基于扩散硅投入式投入式液位变送器　的水位测量系统设计

 前国内主要通过浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计等技术进行水位的监测控制，存在着读数波动大、实时性差、投入成本高等缺点。基于扩散硅投入式液位变送器　进行了外围硬件电路与软件设计，并进行了水位测量实验。实验结果表明：设计的扩散硅投入式液位变送器　测量电路工作可靠，由于温度引起的zui大温漂为0．07 mA／％，测量液位时的误差不超过0．04 in，精度较高。该设计可实时监测水位的变化，动态显示数据，且不受水底淤积等因素对测量数据的影响。


 
　　0引言
水位监测在航道船闸、码头、水库、水文站等场合起着至关重要的作用，目前，国内主要采用浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计等作为测量工具。但浮子式水位计受水底的淤积等影响较大，不能够实时的传送数据，还需要定时的进行人工维护，耗时耗力；压力式水位计容易受温度、水流的影响，导致读数不稳定；超声波水位计可以实时的传送数据，但是投入成本比较高，安装麻烦，受传播介质的影响也比较大。扩散硅投入式投入式液位变送器　能够克服以上缺点，直接投入到被测量的液体中进行测量，不受水底淤积的影响，可以实时的进行数据传送，制作成本低，使用方便。但是，目前扩散硅投入式液位变送在国内没有得到**的应用，技术还不成熟，需要进一步的探索、研究”?。1 DZ．H扩散硅投入式液位变送器　工作原理扩散硅投入式液位变送器　是一种可以直接将水位转换为标准电信号，以便二次仪表使用的器件，它安装方便、结构简单、经济耐用，能够实时监测水位的变化，可**应用于河道、航道船闸水位监测、污水处理、高楼水池、水文地质等场合。
 
扩散硅投入式液位变送器　可以直接投入被测介质里进行测量，与其它的传感器相比，使用起来更加方便快捷。被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷)，使膜片产生与介质压力呈正比的微位移，使传感器的等效电阻值R变为R’，根据扩散硅的特性可知R’=1／(dl。d2。P。S)， (1)式中d，为扩散硅的压阻特性系数；d2为扩散硅受力与发生位移的线性比例系数；p为传感器所在介质位置的压强；S为传感器膜片的面积。
 
　　当投入式液位变送器　投入到被测液体中时，传感器受到的压力为P=p。g。日+儿， (2)式中P为被测液体密度；g为当地重力加速度；p。为液面上大气压；日为变送器投入到液体的深度。
扩散硅投入式液位变送器　采用+24V的直流电源供电，根据伏安特性，=E／(R’+r)， (3)式中E为电源电压；R为传感器受压后的阻值；r为250 n的采样电阻，r《R’，忽略r的大小，一E／R’． (4)综合式(1)、式(2)、式(4)可得，=E。dl。d2。双P。g。日+凡)． (5)由式(5)可知，液体的深度日与测得的电流，呈线性关系，传感器输出4～20 mA的标准电流信号。但是由于空气大气压P．的存在，给输出信号带来了4mA的偏置电流，可以通过硬件的方法进行校正。
 
　　2系统结构设计
本设计采用STCl2C5A60S2单片机作为控制器，对采集得到的数据进行处理。单片机可采集的信号为0～5 V标准电压信号，而变送器输出的是4～20 mA标准电流信号，因此，需要设计压流转换电路将标准的电流信号转换为电压信号。本设计通过与变送器串接250 n相对误差为0．1％的高精密采样电阻器，将电流信号转换为1～5 V的电压信号，然后通过一个高阻抗的差动放大电路，将减去1 V的基值电压，得到0～4 V的电压信号，再经过运算放大器放大1．25倍，zui后得到标准的0～5 V电压信号，送给单片机进行数据处理和显示，系统的总体结构框图如图1所示。传感采集模块一差分放大，单片机，显示模块零点补偿模块-模块


 
图1系统总体结构框图
 
　　2．1传感采集电路的设计
扩散硅投入式液位变送器　是电流型变送器，采用+24 V电源供电，将测量水深转换为4～20 mA的标准电流信号，本设计采用250 n精度为0．1％的精密电阻器作为压流转换元件，得到1～5 V的电压信号，供后面的电路进行处理，其模块电路如图2所示。


