徐 磊，時(shí)維鐸，邢玉秀，徐 振，李 陽(yáng)

（南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210037）

0 引言

水位監(jiān)測(cè)在航道船閘、碼頭、水庫(kù)、水文站等場(chǎng)合起著至關(guān)重要的作用，目前，國(guó)內(nèi)主要采用浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)等作為測(cè)量工具。但浮子式水位計(jì)受水底的淤積等影響較大，不能夠?qū)崟r(shí)的傳送數(shù)據(jù)，還需要定時(shí)的進(jìn)行人工維護(hù)，耗時(shí)耗力;壓力式水位計(jì)容易受溫度、水流的影響，導(dǎo)致讀數(shù)不穩(wěn)定;超聲波水位計(jì)可以實(shí)時(shí)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(kuò)散硅投入式液位變送器能夠克服以上缺點(diǎn)，直接投入到被測(cè)量的液體中進(jìn)行測(cè)量，不受水底淤積的影響，可以實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，制作成本低，使用方便。但是，目前擴(kuò)散硅投入式液位變送在國(guó)內(nèi)沒有得到廣泛的應(yīng)用，技術(shù)還不成熟，需要進(jìn)一步的探索、研究［1～3］。

1 DZ-H擴(kuò)散硅液位變送器工作原理

DZ-H擴(kuò)散硅液位變送器是一種可以直接將水位轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，以便二次儀表使用的器件，它安裝方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)耐用，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水位的變化，可廣泛應(yīng)用于河道、航道船閘水位監(jiān)測(cè)、污水處理、高樓水池、水文地質(zhì)等場(chǎng)合。

DZ-H擴(kuò)散硅液位變送器可以直接投入被測(cè)介質(zhì)里進(jìn)行測(cè)量，與其它的傳感器相比，使用起來(lái)更加方便快捷。被測(cè)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(kuò)散硅的特性可知

式中d1為擴(kuò)散硅的壓阻特性系數(shù);d2為擴(kuò)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(qiáng);S為傳感器膜片的面積。

當(dāng)液位變送器投入到被測(cè)液體中時(shí)，傳感器受到的壓力為

式中 ρ為被測(cè)液體密度;g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?po為液面上大氣壓;H為變送器投入到液體的深度。

DZ-H擴(kuò)散硅液位變送器采用+24V的直流電源供電，根據(jù)伏安特性

式中E為電源電壓;R'為傳感器受壓后的阻值;r為250 Ω的采樣電阻，r?R'，忽略r的大小

綜合式（1）、式（2）、式（4）可得

由式（5）可知，液體的深度H與測(cè)得的電流I呈線性關(guān)系，傳感器輸出4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。但是由于空氣大氣壓po的存在，給輸出信號(hào)帶來(lái)了4 mA的偏置電流，可以通過硬件的方法進(jìn)行校正。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制器，對(duì)采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。單片機(jī)可采集的信號(hào)為0～5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，而變送器輸出的是4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，因此，需要設(shè)計(jì)壓流轉(zhuǎn)換電路將標(biāo)準(zhǔn)的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。本設(shè)計(jì)通過與變送器串接250 Ω相對(duì)誤差為0.1%的高精密采樣電阻器，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為1～5 V的電壓信號(hào)，然后通過一個(gè)高阻抗的差動(dòng)放大電路，將減去1 V的基值電壓，得到0～4 V的電壓信號(hào)，再經(jīng)過運(yùn)算放大器放大1.25倍，最后得到標(biāo)準(zhǔn)的0～5 V電壓信號(hào)，送給單片機(jī)進(jìn)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［4，5］。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Overall structure block diagram of system

2.1 傳感采集電路的設(shè)計(jì)

DZ-H擴(kuò)散硅液位變送器是電流型變送器，采用+24 V電源供電，將測(cè)量水深轉(zhuǎn)換為4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用250 Ω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(hào)，供后面的電路進(jìn)行處理，其模塊電路如圖2所示。

2.2 帶零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)牟罘址糯箅娐?/h3>

為了得到0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，就必須將傳感采集模塊得到的1～5 V的電壓信號(hào)減掉1 V的基值電壓，然后再進(jìn)行放大，因此，需要設(shè)計(jì)提供1 V電壓的零點(diǎn)補(bǔ)償電路。本設(shè)計(jì)采用電壓細(xì)分技術(shù)，可以精確地得到0.8～1.3 V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0～4 V的電壓信號(hào)后，要想得到0～5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，需要將其放大1.25倍，供單片機(jī)處理使用。本設(shè)計(jì)首先用電壓跟隨器，來(lái)隔離采集電路和放大電路之間，防止2個(gè)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(hào)造成的偏差，還可以在一定程度上抑制溫度漂移。在2個(gè)運(yùn)放LM 324的反相輸入端，用1kΩ的固定電阻器和2kΩ的滑動(dòng)變阻器代替2 kΩ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。

