液位控制

摘 要

液位控制器是指通过机械式或电子式的方法来进行高低液位的控制，可以控制电磁阀、水泵等，从而来实现半自动化或者全自动化，方法有多种，根据选用不同的产品而不同。液位控制器的探头产生高频超声波脉冲耦合到容器外壁。这个脉冲会在容器壁和液体中传播，还会被容器内表面反射回来。通过对这种反射特性的检测和计算，就可以判断出液位是否达到了液位控制器安装的位置。液位控制器输出继电器信号，来完成对液位的监控。主要用于监测储罐液面，实现上下限报警或监测管道中是否有液体存在，储罐材质可以是各类金属、金属或不发泡塑料。这种方式不受介质密度、介电常数、导电性、反射系数、压力、温度、沉淀等因素的影响，所以适用于医药，石油，化工，电力，食品等行业的各类液体液位工程控制，对于有毒的、强腐蚀危险品液体的检测，该产品更是理想的选择。

关键字：机械式；自动化；控制

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ABSTRACT

Liquid level controller is controlled by mechanical or electronic to liquid level, can control the electromagnetic valve, water pump, so as to realize semi-automatic or fully automatic, there are a variety of methods, selected according to different products and different. Probe liquid level controller to generate high-frequency ultrasonic pulse coupled to the outer wall of the container. The pulse propagation in the vessel wall and the liquid in the container, will be back surface reflection.

Through the detection and calculation of the reflection characteristics, can determine whether the liquid level reaches the level controller installation position. Liquid level controller output relay signal, to monitor the level of. Mainly used for monitoring the tank liquid level, whether liquid exist to achieve alarm or monitoring of pipelines, storage tank material can be all kinds of metal, metal or non foamed plastic. This mode is not affected by the medium density, dielectric constant, conductivity,

reflection coefficient, pressure, temperature, precipitation and other factors, so it is suitable for pharmaceutical, petroleum, chemical, electric power, control food industry and various liquid level engineering, for the detection of strong corrosion liquid toxic, dangerous goods, the product is more the ideal choice. Keywords: mechanical； automation； control

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绪 论

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段传感器早已渗透到诸如生活、工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

一般情况下传感器产生的电压（流）等物理量的信号值都是相当弱的，难以带动执行机构去实现控制动作，所以一般都是与将传感器各种门电路、放大电路结合在一起使用。

应变片能够把物体形变这个力学量转化为电压这个电学量（输出应变片上下表面的电压值）应变片多用半导体材料制成，当应变片的表面拉伸时，其阻值变大，反之变小，所以外力越大，输出的电压差值越大，根据电压的差值与被成物体的对应的重量关系，就可测出物体的重量

温度传感器可以把温度转换为电信号，测温元件可以是热敏电阻、金属热电阻、热电偶、红外线敏感元件等。电信号可以远距离传出，因此温度传感器可以远距离读取温度。

传感器不像计算机这么大型复杂的东西那样的话人们会就清楚的记录它的历史了温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。根据美国仪器学会的调查，1990年，温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初伽利略发明温度计开始，人们开始利用温度进行测量。真正把温度变成电信号的传感器是1821年由德国物理学家赛贝发明的，这就是后来的热电偶传感器。五十年以后，另一位德国人西门子发明了铂电阻温度计。在半导体技术的支持下，本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器

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第1章 液位器分类

1.1 工作方式

1.1.1电子式液位开关控制

（BZ2401或BZ0501）和搭配的水位控制器(BZ201、BZ202)来进行控液位控制自动化。电子式液位开关原理是通过电子探头对液位进行检测，再由液位检测专用芯片对检测到的信号进行处理,当被测液体到达动作点时，芯片输出高或低电平信号，再配合水位控制器，从而实现对液位的控制。不需浮球和干簧管,外部无机械动作,耐污耐用,不怕漂浮物影响，任意角度安装,竖向安装有一定的防波浪功能，适宜长时间浸在水中,工作电压是直流5-24V，很安全。这种方式较实用，寿命长，安全，价格实惠。

