CN103278209B - 一种自动检测跟踪水位的方法 - Google Patents

Abstract

一种自动检测跟踪水位的方法，目的是既能测量水位又能实时跟踪水位；本发明先制作一套自动检测跟踪水位装置，该装置包括水位检测探针、探针导线、交流电激励电路、信号检测处理电路、单片机、步进电机、连接齿轮、丝杠及丝杠底座、丝杠螺丝、仪器架和安装台；水位检测探针垂直于水平面固定，顶端平齐，底端呈阶梯状排列，信号检测处理电路连接至单片机，单片机连接至步进电机，步进电机转轴连接至连接齿轮，连接齿轮与丝杠齿合，丝杠底座连接至仪器架；将上述自动检测跟踪水位装置固定在安装台上；依据水的弱导电特性进行水位测量，跟踪水位是依据三根水位检测探针T1、T2、T3的通断状态来实现。

Description

一种自动检测跟踪水位的方法

技术领域

本发明涉及水位检测跟踪方法，属于自动化检测技术领域，尤其是一种能检测水位和跟踪水位的装置。

背景技术

在诸多科研课题、实验工程及水文观测中不仅要实时检测水位，有时还须测量水表面及水面以下不同深度的流速和温度变化等参数。例如火电厂的温排水物理模型实验中，必须准确地测量水位、水表面的流速、水表面及水面以下不同深度的温度分布情况，以此来研究温排水的水力热力特性，这便要求流速仪表、温度仪表能随着水位变化而共同移动，以维持测量深度。能测量水位并且可以携带其他仪器进行多参数检测的跟踪水位装置是不可缺少的设备。目前，国内外水位检测技术及相应产品有两大类型，一类是接触测量，一类是非接触测量。非接触测量类主要介绍两种，一种是超声波水位传感器，工作原理是向水面发射一束超声波，被水面反射后，传感器再接收此反射波。超声波波速一定，根据超声波往返的时间就可以计算出传感器到水面的距离，进而测量出水位。另外一种是激光水位传感器，采用回波分析原理来测量水位，激光水位传感器通过激光发射器发射一定数量的激光脉冲到水表面并返回至接收器，通过计算激光脉冲从发射到水面并返回至接收器所需的时间，以此计算出水位。主要的接触测量类有差压式电容水位传感器，水位高低导致水的压力不同，依靠水的压力与空气之间的压力差改变电容两极板之间的距离，距离变化引起电容值的变化，通过测量电容值进而求得水位。还有磁致伸缩水位传感器，利用磁性材料的磁致伸缩效应进行水位测量，由检测头、保护套管、磁致伸缩波导丝、磁浮子以及阻尼器等组成。检测头安装在水面上方，装有波导丝的保护套管插入水中，磁浮子浮于水表面且随着水位变化而沿保护套管上下滑动。工作时，检测头中的电子装置首先在磁致伸缩波导丝上施加一个激励电脉冲信号，根据电磁场理论，此电脉冲伴随一个环型磁场，以光速沿磁致伸缩波导丝向下传递，当该环形磁场遇到磁浮子中磁铁产生的纵向磁场时，磁致伸缩波导丝会产生扭曲形变，从而激发扭转波。扭转波沿波导丝以超声波的形式向两端传播，向顶部传播的超声波将传到传感器检测头中，记下发送激励脉冲的时间和接收到超声回波的时间，根据超声波的传播速度，可计算出检测头与水面之间的距离，进而求得水位。这几种水位检测技术及相关产品都是固定安装在某处测量水位，而不能实时跟踪水位。磁致伸缩水位传感器的磁浮子虽漂浮在水面上，但磁浮子体积小不能携带其他仪器（如温度测量仪器等）进行水表面及以下不同深度的其他参数测量。例如，在不同的水位下始终保持测量水面下20mm处的温度，此时这些仪器就不能同时携带温度仪器进行水面下不同位置的温度测量。中国专利“自动水位跟踪测试系统”（专利号ZL201120158462.8），采用水位感应探针、控制器、涡轮减速器等实现自动跟踪水位。但是它不能测量水位，无法用于即测量水位又实时跟踪水位的工程应用中。

