CN101464177A

CN101464177A - 一种液面检测式自校准高精度水位计

Info

Publication number: CN101464177A
Application number: CNA2009100365739A
Authority: CN
Inventors: 郑贵林
Original assignee: 郑贵林
Current assignee: Guangzhou Sanchuan control system engineering equipment Co. Ltd.
Priority date: 2009-01-12
Filing date: 2009-01-12
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2029-01-12
Also published as: CN101464177B

Abstract

一种液面检测式自校准高精度水位计，包括控制器、钢丝收线轮、电机、测量传动轮、旋转编码器、钢丝绳和重锤，电机转轴连接钢丝收线轮转轴，钢丝绳一端绕在钢丝收线轮上，另一端经测量传动轮连接重锤，旋转编码器与测量传动轮轴连接；控制器包括中央处理单元，中央处理单元输出电机控制信号至电机驱动单元驱动电机转动，输入重锤零位检测单元的零位检测信号，输入重锤到达水面检测单元的到达水面检测信号，输入编码器脉冲检测单元的编码脉冲信号，中央处理单元进行数据处理，并与数据外部处理单元传输数据。本发明通过主动液面探测、零位自校准的方法，避免重锤进入水中，消除钢丝绳打滑和编码器丢脉冲产生的累积误差，实现水位高精度大量程测量。

Description

一种液面检测式自校准高精度水位计

技术领域：

本发明涉及一种液面检测式自校准高精度水位计，在水利水情测报信息化系统中，对水库和江河湖泊的水位进行高精度大量程测量。

背景技术：

现有应用较为广泛的编码式水位计是被动检测式水位计，这种水位计采用在测量传动轮两边分别用钢丝绳悬挂浮子和重锤的方式工作，当水位变化时，浮子随着水位的升降而升降，在重锤的作用下，钢丝绳带动测量传动轮转动，测量传动轮的转动带动了与之同轴相联的编码器旋转，编码器的转动将输出与转动角度对应的不同数量的脉冲，通过计数器计算脉冲的个数，对应测量出水位的变化。这种水位计存在的问题是：

1、由于长时间往复运动，存在钢丝绳打滑产生的累积误差，根据大量实践证明，累计误差使该水位计需要定期的基准点人工校正。否则，误差将愈来愈大。

2、任何编码器在进行正转和反转时，无论光电或机械编码器，都会在正反之间出现丢脉冲的间隙或误差，其累积误差也无法满足长期的精确稳定测量，因此，该类型传感器的标称精度通常为10米以内0.1％，十米以上0.3％，不能满足水文和水情测报的长期稳定测量，需要定期进行人工校准。

3、当被检测的水位变化超过钢丝绳长度的1/2时，浮子上升就会出现重锤要进入水中的问题，这将导致钢丝绳容易生锈，重锤则有可能被水中的杂质附着和被缠绕，重锤重量变化或不能随动，由此引发的误差将大大超过容许的误差范围，直接影响水情测报系统的可靠性，导致水位检测失效。

可见，在许多水库和江河湖泊的水位检测中，这种水位计无法满足其长期稳定性和大量程水位测量精度的要求。

发明内容：

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提出一种液面检测式自校准高精度水位计，能够避免重锤进入水中，消除钢丝绳打滑和编码器丢脉冲产生的累积误差，解决长期稳定性问题，在全量程范围，实现水位的高精度检测。

为实现上述目的，本发明一种编码式水位计，包括控制器、钢丝收线轮、驱动钢丝收线轮旋转的电机、测量传动轮、旋转编码器、钢丝绳和重锤，电机的转轴连接钢丝收线轮的转轴，钢丝绳一端盘绕在钢丝收线轮上，另一端经测量传动轮连接重锤，旋转编码器的转轴与测量传动轮的转轴连接；所述控制器包括中央处理单元、电机驱动单元、重锤零位检测单元、重锤到达水面检测单元、编码器脉冲检测单元、数据外部处理单元，以及分别为各单元供电的电源供电单元，中央处理单元输出电机控制信号至电机驱动单元驱动电机转动，输入重锤零位检测单元的零位检测信号，输入重锤到达水面检测单元的到达水面检测信号，输入编码器脉冲检测单元的编码脉冲信号，中央处理单元进行数据处理，并与数据外部处理单元传输数据。

