一种狭窄水位区间的水位控制装置及水位控制方法

摘要

本发明涉及一种狭窄水位区间的水位控制装置以及水位控制方法，该水位控制装置包括：下端面位于水槽的最高水位线处的高水位监测电极，下端面位于水槽的低水位线处的低水位监测电极，下端面接近(但不接触)水槽的底部的基准电极，PLC控制器、电磁水阀，低压电源和低压继电器，PLC控制器与上述三个电极连接，检测高水位监测电极和基准电极形成的电路以及低水位监测电极和基准电极形成的电路的电流变化，并生成相应的控制信号，发送给低压继电器，低压继电器根据接收到的控制信号控制电磁水阀的通电情况。本发明的水位控制装置可以灵活地扩大和缩小监测水位的监测区间，对水位监控的时效和反应都很精准。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水位控制装置，更具体地说，涉及一种狭窄水位区间的水位控制装置控制装置及水位控制方法。

背景技术

实际工业生产中，经常会遇到将水位精确控制在一个非常小的区间的情况。例如在纸张涂硅工艺中，需要利用补水装置(参见图1)对纸张进行补水，补水过程中补水钢辊1’对纸张补水，补水钢辊1’的下端接触水槽2’中的水，上端接触纸张表面。在补水钢辊1’滚动过程中，沾在其表面的水随钢辊滚动达到钢辊上端时被与钢辊上端接触的纸张吸收，从而完成补水过程。但在生产中，水槽2’受设备制造尺寸整体限制，一般只有70mm深，而补水钢辊的浸水深度在25～30mm，需要检测的高补水水位(A-A)和低补水水位(B-B)区间只有15mm。

目前，对上述水槽进行补水的方法一般有以下几种方式：

(1)采用鸭嘴补水装置进行补水。即通过鸭嘴补水装置的水位开关检测水槽的水位，然后根据检测结果进行补水。鸭嘴的水位开关是一种磁性接近开关检测传感器，其结构示意图如图2a和图2b所示，其中1’表示补水钢辊，2’表示水槽，3’表示水位开关，其中A端是闭合触点，B端内含有磁铁。图2b中，X表示补水控制的上下区间距离。当水位上升，B端受到的浮力上升，A端和B端靠近到一定的距离时，触点因感应到磁性而使闭合触点断开，从而通过控制线路信号使电磁水阀(用于向水槽供水)的通电断开，终止向水槽补水。

图2a中，水面处于较高位时，B端受到的浮力变大而上升，当A端和B端靠近完成时由于水波的晃动和连接结构的间隙，导致磁信号不稳定，不能及时断开A的触点，从而使电磁水阀的通电不能及时断开，导致供水不能及时停止，造成水槽水面溢出，因为水槽只有70mm的深度。

图2b中，水面处于较低位时，B端受到的浮力变小而下降，当A端和B端分开到一定的距离时，触点因感应不到磁性而使闭合触点闭合，从而使控制电磁水阀供水的控制线路信号接通，使电磁水阀开始向水槽补水。

从图2b可以看出当需要供水时，A端和B端分开的距离不足，A端的闭合触点还不能自动闭合，造成不能及时补水，而此时X的垂直距离已经大于需要开始补水的水位要求。

很明显，对于需要检查的15mm的水位区间来说，这种响应区间比较宽，水位检测的灵敏度比较低。实际应用中因时效将精准不够，最后取消。

(2)人工补水，在补水过程中，工人不时地观察水位深度，然后采用人工加水。这种方法存在的问题是：由于上下水位之间的距离狭窄，人工观察不准确，很容易造成水位低于最低水位以下时，工人没有观察到，导致没有及时补水造成水槽缺水，或者工人在补水过程中，一不小心注水太多，导致水槽中的水溢出；或因工人在忙于操作机器时，没能及时观察水位，而造成水槽缺水而不知道。

(3)采用超声波检测水位装置进行补水。如图3所示的超声波检测水位装置的非接触式液位传感器100通过胶水粘贴在胶管101上，然后通过导线102将检测到的信号输出。这种检测水位的方法存在的问题是：非接触式液位传感器100本身一般直径为20mm，远远大于需要检查的水位区间的距离15mm，并且非接触式液位传感器100粘贴在不锈钢外壁时，会降低超声波的效能，检测到的水位时效性及水位偏差很大。

电极式液位计开关一般是利用液体的导电性来侦测液位的高低。桶槽内装的物质一旦触及极棒，便会导电因而检出信号。经控制器的信号放大后，再输出一接点信号，供使用者做液位的控制。市面上所售电极虽然具有类似的检测功能，但不适合上述狭窄水位区间的水位的现场应用，原因如下：

