CN202362048U - 一种电阻式水位数字传感器 - Google Patents

Abstract

一种电阻式水位数字传感器，属于水位监测传感器领域，包括测试电路，还设有测量探头，所述的测量探头主要由绝缘圆管、直电极和折弯电极构成，绝缘圆管的上下两端均设有固定塞，下固定塞上设有连通绝缘圆管内腔的进水孔，在上固定塞上设有排气孔，直电极和折弯电极的底端设置在绝缘圆管内并固定在下固定塞上，折弯电极的折弯部设置在绝缘圆管内，直电极和折弯电极的上端穿过上固定塞分别具有伸出端；本实用新型中测试电路结合了探头的电阻特性，使电路摄取的观测量与水位高度呈一次线性关系，从而满足水位的连续等精度测量。

Description

一种电阻式水位数字传感器

技术领域

本实用新型属于水位监测传感器领域，尤其是涉及一种电阻式水位数字传感器。

背景技术

目前，市场上水位传感器种类很多，有用超声波原理、电容原理、热电阻、干簧管等等，但是：能连续测量的传感器却价格昂贵；要不就是非连续性测量，精度低。以定格点测量的要达到测量精度需要安装更多的测量格点，致使结构复杂，成本增加。用水电阻作为测量原理的很多，但市场上大多数传感器都不能连续测量，且测得高度值随水质的变化漂移很大。

实用新型内容

本实用新型的目的是为解决上述技术问题的不足，提供一种电阻式水位数字传感器，测量探头结构简单，成本低廉，测试电路结合了探头的电阻特性，使电路摄取的观测量与水位高度呈一次线性关系，从而满足水位的连续等精度测量，当水位每次接触到传感器的极限位置时，传感器数据处理单元会对一次线性关系式的系数进行一次修正并储存在传感器的内部，保证了水电阻率的缓慢变化不会引起测得高度的漂移。

本实用新型为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：一种电阻式水位数字传感器，包括测试电路，还设有测量探头，所述的测量探头主要由绝缘圆管、直电极和折弯电极构成，绝缘圆管的上下两端均设有固定塞，下固定塞上设有连通绝缘圆管内腔的进水孔，在上固定塞上设有排气孔，直电极和折弯电极的底端设置在绝缘圆管内并固定在下固定塞上，折弯电极的折弯部设置在绝缘圆管内，直电极和折弯电极的上端穿过上固定塞分别具有伸出端；

所述的折弯电极由上连接部、水平的折弯部和下连接部构成，上连接部和下连接部分别与折弯部两端连接，折弯部与下连接部的连接处的夹角为90°。 

所述的测试电路由探头电阻检测电路和数字信号处理电路组成，测量探头的两个输出端连接在探头电阻检测电路中，探头电阻检测电路的数据信号输入数字信号处理电路处理，通过检测出测量探头电流的变化来计算出水位的高度。

所述探头电阻检测电路是有恒流源电路、交流信号驱动电路、电压比较负反馈电路、测量电压放大电路和滤波电路组成。

本实用新型的有益效果是：该数字传感器采用测量探头和测试电路构成，测量探头结构简单，成本低廉；测试电路巧妙的结合了探头的电阻特性，使电路摄取的观测量与水位高度呈一次线性关系，从而满足水位的连续等精度测量。当水位每次接触到传感器的极限位置时，传感器数据处理单元会对一次线性关系式的系数进行一次修正并储存在传感器的内部，保证了水电阻率的缓慢变化不会一起测得高度的漂移。

附图说明

图1为本实用新型中测量探头的结构示意图。

图2为测量探头中折弯电极的结构示意图。

图3为本实用新型中探头电阻检测电路的电路图。

图4为本实用新型中的恒流源电路图。

图5为本实用新型中的交流信号驱动电路图。

图6为本实用新型中的电压比较负反馈电路图。

图7为本实用新型中的测量电压放大电路图。

图8为本实用新型中的滤波电路图。

图9为本实用新型中的数字信号处理电路图。

附图标记：1、绝缘圆管，2、直电极，3、折弯电极，301、上连接部，302、折弯部，303、下连接部，4、下固定塞，401、进水孔，5、上固定塞，501、排气孔。

具体实施方式

如图所示，一种电阻式水位数字传感器，由测量探头和测试电路组成，测量探头的两个输出端作为传感器电阻接入测试电路中，所述的测量探头主要由绝缘圆管1、直电极2和折弯电极3构成，绝缘圆管1的上下两端均设有固定塞，下固定塞4上设有连通绝缘圆管内腔的进水孔401，在上固定塞5上设有与绝缘圆管内腔相连通的排气孔501，直电极2和折弯电极3的底端设置在绝缘圆管内并固定在下固定塞4上，折弯电极3的折弯部302设置在绝缘圆管1内，直电极2和折弯电极3的上端穿过上固定塞5分别具有伸出端，通过将两个伸出端与测试电路相连接用于测试出水位的高度变化。

