单台泵、两台泵手动投入、两台泵自动投入的控制方案

由于城区供水管网在用水高峰时压力不足或发生爆管时造成较长时间停水，各局部供水系统都设有蓄水池或高位水箱蓄水，以备生产、生活和消防用水。为了使高位水箱或供水管网有一定的水位或压力，需要安装加压水泵。水泵的控制一般要求能实现自动控制或远距离控制。根据要求不同，可分为水位控制、压力控制等，下面介绍几种常见的控制方式及电路。

3.1.1 干簧管水位控制器

水位控制一般用于高位水箱给水和污水池排水。将水位信号转换为电信号的设备称为水（液）位控制器（传感器），常用的水位控制器有干簧管开关式、浮球（磁性开关、水银开关、微动开关）式、电极式和电接点压力表式等。

1）干簧管开关

图3.1是干簧管开关原理结构图。在密封玻璃管2内，两端各固定一片用弹性好、导磁率高的玻莫合金制成的舌簧片1和3。舌簧片自由端相互接触处，镀以贵重金属金、铑、钯等，保证良好的接通和断开能力。 玻璃管中充入氮等惰性气体，以减少触点的污染与电腐蚀。图3.1（a）和（b）分别是常开和常闭触头的干簧管开关原理结构图。

舌簧片常用永久磁铁和磁短路板两种方式驱动，图3.1（c）所示为永久磁铁驱动，当永久磁铁“N—S”运动到它附近时，舌簧片被磁化，中间的自由端形成异极性而相互吸引（或排斥），触点接通（或断开）；当永久磁铁离开时，舌簧片消磁，触点因弹性而断开（或接通）。 图3.1（d）是磁短路板驱动，干簧管与永久磁铁组装在一起，中间有缝隙，其舌簧片已经被磁化，触点已经接通（或断开）。 当磁短路板（铁板）进入永久磁铁与干簧管之间的缝隙时，磁力线通过磁短路板组成闭合回路，舌簧片消磁，因弹性而恢复；当磁短路板离开后，舌簧片又被磁化而动作（接通或断开）。

图3.1 干簧管原理结构图

1—舌簧片；2—玻璃管；3—舌簧片

2）干簧管水位控制器

干簧管开关和永久磁铁组成的水位控制器适用于工业与民用建筑中的水箱、水塔及水池等开口容器的水位控制或水位报警之用。图3.2为干簧管水位控制器的安装和接线图。其工作原理是：在塑料管或尼龙管内固定有上、下水位干簧管开关SL1和SL2，塑料管下端密封防水，连线在上端接出。塑料管外套一个能随水位移动的浮标（或浮球），浮标中固定一个永久磁环，当浮标移到上或下水位时，对应的干簧管接受到磁信号而动作，发出水位电开关信号。因为干簧管开关触点有常开和常闭两种形式，其组合方式有一常开和一常闭的水位控制器；两常开的水位控制器，如在塑料管中固定有4个干簧管，可有若干种组合方式，可用于水位控制及报警。

图3.2 干簧管水位控制器的安装和接线图

3.1.2 水泵的控制电路

水泵的控制有：单台泵控制方案；两台泵互为备用，备用泵手动投入的控制方案；两台泵互为备用，备用泵自动投入的控制方案；较大的泵又有降压启动；两台泵降压启动的备用泵手动投入和备用泵自动投入的控制方案等。

1）两台泵互为备用，备用泵手动投入控制

图3.3为两台泵互为备用，备用泵手动投入控制的电路图。 图中的SA1和SA2是万能转换开关（LW5系列），如是单台泵控制，只用一个转换开关就可以了。 万能转换开关的操作手柄一般是多挡位的，触点数量也较多。其触点的闭合或断开在电路图中是采用展开图来表示，即操作手柄的位置用虚线表示，虚线上的黑圆点表示操作手柄转到此位置时，该对触点闭合；如无黑圆点，表示该对触点断开。其他多挡位的转换开关也都采用这种展开图表示法。

