具有串行數據輸出功能的液位傳感器的研究與設計

具有串行數據輸出功能的液位傳感器的研究與設計

作者：徐立中

 

 

 

 

       液位測量是水電站、水庫等水利樞紐工程及化工石油等自動化系統的重要參數。隨著自動化程度的提高，對液位傳感器的要求不僅能提高高質量的液位高度至電量的轉換，而且能夠方便地與上位機聯網，組成計算機要測系統。

       本文研究河道、明渠、開始池、油罐等液位測量傳感器與數據傳輸的設計。介紹一種浮子式液位傳感器/發送器，它具有量程大分辨率高（可做到輸出數據達32000個）的特點。這種機電一體化傳感器集液位測量與數據發送于一體，不僅能將液位高程轉換成電信號，而且能夠將并行的數字信號轉換成RS232或RS422A串行接口標準的信號輸出，便于以總線形式與上位機數據通信。

本文主要從三個方面對這種機電一體化傳感器進行分析研究和設計：

·采用接觸式軸角編碼器作為A/D轉換部件；

·采用8751單片機實現對編碼器輸出的并行數據進行修正并轉換成串行輸出；

·傳感器與上位機的通信聯網問題。

2.大量程高分辨率浮子式液位傳感器的設計研究

2.1采用機械接觸式軸角編碼器作液位~數字量轉換

       本傳感器采用軸角編碼器儀精密變速機構、大掛輪、不銹鋼測繩、重錘和浮子構成，浮子以穩定的吃水線漂浮在水面上，當液位變化時，浮子也隨之上升或下降，同浮子連接的測繩帶動大掛輪作旋轉運動，并通過傳感器內部的變速機構帶動編碼器轉動，從而輸出與液位對應的數字編碼。為了實現大量程高分辨率的液位測量，軸角編碼器是測量傳感器的核心部件、軸角編碼器的可選方案有兩種：一種是光電編碼器，一種是機械接觸式編碼器。其中又分為增量型和絕對型編碼器。由于增量型編碼器在斷電時數據丟失，需要重新校正液位基準，這在實際使用中是不能容忍的，因此適值采用絕對型編碼器，使之具有斷電記憶功能。當掉電再恢復后，編碼器的輸出仍為即時水位。

       另外，由于測量范圍大，讀數要求精度又高，尤其是一些高水位變幅的水電站水位測量及油罐的液位測量，要求絕對型編碼器的輸出數據達0-32000，分辨率達1/32000，這時，用于水位的測量變幅可達0-160m，讀數精度可達5mm，若用于尤為測量可達0-32m，讀數精度可達1mm，就絕對型光電編碼器而言，做到輸出2048個輸出數據以上的比較困難。但是采用雙極接觸式軸角編碼器就比較容易做到16000個數據以上。因此我們采用機械式編碼器作為液位~數字量的轉換部件。

        機械接觸式軸角編碼器，集檢測和模擬量轉換功能為一體，是一種自動測角A/D轉換裝置，它能將軸角變化的模擬量轉換為數字量，實現角位移信息量的輸出。它應用平面印制工藝在絕緣襯板上制作圓形導電圖形，利用電刷在不同角度對接觸到的不同導電部位，反映出不同讀出結果的數字。編碼器主要技術參數：讀數范圍可做到32000；分辨率1/32000；讀數誤差±1個字；編碼方式：格雷碼是二進制碼；級數2；壽命2*10四次方轉。

2.2防打滑措施的設計考慮

        這種數字量輸出的編碼器，它的讀數誤差不隨量程的增大而變化，最大讀數誤差總是±1個字，即±·個數字位，給液位傳感器測量精度帶來粗大誤差的原因主要是栓掛浮子的不銹鋼測繩與帶動編碼器旋轉的大掛輪之間的打滑現象。在測量水電站的水輪機出水口的尾水水位時，由于尾水水 位波動較大，這種打滑現象尤其嚴重?？朔蚧F象的辦法大致有三種：

