CN105091974A - 水位检测装置及其水位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水位检测装置及其水位检测方法，水位检测装置包括水位探针和水位检测电路，水位检测电路包括主控单元、放大输出单元、隔离单元、探针驱动单元、放大反馈单元及采样单元，主控单元根据水质类型及隔离单元初级线圈的电感量输出相应频率的脉冲驱动信号，放大输出单元与主控单元及隔离单元的初级线圈连接，隔离单元的次级线圈与探针驱动单元和放大反馈单元连接，探针驱动单元输出交流电流至水位探针，放大反馈单元放大水位探针中流经的电流并反馈至放大输出单元，采样单元对放大输出单元中的电流进行采样并将采样电压输出至主控单元以判定水位变化。与现有技术相比，本发明实现了低成本隔离、高可靠、适用于各种水质的水位检测。

Description

水位检测装置及其水位检测方法

技术领域

本发明涉及水位检测技术领域，更具体的涉及一种水位检测装置及其水位检测方法。

背景技术

水位检测是指检测蒸馏水、纯净水、自来水等各种水质的水位，目前常用的水位检测方法主要有以下几种：

(1)直接通过检测水位探针电阻的方式检测水位是否有效。如图1所示，其基本原理为：水位有效时，由于水位是非纯水，总有带电离子存在，所以接触水的探针之间存在电流通过，进而通过检测是否有电流即可知道是否水位有效。然而，此种方法无法检测蒸馏水(因为蒸留水不导电)、TDS(总溶解性固体物质TotalDissolvedSolids)值小于7的纯净水(比如市面上的桶装纯净水，水电阻非常大)检测灵敏度、抗干扰性也差。此种方式做电气隔离的成本也比较高。

(2)通过浮球开关检测水位是否有效。如图2所示，其基本原理为：浮球里面设置有磁性材料，浮球杆中有一个或多个磁性开关，浮球可以在液位的推动下上下移动。当浮球内磁性材料靠近球杆中的磁性开关时，磁性开关产生开或关的动作，从而指示水位是否有效。然而，此种方法虽然可以检测各种水质的水位，但由于存在机械动作部分，当水质比较硬时(比如北方很多城市的自来水)浮球容易被水垢卡死，无法上下移动，从而检测失效。

(3)通过电子压力传感器检测水压的方式识别水位是否有效。如图3所示，其基本原理为：通过专用集成电路将压力传感器的水压值放大读取，通过程序转换成液体高度即可得知水位是否有效。此种方式由于要使用专用压力传感器、专用集成电路，同时要通过高成本的封装实现水电隔离，因此方案成本非常高昂。

因此，急需一种低成本隔离型、高可靠水位(液位)检测方法，适用于通过水位探针检测蒸馏水、纯净水、自来水等各种水质的水位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水位检测装置，以实现对蒸馏水、纯净水、自来水等各种水质的水位检测，并降低隔离成本，提搞水位检测可靠性。

本发明的另一目的在于提供一种水位检测方法，以实现对蒸馏水、纯净水、自来水等各种水质的水位检测，并降低隔离成本，提搞水位检测可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了一种水位检测装置，包括水位探针和水位检测电路，所述水位检测电路包括：

主控单元，所述主控单元的脉冲输出端口根据水质类型以及隔离单元初级线圈中的电感量输出相应频率的脉冲驱动信号；

放大输出单元，与所述主控单元连接，用于放大所述脉冲驱动信号并输出放大后的所述脉冲驱动信号；

隔离单元，所述隔离单元的初级线圈与所述放大输出单元的输出端连接，所述隔离单元的次级线圈与探针驱动单元和放大反馈单元连接；

探针驱动单元，与所述水位探针连接，用于接收并处理放大后的所述脉冲驱动信号以输出交流电流至所述水位探针，所述水位探针在水位有效时导通；

放大反馈单元，与所述探针驱动单元连接，用于放大所述水位探针中流经的电流并将放大后的电流经所述隔离单元反馈至所述放大输出单元，其中所述放大输出单元中的电流包括所述脉冲驱动信号产生的原始电流和来自所述放大反馈单元的反馈电流；以及