1.1.2浮球开关控制

一种是带着大金属球的浮球开关，浸在液体中时浮力大，可以控制两个液位，比如液体满了，浮球因为浮力而上升，带动球阀运动，使阀门关闭，停止进水，当水少了，浮球下降，阀门打开，又再进水，如此循环。这种方式较多应用在煮开水器上。另一种是带干簧管的微型浮球开关，由外面的带有磁性小浮球使杆里面的干簧管闭合，从而控制液位，多数应用在清水的液位控制，一般几块钱就有交易了，但易受污物影响。还有一种是电缆式浮球开关，该装置通过一弹性电线与水泵连接，可用于水塔、水池各种浮球开关水位高低的自动控制和缺水保护，允许接的用电器是220V,10A左右，平衡锤或弹性电线的某一固定点到浮筒间的电线长度，决定水位的高低。这种水位开关应用广泛，价格便宜，对于一些要求不太严格的场合适用。但存在这样的问题：有一定耐污能力，浮球易受外界杂物影响其稳定性，特别是纤维状的杂物缠绕而有失误，同一小水箱里不宜使用多个，否则会相缠绕。使用寿命相对短些，而且多数直接接220V,存在一定的安全隐患，终有一天因为电线破损而漏电电人。所以电缆式浮球开关一般有这样的警告：电源线是本装置的完整部分，一经发现电线受损，本装置应被替换，不准对电线进行修理。

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 1.1.3液位继电器控制

本产品采用集成电路，并结合高层楼宇上、下集液池的液位分级提升进行设计，具有上下集液池联合控制、排水及缺水保护等功能，可实现水箱补水、排水，并有效防止水池水位过高溢出或溢出空转损坏。效果还可以，这种是怕水垢，水垢厚了就不太可靠了，价格便宜。

1.1.4 非接触式控制

例：超声波液位控制器。液位控制器的探头产生高频超声波脉冲耦合到容器外壁。这个脉冲会在容器壁和液体中传播，还会被容器内表面反射回来。通过对这种反射特性的检测和计算，就可以判断出液位是否达到了液位控制器安装的位置。液位控制器输出继电器信号，来完成对液位的监控。主要用于监测储罐液面，实现上下限报警或监测管道中是否有液体存在，储罐材质可以是各类金属、金属或不发泡塑料。这种方式不受介质密度、介电常数、导电性、反射系数、压力、温度、沉淀等因素的影响，所以适用于医药，石油，化工，电力，食品等行业的各类液体液位工程控制，对于有毒的、强腐蚀危险品液体的检测，该产品更是理想的选择。属于高档产品，价格不菲。

1.2 主要特点

1、外形小巧紧凑，适合柜内导轨安装。 2、就地液位控制或报警。

3、另一突出特点为可以检测调节阀的工作状态，关闭严不严(有无泄漏)。 4、用于给排水控制的双电极液位控制器

5、进液控制 液位低于下限时,继电器吸合,红色报警灯亮； 6、液位高于上限时,继电器断开,红色报警灯灭

7、排液控制 液位高于上限时,继电器吸合,红色报警灯亮； 8、液位低于下限时,继电器断开,红色报警灯灭

1.3 注意事项

液位控制器的浮球易受外界杂物影响其稳定性，特别是纤维状的杂物缠绕而有失误，同一小水箱里不宜使用多个，否则会相缠绕。使用寿命相对短些，而且多数直接接220V,存在一定的安全隐患，终有一天因为电线破损而漏电电人。所

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 以浮球开关的电源线是本装置的完整部分，一经发现电线受损，本装置应被替换，不准对电线进行修理。

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第2章 方案设计

2.1套件概况

套件名称：液位控制器 套件型号：LCT-1

工作电压：5V 继电器触点容量：3A/250V

控制板尺寸：45*71mm 传感器尺寸：86*24mm

LCT-1液位控制器可实现以下两种功能：（功能1和2通过按键S1切换） 1、三种颜色LED分别指示低（红色）、中（黄色）、高（绿色）水位，低水位时继电器吸合（外接水泵工作），开始加水，水位升高到高水位时继电器断开（水泵停止工作），待水位再次降到低水位时继电器再次吸合，上述过程循环。此功能应用在自动加水设备中，可让水位维持在低水位和高水位之间。

2、三种颜色LED分别指示低（红色）、中（黄色）、高（绿色）水位，高水位时继电器吸合（外接电磁阀工作），开始排水，水位降到低水位时继电器断开（电磁阀停止工作），待水位再次升高到高水位时继电器再次吸合，上述过程循环。此功能应用在自动排水设备中，可让水位维持在低水位和高水位之间。

2.2工作原理

整个系统由振荡电路、LED指示电路、继电器驱动电路、基准电压、电源电路及传感器电路构成。

2.2.1振荡电路

U1A及外围元个组成一个多谐振荡器，工作在放大比较器状态。R1和R12对5V进行分压，R3为正反馈电阻，共同作为同相输入3脚的基准电压V+，反相输入端2脚V-取自R2、C1组成的积分电路C1两端。V+与V-进行比较决定输出SIG电压的高低，由于C1不断在正反两个方向充电和放电，使V-的电压不断大于V+和小于V+,输出的SIG电压也就不断在高低电平间翻转，这样就产生了系统所需的振荡信号SIG。

