具有自校準功能的液位傳感器的製作方法

2023-12-10 23:47:17 1

專利名稱：具有自校準功能的液位傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於液位測量技術領域，涉及一種具有自校準功能的液位傳感器。
背景技術：
水位高度測量是一個普遍存在的問題，隨著工農業的發展，伴隨產生的汙水已經嚴重影響了我們賴以生存的環境。目前對明渠汙水的流量監控主要以堰槽明渠流量計為主，而這種測量方法關鍵的技術是對水位高度的精確測量，如何準確、有效的測量明渠、戶外溝渠等水位高度就顯的尤為重要。目前，對於戶外溝渠、明渠、河流的水位測量主要是通過安裝在水中的具有刻度的量杆或鋼捲尺並通過肉眼觀察刻度而測得水位和圖像識別技術測液位。雖然前者這種方法具有直觀性，但通過肉眼觀察來測量的實質存在著不能驗證結果的精確性，觀察者連續的讀數，肉眼容易產生疲勞，造成隨機性誤差，精度不能保證一致性，且這種測量方法不能實現自動化。後者雖實現了自動化測量的過程，但對於光強及環境要求比較高，且需要量杆或玻璃管具有刻度，系統比較龐大，不易攜帶及不適用性。同時，隨著工業技術的快速發展，出現了高精度、自動化的水位測量儀器，如超聲波液位計、磁滯伸縮液位計、雷達液位計等。但當水面發生不規則變化或水溫發生變化時，由於傳感器本身的原因，使其誤差增大影響了測量的精度，而且價格昂貴，不適合普遍應用，便攜性差。
發明內容本實用新型的目的是提供一種具有自校準功能的液位傳感器，提高明渠、戶外自然流道，溝渠等液位測量精度，實現自動化，減少了人工測量帶來的誤差，而且成本低、安
全、可靠。本實用新型解決技術問題所採取的技術方案為本實用新型包括控制系統、光電傳感器探頭、連通管、固定軸、步進電機、絲杆、連軸塊、限位開關及防水套管。在防水套管內並排設置有連通管和絲杆，連通管兩端開放並伸出防水套管，絲杆由設置在防水套管外的步進電機驅動，在所述的連通管豎直方向上安裝有多對可上下活動的光電傳感器探頭，每對光電傳感器探頭間隔相同且平行，每對光電傳感器探頭中的一個光電傳感器探頭安裝在連通管的一側，另一個光電傳感器探頭安裝在連通管的相對側；所述的光電傳感器探頭均設置在連軸塊上，連軸塊與絲杆螺紋配合，絲杆的轉動帶動連軸塊在豎直方向上運動；在所述的連軸塊上方還設置有限位開關，用於感測連軸塊，所述的光電傳感器探頭、步進電機和限位開關均與控制系統信號連接。所述的固定軸與防水套管並排設置，固定軸底部與防水套管底部通過底盤相對固定。所述的控制系統採用單片機或PLC控制器。[0011]所述的連通管採用玻璃管或透明塑料管。所述的光電傳感器探頭採用對射式光電傳感器。本實用新型的有益效果在於本實用新型結構簡單，採用多對光電傳感器探頭對水位高度的確定具有高精度的特點，測量水位高度分辨力可達O. 01mm，水位高度的測量具有了自校準功能，同時通過區分各輸出信號的差別進行實時跟蹤水位高度。採用本實用新型解決了對明渠、河道、溝渠等液位測量精度不高、自動化測量避免人工操作帶來的誤差。(I)價格便宜。本實用新型比現有的超聲波液位計，磁滯伸縮液位計、雷達液位計等價格低。(2)便攜性好。(3)適合波動的水面液位測量。

圖1是液位傳感器結構示意圖；圖2是控制系統原理框圖；圖3是以單片機為基礎的控制系統具體電路實例圖。
具體實施方式
