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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Centralina del sistema di alimentazione idrica. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Casa, casa, hobby Sulla base della propria esperienza, l'autore espone i principi di base per la costruzione di singoli sistemi di approvvigionamento idrico di stoccaggio e descrive l'unità di controllo da lui sviluppata per tale sistema, che, a suo avviso, soddisfa i requisiti di affidabilità e sicurezza operativa. È semplicemente impossibile fare a meno dell'acqua in una moderna casa di campagna, fattoria o cottage estivo. In luoghi remoti, l'approvvigionamento idrico centralizzato non è pratico e la fonte d'acqua è un pozzo, un pozzo o anche un serbatoio aperto. Quest'ultima opzione è estremamente indesiderabile a causa della possibilità di contaminazione del serbatoio e di diffusione dell'inquinante in tutto il sistema di approvvigionamento idrico. Puoi prendere l'acqua da un pozzo, ma quando non ce n'è non resta che trivellare un pozzo. Più l'area è lontana dalla città, più spesso si verificano interruzioni di corrente, quindi sono preferibili sistemi di approvvigionamento idrico con un serbatoio di accumulo, che ha abbastanza acqua per un certo periodo di tempo. I sistemi di approvvigionamento idrico più semplici, come [1], sono adatti per l'uso solo sotto supervisione. Sono disponibili in vendita stazioni di pompaggio di varie capacità, ma i prezzi per le stazioni con una grande riserva d'acqua nel serbatoio di stoccaggio sono impressionanti. Pertanto, l'autoproduzione di un sistema di approvvigionamento idrico di tipo stoccaggio consente di risparmiare una notevole quantità di denaro. Pensando alla progettazione di un sistema di approvvigionamento idrico contenente una fonte d'acqua, una pompa, tubi per l'alimentazione e lo scarico dell'acqua, un relativo serbatoio di stoccaggio, conoscendo il luogo di installazione del sistema e le condizioni di temperatura in cui funzionerà, è possibile immaginare possibili modalità operative, anticipare situazioni di emergenza e, su questa base, determinare i requisiti per l'impianto nel suo complesso e per la sua unità di controllo in particolare. Il funzionamento del sistema di approvvigionamento idrico deve essere sicuro, la produzione, l'installazione, la manutenzione e la gestione devono essere semplici e l'unità di controllo e i sensori devono essere affidabili. Il sistema deve poter funzionare senza guasti per anni e la centralina deve essere in grado di individuare le situazioni di emergenza, segnalarle e prevenirne lo sviluppo. I più semplici tra tutti i sistemi di controllo dell'approvvigionamento idrico sono quelli dotati di sensori ad elettrodi per la presenza di acqua e il suo livello nel serbatoio di accumulo. La loro produzione non richiede una grande quantità di lavorazione dei metalli. Gli elettrodi sono facili da rimuovere per il lavaggio del serbatoio e per altri lavori di manutenzione, dopodiché possono essere facilmente rimontati. Una costruzione simile è descritta in [2]. Tuttavia, è noto che l'acciaio inossidabile degli elettrodi e del serbatoio di stoccaggio contiene, oltre al ferro, additivi leganti: nichel, manganese, cromo e altri metalli. Quando entrano nell'acqua potabile e con essa nel corpo, influiscono negativamente sulla salute. Pertanto, quando si produce un'unità di controllo che funziona con sensori di livello ad elettrodi, non si può ignorare la sicurezza biologica. È necessario ridurre al minimo i processi elettrochimici che si verificano sugli elettrodi e l'elettrolisi dell'acqua. Per fare ciò, la tensione applicata agli elettrodi deve essere bassa e fornita in impulsi a breve termine. Quando si inizia a sviluppare un sistema di approvvigionamento idrico, è necessario