本发明是通过测量基准零位到水面的行程来测量水位的，测量过程如下：

中央处理单元输出电机控制信号至电机驱动单元驱动电机转动，电机带动钢丝收线轮旋转收线，使重锤上升到达零位，此时，重锤零位检测单元产生零位检测信号输入中央处理单元，然后，中央处理单元控制电机下放重锤，经编码器脉冲检测单元采集旋转编码器输出的与重锤行程成比例的脉冲个数，当重锤到达水面，重锤到达水面检测单元输出到达水面检测信号至中央处理单元，中央处理单元从下放重锤的零位开始计数，到重锤到达水面停止计数，假设此时的计数值为T，那么重锤的行程H1等于K×T，其中K值由编码器的参数及测量传动轮的周长决定，设零位的高程为H，那么水位Hx可由公式：Hx＝H-H1，也就是：Hx＝H-K×T得到。

可见，本发明是主动探测式，由电机带动重锤升降，也正因为是主动探测式，所以避免了重锤进入水中。本发明采用了零位自动校准的方法，控制重锤提升到基准点零位，亦即将重锤拉至水位检测的参考点，通过精确检测重锤到达零位，达到在重锤归零时将由于绳子打滑产生的误差和由于编码器反复运动产生的误差归零，避免了累积误差的产生，实现自动误差校正，使本发明长期稳定可靠、高精度运行。

综上所述，本发明是一种具备基准零位自校准的主动液面探测式大量程水位计，通过微处理控制器主动测控重锤升降及通过编码器精确检测重锤从零位到重锤底部尖端接触水面时钢丝绳走过的长度，实现水位的高精度大量程测量。

附图说明：

图1是本发明结构原理示意图；

图2是本发明实施例的控制器电路方框图；

图3是本发明实施例的机械结构示意图；

图4是图3的A-A向视图；

图5是图4的导向滑轮10和11位置放大图；

图6是本发明实施例的电机驱动单元电路原理图；

图7是本发明实施例为电机驱动单元供电的电源供电单元电路原理图；

图8是本发明实施例为重锤到达水面检测单元供电的DC5V转DC90V电源供电单元电路原理图；

图9是本发明实施例的重锤到达水面检测单元电路原理图；

图10是本发明实施例的编码器脉冲检测单元电路原理图；

图11是本发明实施例的重锤零位检测示意及重锤零位检测单元电路原理图；

图12是本发明实施例的程序流程图。

具体实施方式：

以下结合附图详述本发明实施例的结构细节：

如图1所示，本发明包括控制器1、钢丝收线轮2、驱动钢丝收线轮2旋转的电机3、测量传动轮4、旋转编码器5、钢丝绳6和重锤7，电机3的转轴连接钢丝收线轮2的转轴，钢丝绳6一端盘绕在钢丝收线轮2上，另一端经测量传动轮4连接重锤7，旋转编码器5的转轴与测量传动轮4的转轴连接。控制器1发出电机驱动命令驱动电机3转动，电机3带动钢丝收线轮2转动，从而收放钢丝绳6，在重锤7作用下，钢丝绳6通过摩擦力带动测量传动轮4转动，测量传动轮4带动与之同轴相联的旋转编码器5旋转，旋转编码器5输出与转动角度对应的编码脉冲信号，并输入控制器1。

如图2所示，本发明实施例的控制器1包括中央处理单元、电机驱动单元、重锤零位检测单元、重锤到达水面检测单元、编码器脉冲检测单元、液晶显示单元、总线通信单元，以及分别为各单元供电的电源供电单元，中央处理单元输出电机控制信号至电机驱动单元驱动电机3转动，电机3带动钢丝收线轮2旋转收线，重锤7上升到达零位71，中央处理单元输入重锤零位检测单元的零位检测信号，之后，中央处理单元输出电机控制信号至电机驱动单元驱动电机3下放重锤7，输入编码器脉冲检测单元的编码脉冲信号，当重锤7到达水面72，输入重锤到达水面检测单元的到达水面检测信号，中央处理单元从下放重锤7的零位71开始计数，到重锤7到达水面72停止计数，通过计数器计算编码脉冲信号的脉冲个数，经数据处理，得到重锤7从零位71到水面72的行程，最终获得水位的测量数据。

