基于回旋磁場的智能液體高度測量儀

金紀(jì)東，李思揚(yáng)，王國娟

（河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州　213022）

基于回旋磁場的智能液體高度測量儀

金紀(jì)東，李思揚(yáng)，王國娟

（河海大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州213022）

為實(shí)現(xiàn)對口徑小、液位深環(huán)境下液體高度的測量，對傳統(tǒng)電容液位測量方法進(jìn)行數(shù)字化、智能化改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種基于回旋磁場的智能液體高度測量儀。對測量原理與電路進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，并采用單片機(jī)對測量電路輸出的脈沖信號進(jìn)行處理，根據(jù)脈沖寬度計(jì)算得到液位高度，并通過軟件顯示出來。測試數(shù)據(jù)表明，該測量儀的測量誤差在1 mm以內(nèi)，且操作簡單，符合設(shè)計(jì)要求。

回旋磁場；智能化；單片機(jī)；液位

液位測量在許多領(lǐng)域已較為普遍，常用的測量方法多種多樣：激光式、超聲波式、浮子式、吹氣式、壓力式等。這些測量方式對特定液位的測量來說雖有各自的優(yōu)點(diǎn)［1］，但都存在一定的問題：結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造成本偏高，同時(shí)不能適應(yīng)量程大而且口徑小的特殊場合，譬如在大壩滲流井、地下水位、小口徑水井等場合。課題對傳統(tǒng)電容液位測量方法進(jìn)行數(shù)字化、智能化改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種基于回旋磁場的智能液體高度測量儀。它不僅適合口徑小、深度深的一些特殊場合，而且制作成本低，簡單易行，適合大規(guī)模推廣。課題實(shí)現(xiàn)了基于回旋磁場的液位智能測量，符合現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展趨勢，是一種簡單、可靠的測量方法。

1　傳感器設(shè)計(jì)分析

1.1傳感器的系統(tǒng)構(gòu)成

基于回旋磁場的智能液體高度測量儀主要是由一根金屬管和一根絕緣導(dǎo)線（在實(shí)驗(yàn)中使用普通漆包線）構(gòu)成的通信圓柱體。其中金屬管的直徑約為25 mm，絕緣導(dǎo)線的直徑和材料可以根據(jù)具體情況而定，傳感器的原理圖如圖1所示。

圖1　傳感器示意圖

利用物理原理可知，同心圓柱體就是一個(gè)電容器，中心會形成回旋磁場，根據(jù)高斯公式可以計(jì)算得出回旋磁場內(nèi)電容的值。同時(shí)為了使液位高度可以清晰地觀察到，可以利用連通器原理，選擇一個(gè)帶刻度的透明玻璃管來顯示液位高度。課題采用底部帶孔（孔的大小不要太大，但是水可以正常通過即可）的橡膠塞來堵住金屬管的兩端，這樣的設(shè)計(jì)有如下兩點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：

1）孔徑較小，這樣漏水的時(shí)間較長，提高了測量的精度；

2）橡膠塞的彈性可以很好的幫助金屬導(dǎo)線進(jìn)行固定。

上邊的橡膠塞小孔可以通風(fēng)透氣，孔可以適當(dāng)大一點(diǎn)，漆包線的位置固定后，電容的值即進(jìn)行了固定，不會因?yàn)橥饨绛h(huán)境對測量產(chǎn)生較大的干擾，以提高測量精度，具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如下文中所講。

1.2測量原理

由圖1可知，當(dāng)可測量液位H=0時(shí)，不銹鋼管與同軸絕緣導(dǎo)線構(gòu)成的金屬圓柱體電容器之間存在電容C0，根據(jù)電磁場理論的有關(guān)知識［2］可知，假設(shè)電容器帶有Q的電量，忽略兩端的邊緣效應(yīng)可以求出在金屬圓柱體與導(dǎo)線之間距離軸線為r的一點(diǎn)的電場強(qiáng)度為：

場強(qiáng)的方向垂直于軸線［3］，由此可以求得圓柱與導(dǎo)線之間的電壓為：

所以在本系統(tǒng)中：

式（1）中C0為電容量，ε0主要為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù)，L為液位最大高度，R1為不銹鋼管半徑，R0為絕緣導(dǎo)線半徑。

當(dāng)可測量液位為H時(shí)，不銹鋼管與同軸絕緣電線之間存在電容CH

式中ε為容器內(nèi)氣體的等效介電常數(shù)。

因此，當(dāng)傳感器內(nèi)液位由零增加到H時(shí)，其電容的變化量ΔC可由式（2）-式（1）得：

由式（3）可知，參數(shù)ε0、ε、R1、R0都是定值。所以電容的變化量ΔC與液位H呈近似線性關(guān)系。

由式（2）變形可得：

可見，傳感器的電容量值CH的大小與電容器浸入液體的深度H成線性關(guān)系。由此得出只要測出電容值便能計(jì)算出水位高度H。

2　信號處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由傳感器測量電路和信號處理兩部分組成。

2.1傳感器測量電路的設(shè)計(jì)

