鄧 柳

（長(zhǎng)江職業(yè)學(xué)院，湖北武漢，430074）

0 引言

水位測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用在日常生活隨處可見(jiàn)。與工業(yè)、家用電器中的應(yīng)用不同，河流的水位測(cè)量，是水利信息化工程中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到人民安全、生活環(huán)境等民生問(wèn)題。水位測(cè)量離不開傳感器，經(jīng)調(diào)查，河流的水位測(cè)量工作中，經(jīng)常使用的水位傳感器主要有超聲波式、壓力式等。超聲波式水位傳感器是一種利用超聲波遇到障礙物后反射的原理，將距離轉(zhuǎn)換成時(shí)間進(jìn)行測(cè)量的傳感器。使用時(shí)，將超聲波探頭固定在水面上一定距離，通過(guò)計(jì)算發(fā)送超聲波與接觸水面后返回的超聲波之間的時(shí)間差，獲得探頭與水面的距離，從而計(jì)算出水位，超聲波傳感器不能克服水面波動(dòng)造成的影響；壓力式傳感器是一種投入式傳感器，利用了水的深度與壓強(qiáng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過(guò)計(jì)算傳感器承受的壓強(qiáng)，間接獲得水位值。壓力式傳感器測(cè)量精度較高，但測(cè)量精度易受到環(huán)境因素影響，信號(hào)處理難度高，因此價(jià)格昂貴。電極式水位測(cè)量方法一般用在工廠鍋爐汽包水位的測(cè)量中，將電極直接與水和蒸汽接觸，利用蒸汽環(huán)境和水的電導(dǎo)率不同，通過(guò)電路變換進(jìn)而得出水位值。電極式水位傳感器測(cè)量過(guò)程中不受環(huán)境因素影響，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，誤差為等精度誤差，也適合于河流的水位測(cè)量。然而，在鍋爐汽包測(cè)量中，電極長(zhǎng)期處于高溫高濕的環(huán)境中，極易發(fā)生結(jié)垢、腐蝕，需要定期更換電極。河流的水位測(cè)量環(huán)境惡劣，也要考慮電極的腐蝕等問(wèn)題。研究電極的防腐技術(shù)，構(gòu)建高可靠性的電極式水位傳感器模型，應(yīng)用于河流的水位測(cè)量，具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

1 數(shù)字邏輯模型

參考傳統(tǒng)的水位測(cè)量尺外型，設(shè)計(jì)出的電極式水位傳感器模型的外觀及電路模型如圖1所示。

從外觀可知，傳感器設(shè)計(jì)成窄條狀，長(zhǎng)度可固定為1m，主要部件包括公共電極、檢測(cè)電極、通信電纜、防水灌封膠、防水外殼等。其中，檢測(cè)電極從上到下等距排列，一般可設(shè)置成1cm，一個(gè)傳感器共包含1 00個(gè)檢測(cè)電極。公共電極根據(jù)其驅(qū)動(dòng)能力并考慮一定的驅(qū)動(dòng)裕量，每10cm放置一個(gè)。易知，檢測(cè)電極間的距離決定了傳感器的測(cè)量精度。傳感器的工作原理為：測(cè)量水位時(shí)，將傳感器全部或部分浸入水中，利用水的導(dǎo)電原理，沒(méi)入水中的檢測(cè)電極與公共極導(dǎo)通，水面以上的電極與公共極不導(dǎo)通，在公共極上設(shè)置高電平，通過(guò)計(jì)算檢測(cè)電極中電平為高電平的電極的個(gè)數(shù)即可得到水位值。傳感器通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議，利于多個(gè)傳感器縱向級(jí)聯(lián)，以測(cè)量更深的水位。

圖1中，基于CPLD設(shè)計(jì)出檢測(cè)電極的信號(hào)采集數(shù)字邏輯和與單片機(jī)通信的時(shí)序接口。單片機(jī)與CPLD同步工作，獲得檢測(cè)電極的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得水位值后，通過(guò)變送器向上位機(jī)傳送帶有水位數(shù)據(jù)信息的標(biāo)準(zhǔn)MODBUS格式的數(shù)據(jù)。其中，CPLD內(nèi)部邏輯采用13個(gè)8位并入串出（具有串入串出級(jí)聯(lián)功能）移位寄存器級(jí)聯(lián)而成。經(jīng)綜合后的symbol如圖2所示。

其中，lock引腳為鎖存引腳，低電平有效，可在公共電極窄脈沖發(fā)送并穩(wěn)定的同時(shí)，對(duì)檢測(cè)電極的感應(yīng)電平進(jìn)行鎖定，防止公共電極的窄脈沖撤銷后檢測(cè)電極無(wú)法感應(yīng)水位；d_in[99..0]表示100個(gè)檢測(cè)電極輸入端；clk為同步時(shí)鐘信號(hào)；d_out為串行數(shù)據(jù)信號(hào)；單片機(jī)通過(guò)clk、d_out引腳讀取CPLD中鎖存的檢測(cè)電極電平數(shù)據(jù)。針對(duì)以上邏輯進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。

