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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Unidade de controle do sistema de abastecimento de água. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Casa, casa, passatempo Com base na sua própria experiência, o autor expõe os princípios básicos para a construção de sistemas individuais de abastecimento de água de armazenamento e descreve a unidade de controlo que desenvolveu para tal sistema, que, na sua opinião, cumpre os requisitos de fiabilidade e segurança operacional. É simplesmente impossível viver sem água numa moderna casa de campo, quinta ou casa de veraneio. Em locais remotos, o abastecimento centralizado de água é impraticável e a fonte de água é um poço, um poço ou mesmo um reservatório aberto. Esta última opção é extremamente indesejável devido à possibilidade de contaminação do reservatório e disseminação do poluente por todo o sistema de abastecimento de água. Você pode tirar água de um poço, mas quando não há, só falta perfurar um poço. Quanto mais longe a área está da cidade, mais frequentemente ocorrem cortes de energia, por isso são preferíveis sistemas de abastecimento de água com tanque de armazenamento, que tenha água suficiente para um determinado período de tempo. Os sistemas de abastecimento de água mais simples, como [1], são adequados para uso somente sob supervisão. Estão à venda estações elevatórias de diversas capacidades, mas os preços das estações com grande abastecimento de água no tanque de armazenamento impressionam. Portanto, a autofabricação de um sistema de abastecimento de água do tipo armazenamento permite economizar uma quantia significativa de dinheiro. Ao pensar no projeto de um sistema de abastecimento de água contendo fonte de água, bomba, tubulações de abastecimento e escoamento de água, tanque de armazenamento, conhecendo o local de instalação do sistema e as condições de temperatura em que irá operar, você pode imaginar possíveis modos de operação, antecipar situações de emergência e, com base nisso, determinar os requisitos do sistema como um todo e da sua unidade de controle em particular. A operação do sistema de abastecimento de água deve ser segura, a fabricação, instalação, manutenção e gerenciamento devem ser simples e a unidade de controle e os sensores devem ser confiáveis. O sistema deve ser capaz de funcionar sem falhas durante anos, e a unidade de controle deve ser capaz de identificar situações de emergência, sinalizá-las e prevenir o seu desenvolvimento. Os mais simples de todos os sistemas de controle de abastecimento de água possíveis são aqueles equipados com sensores de eletrodo para a presença de água e seu nível no tanque de armazenamento. Sua produção não requer grande trabalho em metal. Os eletrodos são fáceis de remover para lavagem do tanque e outros trabalhos de manutenção, após os quais podem ser facilmente instalados novamente. Uma construção semelhante é descrita em [2]. Porém, sabe-se que o aço inoxidável dos eletrodos e do tanque de armazenamento contém, além do ferro, aditivos de liga - níquel, manganês, cromo e outros metais. Quando entram na água potável e com ela no corpo, afetam negativamente a saúde. Portanto, ao fabricar uma unidade de controle que funcione com sensores de nível de eletrodo, a segurança biológica não pode ser ignorada. É necessário minimizar os processos eletroquímicos que ocorrem nos eletrodos e na eletrólise da água. Para isso, a tensão aplicada aos eletrodos deve ser baixa e fornecida em pulsos de curta duração. Ao começar a desenvolver um sistema de abastecimento de água, deve-se levar em consideração as características das bombas d'água. De acordo com o princípio de funcionamento, podem ser classificados em dois tipos principais: vibratórios e centrífugos. Bombas vibratórias operando intensamente em um poço causam danos às mangueiras de água de borracha ou plástico devido ao atrito contra o revestimento. Se a água parar de fluir para o sistema através de uma mangueira danificada, a bomba funcionará continuamente até falhar ou ser desligada automaticamente ou por uma pessoa. Nesses casos, é necessário resolver o problema com urgência, que é especialmente trabalhoso e desagradável no inverno. Também é possível que a qualidade da água seja deteriorada pela fricção de partículas da mangueira, especialmente se for de borracha. Se a carcaça de alumínio da bomba tocar a carcaça de aço, ocorre uma diferença de potencial de contato, levando à corrosão eletroquímica do tubo de aço e da carcaça de alumínio. Isto