tenere conto delle caratteristiche delle pompe dell'acqua. Secondo il principio di funzionamento possono essere classificati in due tipologie principali: a vibrazione e centrifughe. Le pompe vibranti che lavorano intensamente in un pozzo causano danni ai tubi dell'acqua in gomma o plastica a causa del loro attrito contro l'involucro. Se l'acqua smette di fluire nel sistema attraverso un tubo danneggiato, la pompa funzionerà continuamente fino a quando non si guasta o viene spenta automaticamente o da una persona. In questi casi, è necessario risolvere urgentemente il problema, che è particolarmente laborioso e spiacevole in inverno. È anche possibile che la qualità dell'acqua venga deteriorata dallo sfregamento di particelle provenienti dal tubo, soprattutto se è di gomma. Se il corpo della pompa in alluminio tocca quello in acciaio, si verifica una differenza di potenziale di contatto che porta alla corrosione elettrochimica del tubo in acciaio e del corpo in alluminio. Ciò può causare la penetrazione dell'acqua nell'avvolgimento della pompa e il suo danneggiamento. Si è notato che l'utilizzo di una pompa in un involucro di alluminio peggiora notevolmente il sapore dell'acqua, anche con tubi con rivestimento in polietilene. Ciò è particolarmente evidente con i tubi di rivestimento in acciaio nero o inossidabile. Se tale acqua viene utilizzata per bere e cucinare, il corpo viene gradualmente avvelenato dall'alluminio, dal ferro e dai metalli legati in essa disciolti. La migliore soluzione a questo problema è utilizzare un involucro di plastica e una pompa sommergibile centrifuga in un alloggiamento di plastica o acciaio inossidabile. Dopo aver sostituito una pompa con corpo in alluminio con una pompa con corpo in acciaio inox, entro XNUMX ore si avverte un miglioramento del sapore dell'acqua. Pertanto, le pompe sommergibili utilizzate nei sistemi di approvvigionamento di acqua potabile non devono avere alloggiamenti o altre parti a contatto con l'acqua in alluminio o sue leghe con magnesio. Il primo requisito per l'unità di controllo del sistema di approvvigionamento idrico è il mantenimento di un determinato livello dell'acqua nel serbatoio di stoccaggio. Il secondo requisito è che non deve consentire il funzionamento della pompa quando la tensione nella rete di alimentazione è ridotta o aumentata di oltre il 10%. Per controllare la pompa è preferibile utilizzare un relè elettromagnetico o un avviatore con contatti normalmente aperti. Questo garantisce lo spegnimento della pompa in caso di malfunzionamenti tipici della centralina o mancanza di tensione nella rete elettrica. La centralina deve sempre spegnere la pompa se le tubazioni che portano dalla pompa al serbatoio di accumulo sono danneggiate. Ciò impedirà il funzionamento illimitato della pompa, accompagnato dall'allagamento d'acqua degli edifici e delle aree vicine. L'unità deve spegnere la pompa, interrompendo il riempimento del serbatoio di stoccaggio e quando le tubazioni di distribuzione dell'acqua perdono. Allo stesso tempo, l'approvvigionamento idrico dal serbatoio di stoccaggio deve essere interrotto. Per soddisfare questi requisiti, è necessario disporre di sensori di flusso dell'acqua che entra nel serbatoio e di sensori di umidità nei punti di possibili perdite. Infine, la centralina non deve consentire la fuoriuscita dell'acqua dal serbatoio di accumulo, quindi è necessario un sensore limite per il livello dell'acqua al suo interno. La pratica di gestire per decenni un sistema di approvvigionamento idrico fatto in casa in modalità automatica dimostra che nessuno dei requisiti descritti può essere considerato superfluo. Parlando dell'esperienza operativa delle unità di controllo delle pompe descritte in [3], va detto che una volta all'anno era necessario pulire i contatti. La centralina pompa con interruttori reed richiedeva un intervento ogni due-tre anni. L'unità di controllo relativamente semplice per un sistema di approvvigionamento idrico del tipo ad accumulo offerta all'attenzione dei lettori è stata progettata sulla base dei requisiti sopra elencati. Lo schema di questo blocco è mostrato in Fig. 1. La semplicità e l'affidabilità del suo funzionamento sono garantite dall'uso di microcircuiti stabilizzatori di tensione paralleli TL431ILP come elementi di soglia e chiavi elettroniche.