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 2.2.2 LED指示电路

此电路包括整流滤波和电压比较两部分。C2为藕和电容，D1、D2整流，C4滤波，在R4上形成整流滤波后的电压作为U1B反相输入端电压。同相输入端电压由基准电压VREF提供，同相输入端电压和反相输入端电压进行比较，若同相输入端电压大于反相输入端电压则输出高电平；反之输出低电平。J1和J2外接水位传感器，相当于是由水位控制的两个开关，低水位时J1和J2均为开路状态，R4和R13上无电压。此时U1的7脚和8脚均输出高电平，故只有红色D6（低水位指示）发光。中水位时，水位传感器使J1短路，SIG信号经C8藕和、经导电液体到C7藕和、D4和D5整流、C9滤波在R13上形成电压作为U1C反相输入端电压；此电压大于U1C同相输入端电压，所以8脚输出低电平，红色D6（低水位指示）熄灭，D7黄色（中水位指示）发光。高水位时，水位传感器使J2也短路，SIG 信号经C3藕和、经导电液体到C2藕和、D1和D2整流、C4滤波在R4上形成电压作为U1B反相输入端电压；此电压大于U1B同相输入端电压，所以7脚输出低电平，红色D7（中水位指示）熄灭，D3绿色（高水位指示）发光。

2.2.3 继电器继动电路

LED指示电路中的两个输出端7脚和8脚经R8和R16分压后得到VIN电压作为U1D电压比较器的反相输入端电压；同相输入端电压由基准电压VREF提供，VREF大于VIN时，14脚输出高电平，反之则输出低电平。S1为功能切换开关，以14脚输出低电平为例来说明功能切换开关的工作原理，功能1（原理图上开关向上拨动）低电平经R21限流到Q2的基极，Q2截止，继电器不工作。 功能2（原理图上开关向下拨动）低电平经R21限流到Q1的基极，Q1截止，5V电压(高电平)经R22再经开关到Q2的基极，Q2导通，继电器得电工作。

2.2.4 基准电压

由R10与R11串联分压获得基准电压，C10起到进一步稳定基准电压的作用。电阻分压计算公式为VREF=5*R11/(R10+R11)

2.2.5传感器电路

由两组镀锡走线构成，较长一组为中水位感应线，较短一组为高水位感应线。如果在实际应用中感觉中水位和高水位距离不够，可用两条导电铜丝分别焊接在

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2345吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 中水位感应线上。 2.3电路原理图 电路原理图，如图2-1 5V5VC2D26104D121SIG21J21N4148C3104C8104J1C7D59104D41N41481N4148R13LM324C91041M10+R15100K2.2KR17VINVREFR1847K1213-U1DLM324+R1947K14R2110KS18050Q18050J4CON3Q2321振荡电路U1EC12223R15V3U1A-R247KSIG1U1B-LM3245+R6R5680VREFR1447KU1C-100KD3绿7R7220R847K5VR104.7KVREFR112.2KLM3245VJ3100uFC5104C612CON21141N4148C4104LM324+R347KR41M47KR1247KR9680VINC1010uF继电器驱动电路R20R2210K2.2KD8D95VD7黄基准电压8R17K电源电路红K15V1N4007LED指示电路D6红 图2-1 2.4元器件清单 元器件清单如表2-1 表2-1 元器件清单 名称 电阻 电容 2型号/规格 220R 680R 2.2K 4.7K 10K 47K 100K 1M 104 223 编号 R7 R5 R9 R11 R20 R10 3数名称 量 1 LED 2 R17 3 1 2 9 2 2 集成电路 IC插座 按键开关 继电器 接线端子 端子线 数量 F5红发红 D6 D8 2 F5黄发黄 D7 1 F5绿发绿 D3 1 45型号/规格 编号 TitleSizeBDate:File:Number19-Jun-2013F:\\设计实训套件\\实训套件二组.DdbLM324 14PIN 5.8*5.8 U1 U1 S1 1 1 1 R21 R22 R1-3 8 12 14 16 18 19 R6 R15 R4 R13 C2－C5 C7－7 C9 C1 1 5V 1P2T K1 1 2.54 2P立 J1 J1 3 J3 201－3P J4 1 单头150 3 3 第9页 共15页

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 10uF/25V C10 100uF/16 C6 1 1 二极1N4148 管 1N4007 三极S8050 管 D1 D2 D4 4 D5 D9 1 Q1 Q2 2 控制PCB 传感PCB 红色导线 黑色导线 热缩导管 45*71mm 1 86*24mm 1 65mm长 65mm长 2 2 1 1 2 2 4 F2*21MM 4 2.5功能测试

