高精度遠傳測控一體化液位計的製作方法
2023-10-23 08:00:02 3
專利名稱：高精度遠傳測控一體化液位計的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於一種高精度遠傳測控一體化液位計，主要用於對液位(如水位、油位等)需高精度測量、遠傳、顯示及控制的場所。本實用新型相對現有的各種液位計，具有測量精度高、遠傳誤差小、模擬數字雙重顯示、控制準確可靠等多種優點。
現有液位計如電容式、接點式水位計等由於受其測量原理及測控器件的限制，難於做到高精度和準確控制，如電容式水位計，敏感元件是電容，理想情況下，電容量與液位成嚴格的比率對應關係，但是由於液體中雜質含量、離子濃度等電特性參數受諸多因素影響產生隨機變化，從而引起測量誤差，加之，敏感元件本身的電容性使測量迴路體現出復阻抗特性，當測量部分基準頻率發生變化時，電容器呈現的阻抗亦隨之變化，導致測量誤差。此外，電容器存在固有的介後吸附效應帶來的積分漂移也是不容忽視的誤差來源。現場調查資料表明，有些電容式水位計誤差高達1米甚至數米。再說接點式水位計，由於其結構簡單，曾一度廣泛用於水位測量，但這種液位計敏感器件是浮子加幹簧接點，因此，其分辯率不可能做得很好。而且，當浮子處於臨界受控液面時，幹簧接點會隨水位波動而出現反覆導通現象，造成水泵非正常頻繁啟動，據統計資料表明，不少泵房電機燒壞與使用此種接點式水位計有關。
此外，由於液位計主要應用於水塔、蓄水池、貯油罐等這些佔地面積較大的物體，它們離中央控制室一般較遠，即測量的液位信號需進行遠距離傳送，現有數據傳送方式無外乎有線、無線兩種，前者安全性好，抗幹擾能力強，但需架線，比較麻煩，後者雖無須架線，但抗幹擾能力很差，因此，在需要準確傳送數據情況下，大多數採用有線方式，但是隨著社會發展，電氣化越來越普及，如我國鐵路電氣化率已達50％以上，加上其它大型供電電網，使空間各種電磁幹擾日益嚴重。例如，在我國某重要鐵路樞紐的供水系統中，某型水位監控系統與中央控制室之間的距離僅有500米左右，這樣的通訊距離如果在一般的工業環境下，使用傳統的水位計即可解決問題，但是出乎意料的是，這些其它工業環境下已經證明運行十分穩定的水位計，在鐵路行業的工作環境下，無論使用有線或無線方式傳輸數據，其誤碼率都高達40％，不僅造成系統紊亂，重要的是使得供水作業秩序遭到嚴重破壞。同時，還伴隨著有供水設備頻繁啟動以及燒毀供水設備等現象發生。
在現有液位計的顯示技術方面，不論是市場上流通的液位計，還是鐵路行業已裝備的液位計，大多數採用單項顯示技術，即要麼是單一的數字顯示，要麼是單一的模擬顯示。因這兩種顯示技術的視覺效果各有長短，總給人留下美中不足之感。
對於模擬顯示技術，其突出優點是指示直觀，變化趨勢明顯。它的缺點有以下諸多方面。
一是視在誤差，觀察結果隨觀察者與指示器之間的相對位置變化而變化。
二是分辯率很低，對於一個滿量程為5米的水位計，如果要分辯率達到釐米，以0.5mm一條刻線，就需要佔用250mm長的顯示面板空間，這顯然是不可能的事情。
三是以指針式顯示的儀表存在機械傳遞環節，易產生遲滯，指示懸掛，指針抖動等諸多故障。
對於數字顯示技術而言，其突出優點是判讀精確，視覺效果好，觀察者一眼即可讀出顯示結果，不存在視在誤差，突出缺點是變化趨勢不明顯，尤其是觀察距離較遠對數字產生視覺模糊時，更不易判斷出變化趨勢。
為解決以上問題，尤其是進一步提高液位測量的精度，解決在強電磁幹擾下液位信號正確遠距離傳輸和水泵等控制設備的非正常頻繁啟動問題，我們進行了大量市場調研並查閱了近十年有關液位計的專利300多條，如專利號97207886數顯液位計，94248466光電遠傳玻璃管液位計，但都未發現能全面有效解決以上問題的液位計，致使目前國內不少場合仍使用傳統的液位計，常給整個系統作業和設備造成不必要的損失。
