在电气行业的供排水系统中,水流开关有着重要的工程应用价值,水流开关是这一领域的关键部件,采用磁感应设计是因为以其实现水电隔离,可直接负载小型功率的设备,可广泛地应用于供水系统、排水系统及供排自动化控制等领域。为了满足实际工程的需要,水流开关正逐步受到重视,但是目前关于水流开关应用的文献中,对此方面论述少之又少。本文就水流开关的工作原理、设计、及其应用和检测方法进行了论述。
水流开关品种很多,原理各异,使用方式繁多,因此分类甚繁,至今尚无统一规定或相关国家标准,人们通常站在不同角度,以其突出的某一侧面来分类,以其工作原理划分,将物理,化学等学科的原理、规律、效应作为分类依据,按水流开关的工作原理不同,归纳起来大致有如下几种:
这种分类方法是,按输出电信号可分为:开关式水流开关和脉冲式两种。
1、开关式水流开关开关式水流开关的可以直接负载小型功率普通电压的电器,不用附加电路,属于简单实用型。开关式水流开关按触点又可以分为:常开型,常闭型,常开常闭;这类水流开关如:转子式水流开关、活塞式水流开关、翻板式水流开关、靶式水流开关、差压式水流开关。2、脉冲式水流开关脉冲式水流开关输出的是脉冲信号,通过采集变送成电流信号,实现控制,虽然能用于高精度场所,但是成本过高,使用不方便。叶轮式水流开关就属于这类。
(二)按安装应用方式分类
按安装方式分类又可以分为直立安装、水平安装和任意方式安装!
1、直立安装的水流开关只能从底部往顶部流动才能工作,如转子式水流开关。
2、水平安装的水流开关只能水平安装才能工作,如翻板式水流开关。
3、任意方式安装的水流开关种类较多:叶轮式水流开关、差压式水流开关、靶式水流开关、活塞式水流开关。
(三)按水流开关的内部结构分类
按水流开关的内部结构可分为:活塞式,翻板式、靶式、转子式、差压式、叶轮式。
三 水流开关的工作原理
(一)水流开关常用的感应元件
1、水流开关的感应元件-磁簧开关的特点
多数水流开关是应用磁簧开关作为感应元件,磁簧开关是1936年由美国贝尔研究所的WBELLWOOD所发明。磁簧开关1938年首次作为同轴运输装置的切换开关使用。其后,随着自动化技术的发达,磁簧开关也有了巨大的发展。磁簧开关具有回答速度迅速、持有密封触点、小型和机械寿命较长等优点,它对自动化技术的发展作出了巨大的贡献。
由于在提高触点的性能、小型化、制造方式和降低生产成本上进行了各种的改良。现在磁簧开关已经在汽车电装、磁簧继电器、各种测量仪器等各种领域上,作为传感器和控制用部件而得到广泛使用。所以水流开关也不例外的应用了磁簧开关。
磁簧开关具有下述的特点。
(1)触点与惰性气体一起密封在玻璃管内,不会受到外部气氛的影响。
(2)动作部件的质量极小,因此回答速度迅速。
(3)驱动系统和电路在同轴上构成,适宜用于高频传输的应用产品。
(4)小型,重量轻。
(5)触点具有优良的耐蚀性和耐磨损性,使用寿命长,可获得稳定的开关动作。(6)与永久磁铁组合,就能经济轻易地制成接近开关。
2、水流开关的感应元件-微动开关的特点
微动开关是一种施压促动的快速开关,又叫灵敏开关,也称触点开关。