La centrale è alimentata dalla tensione di rete AC 230 V e si accende tramite l'interruttore a pulsante SB1. Utilizzando il trasformatore T1, il ponte a diodi VD1 e il condensatore di livellamento C1, si ottiene una tensione costante da una tensione alternata secondaria di 8,5 V (12 V alla tensione di rete nominale). Va all'unità di controllo della tensione, assemblata sui microcircuiti DA1, DA2, DA4. L'idea per questo nodo è stata trovata in [4]. Inoltre, la tensione raddrizzata attraverso i contatti del pulsante SB3 e i contatti normalmente chiusi del relè K1.3 viene fornita all'unità assemblata sui transistor VT2 e VT3 secondo le raccomandazioni disponibili in [5]. Genera impulsi con un'ampiezza di 12 V, la cui durata è impostata dalla capacità del condensatore C4 e dalla resistenza del resistore R15, e il periodo di ripetizione è determinato dalla capacità dello stesso condensatore e dalla resistenza del resistore R14. Gli impulsi alimentano un'unità assemblata sui microcircuiti DA3 e DA5, transistor VT1 e relè K1 e K2. A questo nodo sono collegati gli elettrodi dei sensori di livello E1-E3 e dei sensori di flusso E4, nonché i sensori di umidità. La tensione tra gli elettrodi dei sensori E1-E4 e il corpo del serbatoio è di circa 12 V e viene pulsata e applicata agli elettrodi solo quando si determina il livello dell'acqua nel serbatoio. Lo stato del chip DA5 durante l'impulso dipende dalla presenza e dalla resistenza dell'acqua tra il sensore di livello inferiore (elettrodo E2) e il corpo del serbatoio. Se non c'è acqua nel serbatoio di stoccaggio o il suo livello è inferiore all'elettrodo E2, il microcircuito DA5 si apre (chiude il suo circuito anodo-catodo) e accende il relè K2. I contatti K2.1 e K2.2 forniscono la tensione di rete alla pompa dell'acqua M1. I contatti K2.3, quando chiusi, interrompono la generazione di impulsi. La tensione sul collettore del transistor VT3 diventa costante (circa 12 V). I contatti K2.4 scollegano l'elettrodo E2. Dopo aver riempito il serbatoio e chiuso l'elettrodo E1 (sensore di livello superiore) e il corpo del serbatoio con acqua, il microcircuito DA5 e il relè K2 vengono spenti. La pompa M1 si ferma e l'alimentazione idrica al serbatoio si interrompe. Le unità, assemblate sui microcircuiti DA1, DA2, DA4 e sul microcircuito DA3, transistor VT1 e relè K1, sono progettate per spegnere la pompa M1 in situazioni di emergenza, segnalarlo e mantenere la centralina in modalità “emergenza”. I LED HL1 e HL2 servono rispettivamente come indicatori delle modalità di funzionamento e di emergenza. La pompa si spegne, interrompendo l'erogazione di acqua al serbatoio di accumulo, nelle seguenti situazioni di emergenza. Innanzitutto quando la tensione di alimentazione supera i limiti di tolleranza (±10% del valore nominale). Per fare ciò, il valore corrente della tensione raddrizzata non stabilizzata sul condensatore C1, proporzionale alla tensione di rete, viene continuamente monitorato. Il chip DA1 si chiude e DA2 si apre quando questa tensione è inferiore alla soglia inferiore impostata dal resistore di regolazione R4. Il chip DA4 si apre quando la tensione raddrizzata supera la soglia superiore impostata dal resistore di regolazione R13. In entrambi i casi K1, relè di arresto di emergenza e allarme, è attivato