Владельцы дачных участков или сельские жители, занимающиеся растениеводством и использующие для полива воду из колодцев или водозаборных скважин, знают, что поливать растения напрямую из скважины нельзя. Температура воды для полива должна быть не менее 20...25 оС. Чаще всего эту проблему решают путём установки накопительной ёмкости, прогреваемой солнцем, которую заполняют водой из источника с помощью специального насоса.
Предлагаемый блок управления и защиты предназначен для автоматизации процесса наполнения водой накопительной ёмкости с помощью насоса, установленного в колодце или водозаборной скважине. Для защиты насоса от перегрева в случае аварийного падения уровня воды в её источнике при малом его дебите используются контрольные электроды, установленные выше корпуса погружного насоса на небольшом расстоянии друг от друга. Кондуктометрический способ контроля уровня выбран из-за его простоты реализации и очень высокой надёжности. Для исключения эффекта разрушения электродов из-за электрохимической коррозии и появления на их поверхности плохо проводящей плёнки окислов на них подаётся переменное напряжение амплитудой около 6 В. Чтобы избежать появления ложного сигнала о наличии воды из-за намокания изоляции в цепи электродов, чувствительность узла контроля ограничена сопротивлением около 6 кОм. При нормальном уровне воды в источнике устройство разрешает пуск насоса по сигналу от контрольного электрода нижнего уровня, смонтированного на накопительной ёмкости. По достижении верхнего уровня насос отключится, а вновь включится только при снижении уровня воды до нижнего электрода в процессе водоразбора. При малом дебите источника насос будет периодически включаться, выбирая воду между электродами в скважине или колодце, пока накопительная ёмкость не заполнится до верхнего уровня.
Рис. 1. Схема блока управления и защиты
Схема блока управления и защиты приведена на рис. 1. Питание прибора осуществляется напряжением 5 В от зарядного устройства (ЗУ) мобильного телефона, что существенно упрощает изготовление устройства, так как избавляет от необходимости проведения дополнительных работ и изготовления самодельного сетевого источника питания. Напряжение от ЗУ подают на контакты Х1.5 и Х1.6. Самовосстанавливающийся предохранитель FA1 служит для защиты ЗУ от короткого замыкания.
На микросхеме DA1 собран повышающий преобразователь, повышающий напряжение с 5 В до 13,7 В, который обеспечивает питанием генератор прямоугольных импульсов с частотой следования около 20 Гц и скважностью 2, собранный на таймере DA2. Разнополярные прямоугольные импульсы амплитудой около 6 В формируются на резисторе R16, они используются для подачи на контрольные электроды через токоограничивающие резисторы R2, R7, R14, R21. Низкая частота переменного напряжения на электродах выбрана для исключения влияния ёмкости соединительного кабеля в скважине на достоверность контроля наличия воды.
Переменное напряжение, поступающее на электроды, выпрямляется диодами VD1, VD3-VD5, а выпрямленное напряжение сглаживается конденсаторами С2, С5, С8, С9. Если контрольный электрод находится в воде, из-за наличия у неё электропроводимости, образуется делитель напряжения и на выходе выпрямителя напряжение не превысит 2 В, в противном случае напряжение составит около 5 В. На изменение этого напряжения и реагируют логические элементы DD1.2, DD1.4, DD2.2 и DD2.4. Контрольный электрод нижнего уровня в скважине или колодце подключён к клемме X1.1 блока управления и защиты и расположен чуть выше корпуса погружного насоса, электрод верхнего уровня, подключаемый к клемме X1.2, устанавливают выше корпуса насоса на расстоянии около 1 м. Если уровень воды в источнике будет аварийно низким, загорится светодиод HL1 красного свечения. По мере заполнения рабочего объёма он гаснет, а при достижении верхнего уровня на эмиттере транзистора VT2 появляется напряжение, разрешающее пуск насоса, и загорится светодиод HL2 зелёного свечения. При падении уровня до нижнего предела светодиод HL2 гаснет, а HL1 вновь загорается, и происходит запрет работы насоса.
Аналогично работает узел контроля уровня в накопительной ёмкости. Электроды нижнего и верхнего уровней подключаются к клеммам X1.3, X1.4 соответственно и устанавливаются соответственно в нижней и верхней частях ёмкости. При уровне воды ниже нижнего предела зажигается светодиод HL3 жёлтого свечения, RS-триггер на элементах DD2.3, DD2.4 переключается, транзистор VT4 открывается и включается светодиод HL4 синего свечения. Если разрешён запуск насоса (на эмиттере VT2 присутствует напряжение несколько вольт), с помощью симисторного оптрона U1 и симистора VS1 происходит подача напряжения сети на электродвигатель насоса. При достижении верхнего уровня в накопительной ёмкости зажигается светодиод HL5 (свечение на выбор) и насос останавливается. Повторный пуск произойдёт только при снижении уровня воды в ёмкости до нижнего предела.
Общий электрод подключают к клемме X1.5 и к заземлению. Если накопительная ёмкость металлическая, достаточно подключить цепь общего электрода к её корпусу, если пластиковая, то рядом с контрольными электродами на всю их длину размещают дополнительный электрод, соединённый с общим проводом. Со скважиной проще - если кабель к насосу имеет дополнительную жилу заземления корпуса, общий провод подключается к ней либо к заземлённому оголовку скважины.