pode fazer com que a água penetre no enrolamento da bomba e danifique-o. Observou-se que o uso de bomba em invólucro de alumínio piora sensivelmente o sabor da água, mesmo em tubos com invólucro de polietileno. Isto é especialmente perceptível com tubos de revestimento feitos de aço preto ou inoxidável. Se essa água for usada para beber e cozinhar, o corpo será gradualmente envenenado por alumínio, ferro e metais de liga dissolvidos nela. A melhor solução para este problema é usar uma carcaça de plástico e uma bomba centrífuga submersível em uma carcaça de plástico ou aço inoxidável. Após a substituição de uma bomba com carcaça de alumínio por uma bomba com carcaça de aço inoxidável, sente-se uma melhora no sabor da água em XNUMX horas. Portanto, as bombas submersíveis utilizadas em sistemas de abastecimento de água potável não devem possuir carcaças ou outras peças em contato com água de alumínio ou suas ligas com magnésio. O primeiro requisito para a unidade de controle do sistema de abastecimento de água é manter um determinado nível de água no tanque de armazenamento. O segundo requisito é que não deve permitir o funcionamento da bomba quando a tensão na rede de alimentação for reduzida ou aumentada em mais de 10%. Para controlar a bomba, é preferível utilizar um relé eletromagnético ou uma partida com contatos normalmente abertos. Isto garante que a bomba seja desligada em caso de mau funcionamento típico da unidade de controle ou falta de tensão na rede elétrica. A unidade de controle deve sempre desligar a bomba se as tubulações que vão da bomba ao tanque de armazenamento estiverem danificadas. Isso impedirá o funcionamento ilimitado da bomba, acompanhado de inundação de edifícios e áreas próximas com água. A unidade deve desligar a bomba, parando de encher o tanque de armazenamento e quando houver vazamento nas tubulações de distribuição de água. Ao mesmo tempo, o abastecimento de água do tanque de armazenamento deve ser interrompido. Para atender a esses requisitos, é necessário contar com sensores de fluxo de entrada de água no tanque e sensores de umidade em locais de possíveis vazamentos. E por último, a unidade de controle não deve permitir o transbordamento de água do tanque de armazenamento, portanto é necessário um sensor limite para o nível de água nele contido. A prática de operar um sistema de abastecimento de água caseiro em modo automático durante décadas mostra que nenhum dos requisitos descritos pode ser considerado supérfluo. Falando sobre a experiência operacional das unidades de controle de bombas descritas em [3], deve-se dizer que uma vez por ano era necessária a limpeza dos contatos. A unidade de controle da bomba com interruptores reed exigia intervenção uma vez a cada dois ou três anos. A unidade de controle relativamente simples para um sistema de abastecimento de água do tipo armazenamento oferecida à atenção dos leitores foi projetada com base nos requisitos listados acima. O diagrama deste bloco é mostrado na Fig. 1. A simplicidade e confiabilidade de sua operação são garantidas pelo uso de microcircuitos estabilizadores de tensão paralelos TL431ILP como elementos de limite e chaves eletrônicas.
A unidade de controle é alimentada por uma tensão de rede CA de 230 V e é ligada por meio do botão SB1. Usando o transformador T1, a ponte de diodos VD1 e o capacitor de suavização C1, uma tensão constante é obtida a partir de uma tensão alternada secundária de 8,5 V (12 V na tensão nominal da rede). Vai para a unidade de controle de tensão, montada nos microcircuitos DA1, DA2, DA4. A ideia para este nó foi encontrada em [4]. Além disso, a tensão retificada através dos contatos do botão SB3 e dos contatos normalmente fechados do relé K1.3 é fornecida a uma unidade montada nos transistores VT2 e VT3 conforme recomendações disponíveis em [5]. Gera pulsos com amplitude de 12 V, cuja duração é definida pela capacitância do capacitor C4 e pela resistência do resistor R15, e o período de repetição é determinado pela capacitância do mesmo capacitor e pela resistência do resistor R14. Os pulsos alimentam uma unidade montada nos microcircuitos DA3 e DA5, transistor VT1 e relés K1 e K2. Eletrodos dos sensores de nível E1-E3 e sensores de fluxo E4, bem como sensores de umidade, estão conectados a este nó. A tensão entre os eletrodos dos sensores E1-E4 e o corpo do tanque de armazenamento é de cerca de 12 V, e é pulsada e aplicada aos eletrodos somente na determinação do nível de água no tanque. O estado do chip DA5 durante o pulso depende da presença e resistência