圖2 傳感器采集模塊電路Fig 2 Circuit of sensor acquisition module

圖3 高阻抗差分放大電路Fig 3 Circuit of high impedance differential amplifier

2.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路與顯示電路

本系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為總的控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。STC12C5A60S2自身帶有10位的A/D轉(zhuǎn)換器，完全可以滿足本系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)換精度的要求。

擴(kuò)散硅變送器輸出的電流信號(hào)經(jīng)過處理后，最后轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電壓信號(hào)，送給單片機(jī)進(jìn)行處理，經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)運(yùn)算后，轉(zhuǎn)換為4位十進(jìn)制數(shù)據(jù)，用數(shù)碼管SM4105進(jìn)行顯示。數(shù)碼管采用74LS164進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并采用虛擬I/O口技術(shù)，通過I2C數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳送給74LS164，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

另外，DZ-H擴(kuò)散硅變送器需要用到+24 V電源供電，而單片機(jī)和顯示模塊需要+5V電源供電，為了避免因設(shè)備工作時(shí)需要多路電源供電帶來(lái)的不便，本系統(tǒng)采用B2405S電壓轉(zhuǎn)換模塊，將+24 V的電壓直接轉(zhuǎn)換為+5 V電壓，供單片機(jī)使用，也使設(shè)備的安裝更加簡(jiǎn)捷［6～8］。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分對(duì)單片機(jī)和液位傳感器的初始化，并對(duì)采集到的電壓進(jìn)行保留2位小數(shù)的處理，然后對(duì)采集到的電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果Res進(jìn)行分段處理。通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得知各段的水深值Disp和A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果Res之間均是線性關(guān)系，符合Disp=k·Resb的形式，但不同段的Res值對(duì)應(yīng)的k和b的值不同。不同段的Res值經(jīng)過不同的運(yùn)算之后，最后將處理后的值保存在Disp，送顯示模塊進(jìn)行顯示，系統(tǒng)的軟件流程如圖4。

圖4 程序流程圖Fig 4 Program flow chart

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1）溫度對(duì)DZ-H擴(kuò)散硅變送器的影響

DZ-H擴(kuò)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(cè)量不同深度時(shí)變送器的輸出電流，轉(zhuǎn)換為測(cè)量深度后與實(shí)際深度作對(duì)比，得到的結(jié)果如表1所示。

表1 不同深度下溫度對(duì)變送器的影響Tab 1 Influence of temperature on transmitter under different depth

對(duì)上表的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出:在DZ-H擴(kuò)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(dāng)快要達(dá)到變送器的極限工作溫度時(shí)，會(huì)有較大的變化，由于溫度變化引起的最大溫漂誤差為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(duì)變送器測(cè)量精度的影響可以忽略。

2）DZ-H擴(kuò)散硅變送器測(cè)量液位的數(shù)據(jù)分析

在采用二線式擴(kuò)散硅液位變送器進(jìn)行水深測(cè)量時(shí)，根據(jù)變送器的工作原理p=ρ·g·H+po，實(shí)際由水深產(chǎn)生的壓強(qiáng)，等于測(cè)量得到的壓強(qiáng)減去水面上由于大氣壓產(chǎn)生的壓強(qiáng)po［9，10］。但是由于變送器受到試驗(yàn)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(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法避免地存在誤差。2013年5月4日，在南京市中山碼頭進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 測(cè)量深度和實(shí)際深度的比較Tab 2 Comparison of measured depth and actual depth

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到本次測(cè)試結(jié)果的最大偏差為0.04 m，最大相對(duì)誤差為2%，平均相對(duì)誤差為0.775%，同時(shí)從Matlab仿真對(duì)比的曲線看出:實(shí)際水深和測(cè)量值的曲線幾乎重合，只在個(gè)別數(shù)據(jù)有較大偏離，但總體上還是可以達(dá)到對(duì)精度的要求。

根據(jù)以上測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在Matlab里進(jìn)行繪圖，得到實(shí)際水深與電流的曲線，如圖5所示。

圖5 實(shí)際水深和測(cè)量值與電流在同一坐標(biāo)下的曲線Fig 5 Curve of actual water depth，measured values and current in the same coordinate

5 結(jié)論

本文針對(duì)目前國(guó)內(nèi)水位監(jiān)測(cè)控制存在的弊端，設(shè)計(jì)了一種基于DZ-H擴(kuò)散硅變送器的水位測(cè)量系統(tǒng)。通過對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，DZ-H擴(kuò)散硅變送器在工作的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的上升，測(cè)量結(jié)果會(huì)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(duì)水位的測(cè)量也比較準(zhǔn)確，完全滿足航道船閘水位監(jiān)測(cè)對(duì)精度的要求，在航道船閘水位監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中有具有較好的應(yīng)用前景。

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