控制器1还可以设有时间芯片单元，用于记录时间及环境温度。中央处理单元输出数据信号至液晶显示单元显示，以便显示当前水位，基准点零位高程，测量钢丝绳的长度，当前环境温度以及水位检测时间。中央处理单元通过总线通信单元输出数据信号至外部设备处理，输入外部设备的数据信号，总线通信单元采用RS485总线接口。液晶显示单元和总线通信单元为数据外部处理单元，数据外部处理单元可以只包含液晶显示单元，以便现场实时显示当前测量状态，也可以只包含总线通信单元，将测量数据发送到外部设备，如上位机，接收上位机的设定参数和命令，便于上位机实时监控。当然，数据外部处理单元还可以同时包含液晶显示单元、总线通信单元，或者其它的数据外部处理单元，根据需要而定。

如图3至图5所示，是本发明实施例的机械结构示意图，包括支撑钢板8、测量传动轮4、旋转编码器5、直流减速电机3、传动齿轮13、弹簧9、钢丝收线轮2、钢丝绳6、重锤7、导向滑轮10和11、升降轴12。支撑钢板8为镀锌钢板，用于为整体结构提供结构支撑；测量传动轮4为铝制凹槽滚轮，轴两端用轴承支撑，钢丝绳6环绕测量传动轮4的凹槽，以摩擦力带动测量传动轮4转动，通过测量传动轮4转过的圆周周长获取重锤7的行程；旋转编码器5为每圈500输出，或更高，的脉冲编码器，它与测量传动轮4通过刚性联轴器连接，确保传动准确；直流减速电机3为DC12V直流减速电机，内置减速机构，为重锤7升降提供动力；钢丝收线轮2为自动平移式绕线轮，用于平滑地在钢丝收线轮2上盘绕钢丝绳6，使其在有限的空间最优地将钢丝绳6平滑地绕在钢丝收线轮2上；传动齿轮13设有两个，为1：1垂直转轴转向传动齿轮，设于电机3的转轴和钢丝收线轮2的转轴之间，便于安置电机3；导向滑轮设有两个，导向滑轮10和导向滑轮11，是轮转轴不转的滑轮，钢丝绳6从测量传动轮4经导向滑轮10和导向滑轮11连接重锤7，便于调节重锤7的垂直升降位置；升降轴12为导向滑轮11的支撑轴，其两端加工成扁平状，放置在两支撑钢板8上和扁平状端部相配合的垂直升降限位长圆孔81中，升降轴12能在垂直长圆孔81的限位下垂直上下滑动；弹簧9设有两个，水平悬挂升降轴12，两个弹簧9的一端分别连接两支撑刚板8，另一端分别连接升降轴12的两端，弹簧9的拉力小于重锤7的重量，与升降轴12共同作用检测重锤7是否到达硬性的地面，设有一个检测升降轴12升降的行程开关，安装在升降轴12的移动路径上，当重锤7未到地时，行程开关由升降轴12顶着，当重锤7到地，升降轴12由弹簧9将其拉起，带动行程开关动作，控制器1检测到信号变化，做出相应重锤7到达地面、而非水面的处理。如图5所示，升降轴12具有垂直方向5mm限位的自由活动行程，升降轴12受到弹簧7的向上拉力，和重锤7通过导向滑轮11传递过来的向下拉力，当重锤7垂直悬吊钢丝绳6时，钢丝绳6绷直，重锤7的拉力大于弹簧9的拉力，升降轴12被拉至长圆孔81的下端，当重锤7下降到地面，钢丝绳6松弛，弹簧9的拉力把升降轴12拉至长圆孔81的上端，通过此结构检测重锤7是否悬吊，使重锤7下降过程中遇到阻碍能及时停止，避免钢丝绳6空放。当然，升降轴12也可以做导向滑轮10的支撑轴，此时，当重锤7垂直悬吊钢丝绳6时，钢丝绳6绷直，升降轴12被推至长圆孔的上端，弹簧9受到压力，当重锤7下降到地面，钢丝绳6松弛，弹簧9释放，将升降轴12弹回长圆孔的下端，行程开关动作，可见，若升降轴12做导向滑轮10的支撑轴，同样能够检测重锤7是否到达地面。垂直升降限位长圆孔81是升降轴12的升降限位滑道，也可以不是垂直的，而是斜的，依升降轴12的受力方向而设。升降限位滑道也可以不是升降限位长圆孔，而是其它能让升降轴12上下限位滑动的结构。本实施例导向滑轮设有两个，如图4所示，若钢丝收线轮2和测量传动轮4的位置上下对调，则只需设一个滑轮，即使不对调，也可以只设一个滑轮，导向滑轮也可以设有三个、四个等等，根据需要而定。

