基于DZ-H擴散硅液位變送器的水位測量系統設計

徐 磊，時維鐸，邢玉秀，徐 振，李 陽

（南京林業大學信息科學技術學院，江蘇南京 210037）

0 引言

水位監測在航道船閘、碼頭、水庫、水文站等場合起著至關重要的作用，目前，國內主要采用浮子式水位計、壓力式水位計、超聲波水位計等作為測量工具。但浮子式水位計受水底的淤積等影響較大，不能夠實時的傳送數據，還需要定時的進行人工維護，耗時耗力;壓力式水位計容易受溫度、水流的影響，導致讀數不穩定;超聲波水位計可以實時的傳送數據，但是投入成本比較高，安裝麻煩，受傳播介質的影響也比較大。擴散硅投入式液位變送器能夠克服以上缺點，直接投入到被測量的液體中進行測量，不受水底淤積的影響，可以實時的進行數據傳送，制作成本低，使用方便。但是，目前擴散硅投入式液位變送在國內沒有得到廣泛的應用，技術還不成熟，需要進一步的探索、研究［1～3］。

1 DZ-H擴散硅液位變送器工作原理

DZ-H擴散硅液位變送器是一種可以直接將水位轉換為標準電信號，以便二次儀表使用的器件，它安裝方便、結構簡單、經濟耐用，能夠實時監測水位的變化，可廣泛應用于河道、航道船閘水位監測、污水處理、高樓水池、水文地質等場合。

DZ-H擴散硅液位變送器可以直接投入被測介質里進行測量，與其它的傳感器相比，使用起來更加方便快捷。被測介質的壓力直接作用于傳感器的膜片上（不銹鋼或陶瓷），使膜片產生與介質壓力呈正比的微位移，使傳感器的等效電阻值R變為R'，根據擴散硅的特性可知

式中d1為擴散硅的壓阻特性系數;d2為擴散硅受力與發生位移的線性比例系數;p為傳感器所在介質位置的壓強;S為傳感器膜片的面積。

當液位變送器投入到被測液體中時，傳感器受到的壓力為

式中 ρ為被測液體密度;g為當地重力加速度;po為液面上大氣壓;H為變送器投入到液體的深度。

DZ-H擴散硅液位變送器采用+24V的直流電源供電，根據伏安特性

式中E為電源電壓;R'為傳感器受壓后的阻值;r為250 Ω的采樣電阻，r?R'，忽略r的大小

綜合式（1）、式（2）、式（4）可得

由式（5）可知，液體的深度H與測得的電流I呈線性關系，傳感器輸出4～20 mA的標準電流信號。但是由于空氣大氣壓po的存在，給輸出信號帶來了4 mA的偏置電流，可以通過硬件的方法進行校正。

2 系統結構設計

本設計采用STC12C5A60S2單片機作為控制器，對采集得到的數據進行處理。單片機可采集的信號為0～5 V標準電壓信號，而變送器輸出的是4～20 mA標準電流信號，因此，需要設計壓流轉換電路將標準的電流信號轉換為電壓信號。本設計通過與變送器串接250 Ω相對誤差為0.1%的高精密采樣電阻器，將電流信號轉換為1～5 V的電壓信號，然后通過一個高阻抗的差動放大電路，將減去1 V的基值電壓，得到0～4 V的電壓信號，再經過運算放大器放大1.25倍，最后得到標準的0～5 V電壓信號，送給單片機進行數據處理和顯示，系統的總體結構框圖如圖 1所示［4，5］。

圖1 系統總體結構框圖Fig 1 Overall structure block diagram of system

2.1 傳感采集電路的設計

DZ-H擴散硅液位變送器是電流型變送器，采用+24 V電源供電，將測量水深轉換為4～20 mA的標準電流信號，本設計采用250 Ω精度為0.1%的精密電阻器作為壓流轉換元件，得到1～5 V的電壓信號，供后面的電路進行處理，其模塊電路如圖2所示。

2.2 帶零點補償的差分放大電路

為了得到0～5 V的標準電壓信號，就必須將傳感采集模塊得到的1～5 V的電壓信號減掉1 V的基值電壓，然后再進行放大，因此，需要設計提供1 V電壓的零點補償電路。本設計采用電壓細分技術，可以精確地得到0.8～1.3 V之間的任意電壓，不僅滿足了系統的要求，還能減小系統誤差。

得到0～4 V的電壓信號后，要想得到0～5 V的標準電壓信號，需要將其放大1.25倍，供單片機處理使用。本設計首先用電壓跟隨器，來隔離采集電路和放大電路之間，防止2個模塊電路相互干擾。采用高阻抗差分放大電路，具有差分電路的性能，不僅可以抑制共模信號造成的偏差，還可以在一定程度上抑制溫度漂移。在2個運放LM 324的反相輸入端，用1kΩ的固定電阻器和2kΩ的滑動變阻器代替2 kΩ的固定電阻器，這樣可以精確調節放大倍數，確保放大倍數為1.25，減小系統的誤差，其模塊電路圖如圖3所示。

