前國內(nèi)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(shù)進行水位的監(jiān)測控制，存在著讀數(shù)波動大、實時性差、投入成本高等缺點?；跀U散硅投入式液位變送器　進行了外圍硬件電路與軟件設(shè)計，并進行了水位測量實驗。實驗結(jié)果表明：設(shè)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(shè)計可實時監(jiān)測水位的變化，動態(tài)顯示數(shù)據(jù)，且不受水底淤積等因素對測量數(shù)據(jù)的影響。


 
　　0引言
水位監(jiān)測在航道船閘、碼頭、水庫、水文站等場合起著至關(guān)重要的作用，目前，國內(nèi)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?qū)崟r的傳送數(shù)據(jù)，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(shù)不穩(wěn)定；超聲波水位計可以實時的傳送數(shù)據(jù)，但是投入成本比較高，安裝麻煩，受傳播介質(zhì)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(shù)據(jù)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(nèi)沒有得到**的應(yīng)用，技術(shù)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(zhuǎn)換為標準電信號，以便二次儀表使用的器件，它安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟耐用，能夠?qū)崟r監(jiān)測水位的變化，可**應(yīng)用于河道、航道船閘水位監(jiān)測、污水處理、高樓水池、水文地質(zhì)等場合。
 
擴散硅投入式液位變送器　可以直接投入被測介質(zhì)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(zhì)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(chǎn)生與介質(zhì)壓力呈正比的微位移，使傳感器的等效電阻值R變?yōu)镽’，根據(jù)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(shù)；d2為擴散硅受力與發(fā)生位移的線性比例系數(shù)；p為傳感器所在介質(zhì)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?shù)刂亓铀俣龋籶。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(jù)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(guān)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(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
本設(shè)計采用STCl2C5A60S2單片機作為控制器，對采集得到的數(shù)據(jù)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(shè)計壓流轉(zhuǎn)換電路將標準的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。本設(shè)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(zhuǎn)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(jīng)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(shù)據(jù)處理和顯示，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)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(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖
 
　　2．1傳感采集電路的設(shè)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(zhuǎn)換為4～20 mA的標準電流信號，本設(shè)計采用250 n精度為0．1％的精密電阻器作為壓流轉(zhuǎn)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?shù)牟罘址糯箅娐窞榱说玫?～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(shè)計提供1 V電壓的零點補償電路。本設(shè)計采用電壓細分技術(shù)，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(tǒng)的要求，還能減小系統(tǒng)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(shè)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(diào)節(jié)放大倍數(shù)，確保放大倍數(shù)為1．25，減小系統(tǒng)的誤差，其模塊電路圖如圖3所示。


 
2．3 單片機zui小系統(tǒng)電路與顯示電路本系統(tǒng)采用STCl2C5A60S2單片機作為總的控制器，進行數(shù)據(jù)的處理。STCl2C5A60S2自身帶有10位的A／D轉(zhuǎn)換器，完全可以滿足本系統(tǒng)對轉(zhuǎn)換精度的要求。
 
擴散硅變送器輸出的電流信號經(jīng)過處理后，zui后轉(zhuǎn)換為標準的電壓信號，送給單片機進行處理，經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)運算后，轉(zhuǎn)換為4位十進制數(shù)據(jù)，用數(shù)碼管SM4105進行顯示。數(shù)碼管采用74LSl64進行驅(qū)動，并采用虛擬I／O口技術(shù)，通過12 C數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳送給74LSl64，驅(qū)動數(shù)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(shè)備工作時需要多路電源供電帶來的不便，本系統(tǒng)采用B2405S電壓轉(zhuǎn)換模塊，將+24V的電壓直接轉(zhuǎn)換為+5 v電壓，供單片機使用，也使設(shè)備的安裝更加簡捷舊。
 
　　3軟件設(shè)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(shù)的處理，然后對采集到的電壓進行A／D轉(zhuǎn)換，并對A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果Res進行分段處理。通過對大量實驗數(shù)據(jù)的分析，得知各段的水深值Di@和A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果Res之間均是線性關(guān)系，符合Di@=^·Res一6的形式，但不同段的Res值對應(yīng)的^和6的值不同。不同段的Res值經(jīng)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(tǒng)的軟件流程如圖4。


 
　　4實驗結(jié)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(zhuǎn)換為測量深度后與實際深度作對比，得到的結(jié)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(shù)據(jù)進行分析可以看出：在擴散硅變送器的工作溫度范圍之內(nèi)，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(nèi)，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(shù)據(jù)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(jù)變送器的工作原理P_p·g·日+仇，實際由水深產(chǎn)生的壓強，等于測量得到的壓強減去水面上由于大氣壓產(chǎn)生的壓強P．[9'”]。但是由于變送器受到試驗環(huán)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(jié)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(shù)據(jù)如表2所示。



對數(shù)據(jù)進行分析，得到本次測試結(jié)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(shù)據(jù)有較大偏離，但總體上還是可以達到對精度的要求。根據(jù)以上測得的實驗數(shù)據(jù)，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(jié)論
　　本文針對目前國內(nèi)水位監(jiān)測控制存在的弊端，設(shè)計了一種基于擴散硅變送器的水位測量系統(tǒng)。通過對測量數(shù)據(jù)的分析，擴散硅變送器在工作的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的上升，測量結(jié)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(nèi)。對水位的測量也比較準黼全滿足航道船閘水位監(jiān)測對精度的殊在航道船閘水位監(jiān)測領(lǐng)域中有具有較好的應(yīng)用前景。


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