如图6所示，本发明实施例的电机驱动单元电路以电机驱动芯片MC33886，或其他电机驱动电路，为中心，当IN1为高电平，IN2为低电平，即P3.2为低电平，P4.6为高电平时，OUT1输出为V+，OUT2输出为GND，此时驱动电机3正转；当IN1为低电平，IN2为高电平时，即P3.2为高电平，P4.6为低电平时，OUT1输出为GND，OUT2输出为V+，此时驱动电机3反转。P3.2、P4.6为中央处理单元的IO口，同时P3.2口为PWM输出口，所以中央处理单元可以对电机3进行PWM控制，以任意控制电机3的转速。由于系统在休眠状态下，电机3不工作，此时为降低功耗考虑，将该部分的电源断开，如图7所示，电源供电单元设有串联在电源供电电路的电子开关，电子开关采用PMOS管，中央处理单元的IO口P2.6输出控制信号至电子开关PMOS管的控制端，即PMOS管的栅极G端，控制电子开关PMOS管的导通或截止，以接通或断开供电电源。当P2.6输出高电平时，三极管S8050导通，那么PMOS管的G端处于低电平，此时PMOS管导通，为电机驱动芯片MC33886供电；当P2.6输出为低电平时，三极管S8050截止，那么PMOS管G端处于12V高电平，此时PMOS管关断，电机驱动芯片MC33886断电。

本发明实施例重锤到达水面的检测电压为90V，如图8所示，为DC5V转DC90V升压电路，该电路应用升压芯片LT3482为中心，配备外围电路升压。

如图9所示，为本发明实施例的重锤到达水面检测单元电路原理图，用于检测重锤7是否到达水面72，保证重锤7刚接触水面72瞬时产生中断信号，确保检测精度；重锤到达水面检测单元包含两差分三极管Q1、Q2和电压比较器LM2903，两差分三极管Q1、Q2中的一个三级管Q2，其基极下偏电阻为重锤7与水面72间的电阻R，两差分三极管Q1、Q2的集电极分别连接电压比较器LM2903的两输入端，当重锤7到达水面72，重锤7与水面72间的电阻R急剧降低，三级管Q2的集电极电压V1发生改变，电压比较器LM2903输出一跳变电压信号，该跳变电压信号作为到达水面检测信号输入中央处理单元的IO口，以检测重锤7到达水面72。电路具体工作过程为：当重锤7未到水面72时，重锤7与水面72间的电阻R>1.5M，此时，两个差分三极管Q1、Q2都处于放大状态，三极管Q2的基极电流大于三极管Q1的基极电流，那么，三极管Q2的集电极电压V1小于三极管Q1的集电极电压V0，电压比较器LM2903输出低电平，光耦Q3不导通，中央处理单元IO口为高电平；当重锤7到达水面72时，重锤7与水面72间的电阻R急剧降低，三极管Q2的基极电流小于三极管Q1的基极电流，那么，三极管Q2的集电极电压V1大于三极管Q1的集电极电压V0，电压比较器LM2903输出高电平，光耦Q3导通，中央处理单元IO口为低电平，中央处理单元IO口检测到下降沿，认为重锤7到达水面72。

如图10所示，为本发明实施例的编码器脉冲检测单元电路原理图，本发明实施例中所应用的编码器是一款宽压供电的编码器BM，供电电压：DC5V～DC24V，因输出集电极开路，所以输出端应加一个上拉电阻，经施密特触发器SS后使信号更加具备抗干扰性能。