 
2．2 带零点补偿的差分放大电路为了得到0～5 V的标准电压信号，就必须将传感采集模块得到的1～5V的电压信号减掉1 V的基值电压，然后再进行放大，因此，需要设计提供1 V电压的零点补偿电路。本设计采用电压细分技术，可以精确地得到0．8～1．3V之间的任意电压，不仅满足了系统的要求，还能减小系统误差。得到0～4V的电压信号后，要想得到0～5 V的标准电压信号，需要将其放大1．25倍，供单片机处理使用。本设计*先用电压跟随器，来隔离采集电路和放大电路之间，防止2个模块电路相互干扰。采用高阻抗差分放大电路，具有差分电路的性能，不仅可以抑制共模信号造成的偏差，还可以在一定程度上抑制温度漂移。在2个运放LM 324的反相输入端，用1kn的固定电阻器和2kn的滑动变阻器代替2 k12的固定电阻器，这样可以精确调节放大倍数，确保放大倍数为1．25，减小系统的误差，其模块电路图如图3所示。


 
2．3 单片机zui小系统电路与显示电路本系统采用STCl2C5A60S2单片机作为总的控制器，进行数据的处理。STCl2C5A60S2自身带有10位的A／D转换器，完全可以满足本系统对转换精度的要求。
 
扩散硅变送器输出的电流信号经过处理后，zui后转换为标准的电压信号，送给单片机进行处理，经过一系列的数据运算后，转换为4位十进制数据，用数码管SM4105进行显示。数码管采用74LSl64进行驱动，并采用虚拟I／O口技术，通过12 C数据总线将数据传送给74LSl64，驱动数码管进行显示。
 
另外，扩散硅变送器需要用到+24 V电源供电，而单片机和显示模块需要+5 v电源供电，为了避免因设备工作时需要多路电源供电带来的不便，本系统采用B2405S电压转换模块，将+24V的电压直接转换为+5 v电压，供单片机使用，也使设备的安装更加简捷旧。
 
　　3软件设计
     软件部分对单片机和液位传感器的初始化，并对采集到的电压进行保留2位小数的处理，然后对采集到的电压进行A／D转换，并对A／D转换的结果Res进行分段处理。通过对大量实验数据的分析，得知各段的水深值Di@和A／D转换的结果Res之间均是线性关系，符合Di@=^·Res一6的形式，但不同段的Res值对应的^和6的值不同。不同段的Res值经过不同的运算之后，zui后将处理后的值保存在Di@，送显示模块进行显示，系统的软件流程如图4。


 
　　4实验结果
　　1)温度对扩散硅变送器的影响扩散硅变送器的工作温度在--20～60℃，将变送器分别放在不同的水温下，测量不同深度时变送器的输出电流，转换为测量深度后与实际深度作对比，得到的结果如表1所示。


 
　　表1 不同深度下温度对变送器的影响
对上表的数据进行分析可以看出：在扩散硅变送器的工作温度范围之内，随着温度的上升，变送器的输出电流略有上升，当快要达到变送器的极限工作温度时，会有较大的变化，由于温度变化引起的zui大温漂误差为0．07 mA／％，平均温漂误差为0．06 mA／％。因此，在变送器的工作温度范围之内，温度对变送器测量精度的影响可以忽略。
 
2)扩散硅变送器测量液位的数据分析在采用二线式扩散硅投入式液位变送器　进行水深测量时，根据变送器的工作原理P_p·g·日+仇，实际由水深产生的压强，等于测量得到的压强减去水面上由于大气压产生的压强P．[9'”]。但是由于变送器受到试验环境里水流等的影响，再加上元器件本身的制造工艺误差等原因，导致试验结果无法避免地存在误差。2013年5月4日，在南京市中山码头进行了测试，对得到的数据如表2所示。



对数据进行分析，得到本次测试结果的zui大偏差为0．04in，zui大相对误差为2％，平均相对误差为0．775％，同时从Matlab仿真对比的曲线看出：实际水深和测量值的曲线几乎重合，只在个别数据有较大偏离，但总体上还是可以达到对精度的要求。根据以上测得的实验数据，在Matlab里进行绘图，得到实际水深与电流的曲线，如图5所示。


 
图5实际水深和测量值与电流在同一坐标下的曲线　　
 
5结论
　　本文针对目前国内水位监测控制存在的弊端，设计了一种基于扩散硅变送器的水位测量系统。通过对测量数据的分析，扩散硅变送器在工作的温度范围内，随着温度的上升，测量结果会略有上升，但是温漂引起的误差比较小，在可以接受的范围内。对水位的测量也比较准黼全满足航道船闸水位监测对精度的殊在航道船闸水位监测领域中有具有较好的应用前景。


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