一種新型液位傳感器及變送器的設計

在石油化工、水利水電、農田灌溉、環(huán)境監測以及自來(lái)水廠(chǎng)、污水處理廠(chǎng)等眾多領(lǐng)域，液位(水位)是一個(gè)重要的技術(shù)參數。目前常用的液位傳感器有：旋轉編碼浮子式傳感器(機械式和光電式)、非接觸式超聲波傳感器、壓力式傳感器、磁浮子接點(diǎn)式傳感器(連續式和液位開(kāi)關(guān)式)等。其分辨率從毫米級到厘米級不等，測量范圍從幾十厘米到幾十米。除磁浮子接點(diǎn)式傳感器外，其余傳感器均比較適合測量范圍較寬的應用場(chǎng)合。一般壓力式和超聲波傳感器均帶有變送部分，即將液位信號轉換成標準電流信號(4~20mA)。旋轉編碼浮子式傳感器分為機械式和光電式兩種，光電式又分為絕對型和增量型。這類(lèi)傳感器輸出通常為并行二進(jìn)制碼、串行二進(jìn)制碼和脈沖信號。除智能型一體化傳感器外(壓力式或超聲波)，一般沒(méi)有就地顯示和數字通信功能。

對于諸如農田灌溉、環(huán)境監測、污水處理等公益性部門(mén)，除測量精度、可靠性、可維護、易安裝等技術(shù)性能要求外，價(jià)格也是直接影響傳感器選用的重要因素之一。為此，我們研制了一種基于磁浮子接點(diǎn)式小量程(≤150cm)就地顯示、并具有RS-485通信接口和4~20mA輸出的廉價(jià)液位傳感器。

傳感器組成及原理

傳感器主要由以1cm間隔均勻分布的干簧管陣列、全密封不銹鋼防護管、球型磁浮子、檢測電路、變送電路及LCD顯示器等組成。其基本原理是檢測干簧管陣列中某一個(gè)或幾個(gè)干簧管觸點(diǎn)閉合狀態(tài)來(lái)表示球型磁浮子位置，即液面位置。一般的檢測方法是采用電阻分壓方式，其輸出電壓Vo是第i個(gè)閉合干簧管的分壓值。這種測量方法需精確穩定的電源Ve和分壓電阻R，通過(guò)適當的變換電路(V/I)，可獲得4~20mA標準電流輸出。但是，如果多個(gè)干簧管同時(shí)接通，就會(huì )影響其分壓電阻比，產(chǎn)生較大的測量誤差。若在測量中產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)干簧管永久性導通(干簧管失效)，則測量無(wú)法正常進(jìn)行。為避免這種情況發(fā)生，增強傳感器的適應性(現場(chǎng)顯示和通信)，我們結合工程實(shí)踐，提出了采用類(lèi)似鍵盤(pán)掃描的一種新檢測方法，有效解決了這一問(wèn)題。

檢測電路由一片89C2051單片機和若干分布在測桿內干簧管陣列電路板上的串—并移位寄存器74HC164構成類(lèi)似掃描鍵盤(pán)陣列電路結構。干簧管位于行和列的交叉點(diǎn)上。

通過(guò)控制移位寄存器的輸出，使各列依次變?yōu)榈碗娖?“0”)狀態(tài)，然后檢測各行(P1.0~P1.3)的狀態(tài)。如果某行為低電平(“0”)狀態(tài)，則該行與處于低電平狀態(tài)列的交叉點(diǎn)上的干簧管為閉合狀態(tài)，由此就確定了浮子的位置，即液面位置。由于任一干簧管的位置是唯一確定，故對應于任一干簧管的液位也就唯一確定了。

變送器電路采用美國AD公司的高性能數模轉換器AD421芯片。其采用Σ-ΔDAC結構，16位分辨率，標準三線(xiàn)串行數據輸入接口，4~20mA電流環(huán)路輸出。變送器24V電源經(jīng)過(guò)片內電壓調整電路和調整管(DN25D)，可提供+5V、+3.3V或+3V的外部電路工作電源。同時(shí)還能提供+1.25V、+2.5V基準電源。

電容C1、C2、C3與片內DAC后時(shí)序濾波器相聯(lián)，CPU可以在時(shí)鐘端CLOCK的上升沿將數據裝入數據端DATA，輸入至內部移位寄存器，在LATCH上升沿鎖存到DAC鎖存器，從而完成數字信號到4~20mA標準電流信號的轉換。

軟件設計

89C2051內置2K Flash程序存儲器，用來(lái)存放用戶(hù)程序。程序采用模塊化設計方法，主要包括干簧管接點(diǎn)掃描子程序、液位計算子程序、D/A輸出控制子程序、LCD顯示子程序以及RS-485通信子程序等。干簧管接點(diǎn)掃描子程序通過(guò)逐列掃描，按行讀入各干簧管觸點(diǎn)狀態(tài)，并將其映射到20H開(kāi)始的內部數據存儲單元中，其程序如下：

;干簧管接點(diǎn)掃描子程序

SCAN：MOV R7，X;設置循環(huán)計數初值=74HC164芯片數×4

MOV R0，#20H;設置存儲單元指針初值

CLR P1.5;使74HC164串行輸入為“0”

NOP

SCA： CLR P1.4

NOP

SETB P1.4;74HC164時(shí)鐘輸入端產(chǎn)生一個(gè)移位脈沖

MOV A，P1;讀入行值

ANL A，#0FH ;保留低4位

MOV B，A;暫存

CLR P1.4

NOP

SETB P1.4;再移一位(掃描下一列)

MOV A，P1

ANL A，#0FH

SWAP A

ORL A，B;將相鄰兩列狀態(tài)合并成一個(gè)字節

MOV @R0，A;存入映像存儲單元

INC R0;指向下一映像存儲單元

DJNZ R7，SCA;循環(huán)

RET;返回

由于受磁浮子磁場(chǎng)分布范圍的影響，在相應液面位置上可能會(huì )導致相鄰幾個(gè)干簧管同時(shí)閉合，因此對于各種不同的狀態(tài)組合，程序中考慮了不同的處理結果。對于個(gè)別干簧管可能出現的永久性導通，軟件上采用了相應的處理措施，也就是利用接點(diǎn)的變化來(lái)確定當前磁浮子的位置(即液位)。

結語(yǔ)

該傳感器非常適合小量程移位的測量，測量方法簡(jiǎn)單，不受環(huán)境溫度及個(gè)別干簧管永久性導通的影響，穩定性好，適應性強，安裝方便，維護簡(jiǎn)單。因集傳感、變送和通信為一體，易于和計算機檢測與控制系統相連，方便地組成網(wǎng)絡(luò )化應用系統，大大降低系統成本，可廣泛應用于水利、環(huán)保和農業(yè)灌溉等場(chǎng)合。