CN209400052U - 一种高精度磁致伸缩电子水尺 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种高精度磁致伸缩电子水尺，属于磁致伸缩电子水尺技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种高精度磁致伸缩电子水尺；解决该技术问题采用的技术方案为：包括控制装置，所述控制装置的底部向下延伸设置有测杆，测杆的杆体上套设有浮球，浮球可以在测杆的杆体上滑动；控制装置的内部设置有控制电路板和变送器，控制电路板上集成有中央控制器，变送器上集成有数据采集模块，控制装置的顶部还设置有信号输出端口；中央控制器通过导线分别与数据采集模块、通信模块双向连接，所述通信模块通过RS485通信总线与监控服务器相连；中央控制器还连接有数据存储模块，中央控制器的电源输入端与电源模块相连；本实用新型应用于液位测量场所。
Description
技术领域
本实用新型一种高精度磁致伸缩电子水尺，属于磁致伸缩电子水尺技术领域。
背景技术
目前使用的电子水尺主要应用于江河湖泊、城市乡镇街道的水位监测，原理是基于水尺浮球与相应传感器的测量数据的反馈，可以达到2毫米测量精度；但在实际使用中，对电子水尺的测量精度提出了更高的要求，使电子水尺在功能上不再仅限于对外界水面数据进行测量，还要求对工业控制装置、水槽、罐体内液体的液位进行高精度测量；目前工业控制装置内部设置的液位传感器容易受到温度、液压等因素干扰影响测量精度，而使用磁致电子水尺可以克服该缺陷，提高测量精度。
实用新型内容
本实用新型为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种高精度磁致伸缩电子水尺；为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种高精度磁致伸缩电子水尺，包括控制装置，所述控制装置的底部向下延伸设置有测杆，所述测杆的杆体上套设有浮球，所述浮球可以在测杆的杆体上滑动；
所述控制装置的内部设置有控制电路板和变送器，所述控制电路板上集成有中央控制器，所述变送器上集成有数据采集模块，所述控制装置的顶部还设置有信号输出端口；
所述中央控制器通过导线分别与数据采集模块、通信模块双向连接，所述通信模块通过RS485通信总线与监控服务器相连；
所述中央控制器还连接有数据存储模块，所述中央控制器的电源输入端与电源模块相连。
所述中央控制器使用的芯片为控制芯片U1，所述中央控制器的电路结构为：
所述控制芯片U1的12脚、13脚、14脚、15脚分别与数据采集模块相连；
所述控制芯片U1的7脚并接电阻R5的一端、晶振JZ1的一端后与电容C6的一端相连，
所述控制芯片U1的8脚并接电阻R5的另一端、晶振JZ1的另一端后与电容C10的一端相连，所述电容C6的另一端并接电容C10的另一端后接地；
所述控制芯片U1的30脚、31脚、32脚分别与通信模块相连；
所述控制芯片U1的1脚、2脚、9脚、10脚、11脚、23脚、24脚、25脚、26脚分别与数据采集模块相连；
所述控制芯片U1的29脚与芯片复位端相连；
所述控制芯片U1的28脚与电源模块相连；
所述控制芯片U1的27脚与温度传感器的信号输出端相连；
所述控制芯片U1的20脚串接电容C5后接地；
所述控制芯片U1的18脚与AVCC电源相连。
所述数据采集模块使用的芯片为控制芯片U2，所述数据采集模块的电路结构为：
所述控制芯片U2的24脚、11脚、9脚、10脚分别与浮球的电磁传感输出端相连；
所述控制芯片U2的1脚与晶振模块Y1的输出端相连；
所述控制芯片U2的40脚与控制芯片U1的1脚相连；
所述控制芯片U2的41脚与控制芯片U1的14脚相连；
所述控制芯片U2的42脚与控制芯片U1的15脚相连；
所述控制芯片U2的2脚与控制芯片U1的12脚相连；
所述控制芯片U2的3脚与控制芯片U1的13脚相连；
所述控制芯片U2的4脚、17脚、25脚相互连接后接地；
所述控制芯片U2的5脚与控制芯片U1的23脚相连；
所述控制芯片U2的6脚与控制芯片U1的24脚相连；
所述控制芯片U2的7脚与控制芯片U1的25脚相连；
所述控制芯片U2的8脚与控制芯片U1的26脚相连；
所述控制芯片U2的12脚与控制芯片U1的2脚相连；
所述控制芯片U2的13脚与控制芯片U1的9脚相连；