所述的折弯电极3由上连接部301、水平的折弯部302和下连接部303构成，上连接部301和下连接部303分别与折弯部302两端连接，折弯部302与下连接部303的连接处的夹角为90°。

测量原理如下：探头结构包含上下固定塞、绝缘圆管、折弯电极和直电极，上下固定塞起固定两个电极作用，其中折弯电极在在传感器允许水位最高处折弯（挫除折弯处的倒角），折弯处轴线平行与水面。当水位达到最大位置与折弯电极折弯处接触时，引起两电极间电阻的一次越变，测量电压采用交流电，防止水的极化。当水位刚溢出下孔塞并联通两个电极时为最低测量点，此时两电极间电阻间为R0；水位上升H0接触折弯电极弯臂时为测量最大高度，此时两电极间电阻为Rt。当水位每增高Δh 时，Δh高度内的圆柱体水柱两电极间的电阻为Rh，则有：

当在该电阻探头加一恒定电压U0时，流经Rt的电流It与水柱的关系式为：                                   

当水质短时间没变化时Rh、R0、U0不变。故水柱高度H和流经探头的电流It成一次线性关系。仅测出It并可求出对应的水位高度。每当水位刚溢出下孔塞或达到最大位置时都会引起电阻的突变，由于该处的位置高度值，并可对上述关式系数进行一次修正，并储存起来，从而避免了由于水质或电极的缓慢变化导致的测量高度值漂移。使用时需要探头在使用前完全侵入水中一次，以便测量端获取一次线性关系式的系数。该单节探头适用于水位经常变化且总在最小值和最大值波动的水位测量，如：太阳能热水器，家庭小型水塔等。

所述的测试电路由探头电阻检测电路和数字信号处理电路组成，测量探头的两个输出端连接在探头电阻检测电路中，探头电阻检测电路的数据信号输入数字信号处理电路处理，通过检测出测量探头电流的变化来计算出水位的高度。探头电阻检测电路是有恒流源电路、交流信号驱动电路、电压比较负反馈电路、测量电压放大电路和滤波电路组成。

所述恒流源电路是有运算放大器中的单元U0(2)、U0(3)和电阻R3、R4、R9、R10、R11、RS和传感器电阻RL组成，其中R4/R3=R9/R10，电路中电流的大小等于R4输入电压与电阻值RS的比值。当传感器探头电阻串入该电路回路中，通过测量R4的正向电压间接的测量流经传感器电阻的电流。

所述交流信号驱动电路是有运算放大器U2和电阻R13~21组成，其中R20和R18组成对单片机P3.3口分压电阻；R21和R19组成对单片机P3.4口分压电阻；R13和R16阻值相等，此电路完成增大输入信号的功率和产生正负变化的交流电压。

所述电压比较负反馈电路是指有运算放大器U0(4)，电阻R12、R14、R15、R7和电容C3组成。R12和R15决定了负反馈放大倍数，电阻R7和电容C3决定了该反馈的响应速度，该电路主要完成迫使传感器探头加载电压等于交流信号驱动电路输出的交流电压。

所述测量电压放大电路是有运算放大器U0（1）和电阻R5、R6、R8组成。其完成电阻R4输入端的电压放大。

所述滤波电路组是指有电阻R1、C1和R2、C2组成的两路（电源电压和R4端正向电压）信号低通滤波电路，为测量电路降低干扰。

数字信号处理电路是指有：STC12C5201AD单片机最小系统和电阻R23、二极管D0 组成。STC12C5201AD单片机通过控制I/O端口，实现交流信号的发生，同时，当该交流信号为正电压时，通过自身集成的10位高速AD转换测量出加载在R4端的电压，再通过自身数据处理，完成对水位的测量。其中单片机内部额EEPROM记录了水的电导率等数据。其中电阻R23、二极管D0组成系统测量的参考电压。

所述测试电路工作原理如下：

   RL为探头电阻值。运算放大器LM324中单元U0(2)、U0(3)和电阻R3、R4、R9、R10、RS组成一电流源，如图4所示。其中

，电流的大小等于R4输入电压与电阻值RS的比值。电流源的输出串联一电阻R11，并接探头电阻RL一端，RL另一端接模拟地。RS的阻值不变，故流经RL的大小由输入R4左端对模拟地电压Ue决定。

运算放大器U0(4)和电阻R12、R15、R7组成探头电阻RL加压的电压负反馈电路，如图6所示。经U0(4)的电压差经放大后（R14左端电压和RL端的电压差值）负反馈给R4，通过调节恒流源电路的电流使RL的加载电压与R14左端电压相同。R11为RL的匹配电阻，用以避免传感器电阻变化过小，导致影响电路的工作。电容C3和R7避免反馈的震荡，提高系统响应和稳定速度，减小RL端电压稳定的时间。U0(4)的放大倍数也决定了系统测量的精度。通过电压负反馈电路实现了在一个正向电压测量周期内，传感器探头电阻对模拟地电压不变，从而只检测流经RL的电流就可推算出水位的高度。其中R12对恒流源有分流作用，但传感器探头电阻RL加载电压值不变，故流经R12的电流大小不变，系统计算时减去这一电流分量。

