jī)構(gòu)”通過連桿機(jī)構(gòu)相連,當(dāng)水位發(fā)生變化時(shí),浮球上下運(yùn)動帶動“檢測機(jī)構(gòu)”產(chǎn)生位移,這個(gè)位移可以直接用來驅(qū)動閥門動作,關(guān)閉或者開啟進(jìn)水口,調(diào)節(jié)水位。如果需要控制的水閥較大,浮球的浮力不足以驅(qū)動控制水閥動作時(shí),可以在“檢測機(jī)構(gòu)”與“閥門控制”之間增加一套機(jī)電控制驅(qū)動裝置,具體控制過程為:①“檢測機(jī)構(gòu)”的位移先去帶動一個(gè)位移開關(guān)動作;②位移開關(guān)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動;③電機(jī)驅(qū)動水閥門。
這種控制方式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,但可以對大型蓄水裝置進(jìn)行控制,因此常常應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。
?2、全機(jī)械結(jié)構(gòu)的水位控制方式
家用抽水馬桶是典型的全機(jī)械結(jié)構(gòu)水位控制,當(dāng)用戶進(jìn)行沖水操作之后,蓄水箱的水被排空,浮球下降,這個(gè)信號通過連桿機(jī)構(gòu)傳遞給進(jìn)水閥門,使進(jìn)水閥門開啟,對蓄水箱補(bǔ)水;隨著水量的增加,浮球逐步上移,直至達(dá)到設(shè)定的某個(gè)水位時(shí),正好能夠關(guān)閉進(jìn)水閥,停止進(jìn)水。
由此可見,在這種水位控制系統(tǒng)中,浮球=水位檢測器(傳感器),連桿機(jī)構(gòu)=控制器,水位的“給定量”通過進(jìn)水閥門與連桿機(jī)構(gòu)的相對位置來設(shè)定。
?3、古老的水位控制
山區(qū)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(jié)構(gòu)至少有兩個(gè)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(dāng)水量充足時(shí),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(huán)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(diào)控過程如下:由于每日的蒸發(fā)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(tài)(反饋、比較、控制),調(diào)整頂層入水量就可達(dá)到調(diào)控目的。這時(shí)就成了一個(gè)閉環(huán)的人工水位控制系統(tǒng)。
?4、最簡單的自動水位控制裝置
在工廠化的家禽飼養(yǎng)中,由于飼養(yǎng)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(bǔ)充新鮮的飲水。解決這個(gè)矛盾的辦法就是需要一套自動水位控制系統(tǒng),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(qiáng)低,所以能夠保持蓄水桶中的水位高于水槽中的水位,當(dāng)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(jìn)入到桶上方的密閉區(qū)域中,降低了密閉區(qū)的壓強(qiáng),蓄水桶中的水位降低,補(bǔ)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(gè)水位控制系統(tǒng),非??煽?,而且極其簡單,似乎沒有如前所述的檢測裝置和反饋環(huán)節(jié)?
其實(shí),這個(gè)系統(tǒng)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(jìn)入到桶上方的密閉區(qū)域中的空氣就是“反饋信號”,通過空氣的反饋,達(dá)到控制水位的目的,非常巧妙的設(shè)計(jì)。
?5、啟示:
以上給出的幾種常用的水位控制方式,我們發(fā)現(xiàn)在某些特殊應(yīng)用場合中,最簡單的結(jié)構(gòu)卻具有最巧妙的設(shè)計(jì)思想,不僅成本低而且可靠性極高。
柏奧教你幾種自動液位控制的方法
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