所述控制芯片U2的14脚与控制芯片U1的10脚相连；
所述控制芯片U2的16脚与控制芯片U1的11脚相连。
所述通信模块使用的芯片为通信芯片U3，所述通信模块的电路结构为：
所述通信芯片U3的1脚与控制芯片U1的30脚相连；
所述通信芯片U3的2脚并接通信芯片U3的3脚、电阻R14的一端后与控制芯片U1的32脚相连，所述电阻R14的另一端接地；
所述通信芯片U3的4脚与控制芯片U1的31脚相连；
所述通信芯片U3的5脚接地；
所述通信芯片U3的6脚、7脚与信号输出端口相连；
所述通信芯片U3的8脚接VCC输入电源。
所述电源模块使用的芯片为功率芯片U4、U5，所述电源模块的电路结构为：
所述功率芯片U4的1脚并接功率芯片U4的2脚、5脚、6脚、电容C15的一端，有极电容C7的正极后与电源控制端相连；
所述功率芯片U4的3脚并接电阻R4的一端后与三极管Q1的集电极相连，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的基极串接电阻R6后与中央控制器相连；
所述功率芯片U4的4脚并接电阻R4的另一端后与3V电源输出端相连；
所述功率芯片U5的1脚并接功率芯片U4的2脚、5脚、6脚、电容C16的一端，有极电容C17的正极后与电源控制端相连；
所述功率芯片U5的3脚并接电阻R9的一端后与三极管Q2的集电极相连，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的基极串接电阻R10后与中央控制器相连；
所述功率芯片U5的4脚并接电阻R9的另一端后与3.3V电源输出端相连。
所述控制芯片U1的型号为ATMEGA168PA；
所述控制芯片U2的型号为XC9572XL；
所述通信芯片U3的型号为SP3485EN；
所述功率芯片U4、U5的型号为NTGS4111P。
本实用新型相对于现有技术具备的有益效果为：本实用新型提供的磁致伸缩电子水尺是基于磁致伸缩原理制造的高精度液位测量装置，在现有电子水尺结构的基础上进行结构改进，在浮球内设置的钢丝更细，同时对控制装置内部的数据采集及处理模块进行升级改造，可以使其在工业控制装置内部测量液位精度更高，响应速度更快，抗干扰能力更强，改造后的电子水尺测量精度可以达到0.2毫米；与导电橡胶位移传感器、磁栅位移传感器、电阻式位移传感器等液位测量装置相比，本实用新型结构简单，安装调试方便，免定期维护和标定，适用对各种液面的精确计量，不仅能在户外安装用于监测水位，还可应用于大坝安全检测、桥梁变型、气象蒸发量监测、石化系统、火力发电厂、医药生物制剂、酿造业，污水处理系统、水文水资源等领域的液位测量。
附图说明
下面结合附图对本实用新型做进一步说明：
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型的电路结构示意图；
图3为本实用新型中央控制器的电路图；
图4为本实用新型数据采集模块的电路图；
图5为本实用新型通信模块的电路图；
图6为本实用新型电源模块的电路图；
图中：1为控制装置、2为测杆、3为浮球、4为中央控制器、5为数据采集模块、6为信号输出端口、7为通信模块、8为监控服务器、9为数据存储模块、10为电源模块。
具体实施方式
如图1至图6所示，本实用新型一种高精度磁致伸缩电子水尺，包括控制装置1，所述控制装置1的底部向下延伸设置有测杆2，所述测杆2的杆体上套设有浮球3，所述浮球3可以在测杆2的杆体上滑动；
所述控制装置1的内部设置有控制电路板和变送器，所述控制电路板上集成有中央控制器4，所述变送器上集成有数据采集模块5，所述控制装置1的顶部还设置有信号输出端口6；
所述中央控制器4通过导线分别与数据采集模块5、通信模块7双向连接，所述通信模块7通过RS485通信总线与监控服务器8相连；
所述中央控制器4还连接有数据存储模块9，所述中央控制器4的电源输入端与电源模块10相连。
所述中央控制器4使用的芯片为控制芯片U1，所述中央控制器4的电路结构为：
所述控制芯片U1的12脚、13脚、14脚、15脚分别与数据采集模块5相连；
所述控制芯片U1的7脚并接电阻R5的一端、晶振JZ1的一端后与电容C6的一端相连，
所述控制芯片U1的8脚并接电阻R5的另一端、晶振JZ1的另一端后与电容C10的一端相连，所述电容C6的另一端并接电容C10的另一端后接地；
所述控制芯片U1的30脚、31脚、32脚分别与通信模块7相连；