采样单元，所述采样单元与所述放大输出单元连接，用于对所述放大输出单元中的电流进行采样并将采样电压输出至所述主控单元，所述主控单元根据所述采样电压判定所述水位探针上的水位变化范围。

与现有技术相比，本发明水位检测装置包括水位探针和水位检测电路，其中水位检测电路包括主控单元、放大输出单元、隔离单元、探针驱动单元、放大反馈单元以及采样单元，工作时隔离单元可以实现水电隔离，成本低，可靠性高，水位检测装置无机械运动组件，不会产生机械疲劳及失效，此外探针驱动单元输出交流电流至水位探针可以降低水位探针的电解现象，提高水位探针的寿命，同时主控单元根据不同水质输出不同频率的脉冲驱动信号，可以适应不同水质的水位检测。

较佳地，所述放大输出单元包括电阻R3、R7、R8、三极管Q3以及二极管D2，所述电阻R7和所述电阻R8串联后的一端与所述主控单元的脉冲输出端口连接，另一端与所述三极管Q3的基极连接，所述三极管Q3的集电极与所述二极管D2的阳极连接，所述二极管D2的阴极串联所述电阻R3后与外部电源VDD连接，所述三极管Q3的发射极与所述采样单元连接后接地，且所述二极管D2的两端为所述放大输出单元的输出端。

较佳地，所述探针驱动单元包括电容C2、二极管D1、电阻R4、R6以及探针接口J1，所述电容C2的一端与所述隔离单元的次级线圈的其中一端子连接，所述电容C2的另一端与所述探针接口J1的引脚1连接，所述二极管D1的阳极与所述隔离单元的次级线圈的其中另一端子连接，所述二极管D1的阴极与所述电阻R6的一端连接，所述电阻R6的另一端与所述探针接口J1的引脚2连接，所述电阻R4并联于所述二极管D1的两端。

较佳地，所述探针驱动单元还包括电容C1，所述电容C1并联于所述电阻R4的两端，用于降低所述水位探针的连接线分布电容对所述采样电压的干扰，所述二级管D1用于反向放电以辅助所述电容C2消除所述水位探针的直流极化现象。

较佳地，所述放大反馈单元包括三极管Q1、Q2、电阻R1、R2、R5以及二极管D3，所述三极管Q2的基极与所述二极管D1的阴极连接，所述三极管Q2的集电极与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q2的发射极与所述电阻R2的一端连接，所述三极管Q1的集电极与所述电阻R1的一端连接，所述电阻R5并联于所述三极管Q1的集电极和所述三极管Q2的发射极之间，所述三极管Q1的发射极与所述二极管D3的阴极连接，所述三极管D3的阳极与所述隔离单元的次级线圈的其中一端子连接，所述电阻R1和所述电阻R2的另一端与所述述隔离单元的次级线圈的其中另一端子连接。

较佳地，所述采样单元包括采样电阻、隔离二极管以及整流滤波电路，所述采样电阻连接于所述三极管Q3的发射极和地之间，所述隔离二极管的阳极与所述三极管Q3的发射极连接，所述隔离二极管的阴极与所述整流滤波电路连接，所述整流滤波电路的输出端与所述主控单元连接以将所述采样电压输出至所述主控单元。

本发明同时提供了一种水位检测方法，适用于所述水位检测装置，包括以下步骤：

主控单元的脉冲输出端口根据水质类型以及隔离单元初级线圈中的电感量输出相应频率的脉冲驱动信号；

放大输出单元放大所述脉冲驱动信号并将放大后的所述脉冲驱动信号输出至隔离单元的初级线圈；

所述隔离单元的次级线圈将放大后的所述脉冲驱动信号输出至探针驱动单元；

所述探针驱动单元接收并处理放大后的所述脉冲驱动信号以输出交流电流至水位探针，所述水位探针在水位有效时导通；

放大反馈单元在所述水位探针导通时放大所述水位探针中流经的电流并将放大后的电流经所述隔离单元反馈至所述放大输出单元，其中所述放大输出单元中的电流包括所述脉冲驱动信号产生的原始电流和来自所述放大反馈单元的反馈电流；