e autobloccante. La seconda modalità di emergenza si verifica quando la pompa non funziona correttamente o nel caso in cui la pompa è in funzione, ma l'acqua non scorre nel serbatoio a causa, ad esempio, della sua assenza nella fonte o di danni alla tubazione. Quando il flusso d'acqua che entra nel serbatoio, in cui si trova l'elettrodo E4, non lo collega elettricamente al corpo del serbatoio, il condensatore C2 viene caricato. Quando la tensione sul condensatore raggiunge la tensione di soglia del chip DA3, si apre. Il relè di allarme K1 è attivato. Il condensatore C2 e i resistori R7, R8 creano un ritardo nell'attivazione della modalità di emergenza. È necessario affinché se il sistema funziona correttamente, dopo aver acceso la pompa, l'acqua abbia il tempo di riempire il tubo che entra nel serbatoio, entrare nel serbatoio e raggiungere l'elettrodo E4. La successiva modalità di emergenza si verifica quando i tubi del flusso dell'acqua sono danneggiati o c'è il rischio di traboccamento dell'acqua dal serbatoio. Viene determinato utilizzando i sensori di umidità e l'elettrodo di livello limite E3 ed è attivato dal transistor VT1, dal microcircuito DA3 e dal relè K1. In qualsiasi modalità di emergenza, i contatti del relè K1.3 scollegano il generatore di impulsi dalla tensione di alimentazione a 12 V, impedendo così l'alimentazione di tensione alla pompa. Allo stesso tempo, i contatti K1.4 bloccano il relè K1 nello stato azionato e i contatti K1.1 e K1.2 forniscono tensione all'avvolgimento dell'elettrovalvola Y1. In questo caso, la valvola normalmente aperta Y1 si chiude, interrompendo il flusso dell'acqua dal serbatoio nel tubo di mandata. È possibile ripristinare l'alimentazione idrica dal serbatoio di accumulo spegnendo e poi (dopo aver eliminato l'incidente) riaccendendo la centralina tramite l'interruttore a pulsante SB1, e chiudendo l'alimentazione dell'acqua dal serbatoio in modalità operativa tramite il pulsante commutare SB2. Chiudendo i suoi contatti si chiuderà la valvola elettroidraulica Y1 e si interromperà il flusso di acqua nel tubo di flusso. Se l'unità di controllo non è stata spenta durante l'eliminazione dell'incidente, dopo averlo eliminato è possibile premere il pulsante SB3 per rimuovere il blocco e rimettere in funzione l'unità di controllo. L'interruttore a pulsante SB4 consente di accendere la pompa e fornire acqua al serbatoio di accumulo anche quando la centralina è spenta. È meglio iniziare a selezionare gli elementi strutturali con una serie di relè e un trasformatore di potenza. I relè devono avere quattro gruppi di contatti. I fusibili FU2 e FU3 vengono selezionati in base alle istruzioni per l'uso della pompa. L'autore ha utilizzato il relè K1 - REK78/4 5 A 12 V DC IEC, il relè K2 - REK77/4 10 A 12 V DC IEC. I loro parametri sono riportati in [6]. Entrambi i relè si trovano nell'alloggiamento dell'unità di controllo. Si installano nelle prese PPM77/4 e PPM78/4 a loro destinate. Se non è stato possibile trovare i relè specificati, selezionarne altri con una tensione operativa della bobina di 12 V e quattro gruppi di contatti per la commutazione. I contatti del relè K2 devono essere dimensionati per commutare una corrente maggiore della corrente di avviamento del motore della pompa M1 o della sua tripla corrente operativa. Il trasformatore di rete step-down T1 deve avere un avvolgimento secondario con una tensione di 8,5 V (senza carico). Per evitare che si “abbassi” quando viene attivato il relè K1 o K2, la potenza del trasformatore deve essere 15...20 volte maggiore del totale consumato dalle bobine del relè. Di solito sono sufficienti 50...100 W. È impossibile utilizzare una fonte di tensione stabilizzata a 12 V, poiché l'unità di controllo controlla la tensione nella rete in base al valore di questa tensione. È