以下結合附圖進一步說明本實用新型。參照圖1，本實用新型包括控制系統1、光電傳感器探頭2、連通管3、固定軸4、步進電機5、絲杆6、連軸塊7、限位開關8和防水套管9組成。在連通管3兩側安裝有可活動的光電傳感器探頭2三對，通過連軸塊7與絲杆6相接，絲杆6連接在步進電機5的轉動軸上，限位開關8安裝在連通管3頂部固定塊的側方，防水套管9包圍絲杆6和連通管3，並通過底盤10焊接在固定軸4的底部。步進電機5轉動，從而帶動安裝在絲杆6上的連軸塊7上下運動，使光電傳感器探頭2沿著連通管3壁面上下移動。圖2是液位傳感器控制系統，包括了由光電傳感器探頭和比較電路構成的輸入電路11，單片機12、輸出電路13和驅動電路14。單片機或PLC輸出脈衝信號經驅動電路發送到步進電機，同時單片機對脈衝數進行計數，步進電機轉動促使光電傳感器探頭上下移動，輸出電壓信號經比較電路處理後構成的輸入電路I經I/O到單片機或PLC控制器，經輸出電路3中的轉換電路輸出得到標準電流信號4-20mA。圖3是液位傳感器控制系統一種具體電路實例，圖例中，輸入電路11中的光電傳感器探頭採用紅外發光二極體和光敏三極體組成的對射式光電傳感器，比較電路的比較器採用LM324。電阻R2 —端分別接光敏三極體的集電極和LM324的第2管腳，另一端接電阻Rl的一端共同接3V，電阻Rl另一端接紅外發光二極體的正極，二極體的負極與光敏三極體的發射極共同接地，電位器RWl的一端接3V，另一端接LM324的第3管腳；電阻R4 —端分別接光敏三極體的集電極和LM324的第5管腳，另一端接電阻R3的一段共同接3V，電阻R3另一端接紅外發光二極體的正極，二極體的負極與光敏三極體的發射極共同接地，電位器鼎2的一端接3V，另一端接LM324的第6管腳；LM324的第I管腳和第7管腳分別接入單片機2的 Pl. 4 和 Pl. 5 口。單片機12採用MSP430F435晶片。[0025]輸出電路13採用AD420晶片。電容Cl的一端與AD420的VLL和RANGE SELECT I管腳相接，另一端接地；RANGE SELECT 2管腳接地；電容C2和電容C3分別與AD420的CAP2和CAPl相接，另一端共同與VCC接3V，與電容C4的一端相接，電容C4的另一端與AD420的GND管腳共同接地；AD420的REF IN管腳和REF OUT管腳短接；AD420的IOUT管腳分別與輸出信號線和電容C5 —端相接，電容C5的另一端接地；AD420的DATA IN接入單片機2的P3.0 口。驅動電路14採用LM298N晶片。電容C8和電容C9並聯，一端接地，另一端與LM298的VSS,EN A、EN B管腳相接，EN A管腳接5V ；LM298的IN1、IN2、IN3和IN4分別接入單片機2的Ρ1.0、Ρ1.1、卩1.2和？1.3 口 ;二極體D1、D2、D3和D4的正極分別與LM298的0UT1、0UT2、0UT3和0UT4相接，二極體的負極與VS共同接12V，與電容C6和電容C7的一端相接，電容C6和電容C7的另一端共同接地；二極體D5、D6、D6和D7的負極分別與LM298的OUTU 0UT2、0UT3和0UT4相接；ISEN A和ISEN B共同與二極體D5、D6、D6和D7的正極接地；LM298 的 0UT1、0UT2、0UT3 和 0UT4 分別與電機的 A+、A-、B+、B-相接。以單片機為控制系統其工作原理如下:液位傳感器上電後，輸出電路中的光電傳感器探頭回歸到設定的初始位置。