da água entre o sensor de nível inferior (eletrodo E2) e o corpo do tanque. Se não houver água no reservatório ou seu nível estiver abaixo do eletrodo E2, o microcircuito DA5 abre (fecha seu circuito ânodo-cátodo) e liga o relé K2. Os contactos K2.1 e K2.2 fornecem tensão de rede à bomba de água M1. Os contatos K2.3, quando fechados, interrompem a geração de pulsos. A tensão no coletor do transistor VT3 torna-se constante (cerca de 12 V). Os contatos K2.4 desconectam o eletrodo E2. Após encher o tanque e fechar o eletrodo E1 (sensor de nível superior) e o corpo do tanque com água, o microcircuito DA5 e o relé K2 são desligados. A bomba M1 para e o abastecimento de água ao tanque é interrompido. As unidades, montadas nos microcircuitos DA1, DA2, DA4 e no microcircuito DA3, transistor VT1 e relé K1, são projetadas para desligar a bomba M1 em situações de emergência, sinalizar e manter a central no modo “emergência”. Os LEDs HL1 e HL2 servem como indicadores dos modos de operação e emergência, respectivamente. A bomba desliga, interrompendo o fornecimento de água ao reservatório, nas seguintes situações de emergência. Primeiramente, quando a tensão de alimentação ultrapassa os limites de tolerância (±10% do valor nominal). Para isso, o valor atual da tensão retificada não estabilizada no capacitor C1, proporcional à tensão da rede, é monitorado continuamente. O chip DA1 fecha e DA2 abre quando esta tensão está abaixo do limite inferior definido pelo resistor de ajuste R4. O chip DA4 abre quando a tensão retificada excede o limite superior definido pelo resistor de ajuste R13. Em ambos os casos, K1, relé de desligamento de emergência e alarme, é ativado e autobloqueado. O segundo modo de emergência ocorre quando a bomba funciona mal ou no caso em que a bomba está funcionando, mas a água não flui para o tanque devido, por exemplo, à sua ausência na fonte ou a danos na tubulação. Quando o fluxo de água que entra no tanque, no qual está localizado o eletrodo E4, não o conecta eletricamente ao corpo do tanque, o capacitor C2 é carregado. Quando a tensão no capacitor atinge a tensão limite do chip DA3, ele abre. O relé de alarme K1 é ativado. O capacitor C2 e os resistores R7, R8 criam um atraso na ativação do modo de emergência. É necessário para que se o sistema estiver funcionando bem, após ligar a bomba, a água tenha tempo de encher a tubulação que entra no tanque, entrar no tanque e chegar ao eletrodo E4. O próximo modo de emergência ocorre quando as tubulações de abastecimento de água estão danificadas ou há ameaça de transbordamento de água do tanque. É determinado por meio de sensores de umidade e eletrodo de nível limite E3, e é ligado pelo transistor VT1, microcircuito DA3 e relé K1. Em qualquer modo de emergência, os contatos do relé K1.3 desconectam o gerador de pulsos da tensão de alimentação de 12 V, evitando assim o fornecimento de tensão à bomba. Ao mesmo tempo, os contatos K1.4 bloqueiam o relé K1 no estado acionado e os contatos K1.1 e K1.2 fornecem tensão ao enrolamento da válvula solenóide Y1. Neste caso, a válvula Y1 normalmente aberta fecha, interrompendo o fluxo de água do tanque para o tubo de escoamento. Você pode restaurar o abastecimento de água do tanque de armazenamento desligando e depois (após eliminar o acidente) ligando a unidade de controle usando o botão SB1 e desligando o fornecimento de água do tanque no modo de operação usando o botão interruptor SB2. Fechar seus contatos fechará a válvula eletro-hidráulica Y1 e interromperá o fluxo de água no tubo de fluxo. Se a unidade de controle não foi desligada durante a eliminação do acidente, após eliminá-lo, pode-se pressionar o botão SB3 para remover o bloqueio e colocar a unidade de controle em funcionamento. O botão SB4 permite ligar a bomba e fornecer água ao tanque de armazenamento mesmo quando a central está desligada. É melhor começar a selecionar os elementos estruturais com um conjunto de relés e um transformador de potência. Os relés devem ter quatro grupos de contatos. Os conectores fusíveis FU2 e FU3 são selecionados de acordo com as instruções de operação da bomba. O autor utilizou relé K1 - REK78/4 5 A 12 V DC IEC, relé K2 - REK77/4 10 A 12 V DC IEC. Seus parâmetros são fornecidos em [6]. Ambos os relés estão localizados na caixa da unidade de controle. Eles são instalados nos soquetes PPM77/4 e PPM78/4 destinados a eles. Se os relés especificados não forem encontrados, selecione outros com tensão de operação da bobina de 12 V e quatro grupos de contatos para comutação. Os contatos