图中的SA1和SA2操作手柄各有两个位置，触点数量各为4对，实际用了3对，手柄向左扳时，触点①和②、③和④为闭合的，触点⑤和⑥为断开的，为自动控制位置，即由水位控制器发出的触点信号，控制水泵电动机的启动和停止。手柄向右扳（或不动）时，反之，为手动控制位置，即手动启动和停止按钮，控制水泵电动机的启动和停止。需要说明的是，大多数的设备，都离不开手动控制，目的是设备检修时用，所以，都要安装手动控制环节。

图3.3可以划分为水位控制开关接线图，水位信号电路图，两台泵的主电路，两台泵的控制电路图。水泵需要运行时，电源开关QS1，QS2，S均要合上，因为是互为备用，转换开关SA1和SA2总有一个放在自动位，另一个放在手动位。设SA1放在自动位（左手位），触点①和②、③和④为闭合的，触点⑤和⑥为断开的，1＃泵为常用机组；SA2放在手动位（不动），2＃泵为备用机组。

图3.3 备用泵手动投入控制电路图

（a）接线图；（b）水位信号回路；（c）主回路；（d）控制回路

工作原理分析：若高位水箱（或水池）水位在低水位时，浮标磁铁下降，对应于SL1处，SL1常开触点闭合，水位信号电路的中间继电器KA线圈通电，其常开触点闭合，一对用于自锁，一对通过SA11，2使接触器KM1通电，1＃泵投入运行，加压送水，当浮标离开SL1时，SL1断开。当水位到达高水位时，浮标磁铁使SL2常闭触点断开，继电器KA失电，接触器KM1失电、水泵电动机停止运行。

如果1＃泵在投入运行时发生过载或者接触器KM1接受信号不动作等故障，KM1的辅助常闭触点恢复，通过SA13，4使警铃HA响，值班人员知道后，将SA1放在手动位，准备检修；将SA2放在自动位，接受水位信号控制。警铃HA因SA13，4断开而不响。

2）两台泵互为备用，备用泵自动投入控制

图3.4为两台泵互为备用，备用泵自动投入的控制电路图，其工作原理如下：

图3.4 备用泵自动投入的控制电路图

正常工作时，电源开关QS1，QS2，S均合上，SA为万能转换开关LW5系列，有3挡10对触头，实际用了8对。 手柄在中间挡时，○1和○12、○19和○20两对触头闭合，为手动操作启动按钮控制，水泵不受水位控制器控制。当SA手柄扳向左面45°时，○15和○16、⑦和⑧、⑨和⑩3对触头闭合，1＃泵为常用机组，2＃泵为备用机组，当水位在低水位（给水泵）时，浮标磁铁下降对应于SL1处，SL1闭合，水位信号电路的中间继电器KA1线圈通电，其常开触点闭合，一对用于自锁，一对通过SA7，8使接触器KM1通电，1＃泵投入运行，加压送水，当浮标离开SL1时，SL1断开。当水位到达高水位时，浮标磁铁使SL2动作，KA1失电，KM1失电、水泵停止运行。

如果1＃泵在投入运行时发生过载或者接触器KM1接受信号不动作，时间继电器KT和警铃HA通过SA15，16长时间通电，警铃响，KT延时5～10s，使中间继电器KA2通电，经SA9，10使接触器KM2通电，2＃泵自动投入运行，同时KT和HA失电。

若SA手柄扳向右面45°时，⑤和⑥、①和②、③和④3对触头闭合，2＃泵自动，1＃泵为备用。其工作原理可自行分析。

3.1.3 其他水位控制器

1）浮球磁性开关液位控制器

UQK-611，612，613，614型浮球磁性开关液位控制器是利用浮球内藏干簧管开关动作而发出水位信号的，因外部无任何可动机构，特别适用于含有固体、半固体浮游物的液体，如生活污水、工厂废水及其他液体的液位自动报警和控制。