圖2 傳感器采集模塊電路Fig 2 Circuit of sensor acquisition module

圖3 高阻抗差分放大電路Fig 3 Circuit of high impedance differential amplifier

2.3 單片機最小系統電路與顯示電路

本系統采用STC12C5A60S2單片機作為總的控制器，進行數據的處理。STC12C5A60S2自身帶有10位的A/D轉換器，完全可以滿足本系統對轉換精度的要求。

擴散硅變送器輸出的電流信號經過處理后，最后轉換為標準的電壓信號，送給單片機進行處理，經過一系列的數據運算后，轉換為4位十進制數據，用數碼管SM4105進行顯示。數碼管采用74LS164進行驅動，并采用虛擬I/O口技術，通過I2C數據總線將數據傳送給74LS164，驅動數碼管進行顯示。

另外，DZ-H擴散硅變送器需要用到+24 V電源供電，而單片機和顯示模塊需要+5V電源供電，為了避免因設備工作時需要多路電源供電帶來的不便，本系統采用B2405S電壓轉換模塊，將+24 V的電壓直接轉換為+5 V電壓，供單片機使用，也使設備的安裝更加簡捷［6～8］。

3 軟件設計

軟件部分對單片機和液位傳感器的初始化，并對采集到的電壓進行保留2位小數的處理，然后對采集到的電壓進行A/D轉換，并對A/D轉換的結果Res進行分段處理。通過對大量實驗數據的分析，得知各段的水深值Disp和A/D轉換的結果Res之間均是線性關系，符合Disp=k·Resb的形式，但不同段的Res值對應的k和b的值不同。不同段的Res值經過不同的運算之后，最后將處理后的值保存在Disp，送顯示模塊進行顯示，系統的軟件流程如圖4。

圖4 程序流程圖Fig 4 Program flow chart

4 實驗結果

1）溫度對DZ-H擴散硅變送器的影響

DZ-H擴散硅變送器的工作溫度在-20～60℃，將變送器分別放在不同的水溫下，測量不同深度時變送器的輸出電流，轉換為測量深度后與實際深度作對比，得到的結果如表1所示。

表1 不同深度下溫度對變送器的影響Tab 1 Influence of temperature on transmitter under different depth

對上表的數據進行分析可以看出:在DZ-H擴散硅變送器的工作溫度范圍之內，隨著溫度的上升，變送器的輸出電流略有上升，當快要達到變送器的極限工作溫度時，會有較大的變化，由于溫度變化引起的最大溫漂誤差為0.07 mA/℃，平均溫漂誤差為 0.06 mA/℃。因此，在變送器的工作溫度范圍之內，溫度對變送器測量精度的影響可以忽略。

2）DZ-H擴散硅變送器測量液位的數據分析

在采用二線式擴散硅液位變送器進行水深測量時，根據變送器的工作原理p=ρ·g·H+po，實際由水深產生的壓強，等于測量得到的壓強減去水面上由于大氣壓產生的壓強po［9，10］。但是由于變送器受到試驗環境里水流等的影響，再加上元器件本身的制造工藝誤差等原因，導致試驗結果無法避免地存在誤差。2013年5月4日，在南京市中山碼頭進行了測試，對得到的數據如表2所示。

表2 測量深度和實際深度的比較Tab 2 Comparison of measured depth and actual depth

對數據進行分析，得到本次測試結果的最大偏差為0.04 m，最大相對誤差為2%，平均相對誤差為0.775%，同時從Matlab仿真對比的曲線看出:實際水深和測量值的曲線幾乎重合，只在個別數據有較大偏離，但總體上還是可以達到對精度的要求。

根據以上測得的實驗數據，在Matlab里進行繪圖，得到實際水深與電流的曲線，如圖5所示。

圖5 實際水深和測量值與電流在同一坐標下的曲線Fig 5 Curve of actual water depth，measured values and current in the same coordinate

5 結論

本文針對目前國內水位監測控制存在的弊端，設計了一種基于DZ-H擴散硅變送器的水位測量系統。通過對測量數據的分析，DZ-H擴散硅變送器在工作的溫度范圍內，隨著溫度的上升，測量結果會略有上升，但是溫漂引起的誤差比較小，在可以接受的范圍內。對水位的測量也比較準確，完全滿足航道船閘水位監測對精度的要求，在航道船閘水位監測領域中有具有較好的應用前景。

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