发明内容

本发明目的是克服上述已有技术的不足，提供一种既能测量水位又能实时跟踪水位的自动检测跟踪水位的方法。

本发明方法是：

（1）先制作一套自动检测跟踪水位装置，该装置包括水位检测探针、探针导线、交流电激励电路、信号检测处理电路、单片机、步进电机、连接齿轮、丝杠及丝杠底座、丝杠螺丝、仪器架和安装台；交流电激励电路包括耦合变压器M1、三极管Q1和Q2、高频电容C16、低频电容C17、滤波电容C20和C21、电阻R6和R7、限流电阻R8、匹配电阻RP、继电器S4；耦合变压器M1初级线圈与高频电容C16、低频电容C17三者并联，耦合变压器M1初级线圈抽头经电阻R7串接至三极管Q1的基极，同时经电阻R6串接至三极管Q2的基极，经限流电阻R8接入继电器S4触点一端；限流电阻R8与滤波电容C20串联后与滤波电容C21并联接地，耦合变压器M1初级线圈一端串接三极管Q1集电极，另一端串接三极管Q2集电极，三极管Q1发射极和Q2发射极相连并与电阻R9串联接地，继电器S4线圈正端（+）接单片机控制端PB1，线圈负端（-）接地；继电器S4触点另一端接+5V电源VCC，匹配电阻RP串接耦合变压器M1次级线圈；信号检测处理电路包括两个，一个是水位检测探针T1、T2组成的电路，另一个是水位检测探针T1、T3组成的电路；水位检测探针T2串接于信号继电器K1，三极管Q3工作于开关状态下，水位检测探针T3串接于信号继电器K2，三极管Q32工作于开关状态；水位检测探针T1通过信号检测处理电路的输入端口Port1与交流电激励电路输出端口Port1相连，Port3为水位检测探针T2通断状态输出端口；电容C5起滤波作用；三根水位检测探针T1、T2、T3均垂直于水平面固定在仪器架上，探针顶端平齐，底端呈阶梯状排列，T1靠下、T2居中、T3靠上，三根水位检测探针通过探针导线连接到信号检测处理电路；信号检测处理电路施加至三根水位检测探针的激励电压是正弦交流电；信号检测处理电路连接至单片机，单片机连接至步进电机，步进电机转轴连接至连接齿轮，连接齿轮与丝杠齿合，丝杠底座连接至仪器架；单片机与被测水位、水位检测探针、步进电机一起构成一闭环控制系统；

（2）将上述自动检测跟踪水位装置整体固定在安装台上面；步进电机水平安放，转轴垂直于连接齿轮；丝杠垂直安放，丝杠底座是六孔连接法兰焊接至丝杠底部，用于固定仪器架，仪器架通过螺栓固定于丝杠底座下面，随丝杠上下运动；

（3）依据水的弱导电特性进行水位测量，自动检测跟踪水位装置安装完毕后，单片机系统记录丝杠初始位置即丝杠零位，此时丝杠第一丝（最底端的一丝）与连接齿轮齿合，信号检测处理电路在单片机的控制下施加激励电压至三根水位检测探针，然后判定每两根水位检测探针导通状态，初始位置时三根水位检测探针均未接触水面，未被水导通，单片机系统发出正转脉冲驱动步进电机正转，带动连接齿轮、丝杠向下运动，单片机系统每发出一个脉冲步进电转动一个步长、水位检测探针向下移动0.5mm，接着判定每两根水位检测探针导通状态，如此不断向下运动，直至三根水位检测探针接触水面时停止向下运动、单片机系统再发一个反转脉冲驱动进电机反转，使水位检测探针向上移动0.5mm、水位检测探针T3脱离水面，同时记录驱动步进电机转动的净脉冲数即正转脉冲数减去反转脉冲数，净脉冲数乘以步进电机步长得出水位检测探针向下移动的距离，得出丝杠零位与水面之间距离，反之，若水位上升淹没了三根水位检测探针，则单片机系统发出反转脉冲驱动步进电机反转，直至T3脱离水面，记录下净脉冲数，也可求出丝杠零位与水面之间距离；

（4）跟踪水位是依据三根水位检测探针T1、T2、T3的通断状态来实现，若T1、T2未被水导通，则单片机系统控制步进电机正转，带动连接齿轮、丝杠向下运动，水位检测探针向下移动，直至T2接触水面使T1、T2被水导通，步进电机停转；若水位上升，至使T3触水，此时T1、T3被水导通，则单片机系统控制步进电机反转，带动连接齿轮、丝杠向上运动，水位检测探针向上移动，直至T3脱离水面，步进电机停转；跟踪目标是始终保持T1、T2触水，T3不触水。

当T1、T2接触水面时，交流电激励电路中耦合变压器M1的次级线圈被水接通，使得信号继电器K1线圈带电，信号继电器K1的触点闭合，R4所在支路接通；三极管Q3基极变为低电平，三极管Q3截止，三极管Q3集电极输出端口Port3输出高电平；反之，如T1、T2没有被水接通，则三极管Q3导通，水位检测探针T2通断状态输出端口Port3输出低电平；通过输出端口Port3的状态可以判断出探针T1、T2是否均接触水面；同理检测水位检测探针T3是否触水，Port4是水位检测探针T3通断状态输出端口。