所述控制芯片U1的1脚、2脚、9脚、10脚、11脚、23脚、24脚、25脚、26脚分别与数据采集模块5相连；
所述控制芯片U1的29脚与芯片复位端相连；
所述控制芯片U1的28脚与电源模块10相连；
所述控制芯片U1的27脚与温度传感器的信号输出端相连；
所述控制芯片U1的20脚串接电容C5后接地；
所述控制芯片U1的18脚与AVCC电源相连。
所述数据采集模块5使用的芯片为控制芯片U2，所述数据采集模块5的电路结构为：
所述控制芯片U2的24脚、11脚、9脚、10脚分别与浮球3的电磁传感输出端相连；
所述控制芯片U2的1脚与晶振模块Y1的输出端相连；
所述控制芯片U2的40脚与控制芯片U1的1脚相连；
所述控制芯片U2的41脚与控制芯片U1的14脚相连；
所述控制芯片U2的42脚与控制芯片U1的15脚相连；
所述控制芯片U2的2脚与控制芯片U1的12脚相连；
所述控制芯片U2的3脚与控制芯片U1的13脚相连；
所述控制芯片U2的4脚、17脚、25脚相互连接后接地；
所述控制芯片U2的5脚与控制芯片U1的23脚相连；
所述控制芯片U2的6脚与控制芯片U1的24脚相连；
所述控制芯片U2的7脚与控制芯片U1的25脚相连；
所述控制芯片U2的8脚与控制芯片U1的26脚相连；
所述控制芯片U2的12脚与控制芯片U1的2脚相连；
所述控制芯片U2的13脚与控制芯片U1的9脚相连；
所述控制芯片U2的14脚与控制芯片U1的10脚相连；
所述控制芯片U2的16脚与控制芯片U1的11脚相连。
所述通信模块7使用的芯片为通信芯片U3，所述通信模块7的电路结构为：
所述通信芯片U3的1脚与控制芯片U1的30脚相连；
所述通信芯片U3的2脚并接通信芯片U3的3脚、电阻R14的一端后与控制芯片U1的32脚相连，所述电阻R14的另一端接地；
所述通信芯片U3的4脚与控制芯片U1的31脚相连；
所述通信芯片U3的5脚接地；
所述通信芯片U3的6脚、7脚与信号输出端口6相连；
所述通信芯片U3的8脚接VCC输入电源。
所述电源模块10使用的芯片为功率芯片U4、U5，所述电源模块10的电路结构为：
所述功率芯片U4的1脚并接功率芯片U4的2脚、5脚、6脚、电容C15的一端，有极电容C7的正极后与电源控制端相连；
所述功率芯片U4的3脚并接电阻R4的一端后与三极管Q1的集电极相连，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的基极串接电阻R6后与中央控制器4相连；
所述功率芯片U4的4脚并接电阻R4的另一端后与3V电源输出端相连；
所述功率芯片U5的1脚并接功率芯片U4的2脚、5脚、6脚、电容C16的一端，有极电容C17的正极后与电源控制端相连；
所述功率芯片U5的3脚并接电阻R9的一端后与三极管Q2的集电极相连，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的基极串接电阻R10后与中央控制器4相连；
所述功率芯片U5的4脚并接电阻R9的另一端后与3.3V电源输出端相连。
所述控制芯片U1的型号为ATMEGA168PA；
所述控制芯片U2的型号为XC9572XL；
所述通信芯片U3的型号为SP3485EN；
所述功率芯片U4、U5的型号为NTGS4111P。
本实用新型主要由控制装置壳体、测杆、和套在测杆上的非接触的磁环即浮球构成，所述测杆内设置有磁致伸缩线；基本原理为：由中央控制器向外发送一个起始脉冲信号，该起始脉冲信号在磁致伸缩线中传输时，同时产生了一个沿伸缩线方向前进的旋转磁场，当这个磁场与浮球磁环中的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应，使伸缩线发生扭动，产生扭动脉冲信号，这一扭动脉冲信号将被安装在控制装置内的拾能机构即数据采集模块所感知，并将其转换成相应的电流脉冲，通过中央控制器计算得出两脉冲信号起始和返回之间的时间差，即可精确测出当前页面高度数据及高度位移情况。
本实用新型为提高测量精度，在现有电子水尺的电路上加装了CPLD部分电路，作为数据采集模块，可以使对脉冲信号的采样速率由原来8MHz提高到100MHz，比现有电子水尺测量精度提高10倍左右，精度最高可达到0.1毫米；