图3.5为浮球磁性开关外形结构示意图，主要由工程塑料浮球、外接导线和密封在浮球内的开关装置组成。开关装置由干簧管、磁环和动锤构成。制造时，磁环的安装位置偏离干簧管中心，其厚度小于一根簧片的长度，所以磁环几乎全部从单根簧片上通过，两簧片间无吸力，干簧管触点处于断开状态。其动锤在滑轨上随浮球的正置或倒置可以滑动，既偏离磁环和靠紧磁环，当动锤靠紧磁环时，可视为磁环厚度增加，两簧片被磁化而相互吸引，使其触点闭合。

图3.5 浮球磁性开关外形结构示意图(www.zuozong.com)

图3.6 浮球磁性开关液位控制器安装示意图

其安装示意图如图3.6所示，当液位在下限时，浮球正置（如图3.5方向），动锤靠自重位于浮球下部，浮球因为动锤在下部，重心向下，基本保持正置状态，发出开泵信号。开泵后液位上升，当液位接近上限时，由于浮球被支持点和导线拉住，便逐渐倾斜。当浮球刚超过水平测量位置时，位于浮球内的动锤靠自重向下滑动使浮球的重心在上部，迅速翻转而倒置，使干簧管触点吸合，发出停泵信号。当液位下降到接近下限时，浮球又重新翻转回去，又发出开泵信号。在实际应用中，可用几个浮球磁性开关分别设置在不同的液位上，各自给出液位信号对液位进行控制和监视。

水泵的控制方案与前面相同，仅是水位信号取法不同，使水位信号电路略有差别。 图3.7为单球给水水位信号电路，其他控制电路部分套用图3.4；当水位处于低水位时，浮球正置，动锤在下部，干簧管触点断开，但需要启动水泵，通过一个中间继电器KA将SL常开转换为闭合触点，发出水泵启动信号；当水位达到高位时，浮球倒置，动锤下滑使干簧触点SL吸合，使KA通电，发出停泵信号，直到水位重新回到低水位时，浮球翻转，SL打开又发出开泵信号。 其他工作过程与图3.4分析相同，在此不再详述。

图3.7 浮球磁性开关水位信号电路

图3.8 电极式水位控制器原理图

2）电极式水位控制器

电极式水位控制是利用水或者液体的导电性能，在水箱高水位或低水位时，使互相绝缘的电极导通或不导通，发出信号使晶体管灵敏继电器动作，从而发出指令来控制水泵的开停。

图3.8为一种三电极（8线柱）式水位控制器原理图。当水位低于DJ2和DJ3以下时，DJ2和DJ3之间不导电，晶体三极管V2截止，V1饱合导通，灵敏（小型）继电器KE吸合，其触头线柱2至3发出开泵指令；当水位上升使DJ2和DJ3导通时，因线柱5至7不通，V2继续截止， V1继续导通；当水位上升到使DJ1，DJ2和DJ3均导通时，线柱5至7通，V2饱和导通，V1截止，KE释放，发出停泵指令。

信号电路可参照图3.3自行设计，注意晶体管电路本身需接电源。

3）压力式水位控制器

水箱的水位也可以通过压力来检测，水位高压力也高，水位低压力也低。 常用的是YXC-150型电接点压力表，既可以作为压力控制又可作为就地检测之用。 它由弹簧管、传动放大机构、刻度盘指针和电接点装置等构成，示意图见图3.9。 当被测介质的压力进入弹簧管时，弹簧产生位移，经传动机构放大后，使指针绕固定轴发生转动，转动的角度与弹簧管中压力成正比，并在刻度上指示出来，同时带动电接点指针动作。 在低水位时，指针与下限整定值接点接通，发出低水位信号；在高水位时，指针与上限整定值接点接通；在水位处于高低水位整定值之间时，指针与上下限接点均不通。

如将电接点压力表安装在供水管网中，可以通过反应管网供水压力而发出开泵和停泵信号，可设置一台水泵对几个水箱供水，各水箱应安装浮球控制阀，水箱水位高时，浮球控制阀封闭水箱进水阀门。

水泵的控制方案与前相同，也仅是水位信号电路略有不同，图3.10为图3.9的水位信号电路部分。当水箱水位低（或管网水压低）时，电接点压力表指针与下限整定值触点接通，中间继电器KA1通电并自锁和发出开泵电信号；当水压升高时，压力表指针脱离下限触点，但KA1有自锁，泵继续运行；当水压升高到使压力表指针与上限整定值触点接通时，中间继电器KA通电，其常闭使KA1失电发出停泵指令。

