电子水位传感器数字标定的应用研究

张秋容，杨 伟，张涛川

（1.河源职业技术学院，广东河源 517000；2.佛山职业技术学院，广东佛山 528000）

0 引言

在全自动洗衣机里用到了水位传感器，常有两种：开关式和电子式。开关式水位开关因档位少现在很少再采用，而电子式水位开关档位多、线路少、精度较高且具有较强的防浪涌功能等优点而被广泛应用于各种实用水位采集中。本文将从电子式水位传感器的结构与工作原理、水位与频率对应关系的建立、电子式水位传感器的应用电路和水位标定程序设计四个方面，实现基于西门子PLC的水位传感器数字标定研究。

1 电子式水位传感器结构及工作原理

如图1所示的电子式水位传感器结构，主要由密封气室、隔膜、磁芯、电感线圈、弹簧等组成。传感器中的线圈固定不动，当气压推动隔膜带动磁芯使其与线圈之间的相对位置发生变化，线圈的电感量发生变化，由此实现了水位非电量到电量的变换。此电感若与2个电容可组成三点式振荡电路，振荡的频率将随水位的变化而变化，故又称谐振式水位传感器[1]。

图1 电子式水位传感器工作示意图

图1中弹簧的作用是用于调节反作用力大小，以改变水位灵敏度范围，即水位测量工作区间。对于批量生产的水位传感器，弹簧弹性系数K及长度都是不变的。

图1中气筒的作用是不能忽视的，它直接影响测量灵敏度和测量精度，原则上水位引起的气体体积变化越大，传感器反应越灵敏，这样内部液面稍微变化，就可引起传感器内部隔膜较大移动，电感L变化大，对水位变化敏感。

2 水位与频率对应关系的建立

无水时，传感器隔膜两侧气室压力相等，均为大气压，固定在隔膜上的磁芯在弹簧作用下进入线圈最少，对应一个电感量。

当有水，且水位为H时隔膜内气压高于外气压，其压差为：

Δρ=Hρ，

式中ρ为水的密度；H为水的高度。

根据压强与压力的公式，可知此时作用力为：

F1=ΔPS=HρS，

式中S为隔膜的有效面积。

此力最终由弹簧力平衡，设弹簧被压缩Δx后两作用力达到平衡，则：

F2=KΔX=F1=HρS，

式中K为弹性系数，

得到式（1）：

式（1）中A为常数，这是在忽略气体被压缩和隔膜移动、导气软管塑性扩展等造成气筒内水位微上升影响而得出。因为磁芯同时受到弹簧的反作用力，磁芯位移。

图2 磁芯在线圈中各位置符号示意图

电感L由下式计算

式（2）中N为线圈匝数；μ0为空气导磁率；μa为磁芯导磁率；R为线圈平均半径；r为磁芯有效半径；a为线圈长度。

如果用该线圈电感与电容器C1组成三点式振荡电路，取C1=C2=C，其谐振频率为：

把式（1）、式（2）代入式（3），

令常数项

其中m、n、u都是常数[2]。

从式（4）中可以看出：频率与水位高度之间存在一一对应关系，符合传感器工作特征，但存在严重的非线性，这对于带微处理器的智能系统不是问题。

3 硬件电路

根据西门子PLC及高速计数器接线要求，设计电路如图3，由三部分组成：振荡电路、分频电路和源型输出电路。对于市购电子式水位传感器，振荡频率一般无水时24 kHz，水位越高频率越低，如洗衣机最深水位0.35 m时约20 kHz。西门子PLC-CPU224主模块内有6个高速计数器HC0-HC5，每路最高可计频率30 kHz，但实际发现超过频率不计数，因此对其2分频。从式（4）得知，振荡频率与R1、R2无关，但R2阻值和电容C2决定脉宽宽度，当取R2=4K7，C2=43 nF时，脉冲占空比约50%。

图3 振荡、2分频及与CPU224高速计数HC5专线输入端子I04接线

4 水位标定程序设计

PLC读取水位的方法大致是：单位时间内计到的脉冲数。为了定时准确，定时必须用中断。定时1 s，1 s内所计脉冲数，就是频率。

（1）S7-200PLC 的 中断源有多个，如CPU224有30个。要用PLC的中断系统，一般要用到以下指令：全局中断允许指令（ENI）、全局中断禁止指令（DISI）、中断条件返回指令（CRETI）、中断连接指令（ATCH）、中断分离指令（DTCH）。

现采用10号中断源“定时中断0”，关联到INT 0。但定时中断0最大定时只有255 ms，若设定为250 ms，要连续中断4次才是1 s。在PLC运行首次扫描时设置好定时初值和开中断等，其设置子程序名SBR0。

（2）使用高速计数器

高速计数器使用步骤：定义高速计数器和操作模式、设置控制字节、设置初始值、指定并使能中断子程序、激活高速计数器。

CPU224有HSC0～HSC5高速计数器，每个计数器可能有0～11共12种工作模式，不同工作模式会占用固定的PLC输入端子，每个计数器都有相应特殊辅助位、特殊字/字节管理控制，具体可查看资料。

本系统采用HSC5，设置为工作模式0（“带内部方向控制和内部计数清零的单相计数器”），占用I0.4输入点。同样，要在PLC运行首次扫描时配置好HSC5，其配置HSC5子程序名SBR1。

（3）中断服务程序INT 0

250 ms定时到扫描系统会进一次INT 0中断服务程序，进来首先VB10存储值加1，然后判断VB10是否等于4，小于4则直接中断返回；等于4则停止HCS5计数并做数据处理。整个程序清单如图4。

图4 实时水位判断程序

“水位-频率”的标定，用STEP 7 MicroWIN SP3(V4.0)编程软件“调试”下“在线程序状态监视”功能：加一定深度的水，直接读出HSC5的计数值。现以洗衣机为实例分8档水位对水位传感器频率进行标定，如表1所示。

表1 以洗衣机最高水位为H，分8档水位均匀标定的频率

在使用西门子S2-700PLC时，型号为CPU XXX CN，尾标有CN，只能使用V4.0 STEP 7 Mi⁃croWIN SP3编程，不能用SP4及以上版本[3]。若用SP4，可读取PLC信息等，但就是不能编程，即使简单的一条语句都报错。

5 结语

上面介绍的方法和程序，已在实验室测试，并把数据成功应用于某企业员工公寓基于单片机监控的公共太阳能热水器水位检测中，系统数据稳定可靠。这种两线式水位传感器因电路简单，且无需放大及A/D转换，减少了不稳定因素，非常适合供水水塔、汽车水箱甚至河流水位等智能控制系统的水位监测。

［1］扈刚，王延峰.谐振式水位传感器［J］.传感器技术，2002，21（5）：22-23，26.

［2］张万忠.可编程控制器入门与应用实例：西门子S7-200系列［M］.北京：中国电力出版社，2004.

［3］西门子公司.西门子S7-200系统手册［Z］.2010.