一種新型液位傳感器及變送器的設(shè)計

在石油化工、水利水電、農(nóng)田灌溉、環(huán)境監(jiān)測以及自來水廠、污水處理廠等眾多領(lǐng)域，液位(水位)是一個重要的技術(shù)參數(shù)。目前常用的液位傳感器有：旋轉(zhuǎn)編碼浮子式傳感器(機(jī)械式和光電式)、非接觸式超聲波傳感器、壓力式傳感器、磁浮子接點式傳感器(連續(xù)式和液位開關(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。除磁浮子接點式傳感器外，其余傳感器均比較適合測量范圍較寬的應(yīng)用場合。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(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(4~20mA)。旋轉(zhuǎn)編碼浮子式傳感器分為機(jī)械式和光電式兩種，光電式又分為絕對型和增量型。這類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)，一般沒有就地顯示和數(shù)字通信功能。

對于諸如農(nóng)田灌溉、環(huán)境監(jiān)測、污水處理等公益性部門，除測量精度、可靠性、可維護(hù)、易安裝等技術(shù)性能要求外，價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(hù)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或幾個干簧管觸點閉合狀態(tài)來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個閉合干簧管的分壓值。這種測量方法需精確穩(wěn)定的電源Ve和分壓電阻R，通過適當(dāng)?shù)淖儞Q電路(V/I)，可獲得4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出。但是，如果多個干簧管同時接通，就會影響其分壓電阻比，產(chǎn)生較大的測量誤差。若在測量中產(chǎn)生一個或多個干簧管永久性導(dǎo)通(干簧管失效)，則測量無法正常進(jìn)行。為避免這種情況發(fā)生，增強(qiáng)傳感器的適應(yīng)性(現(xiàn)場顯示和通信)，我們結(jié)合工程實踐，提出了采用類似鍵盤掃描的一種新檢測方法，有效解決了這一問題。

檢測電路由一片89C2051單片機(jī)和若干分布在測桿內(nèi)干簧管陣列電路板上的串—并移位寄存器74HC164構(gòu)成類似掃描鍵盤陣列電路結(jié)構(gòu)。干簧管位于行和列的交叉點上。

通過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(yīng)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(shù)模轉(zhuǎn)換器AD421芯片。其采用Σ-ΔDAC結(jié)構(gòu)，16位分辨率，標(biāo)準(zhǔn)三線串行數(shù)據(jù)輸入接口，4~20mA電流環(huán)路輸出。變送器24V電源經(jīng)過片內(nèi)電壓調(diào)整電路和調(diào)整管(DN25D)，可提供+5V、+3.3V或+3V的外部電路工作電源。同時還能提供+1.25V、+2.5V基準(zhǔn)電源。

電容C1、C2、C3與片內(nèi)DAC后時序濾波器相聯(lián)，CPU可以在時鐘端CLOCK的上升沿將數(shù)據(jù)裝入數(shù)據(jù)端DATA，輸入至內(nèi)部移位寄存器，在LATCH上升沿鎖存到DAC鎖存器，從而完成數(shù)字信號到4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號的轉(zhuǎn)換。

軟件設(shè)計

89C2051內(nèi)置2K Flash程序存儲器，用來存放用戶程序。程序采用模塊化設(shè)計方法，主要包括干簧管接點掃描子程序、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。干簧管接點掃描子程序通過逐列掃描，按行讀入各干簧管觸點狀態(tài)，并將其映射到20H開始的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲單元中，其程序如下：

;干簧管接點掃描子程序

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

MOV R0，#20H;設(shè)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時鐘輸入端產(chǎn)生一個移位脈沖

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)合并成一個字節(jié)

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

由于受磁浮子磁場分布范圍的影響，在相應(yīng)液面位置上可能會導(dǎo)致相鄰幾個干簧管同時閉合，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(jié)果。對于個別干簧管可能出現(xiàn)的永久性導(dǎo)通，軟件上采用了相應(yīng)的處理措施，也就是利用接點的變化來確定當(dāng)前磁浮子的位置(即液位)。

結(jié)語

該傳感器非常適合小量程移位的測量，測量方法簡單，不受環(huán)境溫度及個別干簧管永久性導(dǎo)通的影響，穩(wěn)定性好，適應(yīng)性強(qiáng)，安裝方便，維護(hù)簡單。因集傳感、變送和通信為一體，易于和計算機(jī)檢測與控制系統(tǒng)相連，方便地組成網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用系統(tǒng)，大大降低系統(tǒng)成本，可廣泛應(yīng)用于水利、環(huán)保和農(nóng)業(yè)灌溉等場合。