以水位检测探针T1底端为参考水平面，T2底端与参考水平面的距离保持10mm或以上距离，T3底端与T2底端所在平面保持0.5mm或以上距离，此距离决定水位测量的分辨率。仪器架上还用于安放其他仪器（如流速仪、温度仪等），跟随水面测量其他参数。

单片机依据信号检测处理电路的检测结果，向步进电机发送单步正转或反转驱动脉冲，单片机将水位测量结果经过RS-485通讯网络传输至远程计算机。

单片机采用Atmel公司的高速嵌入式单片机ATmega 16，单片机依据信号检测处理电路的检测结果，向步进电机发送单步正转或反转驱动脉冲。电源电压VCC为5V DC，采用8MHz晶振，单片机水位测量结果经过RS-485通讯网络传输至远程计算机。

本发明激励电压为12V交流电，交流电可以有效防止由水位检测探针的极化所引起的测量误差。在交变电场的作用下，水位检测探针的极性周期性地不断改变，交替的进行着相反的过程，可维持水位检测探针附近正负离子的平衡，消除离子沉积。实现了测量水位与跟踪水位同时完成。采用步进电机作为执行机构来跟踪水位，提高了测量精度，测量精度达0.5mm。解决现有仪器不能同时测量水位和跟踪水位的难题。可广泛应用于科研、实验工程等的低成本自动检测跟踪水位装置。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明交流电激励电路原理图。

图3是本发明水位检测探针T1、T2检测处理电路原理图。

图4是本发明水位检测探针T3检测处理电路原理图。

图5是单片机电路原理图。

图6是本发明RS-485通讯电路原理图。

具体实施方式

在下文中结合附图对本发明的具体实施方式和过程作更详尽的说明，以下实施例用于本发明，但并不用来限制本发明的范围及形式。

本发明方法：

（1）先制作一套自动检测跟踪水位装置，该装置包括

水位检测探针1、探针导线2、信号检测处理电路3、单片机4、步进电机5、连接齿轮及齿轮箱6、丝杠7、丝杠底座8、丝杠螺丝9、仪器架10、安装台11；固定在仪器架上的仪器12。图1是本发明的结构示意图。水位检测探针1垂直固定于仪器架10，水位检测探针1可根据应用上下调整，水位检测探针1通过探针导线2连接至信号检测处理电路3，信号检测处理电路3经控制线路连接于单片机系统4，安装台11放置于水中用来安装自动检测跟踪水位装置，仪器架10通过法兰连接于丝杠底座8之下，丝杠7穿孔通过连接齿轮及齿轮箱6，丝杠7垂直于丝杠底座8和丝杠螺丝9，丝杠底座8位于丝杠7底端，丝杠螺丝9位于丝杠7顶端，连接齿轮齿合于丝杠7，连接齿轮安装于步进电机5转轴上，步进电机5经控制线路连接于单片机系统4。

水位检测探针T1、T2、T3是直径2mm不锈钢尖针，T1长度150mm，T2长度140mm，T3长度130mm，水位检测探针顶端平齐，水位检测探针的粗细、长度可依据应用更改。通过探针导线连接于信号检测处理电路。

图2的交流电激励电路在单片机4端口PB1控制下产生交流信号，其本质上是一振荡器，其负载是电感线圈，作用是对振荡器输出的方波上升沿和下降沿进行抑制，使负载输出波形为正弦交流。M1是耦合变压器，其次级线圈产生正弦交流感应电动势，其输出端口为Port1、Port2，该电动势通过探针导线2施加至水位检测探针1，RP为探针导线的匹配电阻。

（2）将上述自动检测跟踪水位装置整体固定在安装台11上面；步进电机5水平安放，转轴垂直于连接齿轮；丝杠7垂直安放，丝杠底座8是六孔连接法兰焊接至丝杠7底部，用于固定仪器架10，仪器架10通过螺栓固定于丝杠底座8下面，随丝杠7上下运动。

