水位报警装置在汇流池的应用

王津红

（西安职业技术学院，陕西西安，710032）

0 引言

汇流池水位报警装置,是汇流池供水调节过程中的重要附属设备之一。在未安装水位报警装置以前，汇流池内的水位情况主要通过人工方式定时进行观测，劳动强度较大。若观测巡视不及时，极易产生各类供水事故，严重影响城市供水安全，造成经济损失。基于以上背景，设计了汇流池水位报警系统，并在黑河蔺家湾汇流池投入了测试应用。当汇流池水位上升或下降超过警戒水位时，水位报警器会发出警报和警铃报警,通知工作人员及时进行调节或退水，保证了供水安全。

1 报警装置的设计

本装置由两部分组成：水位检测系统和报警系统。

本装置的水位检测系统安装在汇流内部，用于感应汇流池的水位；报警系统安装在值班室中，接收水位检测系统的信号，当水位检测系统产生报警信号时，点亮报警灯，通知工作人员水位超限，要进行处理。当报警信号取消后，报警灯熄灭。本装置的功能框图如图1所示。

管道井的作用有两个，一是固定浮子开关，便于维护；二是便于测量，水位滤波后减少了误差和误报。

图1 系统框图

本装置中的水位感应信号采用四个浮子开关组成，两个一组，分别感应上限水位和下限水位。采用两级开关，防止开关损坏而造成报警失败的冗余设计；利用两个浮子开关形成滞回特性，防止误报警。只有当两个浮子开关同时闭合或断开时才能认为浮子开关可靠地闭合或断开。

当水位上升，导致K1和K2被淹没时，这时上限报警信号灯就会亮起，表示水位已经超出上限了，同时报警电铃也会周期性地响起，提醒工作人员水位已经超限。当水位下降，导致K3和K4露出水面时，下限报警信号灯就会亮起，这时表示水位已经低于下限，同时报警电铃也会周期性地响起，提醒工作人员水位已经超限。采取相应的应对措施。

2 报警系统的电路设计

报警系统的电路采用集成数字电路设计，保证了高可靠性，降低了成本，也方便了排查故障和更换元器件。

报警系统的电路由五部分组成：时钟产生单元、信号采集单元、结果产生单元、故障诊断单元和驱动单元。时钟发生单元产生时钟脉冲信号，用于协调数字电路各部分的工作；信号采集单元在时钟的控制下不断采集浮子开关的开关信号，并保证信号的稳定可靠；结果输出单元用于产生可靠的报警信号；故障诊断单元用于判断浮子开关的故障，防止报警失败；驱动单元用来将上一单元产生的信号放大到足以驱动报警灯和报警铃。

■2.1 时钟产生单元

时钟产生单元的电路图如图2所示。

图2中U1为TI公司生产的555定时器芯片TLC555，完全兼容CMOS技术生产的芯片，具有低功耗、高阻抗等优点。U2也是TI公司生产的逻辑电路芯片SN74HC107，它是双JK触发器芯片，带有清除端。C1为10μF的电解电容，为时钟产生电路提供充放电回路。

图2 时钟产生单元电路

图2上半部分电路是常见的方波产生电路，当接通电源时，电容C1被充电，CEXT处电压上升，当CEXT处电压上升到电源电压的2/3时，触发器被复位，同时内部放电三极管导通，此时fout555为低电平，电容通过C1、R2和内部三极管放电，使CEXT处电压下降。当CEXT处电压下降到电源电压的1/3时，触发器又被置位，fout555翻转为高电平。电容器C1放电所需时间为：

当C1放电结束时，内部三极管截止，电源将通过R1、R2向电容C1器充电，CEXT处电压由电源电压的1/3上至电源电压的2/3所需的时间为：

当CEXT处电压上升到电源电压的2/3时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为：

由于555定时器内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路的形式，因此它的振荡频率受电源电压和温度变化影响很小。

由上述公式可知，输出波形的高电平和低电平是不同的，因此不是标准的方波，同时由电路中的参数可知，当C1=10μF、R1=R2=100kΩ时输出频率为0.48Hz左右，对于信号采集而言，这个值也过大，因此电路中又加入U2。