本實用新型的目的就是提供一種高精度遠傳測控一體化液位計，由高精度矽阻式液深型傳感器，液位信號變送器，液位信號接收器組成，液位信號變送器由液位信號放大電路A，緩衝放大電路B，精密V/F變換電路C及液位信號遠傳發送電路D及電源電路E組成；液位信號接收器由遠傳液位信號接收電路F，基準時鐘源電路G，數字、模擬雙顯及上下限水位設定電路H，上下限水位指示控制電路I及電源電路J組成，兩者之間經由普通雙絞線連接。
液位信號變送器中液位信號放大電路A由運放A101、A102、A103及電阻R101-R109，電位計W101，W102組成一差動電壓放大電路，其中W101接在A101的1、8腳之間，中點接7腳，W102接在運放A103的1、8腳之間，中點接7腳，電阻R107、R108、R109接在A103「+」端輸入(3腳)與電源地之間；緩衝放大電路B由運放A104、電阻R110-R118，電位計W103、W104、W105及電容C101、C102組成，其中W104接在運放A104的1、8腳之間，中點接7腳，電阻R110、R111和電位計W103接在-15V和電源地之間，電阻R116、R117、電位計W105接在運放A104的輸入「-」端(2腳)和輸出(6腳)之間；R110、R111連接點處的電壓信號經R112加在A104的反相輸入端。用以消除液信號的零位誤差，精密V/F變換電路C由運算放大器A105、A106及電阻R119-R125、R130、電容C103、C104、C105、電位計W106、W107、WMAX、WAIN、二極體D102、D103、D104、D106、D107、D101、穩壓管D105組成，其中A105、C104、C105、C103、R119、R120、W106組成V/F變換的第一級積分器，A106、R124、R125、D102、D107、W107組成V/F變換的第二級具有方向性的基型遲滯比較器，二極體D101為復位模擬開關，W106、W107分別接在A105、A106的1、5腳之間，中點接4腳，A105的輸入「-」端(2腳)通過電阻R130、R121、WMAX與A106的輸入「-」端(2腳)相連，A105的輸出端(6腳)通過電位計WAIN、R122與A106的輸入「+」端(3腳)相連。
運傳發送電路D由雙運放A107及電阻R126-R129組成，其中A107A工作於比較器方式，其輸入「-」端(2腳)有一電阻R126、R127組成的分壓迴路為其提供門限電壓，R128為輸入電阻，R129為反饋電阻，A107B工作於跟隨器方式，輸出端(7腳)與輸入「-」端(6腳)短接。
液位信號接收器中，信號接收電路F由電容C201、電阻R201、運放A201及反饋電阻R202組成，其中C201、R201組成微分隔直流電路，運放A201的5、6腳短接，1、4腳接地組成一過零開關電路。
基準時鐘源電路G由六施密觸發器U208、計數器U206、U207、晶振JZ2及電阻R203、R204、電容C202、C203組成，其中U208D、R203、C202、C203和晶振JZ2構成32.768KHZ頻率發生器經U208E反相後送入U206的CLK端，經U206分頻後，從Q6端輸出計數器掃描脈衝CLK2，從Q11端送入U207的CLK端再分頻後從其Q0端經U208A、U208B反相驅動後為數字計數器提供「計數/禁止」脈衝CLK3。數字、模擬雙顯及上下限液位設定電路H中四位數字顯示由四級異步級連計數器U201、U202、U203、U204及對應的數碼管LED1、LED2、LED3、LED4組成，數碼管LED1-LED4動態掃描驅動由計數器U205、電阻R216、R217、R218、R219、三級管N201、N202、N203、N204提供，雙單穩態觸發器U209A，U209B及電阻R206、R207電容C204、C205組成單穩態觸發電路，為數字顯示提供鎖存，清零等邏輯控制脈衝；本電路中模擬顯示採用矩陣形式，由7個同步級連計數器U201-U206及對應的27對發光二級管D201A-D，D202A、D202B……D224A、D224B、D225A-D組成，模擬計數脈衝CLK5由數字計數脈衝CLK4經計數器U218進行兩級分頻後得到，模擬計數的清零脈衝由數字計數的清零脈衝經U217C反相後