一種超低功耗磁感應式浮子水位傳感器及信號處理方法
2023-05-28 10:53:36
一種超低功耗磁感應式浮子水位傳感器及信號處理方法
【專利摘要】本發明公開了一種超低功耗磁感應式浮子水位傳感器及信號處理方法，其中浮子式水位傳感器由編碼器、傳動齒輪組、水位計程輪、配重、鋼絲繩、浮子組成，在編碼器的固定碼盤上安裝有3個呈120度角差的磁感應幹簧管，每個幹簧管引出2根信號線，在編碼器的旋轉臂的頂端安裝一塊磁鐵，當磁鐵經過幹簧管時，可以使幹簧管的2根輸出信號線產生低電平，將數據採集器喚醒，通過信號線的邏輯狀態的比較，得出水位情況。本發明不僅能夠實時感應水位變化，將水位變化轉換為電脈衝信號傳送給數據採集器，使採集器在休眠時不至於錯過重要的水位變化過程，並且功耗低且大部分狀態下可以以零功耗運行，特別適用於野外無交流供電條件下的水位實時採集。
【專利說明】一種超低功耗磁感應式淳子水位傳感器及信號處理方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種超低功耗磁感應式浮子水位傳感器及信號處理方法，屬於水文水 利自動化領域。
【背景技術】
[0002] 在水文水利自動化領域，水文遙測站用來實現對原始的水文信息進行採集和遠程 傳輸，這些水文信息包括降雨量、水位、流量等。水文遙測站一般由各種傳感器、數據採集 器、遠程通訊設備、電源設備組成。其中傳感器負責將水文信息轉換為電信號，而數據採集 器負責採集這些電信號並將其轉換為實際的物理量數值，通過遠程通訊設備將這些數據發 送給數據中心，由數據中心進行處理、分析。
[0003] 目前應用於水位測量的傳感器從數據的輸出方式上看可以分為2種： 純被動式傳感器：這類水位傳感器測量都需要數據採集器主動發起，自身無法主動發 起測量，傳感器只有在接收到數據採集器發出的測量命令或電源激勵後，才能進行採樣，並 將數據轉換為電信號輸出給數據採集器。目前在水文遙測站中應用的水位傳感器絕大多數 都屬於被動式傳感器。
[0004] 主動式傳感器：這類傳感器自身可以發起水位測量，並能夠將測量的數據主動上 傳給數據採集器；也可以接收數據採集器發送的命令發起測量，返回測量結果給數據採集 器。
[0005] 水文遙測站往往安裝在偏遠地區，現場基本無交流供電條件，設備一般採用蓄電 池和太陽能電池供電，為保證設備在無日照環境下工作儘可能長的時間，設備的運行功耗 應儘可能低。在實際應用中，水文遙測站的數據採集器一般是以一個固定的時間間隔發起 對水位傳感器的採樣，採集到數據後通過遠程信道發送給數據中心，然後就進入休眠狀態， 以降低自身的功耗，直到下次採樣時刻到來時再啟動工作。如果水文遙測站採用的是被動 式水位傳感器，那麼這種定時採樣的工作方式也決定了在兩次採樣時刻之間，如果水位發 生大的變化，這個變化的過程是無法被感知和採樣的，因為在這個時間段數據採集器是處 於休眠狀態的。但往往水位發生突變時可能造成巨大的災害，例如夏季暴雨可以導致短時 間內山區洪水暴漲，引起山洪災害。如果水文遙測站採用的是主動式傳感器，那麼傳感器一 直處於工作狀態，又會導致設備整體的功耗增大，在連續陰雨，太陽能供電不足的狀況下， 蓄電池可支撐設備持續工作的時間有限。因此如何在能夠實時捕捉水位變化的前提下降低 設備的功耗一直是野外無交流供電條件下水位測量的一個難題。
