張秋容，楊 偉，張濤川

（1.河源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東河源 517000；2.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 528000）

0 引言

在全自動(dòng)洗衣機(jī)里用到了水位傳感器，常有兩種：開關(guān)式和電子式。開關(guān)式水位開關(guān)因檔位少現(xiàn)在很少再采用，而電子式水位開關(guān)檔位多、線路少、精度較高且具有較強(qiáng)的防浪涌功能等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各種實(shí)用水位采集中。本文將從電子式水位傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理、水位與頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系的建立、電子式水位傳感器的應(yīng)用電路和水位標(biāo)定程序設(shè)計(jì)四個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)基于西門子PLC的水位傳感器數(shù)字標(biāo)定研究。

1 電子式水位傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示的電子式水位傳感器結(jié)構(gòu)，主要由密封氣室、隔膜、磁芯、電感線圈、彈簧等組成。傳感器中的線圈固定不動(dòng)，當(dāng)氣壓推動(dòng)隔膜帶動(dòng)磁芯使其與線圈之間的相對(duì)位置發(fā)生變化，線圈的電感量發(fā)生變化，由此實(shí)現(xiàn)了水位非電量到電量的變換。此電感若與2個(gè)電容可組成三點(diǎn)式振蕩電路，振蕩的頻率將隨水位的變化而變化，故又稱諧振式水位傳感器[1]。

圖1 電子式水位傳感器工作示意圖

圖1中彈簧的作用是用于調(diào)節(jié)反作用力大小，以改變水位靈敏度范圍，即水位測(cè)量工作區(qū)間。對(duì)于批量生產(chǎn)的水位傳感器，彈簧彈性系數(shù)K及長度都是不變的。

圖1中氣筒的作用是不能忽視的，它直接影響測(cè)量靈敏度和測(cè)量精度，原則上水位引起的氣體體積變化越大，傳感器反應(yīng)越靈敏，這樣內(nèi)部液面稍微變化，就可引起傳感器內(nèi)部隔膜較大移動(dòng)，電感L變化大，對(duì)水位變化敏感。

2 水位與頻率對(duì)應(yīng)關(guān)系的建立

無水時(shí)，傳感器隔膜兩側(cè)氣室壓力相等，均為大氣壓，固定在隔膜上的磁芯在彈簧作用下進(jìn)入線圈最少，對(duì)應(yīng)一個(gè)電感量。

當(dāng)有水，且水位為H時(shí)隔膜內(nèi)氣壓高于外氣壓，其壓差為：

Δρ=Hρ，

式中ρ為水的密度；H為水的高度。

根據(jù)壓強(qiáng)與壓力的公式，可知此時(shí)作用力為：

F1=ΔPS=HρS，

式中S為隔膜的有效面積。

此力最終由彈簧力平衡，設(shè)彈簧被壓縮Δx后兩作用力達(dá)到平衡，則：

F2=KΔX=F1=HρS，

式中K為彈性系數(shù)，

得到式（1）：

式（1）中A為常數(shù)，這是在忽略氣體被壓縮和隔膜移動(dòng)、導(dǎo)氣軟管塑性擴(kuò)展等造成氣筒內(nèi)水位微上升影響而得出。因?yàn)榇判就瑫r(shí)受到彈簧的反作用力，磁芯位移。

圖2 磁芯在線圈中各位置符號(hào)示意圖

電感L由下式計(jì)算

式（2）中N為線圈匝數(shù)；μ0為空氣導(dǎo)磁率；μa為磁芯導(dǎo)磁率；R為線圈平均半徑；r為磁芯有效半徑；a為線圈長度。

如果用該線圈電感與電容器C1組成三點(diǎn)式振蕩電路，取C1=C2=C，其諧振頻率為：

把式（1）、式（2）代入式（3），

令常數(shù)項(xiàng)

其中m、n、u都是常數(shù)[2]。

從式（4）中可以看出：頻率與水位高度之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，符合傳感器工作特征，但存在嚴(yán)重的非線性，這對(duì)于帶微處理器的智能系統(tǒng)不是問題。

3 硬件電路

根據(jù)西門子PLC及高速計(jì)數(shù)器接線要求，設(shè)計(jì)電路如圖3，由三部分組成：振蕩電路、分頻電路和源型輸出電路。對(duì)于市購電子式水位傳感器，振蕩頻率一般無水時(shí)24 kHz，水位越高頻率越低，如洗衣機(jī)最深水位0.35 m時(shí)約20 kHz。西門子PLC-CPU224主模塊內(nèi)有6個(gè)高速計(jì)數(shù)器HC0-HC5，每路最高可計(jì)頻率30 kHz，但實(shí)際發(fā)現(xiàn)超過頻率不計(jì)數(shù)，因此對(duì)其2分頻。從式（4）得知，振蕩頻率與R1、R2無關(guān)，但R2阻值和電容C2決定脈寬寬度，當(dāng)取R2=4K7，C2=43 nF時(shí)，脈沖占空比約50%。