得到；本電路的上下限水位設定由上下限控制選擇端子ZOUT1、ZOUT2完成，並分別經反相器U217A、U217B反相驅動後送上下限水位控制電路，上下限水位指示及控制電路I的下限水位指示由單穩態觸發器U219A、電阻R211、R212，電容C207，三極體N207和發光二極體D226組成，上限水位指示由單穩態觸發器U219B，電阻R217，電容C208，電阻R213、三級管N208及發光二極體D227組成，電阻R214、R215、三極體N209，可控矽SCR，繼電器JD組成，穩壓管D229、電阻R216，發光二管D228組成設備運行狀態指示電路。
接以上技術路線製作的高精度遠傳測控一體化液位計具有以下優點一、測量精度高1、本實用新型使用大量程(1-200米)、高精度(1％-0.1％)、高分辯率(釐米毫米)的矽阻式液深型傳感器，加上精心設計的高穩定3V電壓供電，保證了液位測量的高精度和高穩定性。
2、液位信號發送器就近把液位信號進行放大，緩衝，加上精密的V/F變換(精度高達0.02％)，這種模擬液位信號就近數位化技術，為液位信號精確遠傳提供了基本保證。
二、抗幹擾能力強特殊設計的液位數位訊號遠傳發送，接收電路，有效解決了在強電磁幹擾下液位信號遠傳問題，本實用新型在傳送液位信號時具備以下優點1、對傳輸導線不作過高要求，即便是線徑只有0.1毫米的普通雙絞線也能保證在10km距離內真實可靠地完成數據傳遞，誤碼率基本可忽略。
2、允許兩根數據傳輸導線無限長時間短路。一旦短路現象消失，立即恢復正常的數據傳輸工作，機器不會燒毀。
3、具有良好的抗幹擾特性。例如，在國內某鐵路樞紐的供水工程中，由於多方面的原因，一開始使用國內某名牌無線式水位計，但每當有電力機車通過時，其附加誤差高達25-46％，造成供水設備頻繁啟、停和供水秩序紊亂。
確認無線水位計不適用之後，又改用該名牌的有線水位計，結果與使用該名牌的無線水位計現象基本類似。前後不到一個月時間，即燒毀了一臺高壓水泵，配電櫃的接觸器觸點也出現粘連現象。
在前述兩種類型的水位計均不能滿足供水要求的情況下，最終改用本實用新型液位計，結果表明，使用本液位計完全可以滿足鐵路沿線強烈電磁幹擾情況下對水位監控需要。到目前為止，該型液位計在鐵路沿線已經裝備有近20套，其中運行時間長者達3年以上，時間短者將近1年，其數據傳輸距離近者數百米，遠者達10公裡，均能表現出「基本不存在誤碼率、指示穩定、水位控制準確無誤、溫度漂移小等」良好的綜合特性。
三、採用數字模擬雙重顯示技術，使其兩者優勢互補，達到了顯示既直觀、又精確的相對完美的顯示效果。
四、利用嚴謹的邏輯判斷技術，實現對水位的控制。這不僅使得對水位的控制操作準確無誤，而且解決了大多數水位計所存在的「在臨界水位附近頻繁啟停供水設備」的問題，保護了供水設備。
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
附
圖1本實用新型外觀結構示意圖；附圖2本實用新型現場工作連線示意圖；附圖3本實用新型液位信號變送器電路原理圖；附圖4本實用新型液位信號接收電路F和基準時鐘源電路G的原理圖；附圖5本實用新型液位信號數字、模擬雙顯及上下限液位設定電路H的原理圖；附圖6本實用新型上下限液位指示及控制電路I和接收器電源電路J的原理圖。
實施例1，某鐵路供水工程蓄水池用高精度遠傳測控一體化液位計。
在國內某重要鐵路樞紐的供水工程中，蓄水池與中央控制室相距10KM之遠，蓄水池位置處於電力機車的整備作業區內，且蓄水池的上方有35KV的高壓架空線，在強電磁場的幹擾下，致使原來的液位監控系統的誤差在±10-46.2％之間頻繁變化，控制水泵非正常頻繁啟動，不僅破壞了鐵路樞紐正常的供水秩序，而且造成被控設備的非正常減壽甚至燒壞。
