前國(guó)內(nèi)主要通過浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)等技術(shù)進(jìn)行水位的監(jiān)測(cè)控制，存在著讀數(shù)波動(dòng)大、實(shí)時(shí)性差、投入成本高等缺點(diǎn)。基于擴(kuò)散硅投入式液位變送器　進(jìn)行了外圍硬件電路與軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了水位測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的擴(kuò)散硅投入式液位變送器　測(cè)量電路工作可靠，由于溫度引起的*大溫漂為0．07 mA／％，測(cè)量液位時(shí)的誤差不超過0．04 in，精度較高。該設(shè)計(jì)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位的變化，動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)，且不受水底淤積等因素對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

 
　　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**的應(yīng)用，技術(shù)還不成熟，需要進(jìn)一步的探索、研究”?。1 DZ．H擴(kuò)散硅投入式液位變送器　工作原理擴(kuò)散硅投入式液位變送器　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**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。
 
擴(kuò)散硅投入式液位變送器　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R’=1／(dl。d2。P。S)， (1)式中d，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)投入式液位變送器　投入到被測(cè)液體中時(shí)，傳感器受到的壓力為P=p。g。日+兒， (2)式中P為被測(cè)液體密度；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋籶。為液面上大氣壓；日為變送器投入到液體的深度。
擴(kuò)散硅投入式液位變送器　采用+24V的直流電源供電，根據(jù)伏安特性，=E／(R’+r)， (3)式中E為電源電壓；R為傳感器受壓后的阻值；r為250 n的采樣電阻，r《R’，忽略r的大小，一E／R’． (4)綜合式(1)、式(2)、式(4)可得，=E。dl。d2。雙P。g。日+凡)． (5)由式(5)可知，液體的深度日與測(cè)得的電流，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P．的存在，給輸出信號(hào)帶來了4mA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STCl2C5A60S2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 n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，*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。傳感采集模塊一差分放大，單片機(jī)，顯示模塊零點(diǎn)補(bǔ)償模塊-模塊


 
圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖
 
　　2．1傳感采集電路的設(shè)計(jì)
擴(kuò)散硅投入式液位變送器　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 n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)牟罘址糯箅娐窞榱说玫?～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1～5V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*地得到0．8～1．3V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0～4V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1kn的固定電阻器和2kn的滑動(dòng)變阻器代替2 k12的固定電阻器，這樣可以*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。


 
2．3 單片機(jī)*小系統(tǒng)電路與顯示電路本系統(tǒng)采用STCl2C5A60S2單片機(jī)作為總的控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。STCl2C5A60S2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，*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74LSl64進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并采用虛擬I／O口技術(shù)，通過12 C數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳送給74LSl64，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管進(jìn)行顯示。
 
另外，擴(kuò)散硅投入式液位變送器需要用到+24 V電源供電，而單片機(jī)和顯示模塊需要+5 v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的不便，本系統(tǒng)采用B2405S電壓轉(zhuǎn)換模塊，將+24V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)捷舊。
 
　　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Di@和A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果Res之間均是線性關(guān)系，符合Di@=^·Res一6的形式，但不同段的Res值對(duì)應(yīng)的^和6的值不同。不同段的Res值經(jīng)過不同的運(yùn)算之后，*后將處理后的值保存在Di@，送顯示模塊進(jìn)行顯示，系統(tǒng)的軟件流程如圖4。


 
　　4實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　1)溫度對(duì)擴(kuò)散硅變送器的影響擴(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
對(duì)上表的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出：在擴(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*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)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)散硅投入式液位變送器　進(jìn)行水深測(cè)量時(shí)，根據(jù)變送器的工作原理P_p·g·日+仇，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)P．[9'”]。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。



對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到本次測(cè)試結(jié)果的*大偏差為0．04in，*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　　
 
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，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)黼全滿足航道船閘水位監(jiān)測(cè)對(duì)精度的殊在航道船閘水位監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中有具有較好的應(yīng)用前景。