前國內主要通過浮子式水位計、壓力式水位計、超聲波水位計等技術進行水位的監測控制，存在著讀數波動大、實時性差、投入成本高等缺點。基于擴散硅投入式液位變送器　進行了外圍硬件電路與軟件設計，并進行了水位測量實驗。實驗結果表明：設計的擴散硅投入式液位變送器　測量電路工作可靠，由于溫度引起的zui大溫漂為0．07 mA／％，測量液位時的誤差不超過0．04 in，精度較高。該設計可實時監測水位的變化，動態顯示數據，且不受水底淤積等因素對測量數據的影響。


 
　　0引言
水位監測在航道船閘、碼頭、水庫、水文站等場合起著至關重要的作用，目前，國內主要采用浮子式水位計、壓力式水位計、超聲波水位計等作為測量工具。但浮子式水位計受水底的淤積等影響較大，不能夠實時的傳送數據，還需要定時的進行人工維護，耗時耗力；壓力式水位計容易受溫度、水流的影響，導致讀數不穩定；超聲波水位計可以實時的傳送數據，但是投入成本比較高，安裝麻煩，受傳播介質的影響也比較大。擴散硅投入式投入式液位變送器　能夠克服以上缺點，直接投入到被測量的液體中進行測量，不受水底淤積的影響，可以實時的進行數據傳送，制作成本低，使用方便。但是，目前擴散硅投入式液位變送在國內沒有得到**的應用，技術還不成熟，需要進一步的探索、研究”?。1 DZ．H擴散硅投入式液位變送器　工作原理擴散硅投入式液位變送器　是一種可以直接將水位轉換為標準電信號，以便二次儀表使用的器件，它安裝方便、結構簡單、經濟耐用，能夠實時監測水位的變化，可**應用于河道、航道船閘水位監測、污水處理、高樓水池、水文地質等場合。
 
擴散硅投入式液位變送器　可以直接投入被測介質里進行測量，與其它的傳感器相比，使用起來更加方便快捷。被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上(不銹鋼或陶瓷)，使膜片產生與介質壓力呈正比的微位移，使傳感器的等效電阻值R變為R’，根據擴散硅的特性可知R’=1／(dl。d2。P。S)， (1)式中d，為擴散硅的壓阻特性系數；d2為擴散硅受力與發生位移的線性比例系數；p為傳感器所在介質位置的壓強；S為傳感器膜片的面積。
 
　　當投入式液位變送器　投入到被測液體中時，傳感器受到的壓力為P=p。g。日+兒， (2)式中P為被測液體密度；g為當地重力加速度；p。為液面上大氣壓；日為變送器投入到液體的深度。
擴散硅投入式液位變送器　采用+24V的直流電源供電，根據伏安特性，=E／(R’+r)， (3)式中E為電源電壓；R為傳感器受壓后的阻值；r為250 n的采樣電阻，r《R’，忽略r的大小，一E／R’． (4)綜合式(1)、式(2)、式(4)可得，=E。dl。d2。雙P。g。日+凡)． (5)由式(5)可知，液體的深度日與測得的電流，呈線性關系，傳感器輸出4～20 mA的標準電流信號。但是由于空氣大氣壓P．的存在，給輸出信號帶來了4mA的偏置電流，可以通過硬件的方法進行校正。
 
　　2系統結構設計
本設計采用STCl2C5A60S2單片機作為控制器，對采集得到的數據進行處理。單片機可采集的信號為0～5 V標準電壓信號，而變送器輸出的是4～20 mA標準電流信號，因此，需要設計壓流轉換電路將標準的電流信號轉換為電壓信號。本設計通過與變送器串接250 n相對誤差為0．1％的高精密采樣電阻器，將電流信號轉換為1～5 V的電壓信號，然后通過一個高阻抗的差動放大電路，將減去1 V的基值電壓，得到0～4 V的電壓信號，再經過運算放大器放大1．25倍，zui后得到標準的0～5 V電壓信號，送給單片機進行數據處理和顯示，系統的總體結構框圖如圖1所示。傳感采集模塊一差分放大，單片機，顯示模塊零點補償模塊-模塊


 
圖1系統總體結構框圖
 
　　2．1傳感采集電路的設計
擴散硅投入式液位變送器　是電流型變送器，采用+24 V電源供電，將測量水深轉換為4～20 mA的標準電流信號，本設計采用250 n精度為0．1％的精密電阻器作為壓流轉換元件，得到1～5 V的電壓信號，供后面的電路進行處理，其模塊電路如圖2所示。