（1）V型槽方法

       大掛輪的輪周上加工成V形槽，測繩壓在大掛輪的V形槽之內，以增加摩擦力。而不采用大掛輪的輪周撒花姑娘加工成矩形槽，測繩壓在矩形槽底部（矩形槽寬度大于測繩直徑）的方法。

（2）穿孔鋼帶方法

       測繩采用穿孔鋼帶，大掛輪采用帶輪，即輪周上均布有定位銷，鋼帶上的均勻穿孔卡在定位銷上，由定位銷帶動鋼帶運動，有效的防止了打滑。

（3）測繩上嵌有塑料圓珠方法

       不銹鋼測繩采用直徑1.2mm，在測繩上均勻等長嵌有塑料圓珠，大掛輪輪軸上均布有凹園孔，測繩上的塑料園珠卡在凹園孔內，由凹園孔帶動測繩運動，防止打滑。這種方法由于鋼繩的扭曲強度高于穿孔鋼帶，很適合于測井水位旋渦強及波動大的場合，曾用于水電站尾水水位的測量，試用中發現穿孔鋼帶使用不帶一個月即被旋渦扭斷，換上帶珠鋼繩后使用一年仍未發生扭斷。

3.編碼轉換與并/串轉換

       液位傳感器輸出的是并行數字編碼信號，低位為9位，高位為10位，加上導電環一共20位?？紤]到測量點數較多，如果直接傳輸則需要每點20芯屏蔽電纜，是比增加鋪設工作量和成本。如果采用MCS-51自立為薩威8751單片機將并行編碼轉換成串行編碼輸出，則可節省電纜成本。另一個主要的原因是便于多個傳感器聯網。

       MCS-51系列的8751單片機芯片內部帶有4KEPROM，外部不需要另加EPROM，可節省空間。裝有8751單片機的電路板裝在液位傳感器外殼內，使傳感器具有智能、一體化特點。8751主要完成下述2個功能：

（1）編碼器輸出的是低位格雷碼+高位二進制碼，將此并行編碼制轉成存直讀的液位高度（BCD）。

（2）將液位高度經串行口TXD,RXD輸出。

4、結構形式

       智能型液位傳感器/發送器做成一體化，即傳感器與8751單片機電路板均做在一個機殼內。浮子上下浮動通過測繩帶動大掛輪旋轉，使傳感器輸入軸隨之旋轉，經變速齒輪后傳遞給低位碼盤，低位碼盤再經變速齒輪傳遞給高位碼盤，低位碼盤轉動一圈，高位轉動一個數字位，低位碼盤和高位輸出的并行編碼直接送入8751的P口，8751單片機裝在電路板上與傳感器組成一體化結構。

5.系統聯網

5.1RS422串口輸出

       不帶8751單片機的傳感器輸出是并行編碼，它與遠方計算機的聯結拓撲結構只能是星型結構，傳感器至遠方中控室計算機的電纜至少需20芯屏蔽電纜，有多少液位測點就須鋪設多少根電纜，所帶來的缺點是鋪設工作量大和成本高。

       一體化的液位傳感器/發送器遠方中空室計算機的聯網可采用總線型拓撲結構，由于是RS422A串行接口，電纜的芯數為4芯，與原20芯電纜相比，電纜芯數大為降低，另外總線型結構的電纜鋪設方式可以串級聯結，這使得鋪設電纜的長度也可能大為減少。

5.2RS232串口輸出

       該一體化傳感器也能夠以RS232標準輸出。當用于水情要測系統中的水位測量時便于與數傳電臺直接連接，特別適用于自報式系統中的無人值守水位測站，只要一臺傳感器和一個數傳電臺就可方便的組成測站的設備配置。

5.3通信協議

       因為一體化傳感器的輸出接口設計成RS232或R422A標準，上位計算機只要采用同樣的串口標準就可以方便的進行通信。通信協議可雙方協定，一單協議確定，只要重新編制8751的通信程序即可，而不必更改硬件。該一體化液化傳感器還可以與現場除液位高度參數外的其它參數和上位機組成工業局域網絡，比如BIT-BUS網或FIELDBUS網等，這就使得要測系統的自動化程度大為提高。

 

 

 

 

 

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