液位测量传感器系统的设计与实现

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自动化测试

计算机测量与控制.

2009.17(11)　ComputerMeasurement&Control　

文献标识码:B

　 2131

文章编号:167124598(2009)1122131203　　　　　　中图分类号:TP212

液位测量传感器系统的设计与实现

李书旗,沈金荣

(河海大学计算机及信息工程学院,江苏常州　213022)

摘要:为测量深井液面的高度,针对其口径小、深度大等特点,克服了一般传感器在其测量上的缺点,设计了一种电容式液位传感器系统;它利用被测液体的导电率,通过传感器测量电路将液位高度变化转换成相应的电压脉冲宽度变化,再由单片机进行测量并转换成相应的液位高度进行显示,详细描述了传感器的结构、原理、硬件设计及测量方法,同时对电路波形、实验数据进行了分析;模拟实验表明,该系统对液位深度、时间、温湿度等具有测量、显示与设定功能,并具有结构简单、成本低廉、性能稳定等优点。

关键词:传感器;液位;测量系统

DesignandImplementationofSensorSystem

AboutLiquid-LevelMeasurement

LiShuqi,ShenJinrong

(CollegeofComputerandInformationEngineering,Hohai,,)

Abstract:Asensorsystemofcapacitanceisdesignedwhichisusedtoofdeep’toitssmalldiameteranddepth.Ittransformsthechangeofliquid-leveltothechangeofwidtwitconductionrateoftheliq2uid.TheCPUcalculatesandtransformsthechangetoliquidt,principle,hardwaredesignandmeas2urementmethod,andanalyzethecircuitwaveformanddataTheexperimentindicatethatthesystemcanmeasure,showandsettheliquiddepthtime,Ithasasimplestructure,lowcost,stableability.

Keywords:sensor;liquid;0　引言

目前,、激

光、红外测距、、压力传感器测距等几种。这些测量方式对一般液位的测量来说虽有各自的优点,但对于有些特殊的场合(如渗流井、地下水位、小口径水井等)却都存在明显的问题[1]和致命的不足:超声波测距需一定的面积反射,而且量程一般不超过20m;激光测距则受介质影响,管壁折射大,成本高;红外测距也受介质影响,需反射镜,而且自动对焦困难;机械测量自动化水平低、易磨损、维护不便;压力传感器在大量程时线性度又不高等。为此,设计并采用电容式传感器就显得更具有现实意义,它对口径小(直径不超过10cm)、深度大等特殊场合的液位测量有着独特的优势,既克服了以上传感器的测量困难、成本高、维护不便等弱点,又容易适应现代监测的需要,提高了测量水平。本系统通过模拟工程中深井的特殊环境,对该传感器进行了试验测量,效果令人满意,并获得了国家实用新型专利的授权(专利号:ZL0322213319)。

两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化[2],从而引起对应电容量变化的关系进行液位测量。

图1　传感器原理图

112　测量原理[3]

由图1可知,当可测量液位H=0时,不锈钢管与同轴绝缘导线构成的金属圆柱形电容器之间存在电容C0,根据文献得到电容量为:

C0=

1　传感器测量原理

111　传感器的组成

ln(R1/R0)

(1)

图1为传感器部分的结构原理图。它主要是由细长的不锈钢管(半径为R1

)、同轴绝缘导线(半径为R0)以及其被测液体共同构成的金属圆柱形电容器构成。该传感器主要利用其

式中,C0为电容量,单位为F;ε0为容器内气体的等效介电常数,单位为F/m;L为液位最大高度;R1为不锈钢管半径;

R0为绝缘导线半径,单位为m。

当可测量液位为H时,不锈钢管与同轴绝缘电线之间存

收稿日期:2009204202;　修回日期:2009205222。

作者简介:李书旗(19652),男,江苏泰州人,实验师,主要从事自动控制与实验方向的研究。

在电容CH:

CH==

+

ln(R1/R0)ln(R1/R0)

(2)

