基于回旋磁場的智能液體高度測量儀

金紀東，李思揚，王國娟

（河海大學 物聯網工程學院，江蘇 常州　213022）

基于回旋磁場的智能液體高度測量儀

金紀東，李思揚，王國娟

（河海大學 物聯網工程學院，江蘇 常州213022）

為實現對口徑小、液位深環境下液體高度的測量，對傳統電容液位測量方法進行數字化、智能化改進，設計了一種基于回旋磁場的智能液體高度測量儀。對測量原理與電路進行了分析設計，并采用單片機對測量電路輸出的脈沖信號進行處理，根據脈沖寬度計算得到液位高度，并通過軟件顯示出來。測試數據表明，該測量儀的測量誤差在1 mm以內，且操作簡單，符合設計要求。

回旋磁場；智能化；單片機；液位

液位測量在許多領域已較為普遍，常用的測量方法多種多樣：激光式、超聲波式、浮子式、吹氣式、壓力式等。這些測量方式對特定液位的測量來說雖有各自的優點［1］，但都存在一定的問題：結構較為復雜，制造成本偏高，同時不能適應量程大而且口徑小的特殊場合，譬如在大壩滲流井、地下水位、小口徑水井等場合。課題對傳統電容液位測量方法進行數字化、智能化改進，設計了一種基于回旋磁場的智能液體高度測量儀。它不僅適合口徑小、深度深的一些特殊場合，而且制作成本低，簡單易行，適合大規模推廣。課題實現了基于回旋磁場的液位智能測量，符合現代工業的發展趨勢，是一種簡單、可靠的測量方法。

1　傳感器設計分析

1.1傳感器的系統構成

基于回旋磁場的智能液體高度測量儀主要是由一根金屬管和一根絕緣導線（在實驗中使用普通漆包線）構成的通信圓柱體。其中金屬管的直徑約為25 mm，絕緣導線的直徑和材料可以根據具體情況而定，傳感器的原理圖如圖1所示。

圖1　傳感器示意圖

利用物理原理可知，同心圓柱體就是一個電容器，中心會形成回旋磁場，根據高斯公式可以計算得出回旋磁場內電容的值。同時為了使液位高度可以清晰地觀察到，可以利用連通器原理，選擇一個帶刻度的透明玻璃管來顯示液位高度。課題采用底部帶孔（孔的大小不要太大，但是水可以正常通過即可）的橡膠塞來堵住金屬管的兩端，這樣的設計有如下兩點優點：

1）孔徑較小，這樣漏水的時間較長，提高了測量的精度；

2）橡膠塞的彈性可以很好的幫助金屬導線進行固定。

上邊的橡膠塞小孔可以通風透氣，孔可以適當大一點，漆包線的位置固定后，電容的值即進行了固定，不會因為外界環境對測量產生較大的干擾，以提高測量精度，具體系統設計圖如下文中所講。

1.2測量原理

由圖1可知，當可測量液位H=0時，不銹鋼管與同軸絕緣導線構成的金屬圓柱體電容器之間存在電容C0，根據電磁場理論的有關知識［2］可知，假設電容器帶有Q的電量，忽略兩端的邊緣效應可以求出在金屬圓柱體與導線之間距離軸線為r的一點的電場強度為：

場強的方向垂直于軸線［3］，由此可以求得圓柱與導線之間的電壓為：

所以在本系統中：

式（1）中C0為電容量，ε0主要為容器內氣體的等效介電常數，L為液位最大高度，R1為不銹鋼管半徑，R0為絕緣導線半徑。

當可測量液位為H時，不銹鋼管與同軸絕緣電線之間存在電容CH

式中ε為容器內氣體的等效介電常數。

因此，當傳感器內液位由零增加到H時，其電容的變化量ΔC可由式（2）-式（1）得：

由式（3）可知，參數ε0、ε、R1、R0都是定值。所以電容的變化量ΔC與液位H呈近似線性關系。

由式（2）變形可得：

可見，傳感器的電容量值CH的大小與電容器浸入液體的深度H成線性關系。由此得出只要測出電容值便能計算出水位高度H。

2　信號處理系統設計

系統由傳感器測量電路和信號處理兩部分組成。

2.1傳感器測量電路的設計

傳感器測量電路如圖2所示，該電路的原理是將液位變化量轉換為相應變化的電量的過程。電路主要由單穩態觸發器 U4，定時器C1、R1、R2，光電耦合器 U2、U3，微分整形 C2、R3等電路組成。為有利于提高電路抗干擾性能，一方面利用光電耦合器將電源地、測量地和系統分別隔離；另一方面通過同步開關S1選擇測量電路的觸發方式，以防止工頻干擾：如果由交流（電池）供電，選擇由交流（直流）同步觸發。