傳感器測量電路如圖2所示，該電路的原理是將液位變化量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)變化的電量的過程。電路主要由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 U4，定時(shí)器C1、R1、R2，光電耦合器 U2、U3，微分整形 C2、R3等電路組成。為有利于提高電路抗干擾性能，一方面利用光電耦合器將電源地、測量地和系統(tǒng)分別隔離；另一方面通過同步開關(guān)S1選擇測量電路的觸發(fā)方式，以防止工頻干擾：如果由交流（電池）供電，選擇由交流（直流）同步觸發(fā)。

各點(diǎn)波形見圖3，A、B分別為交流、直流同步觸發(fā)脈沖，當(dāng)液位為0時(shí)U4輸出C波形，當(dāng)液位高為H時(shí)U4輸出D波形。

圖2　傳感器測量電路

可見，當(dāng)液位發(fā)生變化時(shí)，傳感器測量電路中的電容CX發(fā)生變化，由觸發(fā)脈沖通過U4的2腳觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路U4使其輸出變化的單穩(wěn)脈沖TH，再通過光電耦合器輸入到CPU，CPU以1 μs為單位進(jìn)行計(jì)數(shù)［4］，最后將計(jì)數(shù)值通過程序處理得到相應(yīng)液體高度并由LCD顯示器進(jìn)行顯示輸出。

由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U4電路可知，觸發(fā)脈沖寬度為：

其中t為測量單片機(jī)的周期，一般設(shè)置為1 μs。

式（5）中H為被測水位值，K為線性系數(shù)，為修正系數(shù)，N為單片機(jī)在液位為H時(shí)的計(jì)數(shù)值。由該式可得出，液位高度H和單片機(jī)的計(jì)數(shù)值N呈線性關(guān)系。

圖3　電路部分電壓波形

2.2信號處理方法

信號處理硬件由CPU、電源電路、看門狗、鍵盤電路和LCD顯示器等電路組成。傳感器測量電路先將液位高度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓脈沖寬度［5］，再由CPU電路通過程序轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的液位高度，輸出到LCD進(jìn)行顯示，同時(shí)通過輸出接口輸出到PC機(jī)。電源電路可提供交流和直流兩種輸入方式，電路同時(shí)輸出兩組隔離電源，分別給CPU和測量電路供電，達(dá)到抗干擾目的。其中LCD顯示器可以分為兩個(gè)部分進(jìn)行顯示：1）標(biāo)定顯示模式：標(biāo)定顯示模式的輸出包含單片機(jī)與PC機(jī)的智能交互，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)軟件，PC機(jī)軟件按照該數(shù)據(jù)畫出實(shí)際測量液面和測量脈沖的時(shí)間關(guān)系折線圖，從而得出K值和b值，并回傳給單片機(jī)，單片機(jī)按照傳回來的K值和b值，計(jì)算出測量液面高度，并顯示在LCD顯示器上，雖然K值和b值的范圍是一定的，但是不同的液體中將會出現(xiàn)細(xì)微的偏差，這種方法比較繁瑣，設(shè)備需求較高，會要求PC機(jī)，但是減小了誤差，使得測量結(jié)果更加精確。2）測量顯示模式：測量顯示模式不需要PC機(jī)的參與，系統(tǒng)提前存儲標(biāo)定過的K值和b值，單片機(jī)會按照既定的K值和b值計(jì)算出液面高度，并顯示在LCD顯示器上。硬件系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)框圖

由于液位變化較慢，電路的實(shí)時(shí)性要求不高，所以CPU采用普通單片機(jī)（在課題中使用的是STC89C51單片機(jī)）即可滿足要求，單片機(jī)測量計(jì)數(shù)值程序流程如圖5所示。

由圖5可以看出單片機(jī)的計(jì)算以脈沖的上升沿為起始標(biāo)志，脈沖的下降沿為結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)單片機(jī)會利用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)下降沿過后單片機(jī)會得到脈沖寬度，并自動計(jì)算出測量液面高度，通過LCD顯示出來，實(shí)現(xiàn)了從測量到計(jì)數(shù)的智能化設(shè)計(jì)。

3　測試方法及步驟

系統(tǒng)初次測試時(shí)，必須要經(jīng)過定標(biāo)和調(diào)整，只有經(jīng)過定標(biāo)和調(diào)整后系統(tǒng)才能進(jìn)行正常的測量工作。

圖5　測量計(jì)數(shù)值流程圖

系統(tǒng)主要由測量儀、金屬管、絕緣導(dǎo)線、透明輸液管、具有小孔的絕緣塞等組成。其中，A為排氣孔、B為出水閥、C為進(jìn)水用漏斗。測試圖如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)測試示意圖

3.1定標(biāo)與定量測量

步驟一：確定傳感器，主要由直徑25 mm、長為1 m的不銹鋼管和直徑0.8 mm、長為1.2 m的漆包線構(gòu)成同軸結(jié)構(gòu)，漆包線連接在金屬管上下絕緣塞的中心處，并使其拉直固定。

