CN102778266B - 一种水位冗余测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种水位冗余测量装置，属于测量技术领域，其特征在于是一种同时以两种测量方式测量同一水位的测量装置，两种测量方式是冗余关系。整套装置可实现压差和电容两种测量方式同时检测同一水位，传感器部分由壳体上部1、壳体下部2、空心丝堵3、压敏器件4、电缆5、球形密封圈6、上环形密封圈7、下环形密封圈8和可变电容10组成，最大特点是其中一种测量方式出现故障后，装置自动转入另一种测量方式，不影响测量装置正常工作，本发明适用于对水位测量有严格要求的各种重要场合，具有可靠性高、结构紧凑、安装方便等优点。
Description
技术领域
本发明一种水位冗余测量装置，属于测量技术领域，具体涉及一种将传感器设计成压差信号和电容信号两种测量方式的双重功能一体化结构的测量装置，两种测量方式是冗余关系。最大特点是其中一种测量方式出现故障后，装置自动转入另一种测量方式，不影响测量装置正常工作。适用于对水位测量有严格要求的各种重要场合，具有可靠性高、结构紧凑、安装方便等优点。
背景技术
水位监测技术已普遍应用于工农业生产及生活等各个领域，并发挥着重要作用。传统测量水位的传感器种类很多，主要有压差式、电阻式、电容式、超声波式、雷达式及投入式等水位传感器。
其中投入式水位传感器是最常用的一种，它具有结构简单、测量精度高、量程范围大、安装方便、价格相对便宜等优点，主要由扩散硅压力敏感元件、导气电缆、变送器及壳体组成，压力敏感元件和变送器封装在壳体内组成传感器探头，导气电缆的导气管与探头的空腔体相联通，压力敏感元件与变送器连接，变送器与导气电缆的导线连接。测量原理：使用时将传感器探头投入到蓄水池底部，水通过导流孔与压力敏感元件接触，水位静压与大气的压差直接作用在压敏元件所带的弹性膜片上，膜片的变形程度与水位高低成正比关系，水位变化可以引起弹性膜片上桥臂电阻的阻值发生变化，引起直流电桥的输出信号发生改变，mV级信号送至4～20mA两线制专用芯片XTR101放大后转换成4～20mA两线制标准电流信号，4～20mA电流信号与标准智能表连接可实现对水位精确测量和控制。
投入式水位传感器经常发生的故障有二，其一是蓄水池底部沉积的淤泥或其它污物容易堵塞传感器头部的导流孔，从而造成测量失效。其二是经过长时间使用传感器的密封性能下降，出现传感器内部进水现象，轻则测量失效，重则造成变送器及智能表的损坏。
发明内容
本发明一种水位冗余测量装置，其目的在于解决现有投入式水位传感器存在的弊端，公开一种将传感器设计成压差信号和电容信号两种测量方式的双重功能一体化结构的测量装置的技术方案。适用于对水位测量和控制有严格要求的各种重要场合，具有可靠性高、结构紧凑、安装方便等优点。
本发明一种水位冗余测量装置，其特征在于是一种将传感器设计成压差信号和电容信号两种测量方式的双重功能一体化结构的测量装置，其整套装置由传感器和电路两部分组成，其传感器部分由壳体上部1、壳体下部2、空心丝堵3、压敏器件4、电缆5、球形密封圈6、上环形密封圈7、下环形密封圈8和可变电容10组成，其中壳体上部1、壳体下部2、空心丝堵3均为圆柱形，采用不锈钢材质，相互之间采用螺纹连接方式，壳体上部1、壳体下部2与空心丝堵3的外圆处加工成六方，便于组装，压敏器件4选用扩散硅压力膜片，它是利用单晶硅压阻效应制成的压敏器件，在扩散硅弹性膜片上集成有组成惠斯通电桥的四个等值应变电阻器，扩散硅弹性膜片受力变形引起应变电阻器电阻值发生变化，惠斯通电桥输出信号，电缆5选用专用带有导气管9的六芯屏蔽电缆，这种电缆最外层为聚氯乙烯护套层，第二层为金属屏蔽层，第三层为聚乙烯绝缘层，最里边为六芯导线和导气管9，电缆5中的四芯导线与压敏器件4的四个输出管脚焊接，组成压差信号测量系统的传感部分，电容信号测量系统的传感部分使用电缆5剩余的两芯导线，其中一芯与电缆5的金属屏蔽层焊接，然后用密封胶将屏蔽层的裸露部分与外界隔离，以防传感器内部进水后屏蔽层与水接触，另外一芯用螺丝与壳体上部1连接，可变电容10的一个极为电缆5的金属屏蔽层，另外一个极为通过壳体接触的水，两个极之间的绝缘介质为电缆5最外边的护套层，水位变化时水与电缆5最外边的护套层接触面积发生改变，从而引起可变电容10的电容值变化，球形密封圈6、上环形密封圈7和下环形密封圈8均选用橡胶密封圈，保证壳体上部1、壳体下部2、空心丝堵3、压敏器