1. 先不用插传感的两条线，通电后，此时低水位（红色）LED应发光。 2. 用镊子把J1短路（模拟水涨到中水位），此时中水位（黄色）LED应发光。 3．保持J1短路的情况下，再用一把镊子将J2短路（模拟水涨到高水位），此时高水位（绿色）LED灯应发光，继电器吸合（继电器指示LED发光）。

注：通电前请先检查电源极性是否正确，一旦接反U1会发烫，可能损坏U1。

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第3章 硬件组成

液位控制器的硬件组成

3.1 LED的介绍

LED是英文单词的缩写，主要含义：LED = Light Emitting Diode，发光二极管，是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光；LED = Large Electronic Display，大型电子展示；LED = Lupus erythematosus disseminatus， led是lead的过去式和过去分词，意为“领导，带领”；俄罗斯Pulkovo机场的IATA代码。

3.2 LM324功能

LM324是四运放集成电路，他采用14脚双列直插塑料封装，它的内部包含四组完全相同的运算放大器，除电源公共外，四组运放相互。

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引脚，其中“+”“—”为两个信号输入端，“V+”“V-”为正负电源端，“V”为输出端。两个信号输入端中，Vi-为反响输入端，表示运算输出端V的信号与该输入端的相位相反；Vi+为同相输入端，表示运放输出端V的信号与该输入的相位相同。

3.3 8050三极管

用万用表R×100或R×1k挡测量管子三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。当用第一根表笔接某一电极，而第二表笔先后接触另外两个电极均测得低阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极b。这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极b。黑表笔分别接在其他两极时，测得的阻值都较小，则可判定被测管子PNP型三极管；如果黑表笔接的是基极b，红表笔分别接触其他两极时，测得的阻值较小，则被测三极管为NPN型管如9013，9014,9018。

判定三极管集电极c和发射极e。(以PNP型三极管为例)将万用表置于R×100或R×1K挡，红表笔基极b，用黑表笔分别接触另外两个管脚时，所测得的两个电阻值会是一个大一些，一个小一些。在阻值小的一次测量中，黑表笔所接管脚为集电极；在阻值较大的一次测量中，黑表笔所接管脚为发射极。

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吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 3.4继电器

3.4.1继电器工作原理

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。当输入量(如电压、电流)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 3.4.2继电器主要产品技术参数

1、额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。

2、直流电阻（线圈阻抗）是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。

3、吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。

4、释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。

5、触点切换电压和电流（触点容量）是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点

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总结

课程设计是大学学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次完整的液位控制器设计，我摆脱了单纯的理论知识学习的状态。通过与实际设计相结合，锻炼了我综合运用所学专业基础知识来解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他的专业能力水平。亲自动手做了这个液位控制器设计，使我们了解了液位控制器在现实生活中的应用，这就要求我们的设计必须严密、可靠。通过这次设计，提高了我的意志力和品质力，提升了自己的忍耐力，懂得了怎样缓解压力，学会了思考、逻辑思维、提出问题、分析问题、解决问题的方法。这是我们希望看到的，也正是我们进行设计的目的所在。 虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐，但我的收获却更加丰富。通过孟老师的悉心指导，我了解到到了液位控制系统的设计方法，相关设备的选用标准，以及各种容易忽略的细节，我的能力得到了提高。虽然提高是有限的，但这次提高也是全面的，正是这一次设计让我积累了大量的实际经验，使我的头脑更好的被知识武装了起来，也必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的理解能力，更强的沟通能力和更快的应变能力。最终按质按量完成本次设计，我的收获是很难用语言来描述的，非常感谢老师的指导与帮助！ 由于学生的设计水平有限以及设计时间有限，在设计中不免出现错误之处，诚请指导老师批评指正。

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致谢

本次设计是在孟凡姿老师的精心指导下完成的，在我的设计过程中始终严格要求，同时及时地给我指导和批评指正。从大二第一次课程设计开始，就给了我很大的帮助和支持，值此论文完成之际，我向孟老师致以最诚挚的感谢和深深的敬意！

另外，通过此次设计我对自己所学基础理论、专业知识和基本技能进行了综合的检验。培养了分析与解决问题的能力，同时这次课程设计不仅使我了解了很多新的知识，更重要的是我检索和获取知识的能力的到了很大的提高，这跟老师给我的指导是分不开的。在课程设计研究过程中，还得到了其他老师和同学的帮助。在此，对其他给予帮助的老师们表示我诚挚的谢意，对给予帮助的同学们表示衷心的感激和谢意。

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参考文献

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