+

ln(R1/R0)ln(R1/R0)

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　 2132 　计算机测量与控制　第17

卷

图2　传感器测量电路

式中,ε为容器内气体的等效介电常数,单位为F/m。因此,当传感器内液位由零增加到H时,其电容的变化量ΔC可由式(1)和式(2)得

ΔC=CH-C0=(3)ln(R1/R0)

由式(3)可知,参数ε,R1,R0都是定值0,ε

变化量ΔC与液位变化量H呈近似线性关系。

因为参数ε,R1,R0,L,(2)0,ε得:

CH+b0b0)

(4)

图3　

电路部分电压波形

可见,深度H,只要测出电容值便能计算出水位高度H。

2　测量系统设计

系统设计由电容式传感器测量电路和CPU测量系统两部分组成。

211　传感器测量电路的设计

电容式传感器测量电路如图2所示。它由单稳触发器U1、定时器U2、光电耦合器U3、微分整形U4等电路组成。为有利于提高电路抗干扰性能,通过S1选择电路的触发方式:如果由交流(电池)供电,选择由交流(直流)同步触发。各点波形见图3,A、B分别为交流、直流同步触发脉冲。当液位为0时,U1输出C波形,当液位高为H时,U1输出D波形。由单稳态触发器电路可知,触发脉冲宽度:T=111R33CH=N3t(t为测量单片机的机器周期1us)。所以CH=(N3t)/1113R3。

再根据式(4)CH=a0+b0H,可得到

H=K(N-b)

(5)

图4　系统框图

单片机对图3中TH的部分计数程序如下[6]:

……

MOVTMOD,#01;置方式1

……

TEST:MOVTL0,#00HMOVTH0,#00H;置计数器初值JNBINT0,＄;等上降沿SETBTR0;上降沿计数开始JBINT0,＄;等下降沿CLRTR0;下降沿停止计数MOVR0,TH0

MOVR1,TL0;计数值放寄存器,得到N的值

式中,H为被测水位值,K为线性系数,b为修正系数,N为单片机在液位为H时的计数值。

212　测量系统电路

……

主要由单片机AT89C52(时钟为12MHz)、液晶显示模块、E2ROM存储模块、温湿度测量模块、RS232通信模块、

4～20mA输出的D/A模块[4]、时钟模块以及传感器测量电路

3　测试方法及步骤

311　测量方法

等组成[5],如图4所示

。

在实验室整机调试过程中,需通过反复进行模拟测试。为

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第11期李书旗,等:液位测量传感器系统的设计与实现　 2133

得到方便调节的不同水位,实验采用连通器原理,方法是:将直径为8cm、标有刻度(可用记号笔画)的透明有机玻璃管通过软管与水桶相连,软管中间加一阀门和水泵,阀门和水泵都打开时能将水桶中的水抽到有机玻璃管中,使水管中的水位慢慢上升,阀门关闭后水位就能停留在某位置。若在水泵停止工作后将阀门打开,则有机玻璃管中的水在大气压作用下自动流向水桶,有机管中的水位慢慢下降。这样通过不断打开和关闭阀门,放置于有机管中的传感器就能测到该范围内的任意水位,如图5所示(由于条件限制,实验中用的有机管长度只有2m,因此水位变化范围也就不超过2m)。该实验系统用水量很少,测量方便,而且能使水反复利用。312　测量步骤

系统初次测试时,必须要经过定标和调整,只有经过定标和调整后该系统才能进行正常的测量工作。

步骤1:确定传感器。由直径25mm、L为2m

的不锈钢管和直径0132mm的2m长的漆包线构成同轴结构,通过测量系统直接显示计数值。实验得到小范围的测量数据如表1所示(计数值单位为1us)。

　　步骤3:调整。将K值和b值输入到系统后,由系统再进行多次实际测量并与实际值比较,如果误差较大,则通过改变不同的水位再重复步骤1,可得到与步骤1相差不大的K值和b值。如此重复多次后, …… 此处隐藏：3321字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……