針對以上問題研製的高精度遠傳測控一體化液位計，由兩大部件組成，一是位於蓄水池附近的液位信號變送器，二是位於中央控制室的液位信號接收器，兩者之間通過普通雙絞線連接，附圖1顯示了該液位計兩大部件的外觀結構示意圖，其中左上圖為該液位計液位信號變送器的外觀三維視圖，左下圖為其俯視圖，右上圖為本液位計液位信號接收器的外觀三維視圖，右下圖為其後視圖，左圖中1為液位信號發送器外殼，2為液位信號輸入、輸出五芯電纜插座，3為液位信號發送器的電源三芯電纜插座，右圖中4為液位信號接收器外殼，5為液位下限指示燈，6為液位上限指示燈，7為供水設備工作指示燈，8為右模擬液位顯示柱，9為四位數字液位顯示，10為左模似液位顯示柱，11為液位接收器後視板上有14個接線柱的接線板，後面板上清晰的標明了每個接線柱的作用。
附圖2顯示了兩大部件在實際工作中的連接示意圖，圖中1為液位信號變送器，4為液位信號接收器，12為遠傳液位信號的普通雙絞線，13為蓄水池，14為高精度矽阻式液深型傳感器，15為液位傳感器與液位變送器之間的特殊中空屏蔽電纜，16為給蓄水池供水的地下水管，17為給蓄水池抽水供應的水泵，18為水泵與液位信號接收器之間的連接電纜，19為液位信號接收器的220V交流電源插頭，20為液位信號變送器的220V交流電源插頭。
本實用新型工作過程如下矽阻式液位傳感器不斷敏感蓄水池中水位高低並通過電纜15送入液位信號變送器1，該變送器就地將矽阻式液位傳感器敏感的微弱電壓差信號放大、緩衝、V/F變換成可以進行遠傳的10KHZ的數字式頻率信號，送入遠傳發送器，通過普通雙絞線遠傳至位於中央控制室的液位信號接受器4，接收器接收此信號後，一方面進行數字，模擬顯示，使中央控制室的工作人員隨時可直觀精確的觀測在10km以外的現場液位變化，另一方面監控著液位的正常範圍。一旦液位高於上限值，液位信號接收器面板上的上限指示燈亮，液位信號接收器4中的繼電JD通電動作，通過電纜18控制水泵斷開，停止給蓄水池進水，同時設備運行指示燈滅，表示水泵已停止工作；當水位因供水作業而不斷下降至低於下限值時，液位信號接收器面板上的下限指示燈亮，繼電器JD掉電，控制水泵電源再次接通，同時，面板上設備運行指示燈重又點亮，表明水泵正在工作，如此反覆，不僅保持了液位在上下限之間的基本恆定，而且避免了水泵電機的非正常頻繁啟動。
附圖3給出了液位信號變送器的電路原理圖，從圖中可以看出它由液位信號放大電路A，緩衝放大電路B，精密V/F變換電路C和液位信號遠傳發送電路D及電源電路E組成。
液位信號變送器通過電纜接收液位傳感器來的液位信號，該信號是只有mv級且攜帶有較大共模幹擾的微弱電壓差信號，因此，變送器第一級放大電路A採用差動數據放大電路，由運放A101、A102、A103及電阻R101-R109，電位計W101、W102組成，其中W101用以調節A101固有的失調電壓，保證A101與A102的對稱性，進而提高數據放大器的長期穩定性。R107、R108、R109用以調節數據放大器的共模抑制比。實測表明，該數據放大器的共模抑制比達110db，從而保證了良好的共模抑制特性和抗幹擾特性。
第二級緩衝放大電路B由運放A104及電阻R110-R118電位計W103、W104、W105、電容C101、C102組成，主要作用是對數據放大電路A送來的信號進行進一步放大以滿足下一級接口的要求。
其中W104用於調整A104固有的失調電壓，確保緩衝放大器的運算精度，由R110、R111、W103組成的調零迴路，用於消除液位傳感器的零位偏差，即當液位等於零時，通過調節W103使緩衝放大器的輸出為零，W105用以調節緩衝放大器的放大倍數。
精密V/F變換電路C是本實用新型又一關鍵環節，其作用是將緩衝放大器送來的模擬電壓信號按嚴格對應關係轉換成頻率數位訊號輸出，為實現液位信號遠傳作好充分準備，因為V/F轉換精度高低將直接影響整個系統的綜合精度，為此，我們利用高速運算放大器(TL081)按電荷平衡原理，設計出非線性誤差低於0.02％總精度達0.04％的V/F變換電路C，本電路由運算放大器A105(TL081)、A106(TL081)及電阻R119-R125、R130、電容C103、C104、C105，電位計W106、W107、WMAX、WAIN、二極體D102-D107(其中D105為穩壓二極體)組成。