件4、电缆5、球形密封圈6、上环形密封圈7和下环形密封圈8组装拧紧后，使壳体上部1的空腔形成密闭体，防止水在压力的作用下渗入壳体上部1空腔内部，电缆5所带的导气管9将壳体上部1空腔与大气连通，以保证压敏元件4承受压差；所述电路部分由单片机11、信号放大电路12、上电压频率转换电路13、上光电隔离电路14、电容电压转换电路15、下电压频率转换电路16及下光电隔离电路17组成，其中压敏器件4、信号放大电路12、上电压频率转换电路13和上光电隔离电路14组成压差信号测量系统，压敏器件4输出的mV级模拟信号，经信号放大电路12放大至V级模拟信号，送至上电压频率转换电路13转换成频率信号，通过上光电隔离电路14送至单片机11，可变电容10、电容电压转换电路15、下电压频率转换电路16和下光电隔离电路17组成电容信号测量系统，可变电容10的水位变化信号，经电容电压转换电路15转换成电压信号，送至下电压频率转换电路16转换成频率信号，通过下光电隔离电路17送至单片机11，由单片机11完成计算、判断、显示、控制和报警。
本发明一种水位冗余测量装置与传统投入式水位传感器比较优点在于：
附图说明
图1 一体化水位传感器结构示意图
1.壳体上部 2.壳体下部 3.空心丝堵 4.压敏器件 5.电缆 6.球形密封圈
7.上环形密封圈 8.下环形密封圈 9.导气管 10.可变电容
图2 冗余测量装置测量原理图
11.单片机 12.信号放大电路 13.上电压频率转换电路 14.上光电隔离电路
15.电容电压转换电路 16.下电压频率转换电路 17. 下光电隔离电路。
具体实施方案
实施方式1 ：
下面结合附图1和附图2进一步说明采用本发明一种水位冗余测量装置在储水池上的应用，以及本发明测量和控制过程的工作原理。
按照附图1将壳体上部1、壳体下部2、空心丝堵3、压敏器件4、电缆5、球形密封圈6、上环形密封圈7、下环形密封圈8和可变电容10组装成一体化传感器，旋紧壳体下部2和空心丝堵3，促使球形密封圈6、上环形密封圈7和下环形密封圈8产生变形，确保一体化传感器壳体上部1中间空腔的密闭性，同时须保证导气管9与大气畅通。组装完成后，用500V摇表测量可变电容10两极之间的绝缘电阻，须在0.5MΩ以上。
按照附图2将压敏器件4与信号放大电路12连接，将可变电容10与电容电压转换电路15连接。传感器工作量程范围为0～5米，0米时对应上光电隔离电路14输出的脉冲频率为400Hz，下光电隔离电路17输出的脉冲频率为400Hz；5米时对应上光电隔离电路14输出的脉冲频率为2000Hz，下光电隔离电路17输出的脉冲频率为2000Hz。对应输出频率与测量值之间的数学关系为[(输出频率-400)÷1600]×5=测量值（米）。
1.校验过程：
组装完成后，将一体化传感器沉入储水池底部，传感器底部朝下保持直立，电缆5拉直固定。首先调零校准，让储水池进少量的水淹没一体化传感器头部，通电后设定此时压差信号测量系统的上光电隔离电路14输出的脉冲频率为400Hz，由单片机11采集并存入单片机11，同时设定电容信号测量系统的下光电隔离电路17输出的脉冲频率为400Hz，由单片机11采集并存入单片机11，作为两路测量系统零水位的起始值。储水池再进水5米，设定上光电隔离电路14输出的脉冲频率为2000Hz，由单片机11采集并存入单片机11，同时设定下光电隔离电路17输出的脉冲频率为2000Hz，由单片机11采集并存入单片机11，作为两路测量系统满水位值。校验过程结束。
2.测量过程：
一体化传感器测量水位时，压差信号方式组成的测量系统测量精度高，同时故障率也高。而电容信号方式组成的测量系统因受到环境条件变化的影响测量精度略低，但发生故障的概率很低。正常情况下两种信号同时采集，二者所反映的水位值基本相同，主要以压差信号测量系统为准，电容信号测量系统平时处于备用状态。
当水位上升时（见附图1），储水池底部水的压强在增加，压强增加的水通过一体化传感器壳体下部2的导流孔接触到压敏器件4，压敏器件4受压变形，压敏器件4的输出信号在变化，上光电隔离电路14输出的脉冲频率在增加，输出脉冲的频率每增加1Hz，单片机11控制显示单元显示的水位值增加3.125mm。同时随着水位的上升，水淹没电缆5的长度在增加，可变电容10两极的相对面积在增加，实验证明随着水位的变化可变电容10的电容值成正比例关系变化并且近似线性，下光电隔离电路17输出的脉冲频率在增加，输出脉冲的频率每增加1Hz，单片机11储存的电容信号测量系统水位值也增加3.125mm，此时电容信号测量系统的水位值只储存不显示，电容信号测量系统处于备用状态，当前本发明一种冗余测量装置显示的水位值来自压差信号测量系统。水位下降时测量过程与此相反，此时水位值减小，同样只显示来自压差信号测量的值。经在实验室测定，各水位值下两种测量原理之间最大测量偏差小于80mm。