采样单元对所述放大输出单元中的电流进行采样并将采样电压输出至所述主控单元；以及

所述主控单元根据所述采样电压判定所述水位探针上的水位变化范围。

较佳地，所述水质类型根据TDS值划分为四类，其中第一类水质的TDS值大于50，第二类水质的TDS值介于10至50之间，第三类水质的TDS值介于1至10之间，第四类水质的TDS值等于0，在当所述隔离变压器T1单元的初级线圈中的电感量为20mH时的条件下，当若进行水位检测的水为第一类水质或第二类水质时，所述主控单元输出频率为40kHz的所述脉冲驱动信号，若进行水位检测的水为第二类水质，所述主控单元输出频率为60kHz的所述脉冲驱动信号，当若进行水位检测的水为第三类水质时，所述主控单元输出频率为100kHz的所述脉冲驱动信号，当若进行水位检测的水为第四类水质时，所述主控单元输出频率为200kHz的所述脉冲驱动信号。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为现有技术中通过检测水位探针电阻的方式检测水位是否有效的水位检测方法的示意图。

图2为现有技术中通过浮球开关检测水位是否有效的水位检测方法的示意图。

图3为现有技术中通过电子压力传感器检测水压的方式识别水位是否有效的水位检测方法的示意图。

图4为本发明水位检测装置一实施例的结构框图。

图5为图4中水位检测电路一实施例的电路图。

图6为本发明水位检测方法一实施例的流程图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

请参考图4，本发明水位检测装置100包括水位探针20和水位检测电路30，其中，水位检测电路30包括主控单元31、放大输出单元32、探针驱动单元33、放大反馈单元34、采样单元35以及隔离单元36。具体的，主控单元31的脉冲输出端口根据水质类型以及隔离单元36初级线圈中的电感量输出相应频率的脉冲驱动信号；放大输出单元32与主控单元31连接，用于放大脉冲驱动信号并输出放大后的脉冲驱动信号；隔离单元36的初级线圈与放大输出单元32的输出端连接，隔离单元36的次级线圈与放大反馈单元34和探针驱动单元33连接，隔离单元36用于实现电气隔离，从而当水位检测装置100用于室外环境时，可有效防止感应雷击；探针驱动单元33与水位探针20连接，用于接收并处理放大后的脉冲驱动信号以输出交流电流至水位探针20，水位探针20在水位有效时导通；放大反馈单元34与探针驱动单元33连接，用于放大水位探针20中流经的电流并将放大后的电流经隔离单元36反馈至放大输出单元32，其中放大输出单元32中的电流包括脉冲驱动信号产生的原始电流和来自放大反馈单元的反馈电流；采样单元35与放大输出单元32连接，用于对放大输出单元32中的电流进行采样并将采样电压输出至主控单元31，主控单元31根据采样电压判定水位探针20上的水位变化范围。

与现有技术相比，本发明水位检测装置包括水位探针和水位检测电路，其中水位检测电路包括主控单元、放大输出单元、隔离单元、探针驱动单元、放大反馈单元以及采样单元，工作时隔离单元可以实现水电隔离，成本低，可靠性高，水位检测装置无机械运动组件，不会产生机械疲劳及失效，此外探针驱动单元输出交流电流至水位探针可以降低水位探针的电解现象，提高水位探针的寿命，同时主控单元根据不同水质输出不同频率的脉冲驱动信号，可以适应不同水质的水位检测。

下面结合图5说明水位检测电路30的具体实现电路及工作原理。

如图5所示，放大输出单元32包括电阻R3、R7、R8、R9、三极管Q3以及二极管D2，电阻R7和电阻R8串联后的一端与主控单元31的脉冲输出端口连接，另一端与三极管Q3的基极连接，电阻R9的一端与电阻R7和电阻R8相互串联的连接点连接，电阻R9的另一端接地，三极管Q3的集电极与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极串联电阻R3后与外部电源VDD连接，三极管Q3的发射极与采样单元35连接后接地，且二极管D2的两端为放大输出单元32的输出端，即二极管D2的两端与隔离单元36连接。具体的，如图5所示，隔离单元36为隔离变压器T1，隔离变压器T1(1:1)的初级线圈并联于二极管D2的两端，隔离变压器T1的次级线圈与探针驱动电路33和放电反馈电路34连接，通过隔离变压器T1可以实现脉冲驱动信号与探针驱动电路33之间的电气隔离。

