高精度水位监测系统的研究
施武生
广西大学电气工程学院 南宁 530004
水位监测系统广泛应用于水利电力、城市给排水、农业排灌、轻工、化工等诸多领域。经典的水位测量方法是浮筒法。浮筒法虽然原理上简单易行，但其转换，传动机构的机械摩擦、变形，受潮锈蚀、霉变及水流、风浪波动等都将对测量精度和可靠性产生较大的影响。如果是对江河湖海等动水水位的监测，还必须建立专门的测量井。因此，该法成本高，安装施工难度大，调试工作复杂、测量误差大、抗干扰能力差，可靠性稳定性差。此外，它不能与上位微机直接通信，不能远距离传送水位信号。因此，它无法对水位及相关的生产工艺流程进行遥测、遥信、摇控，不适应现代化、自动化发展的要求。
近年来，随着科学技术的发展及新材料的出现。激光、超声波、计算机、微电子等多方面的先进技术被应用于水位监测技术中。本文介绍的高精度水位监测系统，就是一种集新材料、微电子、计算机技术于一体的先进的、高精度、高抗干扰的水位监测系统。
1 硬件描述
高精度水位监测系统的硬件构成原理框图如图1所示，它主要由水位传感变送器、积分器IC1、零值比较器IC2、控制逻辑、计数器、显示电路等组成。
 
图1 硬件原理框图
水位传感变送器是采用一体化的不锈钢隔离膜片扩散硅组件潜入式液位变送器。它安装于死水位之下，当水位低于死水位时，膜片不受压，Ri=Ri0。R1、R2、R3及Ri构成的电桥平衡，即
Ui=U1-U2=0
电压电流变换放大器V/I的电压输入Ui=0，它的电流输出
Ix=4 mA。
当水位上升高于死水位时，膜片受压，Ri＞Rio，电桥失去平衡，
即，V/I变换器输入电压
Ui=U1-U2≠0
于是有
Ix=βH＞4 mA (1)
式中：β——变送系数，常量；
H——水位高度。
Ix正比于水位的高度。
Ix流径Rx得
Ux=IxRx
即UX就是变送后的水位电压值，它通过电子开关送到双积分A/D转换、显示电路。
双积分A/D显示电路，主要由基准电压、积分器IC1、零值电压比较器IC2、时钟、控制逻辑、计数器、显示控制及LED电路等组成。
双积分A/D转换器，通过两次积分，将被测电压UX变成一个时间间隔T2,T2持续时间与被测电压UX的平均值成正比(如图2所示)。转换器工作过程分为采样和测量两个阶段。在采样阶段，控制逻辑电路，先使电子接通UX支路到积分器IC1,IC1对输入的被测信号UX进行固定时间的积分，积分时间为T1，在积分电路C上充电获得的电压为Uc1，其大小与输入电压UX的平均值成正比。
图2 双积分A/D转换波形图
式中： Ux——被测电压值；
Uc1——积分电容电压值；
T1——积分采样时间；
U0——积分输出电压值。
令 X为输入电压UX在T1间隔的平均值，则得：
 (2)
当积分T1时间完结，即计数器计到钟脉冲为N1时，计数满溢输出，产生一个脉冲控制信号。此时控制逻辑断开被测输入电压UX，然后将电子开关切到基准电压UR，积分器IC1对UR进行反向积分，系统进入测量阶段，同时控制逻辑使计数门控制计数器开始，对时钟脉冲进行新的计数。由于UR与UX是反相的，所以积分电容C开始向基准电压UR放电。经过时间T2后，电容C放电达到0电平，零值电压比较器IC2动作，关闭计数门，计数器停止计数，T2时间结束，计数器内计数值为N2。
 (3)
上式中，基准UR为一常量，R、C的值也是固定值，所以，时间T2的长短及计数值N2的大小与输入被测电压UX成正比。用高精度的标准时钟来测量这个时间，便可得到相应的输入模拟电压UX的数字量。
比较(2)式和(3)式，可得：
从上式可知，T2时间间隔仅与T1、UR、UX三个量相关，而与电路初始电压及其他参数无关。T1、UR都是常量，而且可以做得很精确，所以测量精度很高，同时T2是UX的函数，也就是说系统测量的是输入电压UX在一段时间内的平值，所以它对瞬态干扰有很好的滤波作用，对工频干扰及水浪波动等干扰都有很强的抑制作用。
2 软件设计
图1电路中，控制逻辑、计数门、计数器、显示控制等部分，是用89C2051单片微机控制实现的。89C2051是一种与MCS—51指令集和管脚兼容的单片机，内部带有2K的EPROM，128字节RAM，15条可编程的I/O线，2个16位定时/计数器，5个中断源，1个全双I串行口、1个精确的模拟比较器及片内振荡器和时钟电路。其软件设计流程如图3所示。
 
图3 软件流程图
主程序DUAL：初始化单片机系统，设置控制方式，设置堆栈位置，调用测量子程序，将结果存入暂存器，最后调用显示子程序DISPLY。
测量子程序MESUR：分两个阶段。第一阶段，从开始接通电子开关加入UX时起，到加入基准UR时止。该时间为采样时间T1；第二阶段，从开始加入UR，计数器加1时起，到比较器输出变号时止，精确对时钟脉冲进行统计。计数的时钟周期为T0，它的精确性由软件保障。在子程序结束前，必须使电子开关将积分器C2的输入接地，为下一次测量作好准备。
3 结论
利用扩散硅传感变送器结合单片机双积分电路构成的水位测量系统，测量精度高，抗干扰能力强，并能与上位微机直接通信，便于数据远程传送。此外系统调试整定方便，使用方式灵活。该系统已在多家城市供水、水电站水位测量中应用多年。由于测量准确，稳定可靠，创造了良好的经济效益。
|
网友评论：（只显示最新10条。评论内容只代表网友观点，与本站立场无关！）