由于本发明实施例的测量传动轮4是由钢丝绳6与轮子之间的摩擦力来带动转动的，所以在运行一段时间后会由于打滑而产生可累积的误差，为消除这些误差，本发明实施例应用零位自动校准功能，也就是，由电机3带动重锤7将重锤7拉至零位71，归零后钢丝绳6打滑的误差也就归零，实现自动归零校正。如图11所示，为本发明实施例的重锤零位检测示意及重锤零位检测单元电路原理图，重锤零位检测单元包含两对红外对管和电压比较器，两红外发射管DS1、DS2安装在零位重锤7的一侧，对应的两红外接收管DR1、DR2安装在零位重锤7的对侧，两红外发射管DS1、DS2与一限流电阻RS依次串联后，连接在电源5V与地之间，两红外接收管DR1、DR2并联，再串联另一限流电阻RF后，也连接在电源5V与地之间，电压比较器LM2903的负输入端连接红外接收管DR1、DR2和限流电阻RF的连接点，正输入端连接参考电压2.5V，电压比较器LM2903的输出端连接中央处理单元的IO口。本发明实施例的重锤零位检测单元采用两对红处对管来检测重锤7是否归到零位71，当重锤7没有到零位71时，红外接收管DR1、DR2将接收红外发射管DS1、DS2发射的红外光线，两红外接收管DR1、DR2导通，电压比较器LM2903负输入端为高电平5V，电压比较器LM2903输出低电平，当重锤7到达零位71时，遮挡两红外发射管DS1、DS2发射的红外光线，对应两红外接收管DR1、DR2截止，电压比较器LM2903负输入端为低电平，电压比较器LM2903输出高电平，可见，当重锤7到达零位71时，电压比较器LM2903负输入端产生一跳变电压信号，对应输出一跳变电压信号，该跳变电压信号作为零位检测信号输入中央处理单元的IO口，以检测重锤7到达零位71，达到校正零位的目的。

之所以应用两对红外对管是为了防止钢丝绳6遮挡，当且仅当两红外发射管DS1、DS2均被遮挡，对应两红外接收管DR1、DR2截止时，红外接收管DR1、DR2和限流电阻RF的连接点才输出一跳变电压信号，中央处理单元检测重锤7到达零位71，可见，只有当两对红外对管都被遮挡时才认为重锤回到零位，具备强抗干扰能力。

如图12所示，当系统上电后，首先进行中央处理单元的IO口初始化、各个参数的读取等系统初始化程序，然后进行LCD初始化显示程序，再进行自校零位程序；然后进行主循环，在主循环中，检测是否有模块设置命令中断，如果有则进行模块参数设置并回应；检测是否有按键中断，如果有则进行按键中断处理程序；检测是否有读取数据的中断，如果有则进行数据的打包与回应；检测是否有计数器溢出中断，如果有，则读取当前时间，看时间是否与检测水位时间一致，如果一致则进行水位检测，看时间是否与零位校正时间一致，如果一致则进行重锤零位校正程序。

本发明实施例通过微处理控制器实现数据处理、电机控制、编码检测、显示与通信功能，通过电机3带动重锤7对水位进行主动式探测，具备零位自校准，抗干扰能力强，电源供电单元设计电子开关，功耗低。本发明实施例整体设计优化并具备微功耗的特性，还可以支持电池及太阳能供电，是一种低功耗高精度自校准型水位计。

本发明实施例达到如下技术参数：

●水位高精度测量，测量精度绝对误差优于±2mm；

●水位计的水位测量量程为0.3米——70米；

●基准零位高精度自校准，测量精度长期稳定；

●微功耗，平均工作功耗小于360毫瓦

●数字RS485总线接口输出；

●LCD段码式显示，显示当前水位，基准点高程，测量钢丝绳的长度，当前环境温度以及检测水位时间。

●所有水位计的参数可以通过RS485总线接口设定和校准。

Claims

1、一种液面检测式自校准高精度水位计，其特征在于：包括控制器(1)、钢丝收线轮(2)、驱动钢丝收线轮(2)旋转的电机(3)、测量传动轮(4)、旋转编码器(5)、钢丝绳(6)和重锤(7)，电机(3)的转轴连接钢丝收线轮(2)的转轴，钢丝绳(6)一端盘绕在钢丝收线轮(2)上，另一端经测量传动轮(4)连接重锤(7)，旋转编码器(5)的转轴与测量传动轮(4)的转轴连接；所述控制器(1)包括中央处理单元、电机驱动单元、重锤零位检测单元、重锤到达水面检测单元、编码器脉冲检测单元、数据外部处理单元，以及分别为各单元供电的电源供电单元，中央处理单元输出电机控制信号至电机驱动单元驱动电机(3)转动，输入重锤零位检测单元的零位检测信号，输入重锤到达水面检测单元的到达水面检测信号，输入编码器脉冲检测单元的编码脉冲信号，中央处理单元进行数据处理，并与数据外部处理单元传输数据。