（3）依据水的弱导电特性进行水位测量，图3、图4是水位信号检测处理电路原理图，水位信号检测利用水的弱导电特性来实现，探针T1通过输入端口Port1与交流电激励电路输出端口Port1相连，Port3为通断状态输出端口，当T1、T2接触水面时，交流电激励电路耦合变压器M1的次级线圈被水接通，使得信号继电器K1线圈带电，信号继电器K1的触点闭合，R4所在支路接通。三极管Q3基极变为低电平，Q3截止，三极管Q3集电极输出端口Port3输出高电平。反之，如果T1、T2没有被水接通，则Q3导通，Port3输出低电平。需要注意的是三极管Q3工作在开关状态，电容C5起到滤波作用。通过输出端口Port3的状态可以判断出探针T1、T2是否均接触水面。同理，采用此方法检测探针T3是否触水，Port4是T3通断状态输出端口。可以有效利用这两个输出信号实现对水位的检测及跟踪。

（4）跟踪水位是依据三根水位检测探针T1、T2、T3的通断状态来实现。通断状态输出端Port3、Port4需要进行处理以消除抖动。在某些工程应用中，水位的涨落非常频繁可称之为水位抖动，这样势必会造成跟踪装置在极短的时间内频繁的上下运动，需要去掉这一抖动，以免跟踪装置做不必要的运动。在单片机系统4中通过延时判别程序来实现，延时时间可根据应用进行设置。

图5是单片机电路原理图，单片机采用Atmel公司的高速嵌入式单片机ATmega 16，电源电压VCC为5V DC，采用8MHz晶振，引脚PB1连接于图2继电器S4的（+）端，引脚PD6连接于图3输出端口Port4，引脚PD7连接于图3输出端口Port3，485EN端连接于图6485EN端，引脚AVCC通过电感L1串接与电源VCC。该电路有如下功能：

    1）通过引脚PB1控制正弦激励信号的产生。

2）通过引脚PD6、PD7读取端口Port4、Port3的电平状态。

3）依据获取的电平状态，确定是否驱动步进电机转动以及转动方向，并记录驱动步长数，以此为基础求取水位值，具体如下：

初始时，丝杠处在零位，单片机系统驱动步进电机正转，步进电机带动丝杠向下运动直至三根水位检测探针均接触水面，同时分别记录水位检测探针T2、T3接触水面时驱动步进电机转动的脉冲数，水位检测探针T2、T3移动的净脉冲数乘以步进电机步长与丝杠零位进行差值运算，求出水位值。

若Port3为低电平，T2未触水，T1、T2未被水接通，则驱动步进电机正转，带动连接齿轮、丝杠向下运动，每驱动一个步长，都读取Port3的电平状态。若仍为低电平，则再驱动一个步长，如此反复直至读取到Port3为高电平、Port4也为高电平，此时T3触水，T1、T2被水接通，T1、T3被水接通，步进电机停转，接着单片机系统再发一个反转脉冲驱动进电机反转，使水位检测探针向上移动一个步长、水位检测探针T3脱离水面。可见单片机系统与被测水位、水位检测探针、步进电机等一起构成一闭环控制系统。

Port4为高电平，说明水位上升，至使T3触水，此时T2、T3被水导通，则单片机系统驱动步进电机反转，带动连接齿轮、丝杠向上运动，直至T3脱离水面，步进电机停转。跟踪目标是始终保持T1、T2触水，T3不触水。

4）与计算机软件共同完成装置的零位标定；零位标定是根据装置的安装位置，将水位检测探针的初始位置与水底距离通过计算机输入单片机系统。

5）通过端口TXD、RXD连接于图6 RS-485通讯电路的TXD端、RXD端，完成与计算机远程数据交互传输。

    图6给出了RS-485通讯电路。用于和计算机进行数据通讯，RS-485通讯接口具有良好的抗噪声干扰性，传输距离长，通讯站点多等优点。以芯片MAX3485为核心，RXD接图5用于RS-485数据的接收，TXD接于图5用于RS-485数据的发送，485A、485B分别接于RS-485总线上。通讯协议采用MODBUS RTU通讯协议，采用命令-响应方式，装置不断监听计算机发送来的命令，监听到正确命令后应答响应，将水位测量数据传输到计算机。与装置通讯的计算机端需要配接RS-485/RS-232转换器。

Claims (4)