1.体积问题，市场所售产品体积大，尺寸长，而现场水槽和水辊间隙只有2CM宽可安置间隙，，而水槽也只有7CM

2.导通安全电流不适合，市场售卖产品，因体积大，而电阻也大，需要的供电功率就大，导电性不灵敏，在安全上存在隐患，也容易因功耗扩散而带来其它控制的不稳定型。上述狭窄水位区间的水位需要的是10毫安以下的电流，电流扩散半径不超过2CM的弱电流，安装面积小。

3.水位检测范围不满足，市场售卖产品都是固定的间距检测。

现有技术也有利用电极检测液面的，例如，申请公布号CN102128661A公开了一种用于热水器中的水位检测的电极式水位传感器，该水位传感器包括四个电阻、四个电极和一个公用电极、四个三极管，形成四个控制电路，控制电路与控制器连接，用于检测四个水位。这种电极式水位传感器涉及的部件较多，结构比较复杂，制造麻烦，成本比较高。

发明内容

针对目前狭窄水位区间的水位控制方法存在的缺点，本发明的目的是提供了精确的狭窄水位区间的水位控制装置。为实现本发明的目的，本发明的采用的技术方案如下：

高水位监测电极，其下端面位于水槽的最高水位线处，

低水位监测电极，其下端面位于水槽的最低水位线处，

基准电极，其下端面接近所述水槽的底部，

PLC控制器，其与所述高水位监测电极、所述低水位监测电极和所述基准电极连接，用于检测所述高水位监测电极和所述基准电极形成的电路的电流以及所述低水位监测电极和所述基准电极形成的电路的电流的变化情况，并生成相应的控制信号，

电磁水阀，其位于水槽上方用于给水槽供水，

低压电源，其给所述高水位监测电极、所述低水位监测电极和所述基准电极形成的电路供电，并为所述PLC控制器及所述电磁水阀供电，

低压继电器，其与所述PLC控制器连接并且与电磁水阀连接，所述低压继电器接收所述PLC控制器发送的控制信号，并根据所述控制信号控制所述电磁水阀通电或断电，从而使所述电磁水阀打开或关闭以向所述水槽中供水。

优选地，所述高水位监测电极、所述低水位监测电极和所述基准电极均呈圆柱体形状。

优选地，所述高水位监测电极、所述低水位监测电极和所述基准电极的直径为6mm长度为40mm～70mm。

优选地，构成所述高水位监测电极、所述低水位监测电极和所述基准电极的材料是紫铜。

优选地，所述高水位监测电极和所述低水位监测电极的上端可活动地垂直安装在所述水槽中，使其下端面可相对水槽底部上下移动。

优选地，所述高水位监测电极和所述低水位监测电极的上端外表面具有螺纹，通过具有内螺纹孔的安装支架螺纹安装在所述水槽中，这样可以根据需要调整它们的下端面相对水槽底部的距离。

优选地，所述低压电源的输出电压是24V。

优选地，所述低压电源是是低压开关电源。

优选地，所述低压继电器是24V继电器。

优选地，上述水位控制装置可用于同时单独控制多个水槽的水位，包括：多个高水位监测电极、多个低水位监测电极、多个基准电极，多个低压继电器和多个电磁水阀，它们用于不同的水槽，一个PLC控制器，其用于同时单独检测高水位监测电极、低水位监测电极和基准电极形成的多个电路的电流的变化情况，和一个低压电源，其用于给所述多个高水位监测电极、多个低水位监测电极多个基准电极和多个电磁水阀供电。

本发明再一方面提供了一种狭窄水位区间的水位控制方法，该方法包括以下步骤：

(1)提供高水位监测电极，使其下端面在水槽的最高水位线处，低水位监测电极，使其下端面位于水槽的最低水位线处，基准电极，使其下端面接近所述水槽的底部，和低压电源，用于给所述高水位监测电极、所述低水位监测电极和所述基准电极供电；

(2)提供PLC控制器，使其与所述高水位监测电极、所述低水位监测电极和所述基准电极连接，用于检测所述高水位监测电极和所述基准电极形成的电路的电流以及所述低水位监测电极和所述基准电极形成的电路的电流的变化情况；