[0006] 目前在一些關鍵的水文遙測站點，為了實時捕捉水位信息，一般採用光電編碼的 浮子式傳感器。這種傳感器相對採用其它測量原理的傳感器(主要有壓力水位傳感器、雷達 水位傳感器、超聲波水位傳感器、雷射水位傳感器）來說，是唯一一種內部可以不包含處理 器的主動式傳感器，因此功耗在所有的主動式傳感器中也是最低的。採用光電編碼的浮子 傳感器內部有一套光開關器件，其測量原理是水位的上升或下降會帶動碼盤旋轉，光開關 器件輸出的信號會隨之變化，同時有一套光電轉換器件將光信號轉換為電脈衝信號，這個 電脈衝信號可以將後端的數據採集器從休眠狀態喚醒，啟動水位採集。這種浮子式水位計 工作時需要提供外部電源，光開關器件平時一直處於工作狀態，平均功耗大約在IOOmw左 右，對於野外的水文遙測站點，需要配備大容量的蓄電池以確保在連續陰雨條件下設備的 持續工作時間。
[0007] 在野外無交流供電的條件下，為降低水文遙測站設備的整體運行功耗，數據採集 器一般不全速運行，而是以一定的時間間隔啟動傳感器採集，在完成採集和遠程通訊任務 後進入休眠狀態以節省功耗。而目前水文遙測站應用的絕大部分水位傳感器都屬於被動式 傳感器，在數據採集器處於休眠狀態時，無法採集水位數據，這有可能錯過重要的水位變化 過程。目前較為流行的光電編碼浮子式水位傳感器雖然可以主動實時測量水位，但需要全 速運行，通過持續發送光信號感知水位變化，因此功耗偏大，安裝在野外的水文遙測站需要 配置較大容量的蓄電池以確保設備能夠在連續陰雨條件下可以持續工作較長時間。但水文 遙測站往往都在交通條件的地區，大容量蓄電池不方便運輸和攜帶。
【發明內容】
[0008] 本發明提供了一種超低功耗磁感應式浮子水位傳感器及信號處理方法，不僅能夠 實時感應水位變化，將水位變化轉換為電脈衝信號傳送給數據採集器，使採集器在休眠時 不至於錯過重要的水位變化過程；並且該傳感器平時的最大功耗只有光電編碼浮子式水位 傳感器的1/40左右，且大部分狀態下可以以零功耗運行。因此該傳感器特別適用於野外無 交流供電條件下的水位實時採集。
[0009] 為達到上述目的，本發明採用的技術方案如下： 一種超低功耗磁感應式浮子水位傳感器，包括編碼器、傳動齒輪組、水位計程輪、配重、 鋼絲繩和浮子，所述編碼器和傳動齒輪組安裝在浮子水位傳感器的外殼，所述鋼絲繩安裝 在水位計程輪上，鋼絲繩的一端為配重，另一端為浮子； 所述編碼器由一個固定碼盤和一個旋轉臂構成，所述固定碼盤上安裝有3個呈120度 角度差的磁感應幹簧管，所述每個磁感應幹簧管引出2根信號線，從每個磁感應幹簧管中 各抽出1根信號線，連接在一起作為公共端； 所述旋轉臂和固定碼盤平行面對安裝，旋轉臂的頂端安裝一塊磁鐵，隨旋轉臂轉動； 所述傳動齒輪組包含2組傳動齒輪和傳動軸，兩個傳動齒輪相哨合，其中1根傳動軸與 旋轉臂共軸，另1根傳動軸和水位計程輪共軸；水位上升或下降時，鋼絲繩帶動水位計程輪 轉動，水位計程輪帶動同一傳動軸上的傳動齒輪轉動，該傳動齒輪又會帶動和旋轉臂共軸 的另一傳動齒輪轉動，從而帶動旋轉臂轉動； 所述磁感應幹簧管作為公共端的信號線連接到水文遙測站的數據採集器的數位訊號 地，另外3根信號線連接到水文遙測站的數據採集器的數字量輸入埠上。
[0010] 前述的數據採集器的數字量輸入埠使用電阻上拉至高電平，並且這些數字量輸 入埠支持電平中斷。
[0011] 前述的電阻值在ιοιΓιοοκ之間選取。