將液位傳感器垂直伸入渠道中 ，水通過連通管的底部進入到連通管中，渠道水位高度隨即反映在連通管中。通過當前各光電傳感器探頭信號的差別，控制系統控制步進電機進行正轉或反轉，使光電傳感器探頭 向水位高度處移動，當第一對光電傳感器探頭探測到水位高度時，光電傳感器探頭中的光敏三極體接收到紅外發射管發射的光線減少，導致其光敏三極體兩端電壓增大，該電壓通過輸入信號中的比較電路處理後，輸出反饋信號到單片機中，單片機以中斷方式處理該反饋信號，同時將單片機中的計數器對第一對光電傳感器探頭從初始位置至水位高度處，即輸出反饋信號的位置計數所得的脈衝數進行存儲，同樣原理對所有光電傳感器探頭移動到水位高度所需的脈衝數進行相應的存儲。由於各探頭間隔距離一定，經單片機數據處理依據公式(2)得到每兩對探頭之間脈衝差值，通過與常數N進行校準、t匕較，經公式(3)對水位高度進行修正，得到校準後的水位高度值。液位傳感器利用這個原理對水位高度進行了自修正，具備了自校準功能。單片機經數據處理完之後輸出數位訊號到輸出電路中，經DA轉換處理得到標準的4-20mA的電流信號。
權利要求1.具有自校準功能的液位傳感器，其特徵在於:包括控制系統(I)、光電傳感器探頭(2)、連通管(3)、固定軸(4)、步進電機(5)、絲杆(6)、連軸塊(7)、限位開關(8)及防水套管(9)； 在防水套管(9 )內並排設置有連通管(3 )和絲杆(6 )，連通管(3 )兩端開放並伸出防水套管(9)，絲杆(6)由設置在防水套管(9)外的步進電機(5)驅動，在所述的連通管(3)豎直方向上安裝有多對可上下活動的光電傳感器探頭(2)，每對光電傳感器探頭間隔相同且平行，每對光電傳感器探頭中的一個光電傳感器探頭安裝在連通管(3 )的一側，另一個光電傳感器探頭安裝在連通管(3)的相對側；所述的光電傳感器探頭均設置在連軸塊(7)上，連軸塊(7)與絲杆(6)螺紋配合，絲杆(6)的轉動帶動連軸塊(7)在豎直方向上運動；在所述的連軸塊(7)上方還設置有限位開關(8)，用於感測連軸塊(7)，所述的光電傳感器探頭(2)、步進電機(5)和限位開關(8)均與控制系統(I)信號連接； 所述的固定軸(4)與防水套管(9)並排設置，固定軸(4)底部與防水套管(9)底部通過底盤(10)相對固定。
2.根據權利要求1所述的液位傳感器，其特徵在於:所述的控制系統(I)採用單片機或PLC控制器。
3.根據權利要求1所述的液位傳感器，其特徵在於:所述的連通管(3)採用玻璃管或透明塑料管。
4.根據權利要求1所述的液位傳感器，其特徵在於:所述的光電傳感器探頭(2)採用對射式 光電傳感器。
專利摘要本實用新型涉及一種具有自校準功能的液位傳感器，該液位傳感器包括採用多對光電傳感器探頭確定水位高度，根據光電傳感器探頭輸出的信號，單片機或PLC輸出脈衝控制步進電機，使光電傳感器探頭由初始位置移動到目標位置(水位高度處)，並對脈衝數進行計數，獲得水位高度，同時單片機或PLC經信號和數據處理輸出標準的4-20mA電流。採用本實用新型測量水位高度不受水溫、水面波動等影響，能夠大幅提高了水位測量精度，降低了生產成本。本實用新型測量水位高度分辨力可達0.01mm。
文檔編號G01F25/00GK202915988SQ20122059201
公開日2013年5月1日 申請日期2012年11月9日 優先權日2012年11月9日
發明者王成李, 朱煒, 趙偉國 申請人:中國計量學院