其中，A105、C103、C104、C105、R119、R120、W106組成V/F交換的第一級積分器，A106、R124、R125、D102-D107、W107組成V/F變換的第二級具有方向性的基型遲滯比較器，二級管D101為復位模擬開關，W106、W107分別接在A105、A106的1、5腳之間，中點接4腳，用以調節A105、A106的固有失調電壓。A105輸出端(6腳)與A106輸入「+」端(3腳)間接電阻R112和電位計WMIN用以調節V/F轉換精度。
A105輸入「-」端(2腳)通過電阻R130、R121、WMAX與A106的輸入「-」端(2腳)相連，WMAX用以調節V/F轉換器的轉換係數。
遠傳發送電路D由雙運放集成塊A107(LF353)電阻R126-R129組成。
當V/F轉換器把模擬信號按嚴格的對應關係轉換為頻率信號以後，由於其輸出的僅僅為CMOS電平，難以實現遠傳的目的。遠傳發送器的作用就是把CMOS電平的液位信號在保證原對應關係的前提下，對其進行必須的物理變換，使液位信號的遠傳成為一種可能。
遠傳發送器中A107A工作於比較器方式，R126、R127組成分壓迴路，為A107A的第2腳提供門限電壓，實測證明，當A107A的門限電壓達到輸入CMOS電平的二分之一時，A107A具有良好的輸出特性。保證把輸入的CMOS電平脈衝，變換為接近A107A最大輸出幅值的雙向脈衝輸出。
A107B工作於跟隨器狀態，對A107A輸出的雙向脈衝進行隔離驅動，當A107B具備恆流輸出特性時，其輸出脈衝即為具有恆流輸出特性的頻率(數字量)信號。
這樣一來，該遠傳發送器綜合利用了數字量的抗幹擾特性和恆流源的遠傳特性，從而保證該遠傳發送器所特有的抗強烈電磁幹擾和遠距離傳輸液位信號等優良的特性指標。
變送器電源電路E為一般直流穩壓電路，交流220V經變壓器B1、整流橋QL1、和濾波電容C106-C108濾波後送入穩壓集成塊IC001(7815)，IC002(7915)再經C110、C111濾波後為變送器各級提供±15V工作電壓，同時+15V還經穩壓集成塊IC003(LM317)，電阻R131-R135為矽阻式液深型傳感器提供高精度3V±50PPM電壓基準，從而，從電源上進一步保證了液位測量的高精度。
附圖4、5、6給出了液位信號接收器中各部分電路原理圖，下面分別敘述。
附圖4為遠傳液位信號接收電路F和基準時鐘源電路G的原理圖，由於液位信號遠傳發送器發送的液位信號，經過遠距離傳遞以後，尤其是在經過有強烈電磁幹擾的鐵路沿線環境時，將必然地串入共模幹擾信號以及其它幹擾脈衝。同時，由於遠傳發送器具有一定程度的非理想恆流特性，所以這些信號經過遠距離傳輸後，必然造成波形畸變，用示波器在遠傳接收器的輸入口觀察這些波形已經證明了這一點。
遠傳液位信號接收電路F的基本作用就是把液位信號進行真實還原，滿足下一級接口需要，它由兩級組成1、微分(隔直流)負載衰減器。
微分負載衰減器由C201、R201組成，正是利用「由C201、R201」所組成的微分負載衰減器的隔直流特性來濾除共模幹擾信號和幹擾尖峰脈衝，最終在R201上得到有用的交變數字脈衝。
2、過零開關。由運放A201(LM311)及電阻R202組成。
經過「微分負載衰減器」的衰減以後，雖然恢復為交變脈衝，但其幅值和驅動能力已經變得比較小，難以滿足標準接口邏輯電平(CMOS)的需要，A201的作用即是把微分負載衰減器輸出的交變數字量脈衝，還原為符合接口邏輯電平要求的數字脈衝(CLK1)。該脈衝即為真實的與被測液位嚴格對應的水位脈衝。
基準時鐘源電路G的作用是為模擬、數字兩個計數器提供標準時鐘。由六施密特觸發器/反相器集成電路U208(40109)及計數分頻器U206(4017)、U207(4107)組成，其中U208D、R203、JZ2、C202、C203構成32768HZ的頻率發生器，其輸出頻率通過U208E反相驅動後再進入U206進行分頻，然後在U206的Q6輸出數字計數器的動態掃描脈衝CLK2。
