本文基于擴(kuò)散硅輸入式輸入類型液位變送器的水位測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料由優(yōu)質(zhì)變送器生產(chǎn)報(bào)價(jià)廠家為您提供。

過去，我國水位監(jiān)測和控制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)等技術(shù)，存在讀數(shù)波動(dòng)大、實(shí)時(shí)性差、投入成本高等缺點(diǎn)。基于擴(kuò)散硅輸入公式液位變送器，設(shè)計(jì)了外圍硬件電路和軟件，并進(jìn)行了水位測量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的擴(kuò)散硅輸入型液位變送器測量電路工作可靠，溫度引起的最大溫度漂移為0.07 ma/%,液位測量誤差小于0.04 in，精度高。該設(shè)計(jì)能實(shí)時(shí)監(jiān)測水位變化，動(dòng)態(tài)顯示數(shù)據(jù)，不受實(shí)測數(shù)據(jù)的底淤等因素影響。

介紹

水位監(jiān)測在船閘、碼頭、水庫、水文站等場合起著至關(guān)重要的作用。目前，我國主要使用浮子式水位計(jì)、壓力式水位計(jì)和超聲波水位計(jì)作為測量工具。然而，浮子式水位計(jì)受水底沉積的影響很大，不能實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。它還需要定期手動(dòng)維護(hù)，這既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。壓力水位計(jì)容易受到溫度和水流的影響，導(dǎo)致讀數(shù)不穩(wěn)定。超聲波水位計(jì)可以實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，但輸入成本較高，安裝麻煩，而且受傳輸介質(zhì)的影響很大。擴(kuò)散硅輸入式輸入式液位變送器可以克服上述缺點(diǎn)，直接輸入到待測液體中進(jìn)行測量，不受水下沉積的影響，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，制造成本低，使用方便。然而，目前擴(kuò)散硅輸入液位傳輸在我國還沒有得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)還不成熟，需要進(jìn)一步探索和研究。1dz.h擴(kuò)散硅輸入類型液位變送器工作原理擴(kuò)散硅輸入類型液位變送器是一種能直接將水位轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號供二次儀表使用的裝置。安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)耐用，能實(shí)時(shí)監(jiān)測水位變化。它可廣泛應(yīng)用于水位監(jiān)測、污水處理、高層池塘、水文地質(zhì)等江河、航道船閘場所。

擴(kuò)散硅輸入液位變送器可直接放入被測介質(zhì)中進(jìn)行測量。與其他傳感器相比，它使用起來更加方便快捷。被測介質(zhì)的壓力直接作用在傳感器的膜片(不銹鋼或陶瓷)上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成比例的微位移，因此傳感器的等效電阻值R變?yōu)镽’，根據(jù)擴(kuò)散硅的特性，可稱為R’= 1/(dl)。d2 .p .式(1)中的s、d是擴(kuò)散硅的壓阻特性系數(shù)；D2是擴(kuò)散硅應(yīng)力和位移的線性比例系數(shù)。p是傳感器所在介質(zhì)位置的壓力；s是傳感器隔膜的面積。

當(dāng)輸入類型液位變送器被放入被測液體時(shí)，傳感器上的壓力為p = p. g .(2)其中p是待測液體的密度；g是局部重力加速度；p .大氣壓是否高于液面；一天是發(fā)射器放入液體的深度。

擴(kuò)散硅輸入公式液位變送器采用+24V DC電源，并根據(jù)伏安特性，= E/(R'+R)，(3)其中E為電源電壓；r是壓縮后傳感器的電阻值；R為250 n采樣電阻，R為“R”，忽略R的大小，e/r為“R”。(4)通式(1)，通式(2)，通式(4)可得，= e. dl .d2 .雙p. g .(5)從方程(5)可以看出，液體的深度日與測量電流成線性關(guān)系，傳感器輸出4 ~ 20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號。然而，由于空氣大氣壓p的存在，4mA的偏置電流被帶到輸出信號，這可以通過硬件方法來校正。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)作為控制器對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。單片機(jī)可采集0 ~ 5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，變送器輸出4 ~ 20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號。因此，有必要設(shè)計(jì)電壓-電流轉(zhuǎn)換電路來將標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。在該設(shè)計(jì)中，一個(gè)相對誤差為0.1%的250 n高精度采樣電阻與變送器串聯(lián)，將電流信號轉(zhuǎn)換成5 v的電壓信號，然后由高阻抗差分放大電路減去1 V的基極電壓，得到0-4 v的電壓信號，該電壓信號通過運(yùn)算放大器放大1.25倍，最后得到0-5 v的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，送單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。傳感器采集模塊-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傳感器采集電路的設(shè)計(jì)

擴(kuò)散硅輸入類型液位變送器是一個(gè)電流變送器，它使用+24伏電源將測得的水深轉(zhuǎn)換成4 ~ 20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號。在該設(shè)計(jì)中，使用精度為0.1%的250 n精密電阻作為電壓-電流轉(zhuǎn)換元件，以獲得1 ~ 5 V的電壓信號，供后續(xù)電路處理。其模塊電路如圖2所示。