[0012] 超低功耗磁感應式浮子水位傳感器的信號處理方法，包括以下步驟： 1)定義磁感應幹簧管輸出信號的二進位邏輯狀態表示方式，得到三個磁感應幹簧管的 二進位邏輯狀態組合，當磁感應幹簧管吸合時的輸出信號用二進位0表示，非吸合狀態時 用-進位1表不； 2) 定義旋轉臂順時針旋轉表示水位下降，逆時針旋轉表示水位上升； 3) 水文遙測站的數據採集器平時處於休眠狀態，當水位上升或下降時，旋轉臂相應作 逆時針或順時針轉動，從而帶動磁鐵一起轉動； 4) 當磁鐵經過任一磁感應幹簧管時，會導致磁感應幹簧管內部的簧片吸合，從而導致 該磁感應幹簧管的2根輸出信號線處於短路狀態，輸出低電平； 5) 低電平信號使數據採集器的處理器對應的數字量輸入埠上產生一個中斷，將數據 採集器從休眠狀態喚醒； 6) 數據採集器讀取當前3個磁感應幹簧管輸出信號的二進位邏輯狀態，和上一次的邏 輯狀態比較，確定旋轉臂是順時針運動還是逆時針運動，進而確定水位是上升一個解析度 單位還是下降一個解析度單位。
[0013] 前述的水位傳感器解析度的計算方法為： 相鄰兩個水位信號產生的水位變動的幅度即是該水位傳感器的解析度，假設計程輪每 轉一圈，編碼器旋轉臂旋轉N圈，水位計程輪周長為L，水位傳感器解析度為R，則R = L / (N X3)。
[0014] 本發明不需要單獨供電，完全是靠水位輪旋轉觸發磁感應幹簧管產生電脈衝信號 喚醒數據採集器進行工作，電流的消耗僅僅在後端信號處理電路的一個上拉電阻上，因此 本發明在功耗水平上大大優於光電編碼的主動式傳感器，適合在野外無交流供電的條件下 用於水位測量。本發明採用的測量原理不僅能夠實時捕捉水位變化，並且大大降低了設備 的運行功耗，增強了野外無交流供電條件下設備的電池續航能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明的浮子水位傳感器的結構示意圖； 圖2為本發明的傳感器中編碼器固定碼盤結構及信號線示意圖； 圖3為本發明的傳感器中編碼器旋轉臂和固定碼盤位置示意圖。
【具體實施方式】
[0016] 本發明的超低功耗磁感應式浮子水位傳感器如圖1所示，由編碼器、傳動齒輪組、 水位計程輪2、配重3、鋼絲繩4和浮子5組成，其中，編碼器和傳動齒輪組安裝在浮子水位 傳感器的外殼1，鋼絲繩4安裝在水位計程輪2上，鋼絲繩4的一端為配重3,另一端為浮子 5。傳動齒輪組包含2組傳動齒輪和傳動軸，兩個傳動齒輪相哨合，其中1根傳動軸與旋轉 臂共軸，另1根傳動軸和水位計程輪共軸；當水位上升或下降時，鋼絲繩4帶動水位計程輪 2轉動，水位計程輪2帶動同一傳動軸上的傳動齒輪轉動，該傳動齒輪又會帶動和旋轉臂共 軸的另一傳動齒輪轉動，從而帶動旋轉臂轉動。
[0017] 編碼器是本發明的傳感器的核心部件，由一個固定碼盤和一個旋轉臂構成， 如圖2所示，固定碼盤上安裝有3個呈120度角差的磁感應幹簧管，每個幹簧管引出2 根信號線，從每個幹簧管各抽出1根信號線，連接在一起作為公共端G，其餘的信號線分別 記為A、B、C。當幹簧管受到磁場引力時，幹簧管內部的簧片被磁場吸引並使該幹簧管內的 2條信號線短路，而平時這2條信號線處於斷路狀態。
[0018] 如圖3所示，旋轉臂9是一個可以做圓周運動的部件，和固定碼盤6平行面對安 裝，旋轉臂9由與其共軸的傳動齒輪驅動，當被測水位波動時，傳動齒輪會帶動旋轉臂9轉 動。旋轉臂9的頂端安裝了一塊磁鐵8,磁鐵8隨旋轉臂9轉動，當磁鐵8經過磁感應幹簧 管7時，會導致磁感應幹簧管7內部的簧片吸合，從而導致該磁感應幹簧管的2根輸出信號 線處於短路狀態，輸出低電平。