同時，U206的Q11端還向U207的CLK端輸出一個時鐘脈衝，該脈衝經U207分頻後，通過U207的Q0端輸出，經U208A、U208B向數字計數器提供所需的「計數/禁止」脈衝信號CLK3。
附圖5為數字、模擬雙顯及上下限水位設定電路H，本實用新型針對前述的數字、模擬顯示技術的優缺點，採用了數字加模擬的雙重顯示技術，使兩種顯示技術優勢互補，達到相對完美的顯示效果。
其中，數字顯示電路由四級異步級連計數器U201、U202、U203、U204(均為40110)以及相應的數碼管LED1、LED2、LED3、LED4組成數字顯示器的計數顯示部分；計數器U205(4017)、三極體N201、N202、N203、N204、電阻R216、R217、R218、R219為LED1、LED2、LED3、LED4提供動態掃瞄驅動，以降低顯示器功耗，雙單穩態觸發器，U209A，U209B(4098)及電阻206、R207、電容C204、C205組成兩個單穩態觸發電路為數字顯示提供鎖存、消零等邏輯控制脈衝，以保證數字顯示器按指定的方式準確計數。
模似顯示電路，沒有採用陳舊的指針式模擬顯示技術，而是採用目前流行的矩陣顯示技術，觀察者可以很輕易地一眼就判讀出液位變化的趨勢，尤其是在能見度不良，指針式儀表不易判讀的條件下，矩陣顯示效果更為清晰。
模擬顯示器由七個同步級連計數器(均為74LS175)U10、U211……U216以及對應的27對發光二極體L201A、L20B、L201C、L201D、L202A、L202B……、L224A、L224B、L225A、L225B、L225C、L225D；電阻R208、三極體N205、電阻R209、三極體N206等組成。
模擬顯示計數器根據數字計數器提供的計數脈衝經U218進行2級分頻後得到模擬計數脈衝CLK5，該脈衝進入由U210-U216組成的同步級連計數器的CLK輸入端。
該級連計數器的基本結構特點是「每輸入一個脈衝，必定有一個輸出的邏輯狀態發生對應變化，進而控制模似顯示器矩陣中一個對應的發光二極體燃亮，從而指示出水位的高低。為使上下限水位顯示清晰，使用了四個發光二極體指示水位的上下限，三極體N205、N206及限流電阻R208、R209是為增加驅動能力而設置的。
模擬級連計數器清零脈衝CLR由數字計數器的清零脈衝RST經反相器U217C反相後得到，它保證模擬計數器與數字計數器同步清零，防止計數」阻塞「。
上下限水位設定由上下限控制選擇端子ZOUT1、ZOUT2及向相器U217B，U217A實現(U217為六施密特觸發器/反相器40109)。
因為模擬顯示計數器各輸出端代表了液位高度，所以可以利用這一特點來實現控制供水設備的啟、停。
經上下限選擇端子選定的上下限液位控制脈衝，分別經U217A，U217B進行反相驅動後，保證滿足下一級相位和驅動能力的需要。
附圖6為上下限水位控制電路I和液位信號接收器電源電路J的原理圖。上下限水位控制電路由雙單穩態觸發器U219(4098)及外圍電路組成。其中U219A、R211、R212、電容C207發光二極體，D226三極體N207組成下限水位指示。U219B、電阻R217、電容C208、電阻R213、三極體N208及發光二極體D227組成上限水位控制及指示，其中U219A，U219B均設計為上升沿觸發方式。
電阻R214、R215、三極體N209，可控矽SCR、繼電器JD組成上下限水位控制電路。當被控水位達到設定的下限值時，在U209A的「TR+」端被下限水位脈衝觸發而翻轉，從而在其Q端輸出一個高電平，該高電平有以下兩個作用。
第一，經R212限流後令三極體N207導通，燃亮下限水位指示燈D226接收器面板上指示燈5，指示被控液位已經到達下限水位；第二，經R204限流後令三極體N209導通，接通可控矽SCR的主迴路，為上限水位到來時觸發可控矽，提供電氣迴路。
此時可控矽SCR處於待導通狀態，但並未導通，Vcc通過JD線圖，穩壓管D229，限流電阻R216，使指示設備處於運行狀態的發光二極體D228點亮(接收器面板上指示燈7)，表示水泵電機正在工作，水位會不斷上升。