本实用新型的工作原理为：首先由控制芯片U1向外发出询问电流脉冲，该电流脉冲沿着测杆传感探棒内的磁致伸缩波导丝向下传输，发出的电流脉冲将产生一个环行磁场，在传感探棒外设置有相应浮球，悬浮于变化的液面上随液面变化上下飘动；浮球内设置有一组永磁铁，并产生一个磁场，当发出的询问电流脉冲磁场沿波导丝传输并与浮球磁场相互作用时，在波导丝上产生一个“扭曲”脉冲或称“返回”脉冲，由控制芯片U2接收该脉冲信号，并将其反馈回控制芯片U1，中央控制器根据“返回”脉冲与询问电流脉冲的间隔时间，计算出浮球的实际位置，从而精确测得液位数值。
在具体使用时，本实用新型由控制芯片U1通过功率芯片U4和U5给模拟电路供电，然后由控制芯片U1发送开始信号给控制芯片U2，由控制芯片U2发送激励信号给模拟电路，由模拟电路发出激励脉冲给测杆，然后测杆返回“返回脉冲”给模拟电路，模拟电路对返回脉冲信号进行信号处理，然后将处理后的信号发送给控制芯片U2进行进一步处理，再将处理结果数据返回控制芯片U1，同时控制芯片U1采集环境温度值，在中央控制器中对数据做进一步的滤波、处理、计算、温度补偿后，最终得到精度达到0.1mm的高度值，并通过通信芯片U3发送到监控服务器。
本实用新型同时外接有通信端口，可以与外界监控服务器建立连接，实时反馈监测数据，外部服务器也可根据实际需要，内置相应管控软件，使其具备数据分析显示，危险预警等功能，所述通信芯片U3通信端口具体为RS485协议端口，具有传输速度快，相应时间短，容错率低等优点。
本实用新型提供的高精度电子水尺性能指标如下：水位测量精度为±0.1mm，分辨率为0.03mm，采用通信协议为RS485有线端口，通讯协议Modbus-RTU，测量液体温度范围为-10℃至60℃（不结冰状态下），液位测量范围为0-1000mm，内部模块供电电源规格为6-12V直流电，功耗参数：采样时小于80mA，通讯时小于5mA，睡眠时小于3mA；本实用新型具备高精度、高稳定性、高可靠性测量、非接触式测量，使用寿命长、功耗低，巡检速度快，响应灵敏度高，防雷击、抗射频干扰。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种高精度磁致伸缩电子水尺，其特征在于：包括控制装置（1），所述控制装置（1）的底部向下延伸设置有测杆（2），所述测杆（2）的杆体上套设有浮球（3），所述浮球（3）可以在测杆（2）的杆体上滑动；
所述控制装置（1）的内部设置有控制电路板和变送器，所述控制电路板上集成有中央控制器（4），所述变送器上集成有数据采集模块（5），所述控制装置（1）的顶部还设置有信号输出端口（6）；
所述中央控制器（4）通过导线分别与数据采集模块（5）、通信模块（7）双向连接，所述通信模块（7）通过RS485通信总线与监控服务器（8）相连；
所述中央控制器（4）还连接有数据存储模块（9），所述中央控制器（4）的电源输入端与电源模块（10）相连。
2.根据权利要求1所述的一种高精度磁致伸缩电子水尺，其特征在于：所述中央控制器（4）使用的芯片为控制芯片U1，所述中央控制器（4）的电路结构为：
所述控制芯片U1的12脚、13脚、14脚、15脚分别与数据采集模块（5）相连；
所述控制芯片U1的7脚并接电阻R5的一端、晶振JZ1的一端后与电容C6的一端相连，
所述控制芯片U1的8脚并接电阻R5的另一端、晶振JZ1的另一端后与电容C10的一端相连，所述电容C6的另一端并接电容C10的另一端后接地；
所述控制芯片U1的30脚、31脚、32脚分别与通信模块（7）相连；
所述控制芯片U1的1脚、2脚、9脚、10脚、11脚、23脚、24脚、25脚、26脚分别与数据采集模块（5）相连；
所述控制芯片U1的29脚与芯片复位端相连；
所述控制芯片U1的28脚与电源模块（10）相连；
所述控制芯片U1的27脚与温度传感器的信号输出端相连；
所述控制芯片U1的20脚串接电容C5后接地；
所述控制芯片U1的18脚与AVCC电源相连。
3.根据权利要求2所述的一种高精度磁致伸缩电子水尺，其特征在于：所述数据采集模块（5）使用的芯片为控制芯片U2，所述数据采集模块（5）的电路结构为：
所述控制芯片U2的24脚、11脚、9脚、10脚分别与浮球（3）的电磁传感输出端相连；
所述控制芯片U2的1脚与晶振模块Y1的输出端相连；
所述控制芯片U2的40脚与控制芯片U1的1脚相连；
所述控制芯片U2的41脚与控制芯片U1的14脚相连；
所述控制芯片U2的42脚与控制芯片U1的15脚相连；
所述控制芯片U2的2脚与控制芯片U1的12脚相连；
所述控制芯片U2的3脚与控制芯片U1的13脚相连；