为保证水不被极化，需使加载在RL的电流能产生交变，故有U2和R13、R16、R17、R18、R19、R20、R21组成一正负等时间等大小交变的电压通过R14传给U0(4)正相端做参考电压，形成交流信号驱动电路，如图5所示。由于电压负反馈电路的作用，迫使加载在传感器探头电阻上的电压值等于R14端电压值。单片机通过控制I/o P3.3和P3.4高低电位变化，再通过R16、R17输入U2中实现R4端的参考电压的三种变化：+2V；-2V和0V。考虑到电阻阻值及单片机I/o下拉电压值的误差，很难保证加载在RL的电压为+2V、-2V和0V，所以系统同时监测了参考电压R14端的电压，以便后期数据处理时得到更高的精度，同时精确控制2V、-2V和0V电压电流通的时间，防止水的极化。系统测量仅在参考电压为+2V时进行。

系统通过读取R4左端Ue电压的大小，并可根据一次线性关系式求得水位的高度。由于系统工作电流很小，在R4上压降值太小，故需放大成伏级的电压共单片机测量。R4的电压测量放大电路如图7所示，由运算放大器U0（1）和电阻R5、R6、R8组成。

有测量电压放大电路输出的信号经滤波电路滤波后送入单片机AD转换口，其有电阻R1、C1和R2、C2组成的两路信号低通滤波电路，如图8所示。一路接R4端电压放大电路输出，一路接传感器供电电压检测信号输出。通过滤波电路降低系统受电源波动的干扰。

因AD数模转换对Ue是等微分转换，一次下线关系式保证了水位高度也是等微分变化，即测量值在传感器探头任何高度处测量精度是相同的。

所述数字信号处理电路如图9所示。其核心有一STC12C5201AD及其最小系统电路组成。P1口为8路10位高速AD转换接口。其转换参考电压为芯片供电电压。考虑到系统供电是否为稳定的电压，故加一参考电压，其电路有电阻R23和D0二极管（硅管，压降0.7V）。通过转换D0端标准的电压来比较系统供电电压，较精确的计算出Ue电压。电阻R18~21取适当阻值，当单片机P3.3和P3.4都为低电平时，输入U2正、反相端电压都为3V。U2放大倍数为1。当P3.3置低、P3.4置高时，R14左端电压（RL端参考电压）为2V; 当P3.3置高、P3.4置低时R14左端电压为-2V; 当P3.3和P3.4都高时，R14左端电压为0V，测试电路停止测试。三种状态循环同电，+2V和-2V通电时间时间基本相同（具体有程序根据时间电压值决定），0V通电时间有用户输入的测量频率决定。

本传感器数据处理单元通过读取Ue的数值，经过数字滤波后并根据传感器已知的电极几何参数变化的位置值，再结合获取Ue突变、对比拟合水位高度与电流的一次线性关系式的系数，修正突变处附近的水位高度值，达到精确的测量水位。同时将系数值储存在芯片的EEPORM中。本传感器因电极变化位置已知，数据处理单元自动校核该传感器下水的电导率，故无需标定。

本数字传感器通过标准串口协议给使用机传递水位值，使用机可通过串口控制测量的频率。对于水位变化缓慢或实时性要求不是太高的场合，可以尽量降低观测频率，以减少水的极化，延长传感器精度和寿命。

Claims (3)

1.一种电阻式水位数字传感器，包括测试电路，其特征在于：还设有测量探头，所述的测量探头主要由绝缘圆管（1）、直电极（2）和折弯电极（3）构成，绝缘圆管（1）的上下两端均设有固定塞，下固定塞（4）上设有连通绝缘圆管内腔的进水孔（401），在上固定塞（5）上设有排气孔（501），直电极（2）和折弯电极（3）的底端设置在绝缘圆管内并固定在下固定塞（4）上，折弯电极（3）的折弯部（302）设置在绝缘圆管（1）内，直电极（2）和折弯电极（3）的上端穿过上固定塞（5）分别具有伸出端；

所述的折弯电极（3）由上连接部（301）、水平的折弯部（302）和下连接部（303）构成，上连接部（301）和下连接部（303）分别与折弯部（302）两端连接，折弯部（302）与下连接部（303）的连接处的夹角为90°。

2.根据权利要求1所述的一种电阻式水位数字传感器，其特征在于：所述的测试电路由探头电阻检测电路和数字信号处理电路组成，测量探头的两个输出端连接在探头电阻检测电路中，探头电阻检测电路的数据信号输入数字信号处理电路处理，通过检测出测量探头电流的变化来计算出水位的高度。

3.根据权利要求2所述的一种电阻式水位数字传感器，其特征在于：所述探头电阻检测电路由恒流源电路、交流信号驱动电路、电压比较负反馈电路、测量电压放大电路和滤波电路组成。

Images