一種高可靠性電極式水位傳感器模型研究

鄧 柳

（長江職業學院，湖北武漢，430074）

0 引言

水位測量技術的應用在日常生活隨處可見。與工業、家用電器中的應用不同，河流的水位測量，是水利信息化工程中的重要環節，關系到人民安全、生活環境等民生問題。水位測量離不開傳感器，經調查，河流的水位測量工作中，經常使用的水位傳感器主要有超聲波式、壓力式等。超聲波式水位傳感器是一種利用超聲波遇到障礙物后反射的原理，將距離轉換成時間進行測量的傳感器。使用時，將超聲波探頭固定在水面上一定距離，通過計算發送超聲波與接觸水面后返回的超聲波之間的時間差，獲得探頭與水面的距離，從而計算出水位，超聲波傳感器不能克服水面波動造成的影響；壓力式傳感器是一種投入式傳感器，利用了水的深度與壓強的數學關系，通過計算傳感器承受的壓強，間接獲得水位值。壓力式傳感器測量精度較高，但測量精度易受到環境因素影響，信號處理難度高，因此價格昂貴。電極式水位測量方法一般用在工廠鍋爐汽包水位的測量中，將電極直接與水和蒸汽接觸，利用蒸汽環境和水的電導率不同，通過電路變換進而得出水位值。電極式水位傳感器測量過程中不受環境因素影響，數據穩定，誤差為等精度誤差，也適合于河流的水位測量。然而，在鍋爐汽包測量中，電極長期處于高溫高濕的環境中，極易發生結垢、腐蝕，需要定期更換電極。河流的水位測量環境惡劣，也要考慮電極的腐蝕等問題。研究電極的防腐技術，構建高可靠性的電極式水位傳感器模型，應用于河流的水位測量，具有極大的應用價值。

1 數字邏輯模型

參考傳統的水位測量尺外型，設計出的電極式水位傳感器模型的外觀及電路模型如圖1所示。

從外觀可知，傳感器設計成窄條狀，長度可固定為1m，主要部件包括公共電極、檢測電極、通信電纜、防水灌封膠、防水外殼等。其中，檢測電極從上到下等距排列，一般可設置成1cm，一個傳感器共包含1 00個檢測電極。公共電極根據其驅動能力并考慮一定的驅動裕量，每10cm放置一個。易知，檢測電極間的距離決定了傳感器的測量精度。傳感器的工作原理為：測量水位時，將傳感器全部或部分浸入水中，利用水的導電原理，沒入水中的檢測電極與公共極導通，水面以上的電極與公共極不導通，在公共極上設置高電平，通過計算檢測電極中電平為高電平的電極的個數即可得到水位值。傳感器通信協議采用標準MODBUS協議，利于多個傳感器縱向級聯，以測量更深的水位。

圖1中，基于CPLD設計出檢測電極的信號采集數字邏輯和與單片機通信的時序接口。單片機與CPLD同步工作，獲得檢測電極的狀態，經過計算獲得水位值后，通過變送器向上位機傳送帶有水位數據信息的標準MODBUS格式的數據。其中，CPLD內部邏輯采用13個8位并入串出（具有串入串出級聯功能）移位寄存器級聯而成。經綜合后的symbol如圖2所示。

其中，lock引腳為鎖存引腳，低電平有效，可在公共電極窄脈沖發送并穩定的同時，對檢測電極的感應電平進行鎖定，防止公共電極的窄脈沖撤銷后檢測電極無法感應水位；d_in[99..0]表示100個檢測電極輸入端；clk為同步時鐘信號；d_out為串行數據信號；單片機通過clk、d_out引腳讀取CPLD中鎖存的檢測電極電平數據。針對以上邏輯進行仿真，結果如圖3所示。

從仿真結果可知，基于CPLD設計的檢測電極信號采集模型中，能正確鎖定100個檢測電極的電平值，且能通過同步串行接口與MCU通信，邏輯正確，符合傳感器的邏輯要求。

2 電極電路模型

電極式水位傳感器的可靠性問題主要體現在如何防止電極的電化腐蝕。根據傳感器的工作原理，公共電極上需要高電平，才能在檢測電極上獲得高電平從而正常檢測水位，然而，公共電極一直處于高電平顯然會加重電極的電化腐蝕，電蝕的程度與通電時間及電流大小成正比]。基于以上分析，經過大量的實驗對比，提出降低電化腐蝕的主要手段是給電極加交流信號或采用微電流來驅動電極。

2.1 電極電路模型設計

根據電極防電化腐蝕思路，設計出如圖4所示的電極電路模型。

可見，圖4所示電路模型中，AB兩點通過電容與內部電路直流隔離。工作時A、B兩點瞬時電壓分析計算如下：

根據傳感器的工作原理，公共電極驅動信號采用頻率較低的脈沖信號f(t)，其數學表達式可表示為：

其中，A為脈沖信號的振幅，τ為信號的脈沖寬度。信號的波形如圖5所示：

設公共電極A點的電壓為yA(t)，可以視其為在激勵為f(t)下零狀態響應。其復頻域的表達式為：

令 k=(R1+R2)C，有：

進行拉普拉斯反變換可得時域表達式:

其理論時域波形如圖6所示。

設檢測電極B點的電壓為yB(t)，也可以視其為在激勵為f(t)下零狀態響應。其復頻域的表達式為：

令 k=(R1+R2)C，k2=R2C，有：

進行拉普拉斯反變換可得時域表達式:

由表達式可知，yB(t)的時域波形與yA(t)類似，只是在振幅上略小于后者。若R2＞＞R1，則k2≈ k，yB(t)≈ yA(t)。

經過仿真和實測，A、B兩點的波形如圖7所示。該波形測試條件為：R1=10k，R2=200k，C=1uf，f(t)為A=5V、占空比為10%、f=1Hz的脈沖信號。示波器水平靈敏度200ms/div，垂直靈敏度2v/div。可見，該波形基本與理論計算相符，只是由于電容存在一定程度的漏電、水體電阻變化等因素影響，出現了一定的直流偏移。

通過以上分析可知，采用圖4所示的電極電路模型，在公共極驅動信號為窄脈沖信號的條件下，公共電極和檢測電極上都能得到正負交替電壓信號。合理選擇振幅A、脈沖寬度τ，則yB(t)很容易滿足檢測電極所連接的數字電路的閾值電壓要求，從而被檢測電極檢測到。

表1給出了三種不同電極驅動方式下的傳感器壽命對比。可見，圖4所示電極電路模型采用了直流隔離、交變驅動電極、微功耗驅動等處理方式，使浸入水中的電極具有直流為零、電壓正負交替的特點，從而將電化腐蝕降至最低，并能在一定程度上保護電極，延長傳感器壽命。

表1 三種不同電極驅動方式下的傳感器壽命

3 結論

對用于鍋爐汽包水位測量的電極式水位傳感器進行重新設計，提出了應用于河流、水庫等水利系統的電極式水位傳感器數字邏輯模型和高可靠性電極電路模型，提出使用交變窄脈沖作為公共電極的驅動信號，并將電極與內部電路直流隔離；長時間的現場實驗數據表明，基于該模型的水位傳感器使用壽命具有明顯延長。電極式水位傳感器在測量精度、抗干擾、遠距離通信、系統集成等方面具有較大的優勢，克服電極式水位傳感器的可靠性問題，對于該傳感器的推廣使用、水位測量的信息化具有較大的意義。

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