当水位下降到最低水位以下时，所述低水位监测电极和所述基准电极形成的电路断开，PLC控制器检测到其电流从正值变为0，PLC控制器根据该变化生成第一控制信号；

当水位升高到最高水位时，所述高水位监测电极和所述基准电极形成的电路接通，PLC控制器检测到其电流从0变为正值，PLC控制器根据该变化生成第二控制信号；

(3)提供电磁水阀，其位于水槽上方，用于给水槽供水；

(4)提供低压电源，其给所述高水位监测电极、所述低水位监测电极和所述基准电极形成的电路供电，并为所述PLC控制器及所述电磁水阀供电；

(5)提供继电器，使其与所述PLC控制器连接并且接收所述PLC控制器的信号，根据所述信号控制与其连接的电磁水阀的供水状态，

当所述PLC控制器向所述继电器发送第一控制信号时，所述继电器根据接收到的第一控制信号使所述电磁水阀通电，开始向水槽供水，

当所述PLC控制器向所述继电器发送第二控制信号时，所述继电器根据接收到的第二控制信号使所述电磁水阀断电，停止向水槽供水。

本发明的狭窄水位区间的水位控制装置中，由于高水位监测电极和低水位监测电极的高导电率特性，一旦水位下降到低水位线以下，低水位监测电极的下端面脱离水面，低水位监测电极与基准电极形成的电路立即断开，PLC控制器监测到其电路的电流变化，判断水槽中水位到达最低水位，向继电器发出电磁水阀通电信号，继电器根据该信号控制电磁水阀开始向水槽中供水；一旦水位上升到高水位线以上，高水位监测电极的下端面接触到水面，高水位监测电极与基准电极形成的电路立即被接通，PLC控制器监测到其电路的电流变化，判断水槽中水位到达最高水位，向继电器发出电磁水阀断电信号，继电器根据该信号控制电磁水阀停止向水槽中供水。由于检测电极的下端面与水接触会触发电路电流发生脉冲式变化，具有纳秒级灵敏度的PLC控制器很容易捕捉到这种脉冲信号，对水位监控的时效性和反应性好。

垂直调整高水位电极和低水位电极的下端面，可以灵活的扩大和缩小监测水位的区间。现场应用灵活和实用，解决了没有合适的水位控制装置而需要人来不时的观察和加水的不便，大大的提高了工人的工作效率。

与现有技术相比，本发明达到了以下显著的技术效果：

(1)本发明的狭窄水位区间的水位控制装置使用结构简单、价格低廉的三个电极作为水位监测装置，利用纳秒级灵敏度的PLC控制器检测脉冲电流变化，具有成本低、对水位监控的时效和反应都很精准的特点。

(2)采用导电性比较高的紫铜，成品尺寸小，安装面积比较小，例如，5平方毫米。

(3)电极可采用螺纹式制作，在容许范围内，可随意的调整需要调整的补水范围区间，方便现场调整。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例和现有技术的附图做简单地介绍，很显然下面描述的附图仅仅是对本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前题下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是纸张涂硅工艺中的补水装置的结构示意图。

图2a是现有的鸭嘴补水装置的水位开关检测装置的结构示意图，处于高水位状态。

图2b是现有的鸭嘴补水装置的水位开关检测装置的结构示意图，处于低水位状态。

图3是粘贴在胶管上的现有的超声波检测水位装置的结构示意图。

图4是本发明的狭窄水位区间的水位控制装置的结构示意图，图中仅显示了高水位监测电极、低水位监测电极、基准电极、PLC控制器和低压继电器。

具体实施方式

本发明的描述中，“连接”如没有特别说明，一般是电连接。

本发明的描述中，水位监测电极、低水位监测电极、基准电极和低压开关电源的连接方式，可通过本领域常规的方式连接，或者通过现有的市售低压开关产品实现想要的连接方式。例如，具有多个端子的低压开关电源，可通过电线同时连接多个电极，并实现想要的电路连接。

本发明的描述中，PLC控制器、低压继电器和电磁水阀都可以是市售产品。PLC控制器与电极的连接方式，以及低压继电器与PLC控制器和电磁水阀的连接方式的原理均为现有技术。

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白理解，下面结合附图，进一步阐述本发明。

实施例1

如图4所述，该实施例中，狭窄水位区间的水位控制装置1包括高水位监测电极10、低水位监测电极11、基准电极12、24V低压开关电源、PLC控制器14、24V继电器15和电磁水阀。高水位监测电极10的下端面101与水槽2的最高水位线1-1对齐。低水位监测电极11的下端面111与水槽2的最低水位线1-2对齐。基准电极12的下端面121接近水槽2的底部，但是不接触该底部，这种布置使得在补水过程中，基准电极12的下端面121始终被水槽2中的水淹没。24V低压开关电源用于给所述高水位监测电极10、低水位监测电极11和基准电极12供电。高水位监测电极10、低水位监测电极11、基准电极12分别与24V低压开关电源连接连接，形成电路。此时，基准电极12的电压为-24V。

