CN102914347B - 具有自校准功能的液位传感器及其传感方法 - Google Patents

具有自校准功能的液位传感器及其传感方法 Download PDF

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本发明涉及一种具有自校准功能的液位传感器及其传感方法，该液位传感器包括采用多对光电传感器探头确定水位高度，根据光电传感器探头输出的信号，单片机或PLC输出脉冲控制步进电机，使光电传感器探头由初始位置移动到目标位置（水位高度处），并对脉冲数进行计数，获得水位高度，同时单片机或PLC经信号和数据处理输出标准的4-20mA电流。采用本发明测量水位高度不受水温、水面波动等影响，能够大幅提高了水位测量精度，降低了生产成本。本发明测量水位高度分辨力可达0.01mm。

Description

具有自校准功能的液位传感器及其传感方法
技术领域
本发明属于液位测量技术领域，涉及一种具有自校准功能的液位传感器及其传感方法。
背景技术
水位高度测量是一个普遍存在的问题，随着工农业的发展，伴随产生的污水已经严重影响了我们赖以生存的环境。目前对明渠污水的流量监控主要以堰槽明渠流量计为主，而这种测量方法关键的技术是对水位高度的精确测量，如何准确、有效的测量明渠、户外沟渠等水位高度就显的尤为重要。
目前，对于户外沟渠、明渠、河流的水位测量主要是通过安装在水中的具有刻度的量杆或钢卷尺并通过肉眼观察刻度而测得水位和图像识别技术测液位。虽然前者这种方法具有直观性，但通过肉眼观察来测量的实质存在着不能验证结果的精确性，观察者连续的读数，肉眼容易产生疲劳，造成随机性误差，精度不能保证一致性，且这种测量方法不能实现自动化。后者虽实现了自动化测量的过程，但对于光强及环境要求比较高，且需要量杆或玻璃管具有刻度，系统比较庞大，不易携带及不适用性。
同时，随着工业技术的快速发展，出现了高精度、自动化的水位测量仪器，如超声波液位计、磁滞伸缩液位计、雷达液位计等。但当水面发生不规则变化或水温发生变化时，由于传感器本身的原因，使其误差增大影响了测量的精度，而且价格昂贵，不适合普遍应用，便携性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有自校准功能的液位传感器，提高明渠、户外自然流道，沟渠等液位测量精度，实现自动化，减少了人工测量带来的误差，而且成本低、安全、可靠。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
本发明中的传感器包括控制系统、光电传感器探头、连通管、固定轴、步进电机、丝杆、连轴块、限位开关及防水套管。
在防水套管内并排设置有连通管和丝杆，连通管两端开放并伸出防水套管，丝杆由设置在防水套管外的步进电机驱动，在所述的连通管竖直方向上安装有多对可上下活动的光电传感器探头，每对光电传感器探头间隔相同且平行，每对光电传感器探头中的一个光电传感器探头安装在连通管的一侧，另一个光电传感器探头安装在连通管的相对侧；所述的光电传感器探头均设置在连轴块上，连轴块与丝杆螺纹配合，丝杆的转动带动连轴块在竖直方向上运动；在所述的连轴块上方还设置有限位开关，用于感测连轴块，所述的光电传感器探头、步进电机和限位开关均与控制系统信号连接。
所述的固定轴与防水套管并排设置，固定轴底部与防水套管底部通过底盘相对固定。
所述的控制系统采用单片机或PLC控制器。
所述的连通管采用玻璃管或透明塑料管。
所述的光电传感器探头采用对射式光电传感器。
利用上述液位传感器进行传感的方法：采用多对光电传感器探头确定水位高度，每对光电传感器探头之间的间隔一定，当每对光电传感器探测到连通管中的水位高度时，输出信号至单片机或PLC，单片机或PLC对每一对光电传感器探头由初始位置移动到水位高度处时步进电机转动的脉冲数进行计数，通过信号和数据处理，输出标准的4-20mA电流；因为各对传感器探头之间间隔一定，所以一定距离电机转动的脉冲数也一定，根据公式(1)计算得到未校准修正的水位高度，公式(3)通过公式(2)的脉冲差值与常数N值进行比较，形成液位的自校准，通过修正系数得到最终水位高度H。同时，通过区分各探头的信号，进行水位高度实时跟踪；
         （1）
         （2）
       （3）
式中，为第一对传感器探头由初始位置至水位高度的行程，为第一对传感器探头由初始位置至水位高度电机转动所需的脉冲数，为丝杆电机转动1mm所需的脉冲数，为连通管底部到初始位置的高度，即连通管长度，单位为mm，为两对传感器探头之间电机转动所需的脉冲数差，为第二对传感器探头由初始位置至水位高度电机转动所需的脉冲数，为各传感器探头之间一定距离所需的电机转动所需脉冲数，为常数，为修正后的水位高度，单位为mm。
本发明的有益效果在于：本发明结构简单，采用多对光电传感器探头对水位高度的确定具有高精度的特点，测量水位高度分辨力可达0.01mm，水位高度的测量具有了自校准功能，同时通过区分各输出信号的差别进行实时跟踪水位高度。采用本发明解决了对明渠、河道、沟渠等液位测量精度不高、自动化测量避免人工操作带来的误差。
（1）价格便宜。本发明比现有的超声波液位计，磁滞伸缩液位计、雷达液位计等价格低。
（2）便携性好。
（3）适合波动的水面液位测量。
附图说明
图1是液位传感器结构示意图； 
图2是控制系统原理框图；