再请参考图5，探针驱动单元33包括电容C1、C2、二极管D1、电阻R4、R6以及探针接口J1，电容C2的一端与隔离单元36的次级线圈的其中一端子(脚4)连接，电容C2的另一端与探针接口J1的引脚1连接，二极管D1的阳极与隔离单元36的次级线圈的其中另一端子(脚3)连接，二极管D1的阴极与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与探针接口J1的引脚2连接，电容C1和电阻R4并联于二极管D1的两端。其中，电容C1和电阻R4用于抗干扰，具体用于降低水位探针20的连接线分布电容对采样电压的干扰，电容C2和二极管D1用于使水位探针20上通过的电流为交流电流，进而可以降低水位探针20的电解现象，延长水位探针20的使用寿命，减少水位探针20发生电解时对水的污染，具体的，二级管D1用于反向放电以辅助电容C2消除水位探针的直流极化现象，避免水位探针20失效。

放大反馈单元34包括三极管Q1、Q2、电阻R1、R2、R5以及二极管D3，其中三极管Q2的基极与二极管D1的阴极连接，三极管Q2的集电极与三极管Q1的基极连接，三极管Q2的发射极与电阻R2的一端连接，三极管Q1的集电极与电阻R1的一端连接，电阻R5并联于三极管Q1的集电极和三极管Q2的发射极之间，三极管Q1的发射极与二极管D3的阴极连接，三极管D3的阳极与隔离变压器T1的次级线圈的其中一端子(脚4)连接，电阻R1和电阻R2的另一端与隔离变压器T1的次级线圈的其中另一端子(脚3)连接。工作时，若水位有效，水位探针20导通，此时水位探针20上的电流经电阻R6、R4分压后，输入三极管Q1和Q2进行放大，此时隔离变压器T1的次级负载电流等比增加，并耦合到初级线圈，进而初级线圈电流增大，进而采样单元35得到的采样电压发生变化。

采样单元35包括采样电阻R10、隔离二极管D4以及整流滤波电路，采样电阻R10连接于三极管Q3的发射极和地之间，隔离二极管D4的阳极与三极管Q3的发射极连接，隔离二极管D4的阴极与整流滤波电路连接，整流滤波电路的输出端与主控单元31的AD输入端连接，用于将采样电压输出至主控单元31。具体的，整流滤波电路包括电阻R11、R12、电容C3以及电容C4，其中电阻R12和电容C4并联，且并联后的一端与隔离二极管D4的阴极和电阻R11的一端连接，并联后的另一端接地，电阻R11的另一端与电容C3的一端以及主控单元31的AD输入端连接，电容C3的另一端接地。当水质相同时，采样电压与水位探针20接触的水深呈正比关系，因此通过对采样电压进行处理即可判断水位探针20的水位。具体的，工作时采样电阻R10两端的电压经二极管D4隔离、经电阻R11、R12、电容C3以及电容C4进行整流滤波处理后传输至主控单元31，主控单元31读取采样电压，然后经软件计算处理，即可得到水位探针20上水位的变化范围。当然，采样电压还与水质的TDS值呈正比，因此对不同水质进行水位检测时，采样电压与水位探针20的水位关系之间存在不同的映射表。

需要说明的是，主控单元31可以为主控MCU，此处不对主控单元31的具体电路进行限制。

此外，可以通过调整主控单元31输出的脉冲驱动信号的频率来使水位检测装置100适用于不同水质的水位检测，在实际使用过程中，当隔离变压器T1初级线圈中的电感量取20mH时，可以得到表1所示较优的测试结果：

表1

水质(TDS值)	驱动频率	零点飘移	线性度	备注
					大于50	40K	<＝5％	好	自来水、矿泉水等
10至50之间	60K	<＝5％	好	自来水、矿泉水等
					1至10之间	100K	<＝5％	好	纯净水
等于0	200K	<＝10％	好	蒸留水