步驟二：制作一個(gè)帶刻度的透明玻璃管當(dāng)做連通器的一端，玻璃管的頁面刻度精確到0.01 cm，通過觀察透明導(dǎo)管的液面高度，就能直接讀取金屬管的液面實(shí)際高度。

步驟三：將儀器的兩個(gè)接線分別與金屬管和絕緣導(dǎo)線連接，相當(dāng)于以待測液體為介質(zhì)的金屬圓柱體電容器CX接入電路。

步驟四：打開電源，從漏斗中倒入盡量多的水，同時(shí)觀察透明導(dǎo)管中水位的高度，并讀出第一個(gè)計(jì)數(shù)值。

步驟五：慢慢打開、關(guān)閉出水閥B一次，同時(shí)就記錄一次測量值。

步驟六：將單片機(jī)與傳感器相連，觀察LCD和PC機(jī)軟件的數(shù)值，重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以得到如表1所示測量數(shù)據(jù)。

表1　測量數(shù)據(jù)（27℃）

測量結(jié)果繪制成如圖7所示折線圖，從圖中可以看出測量結(jié)果的線性度良好。

圖7　表1折線圖

由兩點(diǎn)法［6］容易得出公式H=0.5N-30。通過重復(fù)測量多次后，發(fā)現(xiàn)測量的結(jié)果和表2幾乎接近，精度可以精確到1 cm。

3.2調(diào)整

將K值0.5和b值30輸入到系統(tǒng)后，由系統(tǒng)再進(jìn)行多次實(shí)際高度測量并與實(shí)際高度值比較，如果誤差較大，則通過改變不同的水位再重復(fù)步驟五，可得到與表2相差不大的K值和b值。如此重復(fù)多次后，均能確定得到較高的測量精度。通過在室內(nèi)得到較高的測量精度以后，也可在室外進(jìn)行驗(yàn)證。

同樣，對2米傳感器的N值進(jìn)行驗(yàn)證，帶入相應(yīng)的K、b值，可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和實(shí)際水位的高度差保持在1 cm以內(nèi)，測量結(jié)果如表2所示。

由表2可知水位的實(shí)際高度和測量高度的誤差保持在1 cm以內(nèi)。

表2　測量數(shù)據(jù)（27℃）

4　測量時(shí)注意事項(xiàng)

測量時(shí)為了提高精度，減少不必要的誤差，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）絕緣金屬導(dǎo)線的上端不要和液體進(jìn)行接觸，不然會使金屬導(dǎo)線的電阻增大，計(jì)數(shù)賣空過快導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確；

2）同心金屬管內(nèi)外半徑差應(yīng)選擇合理，R1/R0的值保持在50倍左右；

3）保持傳感器和測量儀的位置適中，太遠(yuǎn)的位置會干擾信號的傳輸，引起不必要的誤差；

4）測量時(shí)液面盡量保持平穩(wěn)，切忌從上往下灌入液體，這樣會造成較大的誤差。

5　結(jié)束語

雖然在測量精度上稍有誤差，保持在 1 cm以內(nèi)，但系統(tǒng)操作簡單、線性度高、成本低廉，適合大范圍進(jìn)行推廣，雖然測量精度稍顯不足，但是在大壩等環(huán)境中，測量誤差可以忽略不計(jì)，只鞥化的提高，也為特殊場合如洪水中的測量等，提供了不可代替的便利，并且課題系統(tǒng)可擴(kuò)展為多路測量，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

［1］張兆奎，繆連元，張立.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.北京：高等教育出版社，2001.

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［3］郭輝萍，劉學(xué)觀.電磁場與電磁波［M］.西安：電子科技大學(xué)出版社，2010.

［4］張毅剛，彭喜原，喬立原.計(jì)算機(jī)自動測試，2006（5）：43-46.

［5］劉鐵軍，黃志堯.測量液體電導(dǎo)的兩種新方法［J］.化工自動化及儀表，2005（3）：50-53.

［6］陸峰，沈鴻波，張嘯飛，等.基于垂直兩點(diǎn)法的電主軸回旋精度分析［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2014（11）：15-18.

Cyclotron magnetic field based intelligent liquidheight measuring instrument

JIN Ji-dong，LI Si-yang，WANG Guo-juan
（Hohai Unniversity in the Internet of Things Engineering College，Changzhou 213022，China）

In order to achieve to measure the height of liquid under the environment of the small diameter and deepliquidlevel，the traditional capacitive liquid level measurement was improved with digitize and intellectualized characteristics.A magnetic field intelligent liquid level measuring instrument based on cyclotron magnetic field was designed.A SCM is used to process the pulse signal from the measurement circuit.The liquid height is calculated according to the pulse width and is showed by the software.The experiment shows that the measurement error of the instrument is within 1mm.This test system has good performance and achieves the design requirements.

cyclotron magnetic field；intellectualized；SCM；liquid level

TN710

A

1674－6236（2016）06-0174-04

2015-04-18稿件編號：201504199

金紀(jì)東（1976—），男，江蘇泰興人，碩士，講師。研究方向：檢測技術(shù)與自動化裝置。