從仿真結(jié)果可知，基于CPLD設(shè)計(jì)的檢測(cè)電極信號(hào)采集模型中，能正確鎖定100個(gè)檢測(cè)電極的電平值，且能通過(guò)同步串行接口與MCU通信，邏輯正確，符合傳感器的邏輯要求。

2 電極電路模型

電極式水位傳感器的可靠性問(wèn)題主要體現(xiàn)在如何防止電極的電化腐蝕。根據(jù)傳感器的工作原理，公共電極上需要高電平，才能在檢測(cè)電極上獲得高電平從而正常檢測(cè)水位，然而，公共電極一直處于高電平顯然會(huì)加重電極的電化腐蝕，電蝕的程度與通電時(shí)間及電流大小成正比]。基于以上分析，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，提出降低電化腐蝕的主要手段是給電極加交流信號(hào)或采用微電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電極。

2.1 電極電路模型設(shè)計(jì)

根據(jù)電極防電化腐蝕思路，設(shè)計(jì)出如圖4所示的電極電路模型。

可見(jiàn)，圖4所示電路模型中，AB兩點(diǎn)通過(guò)電容與內(nèi)部電路直流隔離。工作時(shí)A、B兩點(diǎn)瞬時(shí)電壓分析計(jì)算如下：

根據(jù)傳感器的工作原理，公共電極驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用頻率較低的脈沖信號(hào)f(t)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可表示為：

其中，A為脈沖信號(hào)的振幅，τ為信號(hào)的脈沖寬度。信號(hào)的波形如圖5所示：

設(shè)公共電極A點(diǎn)的電壓為yA(t)，可以視其為在激勵(lì)為f(t)下零狀態(tài)響應(yīng)。其復(fù)頻域的表達(dá)式為：

令 k=(R1+R2)C，有：

進(jìn)行拉普拉斯反變換可得時(shí)域表達(dá)式:

其理論時(shí)域波形如圖6所示。

設(shè)檢測(cè)電極B點(diǎn)的電壓為yB(t)，也可以視其為在激勵(lì)為f(t)下零狀態(tài)響應(yīng)。其復(fù)頻域的表達(dá)式為：

令 k=(R1+R2)C，k2=R2C，有：

進(jìn)行拉普拉斯反變換可得時(shí)域表達(dá)式:

由表達(dá)式可知，yB(t)的時(shí)域波形與yA(t)類似，只是在振幅上略小于后者。若R2＞＞R1，則k2≈ k，yB(t)≈ yA(t)。

經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)測(cè)，A、B兩點(diǎn)的波形如圖7所示。該波形測(cè)試條件為：R1=10k，R2=200k，C=1uf，f(t)為A=5V、占空比為10%、f=1Hz的脈沖信號(hào)。示波器水平靈敏度200ms/div，垂直靈敏度2v/div?？梢?jiàn)，該波形基本與理論計(jì)算相符，只是由于電容存在一定程度的漏電、水體電阻變化等因素影響，出現(xiàn)了一定的直流偏移。

通過(guò)以上分析可知，采用圖4所示的電極電路模型，在公共極驅(qū)動(dòng)信號(hào)為窄脈沖信號(hào)的條件下，公共電極和檢測(cè)電極上都能得到正負(fù)交替電壓信號(hào)。合理選擇振幅A、脈沖寬度τ，則yB(t)很容易滿足檢測(cè)電極所連接的數(shù)字電路的閾值電壓要求，從而被檢測(cè)電極檢測(cè)到。

表1給出了三種不同電極驅(qū)動(dòng)方式下的傳感器壽命對(duì)比?？梢?jiàn)，圖4所示電極電路模型采用了直流隔離、交變驅(qū)動(dòng)電極、微功耗驅(qū)動(dòng)等處理方式，使浸入水中的電極具有直流為零、電壓正負(fù)交替的特點(diǎn)，從而將電化腐蝕降至最低，并能在一定程度上保護(hù)電極，延長(zhǎng)傳感器壽命。

表1 三種不同電極驅(qū)動(dòng)方式下的傳感器壽命

3 結(jié)論

對(duì)用于鍋爐汽包水位測(cè)量的電極式水位傳感器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，提出了應(yīng)用于河流、水庫(kù)等水利系統(tǒng)的電極式水位傳感器數(shù)字邏輯模型和高可靠性電極電路模型，提出使用交變窄脈沖作為公共電極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并將電極與內(nèi)部電路直流隔離；長(zhǎng)時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，基于該模型的水位傳感器使用壽命具有明顯延長(zhǎng)。電極式水位傳感器在測(cè)量精度、抗干擾、遠(yuǎn)距離通信、系統(tǒng)集成等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，克服電極式水位傳感器的可靠性問(wèn)題，對(duì)于該傳感器的推廣使用、水位測(cè)量的信息化具有較大的意義。

[1]常傳忠.可靠的電極式水位自動(dòng)控制電路[J]電子制作.1998年01期

[2]張紹良.長(zhǎng)壽命電極水位檢測(cè)電路[J]電子制作.2004年05期

[3]閻鴻森，王新鳳.田惠生.信號(hào)與線性系統(tǒng)[M]西安：西安交通大學(xué)出版社 2002.8 25-27