1.一种自动检测跟踪水位的方法，其特征是：

（1）先制作一套自动检测跟踪水位装置，该装置包括水位检测探针、探针导线、交流电激励电路、信号检测处理电路、单片机、步进电机、连接齿轮、丝杠及丝杠底座、丝杠螺丝、仪器架和安装台；交流电激励电路包括耦合变压器M1、三极管Q1和Q2、高频电容C16、低频电容C17、滤波电容C20和C21、电阻R6和R7、限流电阻R8、匹配电阻RP、继电器S4；耦合变压器M1初级线圈与高频电容C16、低频电容C17三者并联，耦合变压器M1初级线圈抽头经电阻R7串接至三极管Q1的基极，同时经电阻R6串接至三极管Q2的基极，经限流电阻R8接入继电器S4触点一端；限流电阻R8与滤波电容C20串联后与滤波电容C21并联接地，耦合变压器M1初级线圈一端串接三极管Q1集电极，另一端串接三极管Q2集电极，三极管Q1发射极和Q2发射极相连并与电阻R9串联接地，继电器S4线圈正端（+）接单片机控制端PB1，线圈负端（-）接地；继电器S4触点另一端接+5V电源VCC，匹配电阻RP串接耦合变压器M1次级线圈；信号检测处理电路包括两个，一个是水位检测探针T1、T2组成的电路，另一个是水位检测探针T1、T3组成的电路；水位检测探针T2串接于信号继电器K1，三极管Q3工作于开关状态下，水位检测探针T3串接于信号继电器K2，三极管Q32工作于开关状态；水位检测探针T1通过信号检测处理电路的输入端口Port1与交流电激励电路输出端口Port1相连，Port3为水位检测探针T2通断状态输出端口；电容C5起滤波作用；三根水位检测探针T1、T2、T3均垂直于水平面固定在仪器架上，探针顶端平齐，底端呈阶梯状排列，T1靠下、T2居中、T3靠上，三根水位检测探针通过探针导线连接到信号检测处理电路；信号检测处理电路施加至三根水位检测探针的激励电压是正弦交流电；信号检测处理电路连接至单片机，单片机连接至步进电机，步进电机转轴连接至连接齿轮，连接齿轮与丝杠齿合，丝杠底座连接至仪器架；单片机与被测水位、水位检测探针、步进电机一起构成一闭环控制系统；

（2）将上述自动检测跟踪水位装置整体固定在安装台上面；步进电机水平安放，转轴垂直于连接齿轮；丝杠垂直安放，丝杠底座是六孔连接法兰焊接至丝杠底部，用于固定仪器架，仪器架通过螺栓固定于丝杠底座下面，随丝杠上下运动；

（3）依据水的弱导电特性进行水位测量，自动检测跟踪水位装置安装完毕后，单片机系统记录丝杠初始位置即丝杠零位，此时丝杠第一丝即最底端的一丝与连接齿轮齿合，信号检测处理电路在单片机的控制下施加激励电压至三根水位检测探针，然后判定每两根水位检测探针导通状态，初始位置时三根水位检测探针均未接触水面，未被水导通，单片机系统发出正转脉冲驱动步进电机正转，带动连接齿轮、丝杠向下运动，单片机系统每发出一个脉冲步进电转动一个步长、水位检测探针向下移动0.5mm，接着判定每两根水位检测探针导通状态，如此不断向下运动，直至三根水位检测探针接触水面时停止向下运动、单片机系统再发一个反转脉冲驱动进电机反转，使水位检测探针向上移动0.5mm、水位检测探针T3脱离水面，同时记录驱动步进电机转动的净脉冲数即正转脉冲数减去反转脉冲数，净脉冲数乘以步进电机步长求出水位检测探针向下移动的距离，得出丝杠零位与水面之间距离，反之，若水位上升淹没了三根水位检测探针，则单片机系统发出反转脉冲驱动步进电机反转，直至T3脱离水面，记录下净脉冲数，也可求出丝杠零位与水面之间距离；

（4）跟踪水位是依据三根水位检测探针T1、T2、T3的通断状态来实现，若T1、T2未被水导通，则单片机系统控制步进电机正转，带动连接齿轮、丝杠向下运动，水位检测探针向下移动，直至T2接触水面使T1、T2被水导通，步进电机停转；若水位上升，至使T3触水，此时T1、T3被水导通，则单片机系统控制步进电机反转，带动连接齿轮、丝杠向上运动，水位检测探针向上移动，直至T3脱离水面，步进电机停转；跟踪目标是始终保持T1、T2触水，T3不触水。

2.如权利要求1所述的自动检测跟踪水位的方法，其特征是以水位检测探针T1底端为参考水平面，T2底端与参考水平面的距离保持10mm或以上距离，T3底端与T2底端所在平面保持0.5mm或以上距离，此距离决定水位测量的分辨率。

3.如权利要求1所述的自动检测跟踪水位的方法，其特征是仪器架上还用于安放其他仪器，跟随水面测量其他参数。

4.如权利要求1所述的自动检测跟踪水位的方法，其特征是单片机依据信号检测处理电路的检测结果，向步进电机发送单步正转或反转驱动脉冲，单片机将水位测量结果经过RS-485通讯网络传输至远程计算机。