當被控水位達到設定的上限值時，一方面經R213的限流作用令N208導通，燃亮上限水位指示燈D227(接收器面板上指示燈6)。
同時，U219B的「TR+」端被上限水位脈衝觸發而翻轉，從而在其「Q」端輸出一個低電平，由於在上限水位脈衝到來以前N209已經處於可靠的導通狀態，所以該低電平可以確保可控矽SCR導通。
可控矽導通後，令繼電器JD的長閉觸點JD-1斷開，斷開水泵，停止向蓄水池供水，蓄水池的水位停止上升。同時D228因無足夠的驅動電流而熄滅，表示水泵電機停止工作，水位不會再上升。
由於可控矽有良好的記憶特性，所以一旦被上限水位信號觸發導通，那麼在水位返回下限水位(即由於實際水位低於設定的被控水位而令N209截至)以前，即便實際水位低於上限水位，仍能保證JD處於閉合狀態，從而保證不會開泵，也就避免了在設定的上限臨界水位上頻繁啟停水泵的現象發生。
同理，在設定的下限臨界水位上，由於沒有上限水位脈衝觸發可控矽，所以儘管下限水位脈衝會令N209導通，但也不會令繼電器JD閉合，從而保證當實際水位在設定的下限水位過渡時，不會出現頻繁啟停水泵的現象發生。
圖中的R210、C206組成的RC積分迴路，保證在系統上電後的一定時間內對U219A和U219B實施清零操作，防止由於系統在上電時刻所存在的固有擾動因素而誘發頻繁啟停水泵的現象發生。
水位控制輸出由繼電器JD的一對常閉觸點JD-1，JD-2串接於水泵接觸器的迴路中，水位計上電並完成清零操作以後，只要實際水位處於設定的上限水位以下，就保證接通水泵的接觸器令水泵進行供水，只有當實際水位第一次達到設定的上限水位以後，才斷開水泵。
在上電後的第一次斷開水泵以後到下一次上電前的時間內，始終保證兩個工作特點第一，在水位下降過程中，只要出現實際水位低於設定的下限水位，立即接通水泵進行供水，並一直把水位上升到設定的上限水位時才斷開水泵。
第二，在水位上升過程中，一旦實際水位達到設定的上限水位而斷開水泵，那麼只有當實際水位下降到設定的下限水位時，才能接通水泵。
正是有這兩個特點保證，所以不僅避免了頻繁啟停水泵的現象出現，也保證了水泵以間歇方式進行工作，這對於延長水泵壽命無疑是一種有利因素。
液位信號接收器電源電路J由變壓器B2、整流橋QL2和電容C209、C210、C211組成，220V交流電經B2變壓，QL2整流，C209、C210濾波送穩壓集成塊IC004(7805)，再經C211濾波為液位信號接收器提供+5V電源Vcc。
權利要求1.一種高精度遠傳測控一體化液位計，由高精度矽阻式液深型傳感器，液位信號變送器，液位信號接收器組成，其特徵在於，液位信號變送器由液位信號放大電路A，緩衝放大電路B，精密V/F變換電路C及液位信號遠傳發送電路D及電源電路E組成；液位信號接收器由遠傳液位信號接收電路F，基準時鐘源電路G，數字、模擬雙顯及上下限水位設定電路H，上下限水位指示控制電路I及電源電路J組成，兩者之間經由普通雙絞線連接。
2.如權利要求1所述的高精度遠傳測控一體化液位計，其特徵在於液位信號變送器中液位信號放大電路A由運放A101、A102、A103及電阻R101-R109，電位計W101，W102組成一差動電壓放大電路，其中W101接在A101的1、8腳之間，中點接7腳，W102接在運放A103的1、8腳之間，中點接7腳，電阻R107、R108、R109接在A103「+」端輸入(3腳)與電源地之間；緩衝放大電路B由運放A104、電阻R110-R118，電位計W103、W104、W105及電容C101、C102組成，其中W104接在運放A104的1、8腳之間，中點接7腳，電阻R110、R111和電位計W103接在-15V和電源地之間，電阻R116、R117、電位計W105接在運放A104的輸入「-」端(2腳)和輸出(6腳)之間；精密V/F變換電路C由運算放大器A105、A106及電阻R119-R125、R130、電容C103、C104、C105、電位計W106、W107、WMAX、WAIN、二極體D102、D103、D104、D106、D107、D101、穩壓管D105組成，其中A105、、C104、C105、C103、R119、R120、W106組成V/F變換的第一級積分器，A106、R124、R125、D102-D107、W107組成V/F變換的第二級具有方向性的基型遲滯比較器，二極體D101為復位模擬開關，W106、W107分別接在A105、A106的1、5腳之間，中點接4腳，A105的輸入「-」端(2腳)通過電阻R130、R121、WMAX與A106的輸入「-」端(2腳)相連，A105的輸出端(6腳)通過電位計WAIN、R122與A106的輸入「+」端(3腳)相連。