consentito utilizzare un relè con bobine da 24 V e un trasformatore con una tensione secondaria di 17 V. Con tale sostituzione, i condensatori all'ossido da 25 V devono essere sostituiti con condensatori da 35 o 50 V. Il metodo di installazione dell'unità non modifica. Se la tensione sull'avvolgimento secondario del trasformatore è notevolmente superiore a 8,5 o 17 V, è necessario installare uno stabilizzatore di tensione integrato aggiuntivo 1 o 3 tra il pin 10 del pulsante SB1 e il pin 7812 del relè K7824 e alimentarlo con una tensione di uscita di generatore di impulsi a 12 o 24 V. Il transistor GT402G può essere sostituito con un GT403B-GT403D o un altro transistor di media potenza con struttura pnp. Sono preferiti i transistor al germanio o al silicio con bassa tensione di saturazione. I transistor KT3102E e KT3107K vengono sostituiti con transistor simili a bassa potenza con struttura appropriata. Al posto del ponte a diodi KVR206 sono adatti ad esempio LT416, PBL405. I diodi 1N4148 possono essere sostituiti con qualsiasi altro con una corrente diretta consentita non inferiore alla corrente attraverso gli avvolgimenti del relè e una tensione inversa maggiore della tensione operativa dei loro avvolgimenti. La valvola elettroidraulica Y1, installata sul tubo di prelievo dell'acqua dal serbatoio di accumulo, deve essere normalmente aperta, funzionare con una tensione alternata di 230 V ed essere adatta nelle dimensioni di collegamento ai tubi utilizzati per il prelievo dell'acqua. Se la corrente operativa delle bobine dei relè supera 0,1 A, gli stabilizzatori integrati DA3 e DA5 dovrebbero essere sostituiti con transistor ad effetto di campo, ad esempio BUZ11. In questo caso, la metodologia di installazione dell'unità di controllo rimarrà la stessa, ma è necessario tenere conto del pericolo dell'elettricità statica per i transistor ad effetto di campo. Gli elettrodi del sensore sono realizzati in filo inossidabile con un diametro di 2...5 mm o in una striscia di acciaio inossidabile con uno spessore di 0,5...1 mm e una larghezza di 6...10 mm. È possibile, ad esempio, utilizzare anime portanti in acciaio estratte da fili di alluminio trefolati. Gli elettrodi sono montati su una comune piastra in materiale isolante impermeabile. I cavi di collegamento devono essere collegati all'esterno del serbatoio a causa dell'elevata umidità al suo interno. L'elettrodo del sensore di flusso E4 è fissato in modo da essere esposto al flusso d'acqua che entra nel serbatoio. L'elettrodo del sensore di livello limite E3 si trova sotto il tubo di alimentazione dell'acqua, ma sempre sopra l'elettrodo del sensore di livello superiore E1. I sensori di umidità sono sezioni di doppio filo di rame, spogliate dell'isolamento su una lunghezza di 50 mm e posizionate in incrementi di 100...500 mm lungo la lunghezza del filo. Questo cavo è posato in modo che le aree esposte si trovino in punti in cui l'acqua può fluire quando il serbatoio trabocca o da giunti allentati nei raccordi dell'acqua. La centrale può essere assemblata in qualsiasi custodia in materiale isolante. Ad esempio, nel caso di un gruppo di continuità difettoso, da cui è possibile utilizzare un trasformatore se rimane operativo. Nell'alloggiamento è installato un blocco contatti XT 1 per collegare i fili diretti ai sensori. Il circuito stampato, su cui si trovano quasi tutti gli elementi del blocco, è mostrato in Fig. 2. È meglio montarli sulla scheda per fasi, controllando e regolando ciascuna unità assemblata. Iniziano a lavorare con un raddrizzatore e un'unità di controllo della tensione, quindi installano un generatore di impulsi e ne controllano la presenza. Quindi assemblano l'unità di controllo della pompa sul chip DA5 e sul relè K2 e ne controllano il funzionamento. L'ultima cosa da assemblare è la centralina di emergenza sul transistor VT1 e sul microcircuito DA3 e controllarne il funzionamento. Successivamente è possibile installare interruttori, un blocco contatti, un trasformatore, un relè, una scheda nell'alloggiamento e collegarli tra loro. È necessario prestare attenzione per garantire un'installazione priva di errori.