2.2帶零點(diǎn)補(bǔ)償?shù)牟顒?dòng)放大電路為了獲得0 ~ 5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，需要從傳感器采集模塊獲得的1 ~ 5 V電壓信號中減去1 V的基準(zhǔn)電壓，然后放大。因此，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)提供1 V電壓的零補(bǔ)償電路。本設(shè)計(jì)采用電壓細(xì)分技術(shù)，可以精確獲得0.8 ~ 1.3 V之間的任意電壓，既滿足了系統(tǒng)要求，又減小了系統(tǒng)誤差。在獲得0 ~ 4 V的電壓信號后，為了獲得0 ~ 5 V的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，需要將其放大1.25倍，以便單片機(jī)處理。在該設(shè)計(jì)中，電壓跟隨器用于將采集電路與放大電路隔離，以防止兩個(gè)模塊電路相互干擾。高阻抗差分放大電路具有差分通道的性能，不僅可以抑制共模信號引起的偏差，還可以在一定程度上抑制溫度漂移。在兩個(gè)運(yùn)算放大器LM 324的反相輸入端，用1kn固定電阻和2kn滑動(dòng)變阻器代替2 k12固定電阻，可以精確調(diào)節(jié)放大系數(shù)，保證放大系數(shù)為1.25，減小系統(tǒng)誤差。模塊電路圖如圖3所示。

2.3單片機(jī)最小系統(tǒng)電路和顯示電路本系統(tǒng)采用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理的總控制器。STCl2C5A60S2本身具有一個(gè)10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，完全可以滿足該系統(tǒng)對轉(zhuǎn)換精度的要求。

擴(kuò)散硅變送器輸出的電流信號經(jīng)過處理后，最終轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，送到單片機(jī)進(jìn)行處理。經(jīng)過一系列數(shù)據(jù)運(yùn)算后，轉(zhuǎn)換成4位十進(jìn)制數(shù)據(jù)，由數(shù)碼管SM4105顯示。數(shù)碼管由74ls 164驅(qū)動(dòng)，采用虛擬I/o端口技術(shù)，通過12路數(shù)據(jù)總線向74ls 164傳輸數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。

另外，擴(kuò)散硅變送器需要+24 V電源，而單片機(jī)和顯示模塊需要+5 v電源。為了避免設(shè)備工作時(shí)多通道供電帶來的不便，系統(tǒng)采用B2405S電壓轉(zhuǎn)換模塊將+24V電壓直接轉(zhuǎn)換為+5 v電壓供單片機(jī)使用，也使得設(shè)備的安裝更加簡單和陳舊。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件部分初始化單片機(jī)和液位傳感器，并對采集的電壓進(jìn)行處理，保留2位小數(shù)，然后對采集的電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并對模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行分段。通過對大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，各段水深值Di@與模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果Res均為線性關(guān)系，符合di @ =，res-6的形式，但不同段的Res值對應(yīng)6的不同值。不同段的Res值經(jīng)過不同的運(yùn)算后，處理后的值最終保存在Di”中，并發(fā)送給顯示模塊顯示。系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1)溫度對擴(kuò)散硅變送器的影響擴(kuò)散硅變送器的工作溫度為-20 ~ 60℃，變送器分別置于不同的水溫下，測量變送器在不同深度下的輸出電流，轉(zhuǎn)換為測量深度，并與實(shí)際深度進(jìn)行比較。獲得的結(jié)果如表1所示。

表1溫度對不同深度變送器的影響

對上表數(shù)據(jù)的分析表明，在擴(kuò)散硅變送器的工作溫度范圍內(nèi)，變送器的輸出電流隨著溫度的升高而略有上升。當(dāng)變送器的極限工作溫度即將達(dá)到時(shí)，會(huì)有很大的變化。溫度變化引起的最大溫度漂移誤差為0.07 ma/%,平均溫度漂移誤差為0.06 ma/%。因此，在變送器的工作溫度范圍內(nèi)，溫度對變送器測量精度的影響可以忽略不計(jì)。

2)擴(kuò)散硅變送器測量液位的數(shù)據(jù)分析當(dāng)雙線擴(kuò)散硅輸入公式液位變送器用于水深測量時(shí)，根據(jù)變送器的工作原理，水深產(chǎn)生的實(shí)際壓力等于測量壓力減去水面大氣壓力產(chǎn)生的壓力。

數(shù)據(jù)分析表明，該測試結(jié)果的最大偏差為0.04英寸，最大相對誤差為2%，平均相對誤差為0.775%。同時(shí)，從Matlab模擬比較的曲線可以看出，實(shí)際水深曲線與實(shí)測值基本吻合，個(gè)別數(shù)據(jù)偏差較大，但總體上仍能滿足精度要求。根據(jù)上述實(shí)測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在Matlab中進(jìn)行繪圖，得到實(shí)際水深和水流的曲線，如圖5所示。

圖5同一坐標(biāo)下的實(shí)際水深、實(shí)測值和水流曲線

結(jié)論

針對目前國內(nèi)水位監(jiān)控的不足，設(shè)計(jì)了一種基于擴(kuò)散硅變送器的水位測量系統(tǒng)。通過對測量數(shù)據(jù)的分析，在工作溫度范圍內(nèi)，擴(kuò)散硅變送器的測量結(jié)果會(huì)隨著溫度的升高而略有增加，但溫度漂移引起的誤差相對較小，在可接受的范圍內(nèi)。水位測量也相對準(zhǔn)確，完全滿足船閘水位監(jiān)測的精度。在船閘水位監(jiān)測領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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