[0019] 本發明的信號處理方法為： 首先，定義磁感應幹簧管輸出信號的二進位邏輯狀態表示方式，當幹簧管吸合時的輸 出信號用二進位〇表示，非吸合狀態時用二進位1表示，那麼三個幹簧管的邏輯狀態組合用 二進位邏輯表示，存在如表1所示的幾種狀態。
[0020] 表1幹簧管邏輯狀態表
【權利要求】
1. 一種超低功耗磁感應式浮子水位傳感器，其特徵在於，包括編碼器、傳動齒輪組、水 位計程輪、配重、鋼絲繩和浮子，所述編碼器和傳動齒輪組安裝在浮子水位傳感器的外殼， 所述鋼絲繩安裝在水位計程輪上，鋼絲繩的一端為配重，另一端為浮子； 所述編碼器由一個固定碼盤和一個旋轉臂構成，所述固定碼盤上安裝有3個呈120度 角度差的磁感應幹簧管，所述每個磁感應幹簧管引出2根信號線，從每個磁感應幹簧管中 各抽出1根信號線，連接在一起作為公共端； 所述旋轉臂和固定碼盤平行面對安裝，旋轉臂的頂端安裝一塊磁鐵，隨旋轉臂轉動； 所述傳動齒輪組包含2組傳動齒輪和傳動軸，兩個傳動齒輪相哨合，其中1根傳動軸與 旋轉臂共軸，另1根傳動軸和水位計程輪共軸；水位上升或下降時，鋼絲繩帶動水位計程輪 轉動，水位計程輪帶動同一傳動軸上的傳動齒輪轉動，該傳動齒輪又會帶動和旋轉臂共軸 的另一傳動齒輪轉動，從而帶動旋轉臂轉動； 所述磁感應幹簧管作為公共端的信號線連接到水文遙測站的數據採集器的數位訊號 地，另外3根信號線連接到水文遙測站的數據採集器的數字量輸入埠上。
2. 根據權利要求1所述的一種超低功耗磁感應式浮子水位傳感器，其特徵在於，所述 數據採集器的數字量輸入埠使用電阻上拉至高電平，並且所述數字量輸入埠支持電平 中斷。
3. 根據權利要求2所述的一種超低功耗磁感應式浮子水位傳感器，其特徵在於，所述 電阻值在lOflOOK之間選取。
4. 根據權利要求1或3中任意一項所述的超低功耗磁感應式浮子水位傳感器的信號處 理方法，其特徵在於，包括以下步驟： 1) 定義磁感應幹簧管輸出信號的二進位邏輯狀態表示方式，得到三個磁感應幹簧管的 二進位邏輯狀態組合，當磁感應幹簧管吸合時的輸出信號用二進位〇表示，非吸合狀態時 用-進位1表不； 2) 定義旋轉臂順時針旋轉表示水位下降，逆時針旋轉表示水位上升； 3) 水文遙測站的數據採集器平時處於休眠狀態，當水位上升或下降時，旋轉臂相應作 逆時針或順時針轉動，從而帶動磁鐵一起轉動； 4) 當磁鐵經過任一磁感應幹簧管時，會導致磁感應幹簧管內部的簧片吸合，從而導致 該磁感應幹簧管的2根輸出信號線處於短路狀態，輸出低電平； 5) 低電平信號使數據採集器的處理器對應的數字量輸入埠上產生一個中斷，將數據 採集器從休眠狀態喚醒； 6) 數據採集器讀取當前3個磁感應幹簧管輸出信號的二進位邏輯狀態，和上一次的邏 輯狀態比較，確定旋轉臂是順時針運動還是逆時針運動，進而確定水位是上升一個解析度 單位還是下降一個解析度單位。
5. 根據權利要求4所述的信號處理方法，其特徵在於，所述水位傳感器解析度的計算 方法為： 相鄰兩個水位信號產生的水位變動的幅度即是該水位傳感器的解析度，假設計程輪每 轉一圈，編碼器旋轉臂旋轉N圈，水位計程輪周長為L，水位傳感器解析度為R，則R = L / (N X3)。
【文檔編號】G01F23/72GK104236677SQ201410422869
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月25日 優先權日:2014年8月25日
【發明者】熊光亞, 黃磊, 李延軍, 薛升寧 申請人:國網電力科學研究院, 南京南瑞集團公司