各點波形見圖3，A、B分別為交流、直流同步觸發脈沖，當液位為0時U4輸出C波形，當液位高為H時U4輸出D波形。

圖2　傳感器測量電路

可見，當液位發生變化時，傳感器測量電路中的電容CX發生變化，由觸發脈沖通過U4的2腳觸發單穩態電路U4使其輸出變化的單穩脈沖TH，再通過光電耦合器輸入到CPU，CPU以1 μs為單位進行計數［4］，最后將計數值通過程序處理得到相應液體高度并由LCD顯示器進行顯示輸出。

由單穩態觸發器U4電路可知，觸發脈沖寬度為：

其中t為測量單片機的周期，一般設置為1 μs。

式（5）中H為被測水位值，K為線性系數，為修正系數，N為單片機在液位為H時的計數值。由該式可得出，液位高度H和單片機的計數值N呈線性關系。

圖3　電路部分電壓波形

2.2信號處理方法

信號處理硬件由CPU、電源電路、看門狗、鍵盤電路和LCD顯示器等電路組成。傳感器測量電路先將液位高度轉換成相應的電壓脈沖寬度［5］，再由CPU電路通過程序轉換為相應的液位高度，輸出到LCD進行顯示，同時通過輸出接口輸出到PC機。電源電路可提供交流和直流兩種輸入方式，電路同時輸出兩組隔離電源，分別給CPU和測量電路供電，達到抗干擾目的。其中LCD顯示器可以分為兩個部分進行顯示：1）標定顯示模式：標定顯示模式的輸出包含單片機與PC機的智能交互，單片機將采集到的數據傳給PC機軟件，PC機軟件按照該數據畫出實際測量液面和測量脈沖的時間關系折線圖，從而得出K值和b值，并回傳給單片機，單片機按照傳回來的K值和b值，計算出測量液面高度，并顯示在LCD顯示器上，雖然K值和b值的范圍是一定的，但是不同的液體中將會出現細微的偏差，這種方法比較繁瑣，設備需求較高，會要求PC機，但是減小了誤差，使得測量結果更加精確。2）測量顯示模式：測量顯示模式不需要PC機的參與，系統提前存儲標定過的K值和b值，單片機會按照既定的K值和b值計算出液面高度，并顯示在LCD顯示器上。硬件系統框圖如圖4所示。

圖4　系統框圖

由于液位變化較慢，電路的實時性要求不高，所以CPU采用普通單片機（在課題中使用的是STC89C51單片機）即可滿足要求，單片機測量計數值程序流程如圖5所示。

由圖5可以看出單片機的計算以脈沖的上升沿為起始標志，脈沖的下降沿為結束標志，當計數溢出時單片機會利用蜂鳴器進行報警，當下降沿過后單片機會得到脈沖寬度，并自動計算出測量液面高度，通過LCD顯示出來，實現了從測量到計數的智能化設計。

3　測試方法及步驟

系統初次測試時，必須要經過定標和調整，只有經過定標和調整后系統才能進行正常的測量工作。

圖5　測量計數值流程圖

系統主要由測量儀、金屬管、絕緣導線、透明輸液管、具有小孔的絕緣塞等組成。其中，A為排氣孔、B為出水閥、C為進水用漏斗。測試圖如圖6所示。

圖6　系統測試示意圖

3.1定標與定量測量

步驟一：確定傳感器，主要由直徑25 mm、長為1 m的不銹鋼管和直徑0.8 mm、長為1.2 m的漆包線構成同軸結構，漆包線連接在金屬管上下絕緣塞的中心處，并使其拉直固定。