图3.9 电接点压力表示意图

图3.10 电接点压力表水位信号电路

4）电阻式水位传示仪

在水位控制的实际应用中，不仅要求实现远距离的水位控制，而且希望实现远距离的（控制中心）显示水箱中的实际水位，电阻式水位传示仪就可以同时实现这两个功能。 电阻式水位传示仪由一次仪表（传感器）和二次仪表（调节器）组成。

（1）传感器

一次仪表由随水位移动的浮球、传动用的钢丝绳、导轮、传动变速齿轮、可调电位器和动锤组成，水位移动时，通过传动装置使可调电位器的阻值发生变化，将电阻的阻值信号传递给二次仪表进行调节，图3.11为电阻式水位传感器的示意图。电位器的阻值可以在0～1kΩ变化。

（2）调节器

二次仪表应用的是动圈式指示调节仪，动圈式指示调节仪的国内统一型号为XCT，XCT的意思为：显示仪表、磁电式、指示调节仪。图3.12为动圈式指示调节仪电路图，动圈式指示调节仪由测量电路和调节电路组成。

①测量电路（指针指示部分）：测量电路由四臂测量电桥、检流计和直流电源组成，检流计的可动线圈是放在永久磁钢的磁场中，当线圈无电流时，在张丝的作用下，线圈不动，仪表的指针指示在初始水位（初始水位可以调试在中间位）。 当水位变化时，对应的电阻值发生变化，破坏了电桥的平衡，A和B两点之间产生不平衡电压，检流计的线圈产生电流，此载流线圈在永久磁场内受到电磁力矩的作用，使可动线圈转动，直到与张丝的反作用力矩相平衡时为止。仪表指针所指的刻度就是实际水位。因为该仪表指示水位时，电桥是处于不平衡状态，故称为不平衡电桥。RT为多圈电位器的可变电阻。

图3.11 电阻式水位传感器的示意图

图3.12 动圈式指示调节仪电路图

②调节电路：调节电路（控制部分）由电感三点式高频振荡器、检波和放大器等部分组成。电感线圈L3是装在刻度板下面的给定指针上的两个检测线圈，两个检测线圈相对安装，中间留有适当的空隙，可以让测量指针上面所带的铝旗自由进出。

当测量指针上的铝旗在给定指针线圈L3外面时，L3的电感量最大，L3，C3电路对振荡频率的交流阻抗较小，故反馈作用较小，振荡器的振荡幅度较大，这时就有高频电压加到检波管V3和电阻R6上，于是在电阻R6上获得较大的直流电压，使三极管V2导通，从而使继电器KE吸合，继电器KE的常闭触点断开、常开触点闭合。

反之，当测量指针上的铝旗进入给定指针线圈L3里面时（到达给定值位置时），振荡器停振，电阻R6上的检波电压也变得很小，使三极管V2截止，继电器KE释放，其触点恢复。 当测量指针上的铝旗又离开给定指针线圈L3时，继电器KE又吸合。 因此，调节给定指针在刻度板上的位置，就可以改变给定水位。

在电阻式水位传示仪中，XCT的调节电路共有两组，也就是说，给定指针线圈L3共有两组，一组用于反映和调节低水位给定，另一组用于反映和调节高水位给定。对应的继电器也有两个，可以统编为KE1和KE2。KE1用于低水位时发出启动水泵信号，KE2用于高水位时发出停止水泵信号，每个继电器又都有常闭和常开触点，因为是小型继电器，其触点为转换式（非桥式触点），中间接点为常闭和常开公用的接线点。小型继电器都是转换式触点。

动圈式指示调节仪XCT在空气调节设备中也得到广泛的应用，只是将可变电位器换成测量温度的电阻或热电偶等。其调节电路有一组的，称为双位调节；也有两组的，称为三位调节。还有非继电器输出方式的调节规律。

电阻式水位传示仪组成的信号电路可以自行设计。