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具有串行数据输出功能的液位传感器的研究与设计

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2023-03-31 10:35

  

具有串行数据输出功能的液位传感器的研究与设计
作者:徐立中
 


 
 
 
       液位测量是水电站、水库等水利枢纽工程及化工石油等自动化系统的重要参数。随着自动化程度的提高,对液位传感器的要求不仅能提高高质量的液位高度至电量的转换,而且能够方便地与上位机联网,组成计算机要测系统。
       本文研究河道、明渠、开始池、油罐等液位测量传感器与数据传输的设计。介绍一种浮子式液位传感器/发送器,它具有量程大分辨率高(可做到输出数据达32000个)的特点。这种机电一体化传感器集液位测量与数据发送于一体,不仅能将液位高程转换成电信号,而且能够将并行的数字信号转换成RS232或RS422A串行接口标准的信号输出,便于以总线形式与上位机数据通信。
本文主要从三个方面对这种机电一体化传感器进行分析研究和设计:
·采用接触式轴角编码器作为A/D转换部件;
·采用8751单片机实现对编码器输出的并行数据进行修正并转换成串行输出;
·传感器与上位机的通信联网问题。
2.大量程高分辨率浮子式液位传感器的设计研究
2.1采用机械接触式轴角编码器作液位~数字量转换
       本传感器采用轴角编码器仪精密变速机构、大挂轮、不锈钢测绳、重锤和浮子构成,浮子以稳定的吃水线漂浮在水面上,当液位变化时,浮子也随之上升或下降,同浮子连接的测绳带动大挂轮作旋转运动,并通过传感器内部的变速机构带动编码器转动,从而输出与液位对应的数字编码。为了实现大量程高分辨率的液位测量,轴角编码器是测量传感器的核心部件、轴角编码器的可选方案有两种:一种是光电编码器,一种是机械接触式编码器。其中又分为增量型和绝对型编码器。由于增量型编码器在断电时数据丢失,需要重新校正液位基准,这在实际使用中是不能容忍的,因此适值采用绝对型编码器,使之具有断电记忆功能。当掉电再恢复后,编码器的输出仍为即时水位。
       另外,由于测量范围大,读数要求精度又高,尤其是一些高水位变幅的水电站水位测量及油罐的液位测量,要求绝对型编码器的输出数据达0-32000,分辨率达1/32000,这时,用于水位的测量变幅可达0-160m,读数精度可达5mm,若用于尤为测量可达0-32m,读数精度可达1mm,就绝对型光电编码器而言,做到输出2048个输出数据以上的比较困难。但是采用双极接触式轴角编码器就比较容易做到16000个数据以上。因此我们采用机械式编码器作为液位~数字量的转换部件。
        机械接触式轴角编码器,集检测和模拟量转换功能为一体,是一种自动测角A/D转换装置,它能将轴角变化的模拟量转换为数字量,实现角位移信息量的输出。它应用平面印制工艺在绝缘衬板上制作圆形导电图形,利用电刷在不同角度对接触到的不同导电部位,反映出不同读出结果的数字。编码器主要技术参数:读数范围可做到32000;分辨率1/32000;读数误差±1个字;编码方式:格雷码是二进制码;级数2;寿命2*10四次方转。
2.2防打滑措施的设计考虑
        这种数字量输出的编码器,它的读数误差不随量程的增大而变化,最大读数误差总是±1个字,即±·个数字位,给液位传感器测量精度带来粗大误差的原因主要是栓挂浮子的不锈钢测绳与带动编码器旋转的大挂轮之间的打滑现象。在测量水电站的水轮机出水口的尾水水位时,由于尾水水 位波动较大,这种打滑现象尤其严重。克服打滑现象的办法大致有三种:
液位传感器
(1)V型槽方法
       大挂轮的轮周上加工成V形槽,测绳压在大挂轮的V形槽之内,以增加摩擦力。而不采用大挂轮的轮周撒花姑娘加工成矩形槽,测绳压在矩形槽底部(矩形槽宽度大于测绳直径)的方法。
(2)穿孔钢带方法
       测绳采用穿孔钢带,大挂轮采用带轮,即轮周上均布有定位销,钢带上的均匀穿孔卡在定位销上,由定位销带动钢带运动,有效的防止了打滑。
(3)测绳上嵌有塑料圆珠方法
       不锈钢测绳采用直径1.2mm,在测绳上均匀等长嵌有塑料圆珠,大挂轮轮轴上均布有凹园孔,测绳上的塑料园珠卡在凹园孔内,由凹园孔带动测绳运动,防止打滑。这种方法由于钢绳的扭曲强度高于穿孔钢带,很适合于测井水位旋涡强及波动大的场合,曾用于水电站尾水水位的测量,试用中发现穿孔钢带使用不带一个月即被旋涡扭断,换上带珠钢绳后使用一年仍未发生扭断。
3.编码转换与并/串转换
       液位传感器输出的是并行数字编码信号,低位为9位,高位为10位,加上导电环一共20位。考虑到测量点数较多,如果直接传输则需要每点20芯屏蔽电缆,是比增加铺设工作量和成本。如果采用MCS-51自立为萨威8751单片机将并行编码转换成串行编码输出,则可节省电缆成本。另一个主要的原因是便于多个传感器联网。
       MCS-51系列的8751单片机芯片内部带有4KEPROM,外部不需要另加EPROM,可节省空间。装有8751单片机的电路板装在液位传感器外壳内,使传感器具有智能、一体化特点。8751主要完成下述2个功能:
(1)编码器输出的是低位格雷码+高位二进制码,将此并行编码制转成存直读的液位高度(BCD)。
(2)将液位高度经串行口TXD,RXD输出。
4、结构形式
       智能型液位传感器/发送器做成一体化,即传感器与8751单片机电路板均做在一个机壳内。浮子上下浮动通过测绳带动大挂轮旋转,使传感器输入轴随之旋转,经变速齿轮后传递给低位码盘,低位码盘再经变速齿轮传递给高位码盘,低位码盘转动一圈,高位转动一个数字位,低位码盘和高位输出的并行编码直接送入8751的P口,8751单片机装在电路板上与传感器组成一体化结构。
5.系统联网
5.1RS422串口输出
       不带8751单片机的传感器输出是并行编码,它与远方计算机的联结拓扑结构只能是星型结构,传感器至远方中控室计算机的电缆至少需20芯屏蔽电缆,有多少液位测点就须铺设多少根电缆,所带来的缺点是铺设工作量大和成本高。
       一体化的液位传感器/发送器远方中空室计算机的联网可采用总线型拓扑结构,由于是RS422A串行接口,电缆的芯数为4芯,与原20芯电缆相比,电缆芯数大为降低,另外总线型结构的电缆铺设方式可以串级联结,这使得铺设电缆的长度也可能大为减少。
5.2RS232串口输出
       该一体化传感器也能够以RS232标准输出。当用于水情要测系统中的水位测量时便于与数传电台直接连接,特别适用于自报式系统中的无人值守水位测站,只要一台传感器和一个数传电台就可方便的组成测站的设备配置。
5.3通信协议
       因为一体化传感器的输出接口设计成RS232或R422A标准,上位计算机只要采用同样的串口标准就可以方便的进行通信。通信协议可双方协定,一单协议确定,只要重新编制8751的通信程序即可,而不必更改硬件。该一体化液化传感器还可以与现场除液位高度参数外的其它参数和上位机组成工业局域网络,比如BIT-BUS网或FIELDBUS网等,这就使得要测系统的自动化程度大为提高。
 
 
 
 
 
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