La configurazione dell'unità di controllo assemblata inizia controllando la tensione CC sul condensatore C1 e la presenza di impulsi sul collettore del transistor VT3. La durata dello scarico dell'acqua dal serbatoio dall'elettrodo E1 all'elettrodo E2 viene determinata sperimentalmente. Quindi impostare la stessa durata della pausa tra gli impulsi diminuendo o aumentando la capacità del condensatore C4 e la resistenza del resistore R14. Per i valori indicati nel diagramma, la durata dell'impulso è di circa 5 s e la pausa tra gli impulsi è di 1 minuto. La regolazione si completa impostando le soglie superiore e inferiore nella centralina della tensione di rete. Per fare ciò, è conveniente utilizzare un autotrasformatore regolabile da laboratorio (LATR). Il lavoro viene eseguito nel seguente ordine. L'elettrodo del sensore di flusso E4 è collegato tramite un ponticello al filo comune dell'unità (pin 1 e 6 del blocco XT1). Anche i pin di contatto del relè K2.4 sono collegati con un ponticello. Il motore della resistenza di regolazione R4 è installato nella posizione superiore e il motore della resistenza di regolazione R13 è nella posizione inferiore secondo lo schema. Utilizzando LATR, la tensione fornita all'avvolgimento primario del trasformatore T1 è impostata su 230 V. Ridurre lentamente la tensione su questo avvolgimento, impostandola su 207 V. Il resistore trimmer R4 viene spostato lentamente verso il basso (secondo lo schema) fino al relè K1 è attivato. La tensione rimossa dal LATR viene aumentata a 230 V e la modalità "Emergenza" viene annullata premendo il pulsante SB3. Ora, utilizzando LATR, la tensione viene aumentata a 253 V. Fatto ciò, il cursore del resistore di sintonizzazione R13 viene spostato lentamente verso l'alto (secondo il diagramma), ottenendo nuovamente il funzionamento del relè K1. Dopo aver spento l'alimentazione all'unità, rimuovere il ponticello che collega l'elettrodo E4 al filo comune. Successivamente, controllare il funzionamento del sensore di flusso E4. Per fare ciò, spegnere la pompa e scollegare gli elettrodi E1 ed E2 dall'ingresso di controllo del chip DA5. 20...40 s dopo che l'unità è stata collegata alla rete, il relè K1 dovrebbe funzionare. Quindi l'unità viene spenta, il ponticello viene rimosso dai contatti K2.4 e i sensori E1 ed E2 vengono collegati. Successivamente verificare il funzionamento del sensore di umidità applicando un panno umido sulle zone esposte dei suoi fili. Quando si organizza un sistema di approvvigionamento idrico, è necessario tenere conto del fattore temperatura. Le tubazioni che alimentano l'acqua dalla sorgente devono essere diritte e avere una pendenza costante di 20...30 mm per metro di lunghezza verso la sorgente d'acqua. Ciò eviterà il congelamento dell'acqua nei tubi, poiché dopo l'arresto della pompa centrifuga, rifluirà attraverso la pompa fino alla fonte. L'accumulo deve essere installato sopra tutte le utenze in un locale riscaldato o nel sottotetto (dove è isolato termicamente insieme al camino). L'unità di controllo del sistema di approvvigionamento idrico è installata in qualsiasi luogo conveniente. Potrebbe essere utile sostituire il LED HL2 con un emettitore sonoro piezoelettrico con generatore integrato, ad esempio KPE-842. In questo caso si consiglia di sostituire la resistenza R2 con un eventuale interruttore per poter disattivare il segnale acustico di allarme. Letteratura
Autore: M. Muratov
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