 
2．2 帶零點補償的差分放大電路為了得到0～5 V的標準電壓信號，就必須將傳感采集模塊得到的1～5V的電壓信號減掉1 V的基值電壓，然后再進行放大，因此，需要設計提供1 V電壓的零點補償電路。本設計采用電壓細分技術，可以精確地得到0．8～1．3V之間的任意電壓，不僅滿足了系統的要求，還能減小系統誤差。得到0～4V的電壓信號后，要想得到0～5 V的標準電壓信號，需要將其放大1．25倍，供單片機處理使用。本設計*先用電壓跟隨器，來隔離采集電路和放大電路之間，防止2個模塊電路相互干擾。采用高阻抗差分放大電路，具有差分電路的性能，不僅可以抑制共模信號造成的偏差，還可以在一定程度上抑制溫度漂移。在2個運放LM 324的反相輸入端，用1kn的固定電阻器和2kn的滑動變阻器代替2 k12的固定電阻器，這樣可以精確調節放大倍數，確保放大倍數為1．25，減小系統的誤差，其模塊電路圖如圖3所示。


 
2．3 單片機zui小系統電路與顯示電路本系統采用STCl2C5A60S2單片機作為總的控制器，進行數據的處理。STCl2C5A60S2自身帶有10位的A／D轉換器，完全可以滿足本系統對轉換精度的要求。
 
擴散硅變送器輸出的電流信號經過處理后，zui后轉換為標準的電壓信號，送給單片機進行處理，經過一系列的數據運算后，轉換為4位十進制數據，用數碼管SM4105進行顯示。數碼管采用74LSl64進行驅動，并采用虛擬I／O口技術，通過12 C數據總線將數據傳送給74LSl64，驅動數碼管進行顯示。
 
另外，擴散硅變送器需要用到+24 V電源供電，而單片機和顯示模塊需要+5 v電源供電，為了避免因設備工作時需要多路電源供電帶來的不便，本系統采用B2405S電壓轉換模塊，將+24V的電壓直接轉換為+5 v電壓，供單片機使用，也使設備的安裝更加簡捷舊。
 
　　3軟件設計
     軟件部分對單片機和液位傳感器的初始化，并對采集到的電壓進行保留2位小數的處理，然后對采集到的電壓進行A／D轉換，并對A／D轉換的結果Res進行分段處理。通過對大量實驗數據的分析，得知各段的水深值Di@和A／D轉換的結果Res之間均是線性關系，符合Di@=^·Res一6的形式，但不同段的Res值對應的^和6的值不同。不同段的Res值經過不同的運算之后，zui后將處理后的值保存在Di@，送顯示模塊進行顯示，系統的軟件流程如圖4。


 
　　4實驗結果
　　1)溫度對擴散硅變送器的影響擴散硅變送器的工作溫度在--20～60℃，將變送器分別放在不同的水溫下，測量不同深度時變送器的輸出電流，轉換為測量深度后與實際深度作對比，得到的結果如表1所示。


 
　　表1 不同深度下溫度對變送器的影響
對上表的數據進行分析可以看出：在擴散硅變送器的工作溫度范圍之內，隨著溫度的上升，變送器的輸出電流略有上升，當快要達到變送器的極限工作溫度時，會有較大的變化，由于溫度變化引起的zui大溫漂誤差為0．07 mA／％，平均溫漂誤差為0．06 mA／％。因此，在變送器的工作溫度范圍之內，溫度對變送器測量精度的影響可以忽略。
 
2)擴散硅變送器測量液位的數據分析在采用二線式擴散硅投入式液位變送器　進行水深測量時，根據變送器的工作原理P_p·g·日+仇，實際由水深產生的壓強，等于測量得到的壓強減去水面上由于大氣壓產生的壓強P．[9'”]。但是由于變送器受到試驗環境里水流等的影響，再加上元器件本身的制造工藝誤差等原因，導致試驗結果無法避免地存在誤差。2013年5月4日，在南京市中山碼頭進行了測試，對得到的數據如表2所示。



對數據進行分析，得到本次測試結果的zui大偏差為0．04in，zui大相對誤差為2％，平均相對誤差為0．775％，同時從Matlab仿真對比的曲線看出：實際水深和測量值的曲線幾乎重合，只在個別數據有較大偏離，但總體上還是可以達到對精度的要求。根據以上測得的實驗數據，在Matlab里進行繪圖，得到實際水深與電流的曲線，如圖5所示。


 
圖5實際水深和測量值與電流在同一坐標下的曲線　　
 
5結論
　　本文針對目前國內水位監測控制存在的弊端，設計了一種基于擴散硅變送器的水位測量系統。通過對測量數據的分析，擴散硅變送器在工作的溫度范圍內，隨著溫度的上升，測量結果會略有上升，但是溫漂引起的誤差比較小，在可以接受的范圍內。對水位的測量也比較準黼全滿足航道船閘水位監測對精度的殊在航道船閘水位監測領域中有具有較好的應用前景。


上一條：對于磁翻板液位計等工業自動化儀表的工程施工管理
下一條：磁翻板液位計等自動化液位計的故障檢修六種常規方法