基于DZ-H扩散硅液位变送器的水位测量系统设计

徐 磊，时维铎，邢玉秀，徐 振，李 阳

（南京林业大学信息科学技术学院，江苏南京 210037）

0 引言

水位监测在航道船闸、码头、水库、水文站等场合起着至关重要的作用，目前，国内主要采用浮子式水位计、压力式水位计、超声波水位计等作为测量工具。但浮子式水位计受水底的淤积等影响较大，不能够实时的传送数据，还需要定时的进行人工维护，耗时耗力;压力式水位计容易受温度、水流的影响，导致读数不稳定;超声波水位计可以实时的传送数据，但是投入成本比较高，安装麻烦，受传播介质的影响也比较大。扩散硅投入式液位变送器能够克服以上缺点，直接投入到被测量的液体中进行测量，不受水底淤积的影响，可以实时的进行数据传送，制作成本低，使用方便。但是，目前扩散硅投入式液位变送在国内没有得到广泛的应用，技术还不成熟，需要进一步的探索、研究［1～3］。

1 DZ-H扩散硅液位变送器工作原理

DZ-H扩散硅液位变送器是一种可以直接将水位转换为标准电信号，以便二次仪表使用的器件，它安装方便、结构简单、经济耐用，能够实时监测水位的变化，可广泛应用于河道、航道船闸水位监测、污水处理、高楼水池、水文地质等场合。

DZ-H扩散硅液位变送器可以直接投入被测介质里进行测量，与其它的传感器相比，使用起来更加方便快捷。被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力呈正比的微位移，使传感器的等效电阻值R变为R'，根据扩散硅的特性可知

式中d1为扩散硅的压阻特性系数;d2为扩散硅受力与发生位移的线性比例系数;p为传感器所在介质位置的压强;S为传感器膜片的面积。

当液位变送器投入到被测液体中时，传感器受到的压力为

式中 ρ为被测液体密度;g为当地重力加速度;po为液面上大气压;H为变送器投入到液体的深度。

DZ-H扩散硅液位变送器采用+24V的直流电源供电，根据伏安特性

式中E为电源电压;R'为传感器受压后的阻值;r为250 Ω的采样电阻，r≪R'，忽略r的大小

综合式（1）、式（2）、式（4）可得

由式（5）可知，液体的深度H与测得的电流I呈线性关系，传感器输出4～20 mA的标准电流信号。但是由于空气大气压po的存在，给输出信号带来了4 mA的偏置电流，可以通过硬件的方法进行校正。

2 系统结构设计

本设计采用STC12C5A60S2单片机作为控制器，对采集得到的数据进行处理。单片机可采集的信号为0～5 V标准电压信号，而变送器输出的是4～20 mA标准电流信号，因此，需要设计压流转换电路将标准的电流信号转换为电压信号。本设计通过与变送器串接250 Ω相对误差为0.1%的高精密采样电阻器，将电流信号转换为1～5 V的电压信号，然后通过一个高阻抗的差动放大电路，将减去1 V的基值电压，得到0～4 V的电压信号，再经过运算放大器放大1.25倍，最后得到标准的0～5 V电压信号，送给单片机进行数据处理和显示，系统的总体结构框图如图 1所示［4，5］。

图1 系统总体结构框图Fig 1 Overall structure block diagram of system

2.1 传感采集电路的设计

DZ-H扩散硅液位变送器是电流型变送器，采用+24 V电源供电，将测量水深转换为4～20 mA的标准电流信号，本设计采用250 Ω精度为0.1%的精密电阻器作为压流转换元件，得到1～5 V的电压信号，供后面的电路进行处理，其模块电路如图2所示。

2.2 带零点补偿的差分放大电路

为了得到0～5 V的标准电压信号，就必须将传感采集模块得到的1～5 V的电压信号减掉1 V的基值电压，然后再进行放大，因此，需要设计提供1 V电压的零点补偿电路。本设计采用电压细分技术，可以精确地得到0.8～1.3 V之间的任意电压，不仅满足了系统的要求，还能减小系统误差。

得到0～4 V的电压信号后，要想得到0～5 V的标准电压信号，需要将其放大1.25倍，供单片机处理使用。本设计首先用电压跟随器，来隔离采集电路和放大电路之间，防止2个模块电路相互干扰。采用高阻抗差分放大电路，具有差分电路的性能，不仅可以抑制共模信号造成的偏差，还可以在一定程度上抑制温度漂移。在2个运放LM 324的反相输入端，用1kΩ的固定电阻器和2kΩ的滑动变阻器代替2 kΩ的固定电阻器，这样可以精确调节放大倍数，确保放大倍数为1.25，减小系统的误差，其模块电路图如图3所示。

图2 传感器采集模块电路Fig 2 Circuit of sensor acquisition module

图3 高阻抗差分放大电路Fig 3 Circuit of high impedance differential amplifier

2.3 单片机最小系统电路与显示电路

本系统采用STC12C5A60S2单片机作为总的控制器，进行数据的处理。STC12C5A60S2自身带有10位的A/D转换器，完全可以满足本系统对转换精度的要求。