Отдельно стоит остановиться на конструкции контрольных электродов уровня. В накопительной ёмкости это металлические стержни диаметром 2...4 мм или металлические полоски шириной 1...2 см, закреплённые в верхней части на изолирующей подставке. Материал электродов - нержавеющая сталь, латунь, в крайнем случае - медь. Длину электродов выбирают исходя из геометрических размеров ёмкости. В скважине контрольные электроды - это изогнутые пополам металлические пластины размерами около 30x10 мм, в которые запрессованы жилы контрольного кабеля. Для защиты от случайного прикосновения пластин к стенкам скважины их защищают колпачками от пластиковых бутылок. Контрольный кабель в скважину должен быть с гибкими жилами в резиновой изоляции. Его необходимо закрепить стяжками к водяному шлангу по всей длине во избежание переламывания жил от вибрации при работе насоса.
Рис. 2. Печатная плата устройства и размещение элементов на ней
Большинство элементов устройства смонтированы на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 2). Внешние подключения производят посредством разъёма X2, штыревого PLS-10 или гнездового PLD-10, разъём X1 - клеммник серии ED500V-02P, к его контактам подключают контрольные электроды уровня воды. Светодиоды могут быть обычные или повышенной яркости свечения. Симистор VS1 выбирают исходя из максимального рабочего тока нагрузки и рабочего напряжения. Его надо обязательно установить на теплоотвод, размеры которого определяются мощностью насоса. В авторском экземпляре в качестве теплоотвода используется алюминиевая пластина площадью 15 см2, что достаточно для управления центробежным насосом мощностью не более 250 Вт. В случае использования вибрационного насоса площадь теплоотвода следует увеличить в 4...5 раз. Симистор может неустойчиво работать на индуктивную нагрузку, поэтому предусмотрена установка снаббера R28C10, элементы которого подключают непосредственно к клеммам для подключения насоса. В случае использования насоса мощностью более 1 кВт или трёхфазного мотора, подключение его осуществляют посредством магнитного пускателя, катушку которого подключают к выходу устройства.
Для питания устройства можно использовать практически любое малогабаритное стабилизированное ЗУ сотового телефона, поскольку максимальный потребляемый ток не превышает 70 мА. Микросхему MC33063AP1 можно заменить отечественной микросхемой К1156ЕУ5АР Дроссель L1 использован готовый, индуктивностью 68 мкГн, намотанный на гантелеобразном магнитопроводе типа DRW2W8x10, но можно использовать любой доступный с индуктивностью от 47 до 150 мкГн или самодельный, рассчитанный на ток 100 мА. Место на печатной плате под установку дросселя увеличено, что расширяет возможности его замены. Таймер NE555N можно заменить отечественным КР1006ВИ1. Аналог микросхемы К561ЛА7 - микросхема CD4011B. Симисторный оптрон U1 заменим аналогичными, даже если они не содержат узел контроля перехода сетевого напряжения через ноль, например, серий MOC3052, MOC3053. Транзисторы VT1 - VT5 - любые маломощные кремниевые структуры n-p-n, подходящие по цоколёвке, например, КТ503, KSC815, BC546B, 2N2222 и другие. Оксидные конденсаторы - К50-35 или импортные аналоги, остальные - керамические серии К10-17а или подобные. Постоянные резисторы - МЛТ, С2-23 или импортные металлоплёночные мощностью 0,125-0,25 Вт. Если возникнет необходимость установки снаббера R28C10, то в качестве C10 можно использовать конденсаторы серии К73-17В или аналогичные импортные, ёмкостью от 0,22 до 1 мкФ, допускающие работу при переменном напряжении не менее 275 В.
Рис. 3. Внешний вид смонтированной печатной платы
Внешний вид смонтированной печатной платы показан на рис. 3. Правильно собранное устройство в наладке не нуждается и начинает работать сразу, но перед окончательным монтажом платы в корпус желательно проверить все её режимы. Напряжение на конденсаторе C3 должно быть в интервале 13...14 В, частота переменного напряжения на клеммах разъёма X1 - около 20 Гц, а амплитуда - 6...7 В. Каналы контроля должны устойчиво срабатывать при подключении постоянного резистора сопротивлением 5,1 кОм между общей клеммой X1.5 и остальными. Потребляемый ток по питанию должен быть в пределах 50...70 мА. По окончании проверки работоспособности и устранения возможных ошибок плату следует покрыть защитным лаком для исключения влияния
влажности воздуха на её работоспособность. Корпус для размещения платы и защиты её от климатического воздействия окружающей среды выбирается исходя из собственных пожеланий и возможностей. Много разных корпусов для РЭА предлагают в известных интернет-магазинах. Авторский вариант конструкции показан на рис. 4. Внутри корпуса размещена не только плата, но и ЗУ. На верхней крышке корпуса удобно разместить рисунок скважины и накопительной ёмкости, на которых в местах размещения электродов устанавливают соответствующие светодиоды.
Рис. 4. Авторский вариант конструкции
Блок управления можно использовать не только для вышеописанной ситуации. Если источник воды имеет гарантированно высокий дебит, контрольные электроды устанавливаются только на накопительной ёмкости, а на плате входы X1.1 и X1.2 соединяют перемычкой с общим проводом X1.5. Дополнительно можно ввести кнопочный
пост управления для опробования насоса. Кнопку с нормально замкнутыми контактами подключают в разрыв цепи электрода нижнего уровня и используют для ручного пуска насоса, а кнопку с нормально разомкнутыми контактами, используемую для остановки насоса, подключают параллельно цепи электрода верхнего уровня и общим проводом. В случае заполнения ёмкости от водопроводной сети вместо насоса к плате надо подключить электромагнитный клапан, установленный на линии подачи воды.
Автор: В. Кравцов, г. Новороссийск Краснодарского края