do relé K2 devem ser classificados para comutar uma corrente maior que a corrente de partida do motor da bomba M1 ou sua tripla corrente de operação. O transformador abaixador de rede T1 deve possuir enrolamento secundário com tensão de 8,5 V (sem carga). Para evitar que ele “afunde” quando o relé K1 ou K2 for acionado, a potência do transformador deve ser 15...20 vezes maior que a total consumida pelas bobinas do relé. Normalmente 50...100 W são suficientes. É impossível utilizar uma fonte de tensão estabilizada de 12 V, pois a central controla a tensão da rede com base no valor desta tensão. É permitido usar um relé com bobinas de 24 V e um transformador com tensão secundária de 17 V. Com tal substituição, os capacitores de óxido de 25 V devem ser substituídos por capacitores de 35 ou 50 V. O método de configuração da unidade não mudar. Se a tensão no enrolamento secundário do transformador for visivelmente superior a 8,5 ou 17 V, um estabilizador de tensão integrado adicional 1 ou 3 deve ser instalado entre o pino 10 do botão SB1 e o pino 7812 do relé K7824 e alimentado por uma tensão de saída de gerador de pulsos de 12 ou 24 V. O transistor GT402G pode ser substituído por um GT403B-GT403D ou outro transistor de média potência com estrutura pnp. São preferidos transistores de germânio ou silício com baixa tensão de saturação. Os transistores KT3102E e KT3107K são substituídos por transistores semelhantes de baixa potência com estrutura apropriada. Em vez da ponte de diodo KVR206, por exemplo, LT416, PBL405 são adequados. Os diodos 1N4148 podem ser substituídos por qualquer outro com uma corrente direta permitida não inferior à corrente através dos enrolamentos do relé e uma tensão reversa maior que a tensão operacional de seus enrolamentos. A válvula eletro-hidráulica Y1, que é instalada na tubulação de extração de água do tanque de armazenamento, deve estar normalmente aberta, operar com tensão alternada de 230 V e ser adequada nas dimensões de conexão às tubulações utilizadas para extração de água. Se a corrente de operação das bobinas do relé exceder 0,1 A, os estabilizadores integrados DA3 e DA5 devem ser substituídos por transistores de efeito de campo, por exemplo BUZ11. Neste caso, a metodologia de configuração da unidade de controle permanecerá a mesma, mas deve-se levar em consideração o perigo da eletricidade estática para os transistores de efeito de campo. Os eletrodos do sensor são feitos de fio inoxidável com diâmetro de 2...5 mm ou de uma tira de aço inoxidável com espessura de 0,5...1 mm e largura de 6...10 mm. Você pode, por exemplo, usar núcleos de suporte de aço extraídos de fios trançados de alumínio. Os eletrodos são montados em uma placa comum feita de material isolante à prova d'água. Os fios de conexão devem ser conectados fora do tanque devido à alta umidade nele. O eletrodo do sensor de fluxo E4 é fixado de forma que fique exposto ao fluxo de água que entra no tanque. O eletrodo do sensor de nível limite E3 está localizado abaixo do tubo de abastecimento de água, mas sempre acima do eletrodo do sensor de nível superior E1. Os sensores de umidade são seções de fio de cobre duplo, sem isolamento em um comprimento de 50 mm e localizados em incrementos de 100...500 mm ao longo do comprimento do fio. Este fio é colocado de forma que as áreas expostas fiquem localizadas em locais onde a água pode fluir quando o tanque transborda ou em juntas soltas nas conexões de água. A unidade de controle pode ser montada em qualquer caixa de material isolante. Por exemplo, no caso de uma fonte de alimentação ininterrupta com defeito, da qual um transformador pode ser usado se permanecer operacional. Um bloco de contato XT 1 é instalado na caixa para conectar os fios que vão aos sensores. A placa de circuito impresso, na qual estão localizados quase todos os elementos do bloco, é mostrada na Fig. 2. É preferível montá-los na placa por etapas, verificando e ajustando cada unidade montada. Eles começam a trabalhar com um retificador e uma unidade de controle de tensão, depois instalam um gerador de pulsos e verificam sua presença. Em seguida, eles montam a unidade de controle da bomba no chip DA5 e no relé K2 e verificam seu funcionamento. A última coisa a montar é a unidade de controle de emergência no transistor VT1 e no microcircuito DA3 e verificar seu funcionamento. Depois disso, você pode instalar interruptores, um bloco de contato, um transformador, um relé, uma placa na caixa e conectá-los entre si. É necessário cuidado para garantir uma instalação sem erros.