2、根据权利要求1所述的水位计，其特征在于：还包括至少一个导向滑轮(10、11)，钢丝绳(6)从测量传动轮(4)经导向滑轮(10、11)连接重锤(7)。

3、根据权利要求2所述的水位计，其特征在于：还设有升降轴(12)、弹簧(9)和行程开关，升降轴(12)为一导向滑轮(11)的支撑轴，其两端设于两支撑板(8)上的升降限位滑道(81)中，弹簧(9)一端连接支撑板(8)，另一端连接升降轴(12)，行程开关设于升降轴(12)的移动路径上。

4、根据权利要求3所述的水位计，其特征在于：所述升降轴(12)两端加工成扁平状，所述两支撑板(8)上的升降限位滑道(81)为两支撑板(8)上和升降轴(12)扁平状端部相配合的升降限位长圆孔(81)，所述弹簧(9)设有两个，其一端分别设于两支撑板(8)，另一端分别设于升降轴(12)的两端。

5、根据权利要求1所述的水位计，其特征在于：还包括至少两个转轴转向传动齿轮(13)，设于电机(3)的转轴和钢丝收线轮(2)的转轴之间。

6、根据权利要求1至5任一项所述的水位计，其特征在于：所述数据外部处理单元包含显示单元，中央处理单元输出数据信号至显示单元显示。

7、根据权利要求1至5任一项所述的水位计，其特征在于：所述数据外部处理单元包含总线通信单元，中央处理单元通过总线通信单元输出数据信号至外部设备处理，输入外部设备的数据信号。

8、根据权利要求1至5任一项所述的水位计，其特征在于：所述重锤零位检测单元包含：

两对红外对管：两红外发射管(DS1、DS2)安装在零位重锤(7)的一侧，对应的两红外接收管(DR1、DR2)安装在零位重锤(7)的对侧，两红外发射管(DS1、DS2)与一限流电阻(RS)依次串联后，连接在电源(5V)与地之间，两红外接收管(DR1、DR2)并联，再串联另一限流电阻(RF)后，也连接在电源(5V)与地之间；

电压比较器：其一输入端连接红外接收管(DR1、DR2)和限流电阻(RF)的连接点，另一输入端连接参考电压(2.5V)，电压比较器(LM2903)的输出端连接中央处理单元的IO口；

当重锤(7)到达零位(71)时，遮挡两红外发射管(DS1、DS2)发射的红外光线，对应两红外接收管(DR1、DR2)截止，红外接收管(DR1、DR2)和限流电阻(RF)的连接点输出一跳变电压信号至电压比较器(LM2903)，电压比较器(LM2903)对应输出一跳变电压信号，该跳变电压信号作为零位检测信号输入中央处理单元的IO口，以检测重锤(7)到达零位(71)。

9、根据权利要求1至5任一项所述的水位计，其特征在于：所述重锤到达水面检测单元包含两差分三极管(Q1、Q2)和电压比较器(LM2903)，两差分三极管(Q1、Q2)中的一个三级管(Q2)，其基极偏置电阻设有重锤(7)与水面(72)间的电阻(R)，两差分三极管(Q1、Q2)的集电极分别连接电压比较器(LM2903)的两输入端，当重锤(7)到达水面(72)，重锤(7)与水面(72)间的电阻(R)急剧降低，偏置电阻设有重锤(7)与水面(72)间电阻(R)的三级管(Q2)集电极电压(V1)发生改变，电压比较器(LM2903)输出一跳变电压信号，该跳变电压信号作为到达水面检测信号输入中央处理单元的IO口，以检测重锤(7)到达水面(72)。

10、根据权利要求1至5任一项所述的水位计，其特征在于：所述电源供电单元设有串联在电源供电电路的电子开关(PMOS)，中央处理单元的IO口输出控制信号至电子开关(PMOS)的控制端(G)，控制电子开关(PMOS)的导通或截止，以接通或断开供电电源。