扩散硅变送器输出的电流信号经过处理后，最后转换为标准的电压信号，送给单片机进行处理，经过一系列的数据运算后，转换为4位十进制数据，用数码管SM4105进行显示。数码管采用74LS164进行驱动，并采用虚拟I/O口技术，通过I2C数据总线将数据传送给74LS164，驱动数码管进行显示。

另外，DZ-H扩散硅变送器需要用到+24 V电源供电，而单片机和显示模块需要+5V电源供电，为了避免因设备工作时需要多路电源供电带来的不便，本系统采用B2405S电压转换模块，将+24 V的电压直接转换为+5 V电压，供单片机使用，也使设备的安装更加简捷［6～8］。

3 软件设计

软件部分对单片机和液位传感器的初始化，并对采集到的电压进行保留2位小数的处理，然后对采集到的电压进行A/D转换，并对A/D转换的结果Res进行分段处理。通过对大量实验数据的分析，得知各段的水深值Disp和A/D转换的结果Res之间均是线性关系，符合Disp=k·Resb的形式，但不同段的Res值对应的k和b的值不同。不同段的Res值经过不同的运算之后，最后将处理后的值保存在Disp，送显示模块进行显示，系统的软件流程如图4。

图4 程序流程图Fig 4 Program flow chart

4 实验结果

1）温度对DZ-H扩散硅变送器的影响

DZ-H扩散硅变送器的工作温度在-20～60℃，将变送器分别放在不同的水温下，测量不同深度时变送器的输出电流，转换为测量深度后与实际深度作对比，得到的结果如表1所示。

表1 不同深度下温度对变送器的影响Tab 1 Influence of temperature on transmitter under different depth

对上表的数据进行分析可以看出:在DZ-H扩散硅变送器的工作温度范围之内，随着温度的上升，变送器的输出电流略有上升，当快要达到变送器的极限工作温度时，会有较大的变化，由于温度变化引起的最大温漂误差为0.07 mA/℃，平均温漂误差为 0.06 mA/℃。因此，在变送器的工作温度范围之内，温度对变送器测量精度的影响可以忽略。

2）DZ-H扩散硅变送器测量液位的数据分析

在采用二线式扩散硅液位变送器进行水深测量时，根据变送器的工作原理p=ρ·g·H+po，实际由水深产生的压强，等于测量得到的压强减去水面上由于大气压产生的压强po［9，10］。但是由于变送器受到试验环境里水流等的影响，再加上元器件本身的制造工艺误差等原因，导致试验结果无法避免地存在误差。2013年5月4日，在南京市中山码头进行了测试，对得到的数据如表2所示。

表2 测量深度和实际深度的比较Tab 2 Comparison of measured depth and actual depth

对数据进行分析，得到本次测试结果的最大偏差为0.04 m，最大相对误差为2%，平均相对误差为0.775%，同时从Matlab仿真对比的曲线看出:实际水深和测量值的曲线几乎重合，只在个别数据有较大偏离，但总体上还是可以达到对精度的要求。

根据以上测得的实验数据，在Matlab里进行绘图，得到实际水深与电流的曲线，如图5所示。

图5 实际水深和测量值与电流在同一坐标下的曲线Fig 5 Curve of actual water depth，measured values and current in the same coordinate

5 结论

本文针对目前国内水位监测控制存在的弊端，设计了一种基于DZ-H扩散硅变送器的水位测量系统。通过对测量数据的分析，DZ-H扩散硅变送器在工作的温度范围内，随着温度的上升，测量结果会略有上升，但是温漂引起的误差比较小，在可以接受的范围内。对水位的测量也比较准确，完全满足航道船闸水位监测对精度的要求，在航道船闸水位监测领域中有具有较好的应用前景。

［1］中华人民共和国水利部.SL61—94水文自动测报系统规范［S］.北京:中国水利水电出版社，1994.

［2］华 晨.GE DRUCK PTX—1730投入式液位传感器的应用［J］.黑龙江水利科技，2012（11）:60-61.

［3］李天成.新型投入式液位计在罐位检测中的应用［J］.油气储运，1997，16（10）:46-48.

［4］何利民.单片机高级教程—应用与设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007:1.

［5］张迎新.单片微型计算机原理、应用及接口技术［M］.北京:国防工业出版社，1993:224-227.

［6］谭浩强.C程序设计［M］.2版.北京:清华大学出版社，1999.

［7］徐 振，时维铎.数码管的研究使用总结［J］.科技视界，2012，25:194-195.

［8］陈艳丽，李长青.矿用投入式水位传感器［J］.煤矿安全，2008（11）:77-79.

［9］贾 丽，袁小平，陈 烨，等.常用液位检测方法的研究［J］.能源技术与管理，2009（1）:120-122.

［10］徐 驰，孙长库，王 鹏，等.液位实时自动跟踪测量系统［J］.传感技术学报，2011（24）:1507-1512.

［11］杨 雷，王彩申，卢广建.液位测量中的信号采集与处理［J］.微计算机信息，2006，22（10）:177-180.

［12］陈艳丽，李长青.一种矿用投人式水位传感器的设计［J］.煤矿机电，2008（6）:240-26.