请参考图6，本发明还提供了一种水位检测方法，该水位检测方法适用于图4至图5所示的水位检测装置100，包括以下步骤：

步骤S101，主控单元的脉冲输出端口根据水质类型以及隔离单元初级线圈中的电感量输出相应频率的脉冲驱动信号；

步骤S102，放大输出单元放大脉冲驱动信号并将放大后的脉冲驱动信号输出至隔离单元的初级线圈；

步骤S103，隔离单元的次级线圈将放大后的脉冲驱动信号输出至探针驱动单元；

步骤S104，探针驱动单元接收并处理放大后的脉冲驱动信号以输出交流电流至水位探针，水位探针在水位有效时导通；

步骤S105，放大反馈单元在水位探针导通时放大水位探针中流经的电流并将放大后的电流经隔离单元反馈至放大输出单元，其中放大输出单元中的电流包括脉冲驱动信号产生的原始电流和来自放大反馈单元的反馈电流；

步骤S106，采样单元对放大输出单元中的电流进行采样并将采样电压输出至主控单元；

步骤S107，主控单元根据采样电压判定水位探针上的水位变化范围。

其中，水质类型根据TDS值划分为四类，其中第一类水质的TDS值大于50，第二类水质的TDS值介于10至50之间，第三类水质的TDS值介于1至10之间，第四类水质的TDS值等于0，当隔离变压器T1初级线圈中的电感量取20mH条件下，若进行水位检测的水为第一类水质，主控单元输出频率为40kHz的脉冲驱动信号，若进行水位检测的水为第二类水质，主控单元输出频率为60kHz的脉冲驱动信号，若进行水位检测的水为第三类水质，主控单元输出频率为100kHz的脉冲驱动信号，若进行水位检测的水为第四类水质，主控单元输出频率为200kHz的脉冲驱动信号。

与现有技术相比，本发明水位检测装置及其水位检测方法具有以下优点：

(1)实现了电气隔离，且利用了变压器原边信号反馈检测技术，成本低，可靠性高，用于室外环境时，可有效防止感应雷击；

(2)无机械运动组件，不会产生机械疲劳及失效；

(3)使用交流微电流驱动水位探针，无直流电解现象，水位探针寿命长；

(4)检测灵敏度可软件调整，可适应不同的水质场景。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (8)

1.一种水位检测装置，包括水位探针和水位检测电路，其特征在于，所述水位检测电路包括：

主控单元，所述主控单元的脉冲输出端口根据水质类型以及隔离单元初级线圈中的电感量输出相应频率的脉冲驱动信号；

放大输出单元，与所述主控单元连接，用于放大所述脉冲驱动信号并输出放大后的所述脉冲驱动信号；

隔离单元，所述隔离单元的初级线圈与所述放大输出单元的输出端连接，所述隔离单元的次级线圈与探针驱动单元以及放大反馈单元连接；

探针驱动单元，与所述水位探针连接，用于接收并处理放大后的所述脉冲驱动信号以输出交流电流至所述水位探针，所述水位探针在水位有效时导通；

放大反馈单元，与所述探针驱动单元连接，用于放大所述水位探针中流经的电流并将放大后的电流经所述隔离单元反馈至所述放大输出单元，其中所述放大输出单元中的电流包括所述脉冲驱动信号产生的原始电流和来自所述放大反馈单元的反馈电流；以及

采样单元，与所述放大输出单元连接，用于对所述放大输出单元中的电流进行采样并将采样电压输出至所述主控单元，所述主控单元根据所述采样电压判定所述水位探针上的水位变化范围。

2.如权利要求1所述的水位探针检测装置，其特征在于，所述放大输出单元包括电阻R3、R7、R8、三极管Q3以及二极管D2，所述电阻R7和所述电阻R8串联后的一端与所述主控单元的脉冲输出端口连接，另一端与所述三极管Q3的基极连接，所述三极管Q3的集电极与所述二极管D2的阳极连接，所述二极管D2的阴极串联所述电阻R3后与外部电源VDD连接，所述三极管Q3的发射极与所述采样单元连接后接地，且所述二极管D2的两端为所述放大输出单元的输出端。