所述控制芯片U2的4脚、17脚、25脚相互连接后接地；
所述控制芯片U2的5脚与控制芯片U1的23脚相连；
所述控制芯片U2的6脚与控制芯片U1的24脚相连；
所述控制芯片U2的7脚与控制芯片U1的25脚相连；
所述控制芯片U2的8脚与控制芯片U1的26脚相连；
所述控制芯片U2的12脚与控制芯片U1的2脚相连；
所述控制芯片U2的13脚与控制芯片U1的9脚相连；
所述控制芯片U2的14脚与控制芯片U1的10脚相连；
所述控制芯片U2的16脚与控制芯片U1的11脚相连。
4.根据权利要求3所述的一种高精度磁致伸缩电子水尺，其特征在于：所述通信模块（7）使用的芯片为通信芯片U3，所述通信模块（7）的电路结构为：
所述通信芯片U3的1脚与控制芯片U1的30脚相连；
所述通信芯片U3的2脚并接通信芯片U3的3脚、电阻R14的一端后与控制芯片U1的32脚相连，所述电阻R14的另一端接地；
所述通信芯片U3的4脚与控制芯片U1的31脚相连；
所述通信芯片U3的5脚接地；
所述通信芯片U3的6脚、7脚与信号输出端口（6）相连；
所述通信芯片U3的8脚接VCC输入电源。
5.根据权利要求4所述的一种高精度磁致伸缩电子水尺，其特征在于：所述电源模块（10）使用的芯片为功率芯片U4、U5，所述电源模块（10）的电路结构为：
所述功率芯片U4的1脚并接功率芯片U4的2脚、5脚、6脚、电容C15的一端，有极电容C7的正极后与电源控制端相连；
所述功率芯片U4的3脚并接电阻R4的一端后与三极管Q1的集电极相连，所述三极管Q1的发射极接地，所述三极管Q1的基极串接电阻R6后与中央控制器（4）相连；
所述功率芯片U4的4脚并接电阻R4的另一端后与3V电源输出端相连；
所述功率芯片U5的1脚并接功率芯片U4的2脚、5脚、6脚、电容C16的一端，有极电容C17的正极后与电源控制端相连；
所述功率芯片U5的3脚并接电阻R9的一端后与三极管Q2的集电极相连，所述三极管Q2的发射极接地，所述三极管Q2的基极串接电阻R10后与中央控制器（4）相连；
所述功率芯片U5的4脚并接电阻R9的另一端后与3.3V电源输出端相连。
6.根据权利要求5所述的一种高精度磁致伸缩电子水尺，其特征在于：所述控制芯片U1的型号为ATMEGA168PA；
所述控制芯片U2的型号为XC9572XL；
所述通信芯片U3的型号为SP3485EN；
所述功率芯片U4、U5的型号为NTGS4111P。
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|---|---|---|---|
| CN201920372729.XU CN209400052U (zh) | 2019-03-22 | 2019-03-22 | 一种高精度磁致伸缩电子水尺 |
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| CN201920372729.XU CN209400052U (zh) | 2019-03-22 | 2019-03-22 | 一种高精度磁致伸缩电子水尺 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109813396A (zh) * | 2019-03-22 | 2019-05-28 | 太原尚水测控科技有限公司 | 高精度磁致伸缩电子水尺 |
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2019
- 2019-03-22 CN CN201920372729.XU patent/CN209400052U/zh not_active Withdrawn - After Issue
Cited By (2)
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| CN109813396A (zh) * | 2019-03-22 | 2019-05-28 | 太原尚水测控科技有限公司 | 高精度磁致伸缩电子水尺 |
| CN109813396B (zh) * | 2019-03-22 | 2024-11-05 | 太原尚水测控科技有限公司 | 高精度磁致伸缩电子水尺 |
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