A configuração da unidade de controle montada começa verificando a tensão DC no capacitor C1 e a presença de pulsos no coletor do transistor VT3. A duração da drenagem da água do tanque do eletrodo E1 para o eletrodo E2 é determinada experimentalmente. Em seguida, defina a mesma duração da pausa entre os pulsos diminuindo ou aumentando a capacitância do capacitor C4 e a resistência do resistor R14. Para os valores indicados no diagrama, a duração do pulso é de cerca de 5 s e a pausa entre os pulsos é de 1 minuto. O ajuste é concluído definindo os limites superior e inferior na unidade de controle de tensão de rede. Para fazer isso, é conveniente usar um autotransformador ajustável em laboratório (LATR). O trabalho é executado na seguinte ordem. O eletrodo do sensor de fluxo E4 é conectado por meio de um jumper ao fio comum da unidade (pinos 1 e 6 do bloco XT1). Os pinos de contato do relé K2.4 também são conectados por meio de um jumper. O motor do resistor de corte R4 está instalado na posição superior e o motor do resistor de corte R13 está na posição inferior conforme o diagrama. Usando LATR, a tensão fornecida ao enrolamento primário do transformador T1 é ajustada para 230 V. Lentamente, reduza a tensão neste enrolamento, configurando-o para 207 V. O resistor trimmer R4 é movido lentamente para baixo (de acordo com o diagrama) até que o relé K1 está ativado. A tensão removida do LATR é aumentada para 230 V, e o modo “Emergência” é cancelado pressionando o botão SB3. Agora, usando LATR, a tensão é aumentada para 253 V. Feito isso, o controle deslizante do resistor de sintonia R13 é movido lentamente para cima (de acordo com o diagrama), novamente conseguindo a operação do relé K1. Após desligar a alimentação da unidade, remova o jumper que conecta o eletrodo E4 ao fio comum. A seguir, verifique o funcionamento do sensor de fluxo E4. Para isso, desligue a bomba e desconecte os eletrodos E1 e E2 da entrada de controle do chip DA5. 20...40 s após a unidade ser conectada à rede, o relé K1 deverá operar. Em seguida, a unidade é desligada, o jumper dos contatos K2.4 é removido e os sensores E1 e E2 são conectados. Após isso, verifique o funcionamento do sensor de umidade aplicando um pano úmido nas áreas expostas de seus fios. Ao organizar um sistema de abastecimento de água, o fator temperatura deve ser levado em consideração. As tubulações que fornecem água da fonte devem ser retas e ter uma inclinação constante de 20...30 mm por metro de comprimento em direção à fonte de água. Isso evitará que a água congele nas tubulações, pois após a parada da bomba centrífuga, ela fluirá pela bomba de volta à fonte. O reservatório deve ser instalado acima de todos os consumidores em ambiente aquecido ou no sótão (onde é isolado termicamente junto com a chaminé). A unidade de controle do sistema de abastecimento de água é instalada em qualquer local conveniente. Pode ser útil substituir o LED HL2 por um emissor de som piezoelétrico com gerador embutido, por exemplo KPE-842. Neste caso, recomenda-se substituir o resistor R2 por qualquer interruptor para poder desligar o sinal sonoro do alarme. Literatura
Autor: M. Muratov
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