一種高可靠性電極式水位傳感器模型研究

鄧 柳

（長江職業(yè)學(xué)院，湖北武漢，430074）

0 引言

水位測量技術(shù)的應(yīng)用在日常生活隨處可見。與工業(yè)、家用電器中的應(yīng)用不同，河流的水位測量，是水利信息化工程中的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到人民安全、生活環(huán)境等民生問題。水位測量離不開傳感器，經(jīng)調(diào)查，河流的水位測量工作中，經(jīng)常使用的水位傳感器主要有超聲波式、壓力式等。超聲波式水位傳感器是一種利用超聲波遇到障礙物后反射的原理，將距離轉(zhuǎn)換成時間進行測量的傳感器。使用時，將超聲波探頭固定在水面上一定距離，通過計算發(fā)送超聲波與接觸水面后返回的超聲波之間的時間差，獲得探頭與水面的距離，從而計算出水位，超聲波傳感器不能克服水面波動造成的影響；壓力式傳感器是一種投入式傳感器，利用了水的深度與壓強的數(shù)學(xué)關(guān)系，通過計算傳感器承受的壓強，間接獲得水位值。壓力式傳感器測量精度較高，但測量精度易受到環(huán)境因素影響，信號處理難度高，因此價格昂貴。電極式水位測量方法一般用在工廠鍋爐汽包水位的測量中，將電極直接與水和蒸汽接觸，利用蒸汽環(huán)境和水的電導(dǎo)率不同，通過電路變換進而得出水位值。電極式水位傳感器測量過程中不受環(huán)境因素影響，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，誤差為等精度誤差，也適合于河流的水位測量。然而，在鍋爐汽包測量中，電極長期處于高溫高濕的環(huán)境中，極易發(fā)生結(jié)垢、腐蝕，需要定期更換電極。河流的水位測量環(huán)境惡劣，也要考慮電極的腐蝕等問題。研究電極的防腐技術(shù)，構(gòu)建高可靠性的電極式水位傳感器模型，應(yīng)用于河流的水位測量，具有極大的應(yīng)用價值。

1 數(shù)字邏輯模型

參考傳統(tǒng)的水位測量尺外型，設(shè)計出的電極式水位傳感器模型的外觀及電路模型如圖1所示。

從外觀可知，傳感器設(shè)計成窄條狀，長度可固定為1m，主要部件包括公共電極、檢測電極、通信電纜、防水灌封膠、防水外殼等。其中，檢測電極從上到下等距排列，一般可設(shè)置成1cm，一個傳感器共包含1 00個檢測電極。公共電極根據(jù)其驅(qū)動能力并考慮一定的驅(qū)動裕量，每10cm放置一個。易知，檢測電極間的距離決定了傳感器的測量精度。傳感器的工作原理為：測量水位時，將傳感器全部或部分浸入水中，利用水的導(dǎo)電原理，沒入水中的檢測電極與公共極導(dǎo)通，水面以上的電極與公共極不導(dǎo)通，在公共極上設(shè)置高電平，通過計算檢測電極中電平為高電平的電極的個數(shù)即可得到水位值。傳感器通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議，利于多個傳感器縱向級聯(lián)，以測量更深的水位。

圖1中，基于CPLD設(shè)計出檢測電極的信號采集數(shù)字邏輯和與單片機通信的時序接口。單片機與CPLD同步工作，獲得檢測電極的狀態(tài)，經(jīng)過計算獲得水位值后，通過變送器向上位機傳送帶有水位數(shù)據(jù)信息的標(biāo)準(zhǔn)MODBUS格式的數(shù)據(jù)。其中，CPLD內(nèi)部邏輯采用13個8位并入串出（具有串入串出級聯(lián)功能）移位寄存器級聯(lián)而成。經(jīng)綜合后的symbol如圖2所示。

其中，lock引腳為鎖存引腳，低電平有效，可在公共電極窄脈沖發(fā)送并穩(wěn)定的同時，對檢測電極的感應(yīng)電平進行鎖定，防止公共電極的窄脈沖撤銷后檢測電極無法感應(yīng)水位；d_in[99..0]表示100個檢測電極輸入端；clk為同步時鐘信號；d_out為串行數(shù)據(jù)信號；單片機通過clk、d_out引腳讀取CPLD中鎖存的檢測電極電平數(shù)據(jù)。針對以上邏輯進行仿真，結(jié)果如圖3所示。