高水位监测电极10、低水位监测电极11、基准电极12还分别与PLC控制器14连接，例如，通过电线连接到PLC控制器14的输入接口，使得PLC控制器14可以检测到：当水位下降到最低水位以下(低水位监测电极11的下端面111不再与水接触)时，由于低水位监测电极11和基准电极12形成的电路断开而导致的其电路电流从正值变为0；当水位升高到最高水位(高水位监测电极10的下端面101与水接触)时，由于高水位监测电极10和基准电极12形成的电路接通而导致其电路电流从0变为正值。PLC控制器14根据这两种电流变化分别生成相应的第一控制信号(即，使电磁水阀通电的信号)和第二控制信号(即，使电磁水阀断电的信号)，并将该控制信号发送给与其连接的24V继电器15。PLC控制器14具有纳秒级灵敏度，对电路中电流变化的检测灵敏度很高。24V继电器15根据其接收的第一控制信号和第二控制信号分别控制与其连接的电磁水阀开始向水槽2中供水和停止向水槽2中供水。

高水位监测电极10、低水位监测电极11、基准电极12呈圆柱体形状，其直径可以为M6mm，这样保证它们具有一定的硬度，不易受水流影响而变得弯曲，从而保证其下端面的位置固定不变。圆柱体电极的长度可以为40mm～70mm。

高水位监测电极10、低水位监测电极11、基准电极12由高导电率的材料制成，例如紫铜。

在本实施例中，高水位监测电极10、低水位监测电极11和基准电极12的上端部分(例如占各个电极1/3长度)外表面可具有螺纹，通过安装支架安装在水槽2中，安装支架的一端固定在水槽壁上，另一端是具有内螺纹的安装孔，高水位监测电极10、低水位监测电极11和基准电极12可通过螺纹安装在安装孔中，并且根据需要通过逆时针或顺时针旋转调整高水位监测电极10、低水位监测电极11和基准电极12的下端面相对水槽底部的距离。尤其是，可很方便地通过调整高水位监测电极10和低水位监测电极11的下端面相对水槽底部的距离，从而调整监控水位区间大小。

在本实施例中，基准电极12可固定安装在水槽中，其下端面相对水槽底部是固定不变的。高水位监测电极10和低水位监测电极11上端部分(例如占各个电极1/3长度)外表面可具有螺纹，通过安装支架安装在水槽2中，安装支架的一端固定在水槽壁上，另一端是具有内螺纹的安装孔，高水位监测电极10和低水位监测电极11可螺纹安装在安装孔中，并且根据需要通过逆时针或顺时针旋转调整高水位监测电极10和低水位监测电极11的下端面相对水槽底部的距离，从而调整监控水位区间大小。

使用时，例如，当水槽2中的水位下降到最低水位线以下时，低水位监测电极11的下端面111不再与水接触，水不能起到导体作用，低水位监测电极11和基准电极12形成的电路断开，其电路电流消失，即由正值变为0，此时PLC控制器14检测到这种电流变化，生成第一控制信号，并向24V继电器15发送该第一控制信号(即，使电磁水阀通电的信号)，24V继电器15接收到该第一控制信号以后使电磁水阀通电，开始向水槽2中注水。当水槽2中的水位上升到高水位线时，高水位监测电极10的下端面101与水接触，水起到导体作用，高水位监测电极10和基准电极12形成的电路接通，其电路电流从零变为正值，此时PLC控制器14检测到这种电流变化，生成第二控制信号，并向24V继电器14发送该第二控制信号(即，使电磁水阀断电的信号)，24V继电器15接收到该信号以后使电磁水阀断电，停止向水槽2中注水。

实施例2

本实施例中，水位控制装置具有多个水槽，即纸张涂硅工艺中，需要利用具有多个补水钢辊的补水装置对纸张进行补水，每个补水钢辊放置在各自的水槽中。每个水槽的水位可单独控制，每个水槽都具有一个高水位监测电极、一个低水位监测电极和一个基准电极形成的水位监测电路，一个24V继电器，和一个电磁水阀。多个水槽中的高水位监测电极、低水位监测电极和基准电极可共用一个PLC控制器，用于同时单独检测多个电路电流变化并生成相应的控制信号。多个水槽中的高水位监测电极、低水位监测电极、基准电极和电磁水阀还可共用一个低压开关电源，该低压开关电源可具有多个端子，用于同时接入多个电极，实现多个水位监测电路各自独立对其所在水槽的水位进行监测的目的。对于每个水槽来说，其水位监测结构类似于实施例1。本实施例的水位控制装置既达到了各个水槽的水位可单独控制，又节约的材料成本的效果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。