3.故障状态下控制过程：
一体化传感器在故障状态下(如：淤泥堵塞导流孔、内部进水、压敏器件4及其它电路损坏等)，造成压差信号测量系统信号异常(如：无信号、突然增大或减小、与电容信号水位测量值差值大于100mm等)，单片机11根据压差信号测量系统信号异常判断出压差信号测量系统出现故障，单片机11控制压差信号测量系统退出测量状态，同时单片机11控制处于备用状态的电容信号测量系统进入测量状态，此时本发明一种水位冗余测量装置能够继续工作，正常显示水位，正常控制水泵开启和停止。单片机11同时发出报警信号，提醒工作人员测量装置处于过渡期，测量精度不太理想，注意在恰当的检修时间对一体化传感器压差信号测量系统进行维修。同样电容信号测量系统出现信号异常时，提示备用系统出现故障并发出报警信号，系统仍能显示水位并能工作。
Claims (1)
1.一种水位冗余测量装置，其特征在于是一种将传感器设计成压差信号和电容信号两种测量方式的双重功能一体化结构的测量装置，其整套装置由传感器和电路两部分组成，其所述传感器部分由壳体上部(1)、壳体下部(2)、空心丝堵(3)、压敏器件(4)、电缆(5)、球形密封圈(6)、上环形密封圈(7)、下环形密封圈(8)和可变电容(10)组成，其中壳体上部(1)、壳体下部(2)、空心丝堵(3)均为圆柱形，采用不锈钢材质，相互之间采用螺纹连接方式，壳体上部(1)、壳体下部(2)与空心丝堵(3)的外圆处加工成六方，便于组装，压敏器件(4)选用扩散硅压力膜片，它是利用单晶硅压阻效应制成的压敏器件，在扩散硅弹性膜片上集成有组成惠斯通电桥的四个等值应变电阻器，扩散硅弹性膜片受力变形引起应变电阻器电阻值发生变化，惠斯通电桥输出信号，电缆(5)选用专用带有导气管(9)的六芯屏蔽电缆，这种电缆最外层为聚氯乙烯护套层，第二层为金属屏蔽层，第三层为聚乙烯绝缘层，最里边为六芯导线和导气管(9)，电缆(5)中的四芯导线与压敏器件(4)的四个输出管脚焊接，组成压差信号测量系统的传感部分，电容信号测量系统的传感部分使用电缆(5)剩余的两芯导线，其中一芯与电缆(5)的金属屏蔽层焊接，然后用密封胶将屏蔽层的裸露部分与外界隔离，以防传感器内部进水后屏蔽层与水接触，另外一芯用螺丝与壳体上部(1)连接，可变电容(10)的一个极为电缆(5)的金属屏蔽层，另外一个极为通过壳体接触的水，两个极之间的绝缘介质为电缆(5)最外边的护套层，水位变化时水与电缆(5)最外边的护套层接触面积发生改变，从而引起可变电容(10)的电容值变化，球形密封圈(6)、上环形密封圈(7)和下环形密封圈(8)均选用橡胶密封圈，保证壳体上部(1)、壳体下部(2)、空心丝堵(3)、压敏器件(4)、电缆(5)、球形密封圈(6)、上环形密封圈(7)和下环形密封圈(8)组装拧紧后，使壳体上部(1)的空腔形成密闭体，防止水在压力的作用下渗入壳体上部(1)空腔内部，电缆(5)所带的导气管(9)将壳体上部(1)空腔与大气连通，以保证压敏元件(4)承受压差；所述电路部分由单片机(11)、信号放大电路(12)、上电压频率转换电路(13)、上光电隔离电路(14)、电容电压转换电路(15)、下电压频率转换电路(16)及下光电隔离电路(17)组成，其中压敏器件(4)、信号放大电路(12)、上电压频率转换电路(13)和上光电隔离电路(14)组成压差信号测量系统，压敏器件(4)输出的mV级模拟信号，经信号放大电路(12)放大至V级模拟信号，送至上电压频率转换电路(13)转换成频率信号，通过上光电隔离电路(14)送至单片机(11)，可变电容(10)、电容电压转换电路(15)、下电压频率转换电路(16)和下光电隔离电路(17)组成电容信号测量系统，可变电容(10)的水位变化信号，经电容电压转换电路(15)转换成电压信号，送至下电压频率转换电路(16)转换成频率信号，通过下光电隔离电路(17)送至单片机(11)，由单片机(11)完成计算、判断、显示、控制和报警。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20131211 |