图3是以单片机为基础的控制系统具体电路实例图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照图1，一种液位传感器，包括控制系统1、光电传感器探头2、连通管3、固定轴4、步进电机5、丝杆6、连轴块7、限位开关8和防水套管9组成。在连通管3两侧安装有可活动的光电传感器探头2三对，通过连轴块7与丝杆6相接，丝杆6连接在步进电机5的转动轴上，限位开关8安装在连通管3顶部固定块的侧方，防水套管9包围丝杆6和连通管3，并通过底盘10焊接在固定轴4的底部。步进电机5转动，从而带动安装在丝杆6上的连轴块7上下运动，使光电传感器探头2沿着连通管3壁面上下移动。
图2是液位传感器控制系统，包括了由光电传感器探头和比较电路构成的输入电路11，单片机12、输出电路13和驱动电路14。单片机或PLC输出脉冲信号经驱动电路发送到步进电机，同时单片机对脉冲数进行计数，步进电机转动促使光电传感器探头上下移动，输出电压信号经比较电路处理后构成的输入电路1经I/O到单片机或PLC控制器，经输出电路3中的转换电路输出得到标准电流信号4-20mA。
图3是液位传感器控制系统一种具体电路实例，图例中，输入电路11中的光电传感器探头采用红外发光二极管和光敏三极管组成的对射式光电传感器，比较电路的比较器采用LM324。电阻R2一端分别接光敏三极管的集电极和LM324的第2管脚，另一端接电阻R1的一端共同接3V，电阻R1另一端接红外发光二极管的正极，二极管的负极与光敏三极管的发射极共同接地，电位器RW1的一端接3V，另一端接LM324的第3管脚；电阻R4一端分别接光敏三极管的集电极和LM324的第5管脚，另一端接电阻R3的一段共同接3V，电阻R3另一端接红外发光二极管的正极，二极管的负极与光敏三极管的发射极共同接地，电位器RW2的一端接3V，另一端接LM324的第6管脚；LM324的第1管脚和第7管脚分别接入单片机2的P1.4和P1.5口。
单片机12采用MSP430F435芯片。
输出电路13采用AD420芯片。电容C1的一端与AD420的VLL和RANGE SELECT 1管脚相接，另一端接地；RANGE SELECT 2管脚接地；电容C2和电容C3分别与AD420的CAP2和CAP1相接，另一端共同与VCC接3V，与电容C4的一端相接，电容C4的另一端与AD420的GND管脚共同接地；AD420的REF IN管脚和REF OUT管脚短接；AD420的IOUT管脚分别与输出信号线和电容C5一端相接，电容C5的另一端接地;AD420的DATA IN接入单片机2的P3.0口。
驱动电路14采用LM298N芯片。电容C8和电容C9并联，一端接地，另一端与LM298的VSS、EN A、EN B管脚相接，EN A管脚接5V；LM298的IN1、IN2、IN3和IN4分别接入单片机2的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3口；二极管D1、D2、D3和D4的正极分别与LM298的OUT1、OUT2、OUT3和OUT4相接，二极管的负极与VS共同接12V,与电容C6和电容C7的一端相接,电容C6和电容C7的另一端共同接地；二极管D5、D6、D6和D7的负极分别与LM298的OUT1、OUT2、OUT3和OUT4相接；ISEN A和ISEN B共同与二极管D5、D6、D6和D7的正极接地；LM298的OUT1、OUT2、OUT3和OUT4分别与电机的A+、A-、B+、B-相接。
以单片机为控制系统其工作原理如下：
液位传感器上电后，输出电路中的光电传感器探头回归到设定的初始位置。将液位传感器垂直伸入渠道中，水通过连通管的底部进入到连通管中，渠道水位高度随即反映在连通管中。通过当前各光电传感器探头信号的差别，控制系统控制步进电机进行正转或反转，使光电传感器探头向水位高度处移动，当第一对光电传感器探头探测到水位高度时，光电传感器探头中的光敏三极管接收到红外发射管发射的光线减少，导致其光敏三极管两端电压增大，该电压通过输入信号中的比较电路处理后，输出反馈信号到单片机中，单片机以中断方式处理该反馈信号，同时将单片机中的计数器对第一对光电传感器探头从初始位置至水位高度处，即输出反馈信号的位置计数所得的脉冲数进行存储，同样原理对所有光电传感器探头移动到水位高度所需的脉冲数进行相应的存储。由于各探头间隔距离一定，经单片机数据处理依据公式（2）得到每两对探头之间脉冲差值，通过与常数N进行校准、比较，经公式（3）对水位高度进行修正，得到校准后的水位高度值。液位传感器利用这个原理对水位高度进行了自修正，具备了自校准功能。单片机经数据处理完之后输出数字信号到输出电路中，经DA转换处理得到标准的4-20mA的电流信号。
         （1）
         （2）
       （3）
式中，为第一对传感器探头由初始位置至水位高度的行程（mm），为第一对传感器探头由初始位置至水位高度电机转动所需的脉冲数，为丝杆电机转动1mm所需的脉冲数，为连通管底部到初始位置的高度，即连通管长度，单位为mm，为两对传感器探头之间电机转动所需的脉冲数差，为第二对传感器探头由初始位置至水位高度电机转动所需的脉冲数，为各传感器探头之间一定距离所需的电机转动所需脉冲数，为常数，为修正后的水位高度，单位为mm；
为了防止步进电机在启动或停止时由于惯性的作用发生失步或过冲及光的折射或反射对光电传感器探头的影响，造成水位高度测量的误差，采用多对光电传感器探头避免了一对探头测量产生的随机误差，根据原理所述具有自校准的功能。同时当水位进行上下波动时，多光电传感器探头可以迅速将各种信号反馈到控制系统，探头实现实时跟踪水位。