3.如权利要求1所述的水位检测装置，其特征在于，所述探针驱动单元包括电容C2、二极管D1、电阻R4、R6以及探针接口J1，所述电容C2的一端与所述隔离单元的次级线圈的其中一端子连接，所述电容C2的另一端与所述探针接口J1的引脚1连接，所述二极管D1的阳极与所述隔离单元的次级线圈的其中另一端子连接，所述二极管D1的阴极与所述电阻R6的一端连接，所述电阻R6的另一端与所述探针接口J1的引脚2连接，所述电阻R4并联于所述二极管D1的两端。

4.如权利要求3所述的水位检测装置，其特征在于，所述探针驱动单元还包括电容C1，所述电容C1并联于所述电阻R4的两端，用于降低所述水位探针的连接线分布电容对所述采样电压的干扰，所述二级管D1用于反向放电以辅助所述电容C2消除所述水位探针的直流极化现象。

5.如权利要求1所述的水位检测装置，其特征在于，所述放大反馈单元包括三极管Q1、Q2、电阻R1、R2、R5以及二极管D3，所述三极管Q2的基极与所述二极管D1的阴极连接，所述三极管Q2的集电极与所述三极管Q1的基极连接，所述三极管Q2的发射极与所述电阻R2的一端连接，所述三极管Q1的集电极与所述电阻R1的一端连接，所述电阻R5并联于所述三极管Q1的集电极和所述三极管Q2的发射极之间，所述三极管Q1的发射极与所述二极管D3的阴极连接，所述三极管D3的阳极与所述隔离单元的次级线圈的其中一端子连接，所述电阻R1和所述电阻R2的另一端与所述述隔离单元的次级线圈的其中另一端子连接。

6.如权利要求2所述的水位检测装置，其特征在于，所述采样单元包括采样电阻、隔离二极管以及整流滤波电路，所述采样电阻连接于所述三极管Q3的发射极和地之间，所述隔离二极管的阳极与所述三极管Q3的发射极连接，所述隔离二极管的阴极与所述整流滤波电路连接，所述整流滤波电路的输出端与所述主控单元连接以将所述采样电压输出至所述主控单元。

7.一种水位检测方法，适用于权利要求1至6任一项所述的水位检测装置，其特征在于，包括以下步骤：

主控单元的脉冲输出端口根据水质类型以及隔离单元初级线圈中的电感量输出相应频率的脉冲驱动信号；

放大输出单元放大所述脉冲驱动信号并将放大后的所述脉冲驱动信号输出至隔离单元的初级线圈；

所述隔离单元的次级线圈将放大后的所述脉冲驱动信号输出至探针驱动单元；

所述探针驱动单元接收并处理放大后的所述脉冲驱动信号以输出交流电流至水位探针，所述水位探针在水位有效时导通；

放大反馈单元在所述水位探针导通时放大所述水位探针中流经的电流并将放大后的电流经所述隔离单元反馈至所述放大输出单元，其中所述放大输出单元中的电流包括所述脉冲驱动信号产生的原始电流和来自所述放大反馈单元的反馈电流；

采样单元对所述放大输出单元中的电流进行采样并将采样电压输出至所述主控单元；以及

所述主控单元根据所述采样电压判定所述水位探针上的水位变化范围。

8.如权利要求7所述的水位检测方法，其特征在于，所述水质类型根据TDS值划分为四类，其中第一类水质的TDS值大于50，第二类水质的TDS值介于10至50之间，第三类水质的TDS值介于1至10之间，第四类水质的TDS值等于0，当所述隔离单元的初级线圈中的电感量为20mH时，若进行水位检测的水为第一类水质，所述主控单元输出频率为40kHz的所述脉冲驱动信号，若进行水位检测的水为第二类水质，所述主控单元输出频率为60kHz的所述脉冲驱动信号，若进行水位检测的水为第三类水质，所述主控单元输出频率为100kHz的所述脉冲驱动信号，若进行水位检测的水为第四类水质，所述主控单元输出频率为200kHz的所述脉冲驱动信号。