U2是双JK触发器，当它的JK端均为高电平时，每来一个时钟上升沿，它的输出就翻转一次，相当于二分频，两个触发器的作用就相当于将fout555进行了四分频，同时将时钟变成占空比为50%的标准方波。

这样在时钟产生电路的末端，就生成一个频率为0.12Hz左右的方波信号，它就是我们所需要的时钟信号。

■2.2 信号采集单元

信号采集单元的电路图如图3所示。

图3中U11为TI公司生产的逻辑芯片移位寄存器，型号是SN74HC164，它在前述时钟信号f的控制下进行工作。当浮子开关K1未被淹没时，U11的AB端输入信号为0，则CLK引脚不管来多少个时钟信号，数据输出端QA-QH均输出0。U15为TI公司生产的逻辑芯片双四输入与非门，型号是SN74HC20，它的逻辑关系是，只有所有输入为1时才输出0，所以当K1未被淹没时，U15的两个输出不会同时为高电平1。U16是TI公司生产的逻辑芯片或非门，它的逻辑关系是只要有一个输入是1则输出0，所以只有U15的两个输出同时为0时，它才会输出高电平。

当水位逐渐高于K1时，受汇流池中波浪作用，每次时钟信号f的上升沿到来时，U11的AB端信号有时为0有时为1，这时U15的输出依然是高电平1。只有当K1被完全淹没后，U11的AB端输入始终为0，这时U15的两个输出才同时为1，则U16输出高电平，产生报警信号。

图3 信号采集单元电路

因为时钟信号的频率为0.12Hz左右，而要想输出报警信号，必须要在连续8个时钟的上升沿时，K1均要闭合，也就是相当于8/0.12=66秒。也就是说，只有当K1闭合一分钟左右时才会产生报警信号，这样做是为防止波浪导致的误报。

上述是上限信号报警产生的电路，对于下限报警信号产生电路而言，它们基本是一样的，只是下拉电阻R11改成上拉，同时浮子开关的另一端接地即可。

■2.3 结果产生单元

结果产生单元的电路图如图4所示。

本功能模块保证报警可靠，当产生报警信号后，水位向相反方向变化时，并不会立即取消报警，而是要保证水位完全变化到安全位置后才取消报警，结果产生单元就是为了实现此功能

电路中使用了TI公司生产的逻辑芯片四二输入与门U17和四二输入或门U18。此电路功能比较简单，在此不再赘述。

当工作人员对上限报区信号处理后，水位开始下降，但报警信号并不马上关闭，只有当水位下降到K1、K2完全露出水面，即大约一分钟的时间内信号采集单元采集到的浮子开关的状态全部是断开后，报警信号才会取消，对于下限报警信号也是当水位完全淹没K3、K4后才取消报警。

■2.4 故障提示单元

因为每个位置安装两个浮子开关来提高电路的可靠性，所以正常情况下两个浮子应该是同时可靠闭合或断开的。当其中一个出现故障或偶尔有较大波浪干扰情况下，也会出现一个断开一个闭合的情况，这时会故障指示灯会点亮，告知工作人员应该检查浮子开关是否卡死或者有脏东西导致短路。这一部分电路如图5所示。

图4 结果输出单元电路

图5 故障诊断单元电路

此电路中使用了TI公司生产的逻辑芯片四二输入异或门U19。当同一组的两个浮子开关的状态不一致时，芯片的输出端会输出高电平，驱动故障灯亮起。如果工作情况允许，工作人员应及时检查浮子对应组的浮子开关哪一个出现了故障。

■2.5 驱动单元

驱动单元使用继电器来驱动报警灯及报警电铃，电路如图6所示。

图6 驱动单元电路

3 结束语

本该装置投入运行后，一直工作状态良好，水位的上下限位置可以调整，动作灵敏、能够及时把报警信号和故障信号送到工作人员值班室，提醒工作人员及时应对处理，达到了预期目的。本装置未来的改进方式就是要引进自动化监测手段，使用液位传感器来监测水位，通过无线传输方式把水位数据送到值班室，利用上位机设定上下限及水位的监测频次，处理得到的数据。