Claims (4)

1.一种液位传感方法，使用具有自校准功能的液位传感器，该液位传感器包括控制系统（1）、光电传感器探头（2）、连通管（3）、固定轴（4）、步进电机（5）、丝杆（6）、连轴块（7）、限位开关（8）及防水套管（9）；
在防水套管（9）内并排设置有连通管（3）和丝杆（6），连通管（3）两端开放并伸出防水套管（9），丝杆（6）由设置在防水套管（9）外的步进电机（5）驱动，在所述的连通管（3）竖直方向上安装有多对可上下活动的光电传感器探头（2），每对光电传感器探头间隔相同且平行，每对光电传感器探头中的一个光电传感器探头安装在连通管（3）的一侧，另一个光电传感器探头安装在连通管（3）的相对侧；所述的光电传感器探头均设置在连轴块（7）上，连轴块（7）与丝杆（6）螺纹配合，丝杆（6）的转动带动连轴块（7）在竖直方向上运动；在所述的连轴块（7）上方还设置有限位开关（8），用于感测连轴块（7），所述的光电传感器探头（2）、步进电机（5）和限位开关（8）均与控制系统（1）信号连接；
所述的固定轴（4）与防水套管（9）并排设置，固定轴（4）底部与防水套管（9）底部通过底盘（10）相对固定；
其特征在于：
采用多对光电传感器探头确定水位高度，每对光电传感器探头之间的间隔一定，当每对光电传感器探测到连通管中的水位高度时，输出信号至单片机或PLC，单片机或PLC对每一对光电传感器探头由初始位置移动到水位高度处时步进电机转动的脉冲数进行计数，通过信号和数据处理，输出标准的4-20mA电流；因为各对传感器探头之间间隔一定，所以一定距离电机转动的脉冲数也一定，根据公式(1)计算第一对传感器探头由初始位置至水位高度的行程，公式(3)通过公式(2)的脉冲差值与常数N值进行比较，形成液位的自校准，通过修正系数得到最终水位高度H；同时，通过区分各探头的信号，进行水位高度实时跟踪；
         （1）
         （2）
       （3）
式中，为第一对传感器探头由初始位置至水位高度的行程，为第一对传感器探头由初始位置至水位高度电机转动所需的脉冲数，为连通管底部到初始位置的高度，即连通管长度，单位为mm，为丝杆电机转动1mm所需的脉冲数，为两对传感器探头之间电机转动所需的脉冲数差，为第二对传感器探头由初始位置至水位高度电机转动所需的脉冲数，为各传感器探头之间一定距离所需的电机转动所需脉冲数，为常数，为修正后的水位高度，单位为mm。
2.根据权利要求1所述的一种液位传感方法，其特征在于：所述的控制系统（1）采用单片机或PLC控制器。
3.根据权利要求1所述的一种液位传感方法，其特征在于：所述的连通管（3）采用玻璃管或透明塑料管。
4.根据权利要求1所述的一种液位传感方法，其特征在于：所述的光电传感器探头（2）采用对射式光电传感器。
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