一种高可靠性电极式水位传感器模型研究

邓 柳

（长江职业学院，湖北武汉，430074）

0 引言

水位测量技术的应用在日常生活随处可见。与工业、家用电器中的应用不同，河流的水位测量，是水利信息化工程中的重要环节，关系到人民安全、生活环境等民生问题。水位测量离不开传感器，经调查，河流的水位测量工作中，经常使用的水位传感器主要有超声波式、压力式等。超声波式水位传感器是一种利用超声波遇到障碍物后反射的原理，将距离转换成时间进行测量的传感器。使用时，将超声波探头固定在水面上一定距离，通过计算发送超声波与接触水面后返回的超声波之间的时间差，获得探头与水面的距离，从而计算出水位，超声波传感器不能克服水面波动造成的影响；压力式传感器是一种投入式传感器，利用了水的深度与压强的数学关系，通过计算传感器承受的压强，间接获得水位值。压力式传感器测量精度较高，但测量精度易受到环境因素影响，信号处理难度高，因此价格昂贵。电极式水位测量方法一般用在工厂锅炉汽包水位的测量中，将电极直接与水和蒸汽接触，利用蒸汽环境和水的电导率不同，通过电路变换进而得出水位值。电极式水位传感器测量过程中不受环境因素影响，数据稳定，误差为等精度误差，也适合于河流的水位测量。然而，在锅炉汽包测量中，电极长期处于高温高湿的环境中，极易发生结垢、腐蚀，需要定期更换电极。河流的水位测量环境恶劣，也要考虑电极的腐蚀等问题。研究电极的防腐技术，构建高可靠性的电极式水位传感器模型，应用于河流的水位测量，具有极大的应用价值。

1 数字逻辑模型

参考传统的水位测量尺外型，设计出的电极式水位传感器模型的外观及电路模型如图1所示。

从外观可知，传感器设计成窄条状，长度可固定为1m，主要部件包括公共电极、检测电极、通信电缆、防水灌封胶、防水外壳等。其中，检测电极从上到下等距排列，一般可设置成1cm，一个传感器共包含1 00个检测电极。公共电极根据其驱动能力并考虑一定的驱动裕量，每10cm放置一个。易知，检测电极间的距离决定了传感器的测量精度。传感器的工作原理为：测量水位时，将传感器全部或部分浸入水中，利用水的导电原理，没入水中的检测电极与公共极导通，水面以上的电极与公共极不导通，在公共极上设置高电平，通过计算检测电极中电平为高电平的电极的个数即可得到水位值。传感器通信协议采用标准MODBUS协议，利于多个传感器纵向级联，以测量更深的水位。

图1中，基于CPLD设计出检测电极的信号采集数字逻辑和与单片机通信的时序接口。单片机与CPLD同步工作，获得检测电极的状态，经过计算获得水位值后，通过变送器向上位机传送带有水位数据信息的标准MODBUS格式的数据。其中，CPLD内部逻辑采用13个8位并入串出（具有串入串出级联功能）移位寄存器级联而成。经综合后的symbol如图2所示。

其中，lock引脚为锁存引脚，低电平有效，可在公共电极窄脉冲发送并稳定的同时，对检测电极的感应电平进行锁定，防止公共电极的窄脉冲撤销后检测电极无法感应水位；d_in[99..0]表示100个检测电极输入端；clk为同步时钟信号；d_out为串行数据信号；单片机通过clk、d_out引脚读取CPLD中锁存的检测电极电平数据。针对以上逻辑进行仿真，结果如图3所示。

从仿真结果可知，基于CPLD设计的检测电极信号采集模型中，能正确锁定100个检测电极的电平值，且能通过同步串行接口与MCU通信，逻辑正确，符合传感器的逻辑要求。

2 电极电路模型

电极式水位传感器的可靠性问题主要体现在如何防止电极的电化腐蚀。根据传感器的工作原理，公共电极上需要高电平，才能在检测电极上获得高电平从而正常检测水位，然而，公共电极一直处于高电平显然会加重电极的电化腐蚀，电蚀的程度与通电时间及电流大小成正比]。基于以上分析，经过大量的实验对比，提出降低电化腐蚀的主要手段是给电极加交流信号或采用微电流来驱动电极。

2.1 电极电路模型设计

根据电极防电化腐蚀思路，设计出如图4所示的电极电路模型。

可见，图4所示电路模型中，AB两点通过电容与内部电路直流隔离。工作时A、B两点瞬时电压分析计算如下：

根据传感器的工作原理，公共电极驱动信号采用频率较低的脉冲信号f(t)，其数学表达式可表示为：

其中，A为脉冲信号的振幅，τ为信号的脉冲宽度。信号的波形如图5所示：

设公共电极A点的电压为yA(t)，可以视其为在激励为f(t)下零状态响应。其复频域的表达式为：

令 k=(R1+R2)C，有：

进行拉普拉斯反变换可得时域表达式:

其理论时域波形如图6所示。

设检测电极B点的电压为yB(t)，也可以视其为在激励为f(t)下零状态响应。其复频域的表达式为：

令 k=(R1+R2)C，k2=R2C，有：

进行拉普拉斯反变换可得时域表达式:

由表达式可知，yB(t)的时域波形与yA(t)类似，只是在振幅上略小于后者。若R2＞＞R1，则k2≈ k，yB(t)≈ yA(t)。

经过仿真和实测，A、B两点的波形如图7所示。该波形测试条件为：R1=10k，R2=200k，C=1uf，f(t)为A=5V、占空比为10%、f=1Hz的脉冲信号。示波器水平灵敏度200ms/div，垂直灵敏度2v/div。可见，该波形基本与理论计算相符，只是由于电容存在一定程度的漏电、水体电阻变化等因素影响，出现了一定的直流偏移。

通过以上分析可知，采用图4所示的电极电路模型，在公共极驱动信号为窄脉冲信号的条件下，公共电极和检测电极上都能得到正负交替电压信号。合理选择振幅A、脉冲宽度τ，则yB(t)很容易满足检测电极所连接的数字电路的阈值电压要求，从而被检测电极检测到。

表1给出了三种不同电极驱动方式下的传感器寿命对比。可见，图4所示电极电路模型采用了直流隔离、交变驱动电极、微功耗驱动等处理方式，使浸入水中的电极具有直流为零、电压正负交替的特点，从而将电化腐蚀降至最低，并能在一定程度上保护电极，延长传感器寿命。

表1 三种不同电极驱动方式下的传感器寿命

3 结论

对用于锅炉汽包水位测量的电极式水位传感器进行重新设计，提出了应用于河流、水库等水利系统的电极式水位传感器数字逻辑模型和高可靠性电极电路模型，提出使用交变窄脉冲作为公共电极的驱动信号，并将电极与内部电路直流隔离；长时间的现场实验数据表明，基于该模型的水位传感器使用寿命具有明显延长。电极式水位传感器在测量精度、抗干扰、远距离通信、系统集成等方面具有较大的优势，克服电极式水位传感器的可靠性问题，对于该传感器的推广使用、水位测量的信息化具有较大的意义。

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[2]张绍良.长寿命电极水位检测电路[J]电子制作.2004年05期

[3]阎鸿森，王新凤.田惠生.信号与线性系统[M]西安：西安交通大学出版社 2002.8 25-27