遠傳發送電路D由雙運放A107及電阻R126-R129組成，其中A107A工作於比較器方式，其輸入「-」端(2腳)有一電阻R126、R127組成的分壓迴路為其提供門限電壓，R128為輸入電阻，R129為反饋電阻，A107B工作於跟隨器方式，輸出端(7腳)與輸入「-」端(6腳)短接。
3.如權利要求1所述的高精度遠傳測控一體化液位計，其特徵在於，液位信號接收器中，信號接收電路F由電容C201、電阻R201、運放A201及反饋電阻R202組成，其中C201、R201組成微分隔直流電路，運放A201的5、6腳短接，1、4腳接地組成一過零開關電路。基準時鐘源電路G由六施密轉觸發器反相器U208、計數器U206、U207、晶振JZ2及電阻R203、R204、電容C202、C203組成，其中U208D、R203、C202、C203和晶振JZ2構成32.768KHZ頻率發生器經U208E反相後送入U206的CLK端，經U206分頻後，從Q6端輸出計數器掃描脈衝CLK2，從Q11端送入U207的CLK端再分頻後從其Q0端經U208B為數字計數器提供「計數/禁止」脈衝CLK3。數字、模擬雙顯及上下限液位設定電路H中四位數字顯示由四級異步級連計數器U201、U202、U203、U204及對應的數碼管LED1、LED2、LED3、LED4組成，數碼管LED1-LED4動態掃描驅動由計數器U205、電阻R216、R217、R218、R219、三級管N201、N202、N203、N204提供，雙單穩態觸發器U209A，U209B及電阻R206、R207電容C204、C205組成單穩態觸發電路，為數字顯示提供鎖存，清零等邏輯控制脈衝；本電路中模擬顯示採用矩陣形式，由7個同步級連計數器U201-U206及對應的27對發光二級管D201A-D，D202A、D202B……D224A、D224B、D225A-D組成，模擬計數脈衝CLK5由數字計數脈衝CLK4經計數器U218進行兩級分頻後得到，模擬計數的清零脈衝由數字計數的清零脈衝經U217C反相後得到；本電路的上下限水位設定由上下限控制選擇端子ZOUT1、ZOUT2完成，並分別經反相器U217A、U217B反相驅動後送到上下限水位指示及控制電路，上下限水位指示及控制電路I的下限水位指示由單穩態觸發器U219A、電阻R211、R212，電容C207，三極體N207和發光二極體D226組成，上限水位指示由單穩態觸發器U219B，電阻R217，電容C208，電阻R213、三級管N208及發光二極體D227組成，電阻R214、R215、三極體N209，可控矽SCR，繼電器JD組成，穩壓管D229、電阻R216，發光二管D228組成設備運行狀態指示電路。
專利摘要一種高精度遠傳測控一體化液位計,由高精度矽阻式液深型傳感器,液位信號變送器,液位信號接收器組成,該液位計由於採用了高精度液位敏感元件,就近將液位信號放大轉換成數字量輸出,特殊設計的數位訊號遠傳發送、接收電路,加上模擬數字雙重顯示等先進技術,使本實用新型具有測量精度高,抗幹擾能力強,遠傳距離大,誤差小,顯示直觀精確,控制安全可靠等多種優點,可廣泛用於需對液位進行精確測量、遠傳、顯示及控制的場所,尤其適用於有強烈電磁幹擾的環境。
文檔編號G01F23/22GK2388591SQ9921756
公開日2000年7月19日 申請日期1999年8月5日 優先權日1999年8月5日
發明者範瀟芳, 史憲書, 劉強 申請人:鄭州鐵路分局鄭州水電段