步驟二：制作一個帶刻度的透明玻璃管當做連通器的一端，玻璃管的頁面刻度精確到0.01 cm，通過觀察透明導管的液面高度，就能直接讀取金屬管的液面實際高度。

步驟三：將儀器的兩個接線分別與金屬管和絕緣導線連接，相當于以待測液體為介質的金屬圓柱體電容器CX接入電路。

步驟四：打開電源，從漏斗中倒入盡量多的水，同時觀察透明導管中水位的高度，并讀出第一個計數值。

步驟五：慢慢打開、關閉出水閥B一次，同時就記錄一次測量值。

步驟六：將單片機與傳感器相連，觀察LCD和PC機軟件的數值，重復進行實驗，可以得到如表1所示測量數據。

表1　測量數據（27℃）

測量結果繪制成如圖7所示折線圖，從圖中可以看出測量結果的線性度良好。

圖7　表1折線圖

由兩點法［6］容易得出公式H=0.5N-30。通過重復測量多次后，發現測量的結果和表2幾乎接近，精度可以精確到1 cm。

3.2調整

將K值0.5和b值30輸入到系統后，由系統再進行多次實際高度測量并與實際高度值比較，如果誤差較大，則通過改變不同的水位再重復步驟五，可得到與表2相差不大的K值和b值。如此重復多次后，均能確定得到較高的測量精度。通過在室內得到較高的測量精度以后，也可在室外進行驗證。

同樣，對2米傳感器的N值進行驗證，帶入相應的K、b值，可以發現計算結果和實際水位的高度差保持在1 cm以內，測量結果如表2所示。

由表2可知水位的實際高度和測量高度的誤差保持在1 cm以內。

表2　測量數據（27℃）

4　測量時注意事項

測量時為了提高精度，減少不必要的誤差，應注意以下幾點：

1）絕緣金屬導線的上端不要和液體進行接觸，不然會使金屬導線的電阻增大，計數賣空過快導致測量不準確；

2）同心金屬管內外半徑差應選擇合理，R1/R0的值保持在50倍左右；

3）保持傳感器和測量儀的位置適中，太遠的位置會干擾信號的傳輸，引起不必要的誤差；

4）測量時液面盡量保持平穩，切忌從上往下灌入液體，這樣會造成較大的誤差。

5　結束語

雖然在測量精度上稍有誤差，保持在 1 cm以內，但系統操作簡單、線性度高、成本低廉，適合大范圍進行推廣，雖然測量精度稍顯不足，但是在大壩等環境中，測量誤差可以忽略不計，只鞥化的提高，也為特殊場合如洪水中的測量等，提供了不可代替的便利，并且課題系統可擴展為多路測量，具有很高的實用價值。

［1］張兆奎，繆連元，張立.大學物理實驗［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［2］阮亞婕，智能電容式液位計系統設計 ［J］.儀表技術，2002 （6）：13-19.

［3］郭輝萍，劉學觀.電磁場與電磁波［M］.西安：電子科技大學出版社，2010.

［4］張毅剛，彭喜原，喬立原.計算機自動測試，2006（5）：43-46.

［5］劉鐵軍，黃志堯.測量液體電導的兩種新方法［J］.化工自動化及儀表，2005（3）：50-53.

［6］陸峰，沈鴻波，張嘯飛，等.基于垂直兩點法的電主軸回旋精度分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2014（11）：15-18.

Cyclotron magnetic field based intelligent liquidheight measuring instrument

JIN Ji-dong，LI Si-yang，WANG Guo-juan
（Hohai Unniversity in the Internet of Things Engineering College，Changzhou 213022，China）

In order to achieve to measure the height of liquid under the environment of the small diameter and deepliquidlevel，the traditional capacitive liquid level measurement was improved with digitize and intellectualized characteristics.A magnetic field intelligent liquid level measuring instrument based on cyclotron magnetic field was designed.A SCM is used to process the pulse signal from the measurement circuit.The liquid height is calculated according to the pulse width and is showed by the software.The experiment shows that the measurement error of the instrument is within 1mm.This test system has good performance and achieves the design requirements.

cyclotron magnetic field；intellectualized；SCM；liquid level

TN710

A

1674－6236（2016）06-0174-04

2015-04-18稿件編號：201504199

金紀東（1976—），男，江蘇泰興人，碩士，講師。研究方向：檢測技術與自動化裝置。