其工作原理是:外机械力通过传动元件(按销、按钮、杠杆、滚轮等)将力作用于动作簧片上,并将能量积聚到临界点后,产生瞬时动作,使动作簧片末端的动触点与定触点快速接通或断开。当传动元件上的作用力移去后,动作簧片产生反向动作力,当传动元件反向行程达到簧片的动作临界点后,瞬时完成反向动作。微动开关的触点间距小、动作行程短、按动力小、通断迅速。其动触点的动作速度与传动元件动作速度无关。微动开关以按销式为基本型,可派生按钮短行程式、按钮大行程式、按钮特大行程式、滚轮按钮式、簧片滚轮式、杠杆滚轮式、短动臂式、长动臂式等等。 微动开关在电子设备及其他设备中用于需频繁换接电路的自动控制及安全保护等装置中。微动开关分为大型、中型、小型,按不同的需要分有可以有防水型(放在液体环境中使用)和普通型,开关连接两个线路,为电器、机器等提供通断电控制,广泛应用在工业、机械、家用电器等地方,开关虽小,但起着不可替代的作用。
3、水流开关的感应元件-霍尔元件的特点
霍尔效应[1]是磁电效应的一种,这一现象是美国物理学家霍尔(A.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时,在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差,这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。
霍尔效应的原理:导体中的电荷在电场作用下沿电流方向运动,由于存在垂直于电流方向的磁场,电荷受到洛伦兹力,产生偏转,偏转的方向垂直于电流方向和磁场方向,而且正电荷和负电荷偏转的方向相反,这样就产生了电势差。
(二)开关式水流开关的基本原理
1、转子式水流开关的工作原理
转子式水流开关又称为浮子流量计,能检测封闭水管中的水流流量。
转子式水流开关由锥形管,磁性转子,止档,磁性开关组成。
根据需要检测水流的大小可选择磁性转子和锥形管的不同形状。当有水流从通过管道时,磁性转子被水流的冲击力抬起,当水流达到检测流量时,磁性转子被推到磁性开关的感应范围,开关便输出信号。当水流小于检测信号时,磁性浮子由于重力的作用便往下沉,离开磁性开关的感应范围,开关便停止工作。由于要做到小流量启动,大流量通过,我们的管通道会做成锥形。
2、活塞式水流开关的工作原理
活塞式水流开关由壳体、磁性活塞、磁性开关、弹簧组成。
当管道中水静止时,活塞在弹簧的推力作用下,沉在底部,当水流通过时,磁性活塞被水流的推力向弹簧端推进,达到流量时,磁性活塞被推到磁性开关感应范围,磁性开关便输出信号,当水流小于检测信号时,磁性活塞被弹簧推力推动,离开磁性开关,开关便停止工作。
3、翻板式水流开关的工作原理
翻板式水流开关壳体、翻板、接近开关组成。
当管道中水流通过翻板式水流开关时,水流的冲力把开关中的翻板抬起,翻板靠近接近开关,开关便输出信号,开始工作。
4、靶式水流开关的工作原理。
靶式水流开关是一种适用于检测水质较差,杂质较多的的水流开关。
靶式水流开关由测量管、靶片、波纹密封膜片、杠杆、弹簧、微动开关组成。
当水流通过管道,水流对靶片产生一个冲击力,受这个力的作用,杠杆角度倾斜,离开常态下压紧的微动开关,开关便输出信号,当水流冲击力小于弹簧力时,杠杆被弹簧推回微动开关,便停止工作。
5、差压式水流开关的工作原理。
差压式水流开关由差压盘、分隔膜片、推杆、文丘里管、复位弹簧组成。
其动作原理是水流从差压盘的高压腔中流入,经文丘里管流出,在文丘里管的喉口切面开一取压孔并与差压盘低压腔相通。低压腔便是文丘里管的喉口切面的压力。同于文丘里管喉口切面处面积最小。水流加速,压力显著下降,加之沿程阻力损失,使得差压盘高压腔的压力明显高于其低压腔的压力,当水流达到一定值时,高压腔与低压腔的差压产生的推力增大并超过复位弹簧力,分隔膜片顶着推杆向低压腔移动,顶开微动开关,系统便开始工作。
水流一旦停止。高压腔与低压腔的压力平衡,复位弹簧将分隔膜片推回高压腔侧,微动开关复位。系统停止工作。