圖3 振蕩、2分頻及與CPU224高速計(jì)數(shù)HC5專線輸入端子I04接線

4 水位標(biāo)定程序設(shè)計(jì)

PLC讀取水位的方法大致是：單位時(shí)間內(nèi)計(jì)到的脈沖數(shù)。為了定時(shí)準(zhǔn)確，定時(shí)必須用中斷。定時(shí)1 s，1 s內(nèi)所計(jì)脈沖數(shù)，就是頻率。

（1）S7-200PLC 的 中斷源有多個(gè)，如CPU224有30個(gè)。要用PLC的中斷系統(tǒng)，一般要用到以下指令：全局中斷允許指令（ENI）、全局中斷禁止指令（DISI）、中斷條件返回指令（CRETI）、中斷連接指令（ATCH）、中斷分離指令（DTCH）。

現(xiàn)采用10號(hào)中斷源“定時(shí)中斷0”，關(guān)聯(lián)到INT 0。但定時(shí)中斷0最大定時(shí)只有255 ms，若設(shè)定為250 ms，要連續(xù)中斷4次才是1 s。在PLC運(yùn)行首次掃描時(shí)設(shè)置好定時(shí)初值和開中斷等，其設(shè)置子程序名SBR0。

（2）使用高速計(jì)數(shù)器

高速計(jì)數(shù)器使用步驟：定義高速計(jì)數(shù)器和操作模式、設(shè)置控制字節(jié)、設(shè)置初始值、指定并使能中斷子程序、激活高速計(jì)數(shù)器。

CPU224有HSC0～HSC5高速計(jì)數(shù)器，每個(gè)計(jì)數(shù)器可能有0～11共12種工作模式，不同工作模式會(huì)占用固定的PLC輸入端子，每個(gè)計(jì)數(shù)器都有相應(yīng)特殊輔助位、特殊字/字節(jié)管理控制，具體可查看資料。

本系統(tǒng)采用HSC5，設(shè)置為工作模式0（“帶內(nèi)部方向控制和內(nèi)部計(jì)數(shù)清零的單相計(jì)數(shù)器”），占用I0.4輸入點(diǎn)。同樣，要在PLC運(yùn)行首次掃描時(shí)配置好HSC5，其配置HSC5子程序名SBR1。

（3）中斷服務(wù)程序INT 0

250 ms定時(shí)到掃描系統(tǒng)會(huì)進(jìn)一次INT 0中斷服務(wù)程序，進(jìn)來首先VB10存儲(chǔ)值加1，然后判斷VB10是否等于4，小于4則直接中斷返回；等于4則停止HCS5計(jì)數(shù)并做數(shù)據(jù)處理。整個(gè)程序清單如圖4。

圖4 實(shí)時(shí)水位判斷程序

“水位-頻率”的標(biāo)定，用STEP 7 MicroWIN SP3(V4.0)編程軟件“調(diào)試”下“在線程序狀態(tài)監(jiān)視”功能：加一定深度的水，直接讀出HSC5的計(jì)數(shù)值。現(xiàn)以洗衣機(jī)為實(shí)例分8檔水位對(duì)水位傳感器頻率進(jìn)行標(biāo)定，如表1所示。

表1 以洗衣機(jī)最高水位為H，分8檔水位均勻標(biāo)定的頻率

在使用西門子S2-700PLC時(shí)，型號(hào)為CPU XXX CN，尾標(biāo)有CN，只能使用V4.0 STEP 7 Mi?croWIN SP3編程，不能用SP4及以上版本[3]。若用SP4，可讀取PLC信息等，但就是不能編程，即使簡單的一條語句都報(bào)錯(cuò)。

5 結(jié)語

上面介紹的方法和程序，已在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，并把數(shù)據(jù)成功應(yīng)用于某企業(yè)員工公寓基于單片機(jī)監(jiān)控的公共太陽能熱水器水位檢測(cè)中，系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。這種兩線式水位傳感器因電路簡單，且無需放大及A/D轉(zhuǎn)換，減少了不穩(wěn)定因素，非常適合供水水塔、汽車水箱甚至河流水位等智能控制系統(tǒng)的水位監(jiān)測(cè)。

［1］扈剛，王延峰.諧振式水位傳感器［J］.傳感器技術(shù)，2002，21（5）：22-23，26.

［2］張萬忠.可編程控制器入門與應(yīng)用實(shí)例：西門子S7-200系列［M］.北京：中國電力出版社，2004.

［3］西門子公司.西門子S7-200系統(tǒng)手冊(cè)［Z］.2010.