從仿真結(jié)果可知，基于CPLD設(shè)計的檢測電極信號采集模型中，能正確鎖定100個檢測電極的電平值，且能通過同步串行接口與MCU通信，邏輯正確，符合傳感器的邏輯要求。

2 電極電路模型

電極式水位傳感器的可靠性問題主要體現(xiàn)在如何防止電極的電化腐蝕。根據(jù)傳感器的工作原理，公共電極上需要高電平，才能在檢測電極上獲得高電平從而正常檢測水位，然而，公共電極一直處于高電平顯然會加重電極的電化腐蝕，電蝕的程度與通電時間及電流大小成正比]。基于以上分析，經(jīng)過大量的實驗對比，提出降低電化腐蝕的主要手段是給電極加交流信號或采用微電流來驅(qū)動電極。

2.1 電極電路模型設(shè)計

根據(jù)電極防電化腐蝕思路，設(shè)計出如圖4所示的電極電路模型。

可見，圖4所示電路模型中，AB兩點通過電容與內(nèi)部電路直流隔離。工作時A、B兩點瞬時電壓分析計算如下：

根據(jù)傳感器的工作原理，公共電極驅(qū)動信號采用頻率較低的脈沖信號f(t)，其數(shù)學(xué)表達式可表示為：

其中，A為脈沖信號的振幅，τ為信號的脈沖寬度。信號的波形如圖5所示：

設(shè)公共電極A點的電壓為yA(t)，可以視其為在激勵為f(t)下零狀態(tài)響應(yīng)。其復(fù)頻域的表達式為：

令 k=(R1+R2)C，有：

進行拉普拉斯反變換可得時域表達式:

其理論時域波形如圖6所示。

設(shè)檢測電極B點的電壓為yB(t)，也可以視其為在激勵為f(t)下零狀態(tài)響應(yīng)。其復(fù)頻域的表達式為：

令 k=(R1+R2)C，k2=R2C，有：

進行拉普拉斯反變換可得時域表達式:

由表達式可知，yB(t)的時域波形與yA(t)類似，只是在振幅上略小于后者。若R2＞＞R1，則k2≈ k，yB(t)≈ yA(t)。

經(jīng)過仿真和實測，A、B兩點的波形如圖7所示。該波形測試條件為：R1=10k，R2=200k，C=1uf，f(t)為A=5V、占空比為10%、f=1Hz的脈沖信號。示波器水平靈敏度200ms/div，垂直靈敏度2v/div。可見，該波形基本與理論計算相符，只是由于電容存在一定程度的漏電、水體電阻變化等因素影響，出現(xiàn)了一定的直流偏移。

通過以上分析可知，采用圖4所示的電極電路模型，在公共極驅(qū)動信號為窄脈沖信號的條件下，公共電極和檢測電極上都能得到正負交替電壓信號。合理選擇振幅A、脈沖寬度τ，則yB(t)很容易滿足檢測電極所連接的數(shù)字電路的閾值電壓要求，從而被檢測電極檢測到。

表1給出了三種不同電極驅(qū)動方式下的傳感器壽命對比。可見，圖4所示電極電路模型采用了直流隔離、交變驅(qū)動電極、微功耗驅(qū)動等處理方式，使浸入水中的電極具有直流為零、電壓正負交替的特點，從而將電化腐蝕降至最低，并能在一定程度上保護電極，延長傳感器壽命。

表1 三種不同電極驅(qū)動方式下的傳感器壽命

3 結(jié)論

對用于鍋爐汽包水位測量的電極式水位傳感器進行重新設(shè)計，提出了應(yīng)用于河流、水庫等水利系統(tǒng)的電極式水位傳感器數(shù)字邏輯模型和高可靠性電極電路模型，提出使用交變窄脈沖作為公共電極的驅(qū)動信號，并將電極與內(nèi)部電路直流隔離；長時間的現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)表明，基于該模型的水位傳感器使用壽命具有明顯延長。電極式水位傳感器在測量精度、抗干擾、遠距離通信、系統(tǒng)集成等方面具有較大的優(yōu)勢，克服電極式水位傳感器的可靠性問題，對于該傳感器的推廣使用、水位測量的信息化具有較大的意義。

[1]常傳忠.可靠的電極式水位自動控制電路[J]電子制作.1998年01期

[2]張紹良.長壽命電極水位檢測電路[J]電子制作.2004年05期

[3]閻鴻森，王新鳳.田惠生.信號與線性系統(tǒng)[M]西安：西安交通大學(xué)出版社 2002.8 25-27