专利名称：一种液位测量仪的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种高精度液位测量仪，属自动化测量仪表。
在工业测量、自动化仪表测量技术领域，测量力的仪表用量最大。而测力仪表又分为测量压力和测量液体液面高度的液位仪，且液位的测量比较普遍，应用领域也比较广。例如自来水水位的测量和控制，当水位低于规定下限值时，输出控制信号，使得水泵即可启动抽水，当水位高于上限值时，水泵即停止抽水；油田的油位需要测量，蓄油池的液面高度需要测量，以便知道油面的实际位置；储油罐的油位测量，一个大型的储油罐的高度是2～5米，注入和排出的油的重量和体积可通过测量其油位表面，就可以计算出来。测量液位的传感器和变送器的压力敏感元件主要是扩散硅压力芯片。目前国外的测液位仪表和传感器的技术水平比较高，稳定性能也相当好，例如HONIWELL公司的ST3000型压力(液位)变送器的精度约为0.1～0.2％，在国际市场上处于领先地位，但是一台这种液位测量仪的价格约7万元人民币。这种价格对于我国的广大用户是很难接受的。因此，研究制造适合我国实际情况的测液仪和传感器是很必要的。要想提高测量仪表和传感器的测量精度，仅仅靠提高扩散硅压力芯片的性能是比较困难的，例如NOVA公司的扩散硅压力芯片，其温度、非线性和重复性误差均为±0.2～0.5％，最后折算其精度为±0.5～1.0％。我国厂家生产的扩散硅压力芯片的技术性能，略低于国外产品，即使使用国外公司的芯片也要进行补偿才能提高精度。利用微机对传感器的输出信号进行补偿，完全可以达到提高测量仪精度的目的，又可以节省测量仪表和传感器的成本。
本实用新型的目的就是为了克服和解决现有国外的测量仪虽然精度高、但价格太昂贵、用户难于接受，而国内液位测量仪则精度较低、稳定性较差、价格也仍然较高的缺点和问题，研究设计一种通过利用单片微机对压力变送器的输出信号进行补偿，达到补偿温度、非线性和重复性误差、以提供精度高、稳定性好、价格较合理、仅约为国外同类产品价格的1/10、用户易于接受的液位测量仪。
本实用新型是通过下述技术方案来实现的高精度液位测量仪的外形结构示意图如
图1所示，其电路方框图如图2所示。它由压力传感器及压力变送器1、温度传感器及温度变送器2、电源3、机箱4、按键5、LED显示器、电路板共同连接构成，其相互位置及连接关系为压力传感器及压力变送器1、温度传感器及温度变送器2分别通过屏蔽电缆与机箱4内相应电路板相电气连接，电源3通过电源输出线与机箱4内相应电路板的电源端相电气连接，包括上限、下限、报警、密度、补偿、零点、数字(0～9)、右移、确认等按键5以及LED显示器的5位数码显示屏6构成的面板与机箱4相固定连接，按键5分别与机箱4内的相应键盘/显示接口电路相电气连接，LED显示屏6装于面板左侧并与机箱4内电路板的键盘/显示接口电路相电气连接；其电路由压力电流变送器电路、电流/电压转换多路模拟开关电路、温度电流变送器电路、A/D转换器电路、单片微机电路、数据存贮器、串行接口电路、程序存贮器、键盘/显示接口电路、LED显示器共同电气连接构成，其相互连接关系为压力电流变送器电路分别通过压力传感器输出信号线、压力电流变送器输出信号线、电源线分别与压力传感器1、电流/电压转换多路模拟开关电路、电源相电气连接；温度电流变送器电路分别通过温度传感器输出信号线、温度电流变送器输出信号线、电源线分别与温度传感器2、电流/电压转换多路模拟开关电路、电源相电气连接；A/D转换器电路分别通过电流/电压转换多路模拟开关的开关信号输出线、A/D转换器信号输出线分别与电流/电压转换多路模拟开关电路、单片微机电路相电气连接；单片微机电路分别通过微机总线中的数据信号输出线、程序信号输出线、键盘信号输入线及显示信号输出线分别与数据存储器、程序存储器、键盘/显示接口电路相电气连接；数据存储器通过数据存储输出信号线与串行接口电路相电气连接；键盘/显示接口电路分别通过键盘信号输出线、LED显示信号输出线分别与控制按键键盘、LED显示器相电气连接。其电路原理图如图3～图6所示，其中压力电流变送器电路原理图如图3所示，它由电流变送器IC19、二极管D6、插座S11、电位器W2～W4、电阻R12～R13、电容C45、C46共同电气连接构成；温度电流变送器电路原理图如图4所示，它由温度电流变送器IC20、三极管Q2、二极管D7、插座S12、标准铂电阻PT100、电阻R14～R17、电容C47～C49共同电气连接构成；稳压电源电路、A/D转换器电路及电流/电压转换多路模拟开关电路的电路原理图如图5所示，其中模拟电源AVDD由稳压器集成件IC4、电容C15、C16、限压二极管D1共同电气连接构成；模拟电源AVSS由稳压器集成件IC5、电容C17、C18、限压二极管D2共同电气连接构成；数字电源DVDD由稳压器集成件IC6、电容C19、C20、限压二极管D3共同电气连接构成；数字电源DVSS由稳压器集成件IC7、电容C21、C22、限压二极管D4共同电气连接构成；传感器电源DVSS由稳压器集成件IC8、电容C23、C24、限压二极管D5共同电气连接构成；A/D转换器电路由A/D转换器集成件IC1、稳压器集成件IC3、晶振晶体CZ、电容C1～C14、电阻R1～R4共同电气连接构成；电流/电压转换多路模拟开关电路由多路模拟开关器件IC2、电阻R5～R8、电容C23～C28共同电气连接构成；单片微机电路及数据存储器、程序存储器、键盘/显示接口电路的电路原理图如图6所示，其中单片微机电路由单片微机IC13、晶振晶体MZ、电容C31～C33、电阻R9、地址锁存器IC10、接口锁存器IC14与非门IC15共同电气连接构成；数据存贮器为存贮器集成件IC12；程序存贮器为存贮器集成件IC11、键盘/显示接口电路由键盘/显示接口集成件IC16、译码器集成件IC17共同电气连接构成；串行接口电路为RS-232接口电路IC18构成；蜂鸣器电路由蜂鸣器TON、三极管Q1、电阻R10共同电气连接构成。
本液位测量仪的简单工作作用原理如下“上限”接键是测量仪表的最大测量高度，当实际测量高度大于上限时，有蜂鸣器TON报警。“下限”按键是测量仪表的最低测量高度，当实际测量高度低于下限时，有蜂鸣器TON报警。利用“报警”按键可以取消报警，报警的主要作用是及时的了解和处理液位情况。“密度”按键是设置被测量液体的密度，以便于通过压力计算出高度。“补偿”按键是设定测量数据经过补偿或不经过补偿，即测量标准数据时，设置为不带补偿功能，在正常测量时要设置为带补偿功能。“零点”按键是设置传感器放置在液体中最低端与实际零高度的迁移零点。“确认”按键是功能确定或返回测量状态。面板下一排是数字按键
和
压力传感器连接到压力电流变送器，输出的4～20mA电流信号经过采样电阻R7产生电压VP，即实现了电流/电压转换；温度传感器连接到温度变送器，输出的4～20mA电流信号经过采样电阻R8产生电压VT，即实现了电流/电压转换；单片微机控制多路模拟开关IC2，其中DA0、DA1、DA2控制信号端，定时选通VP和VT，经过模拟开关输出电压信号到A/D转换器的输入端VIN，单片微机定时地通过接口的DA0～DA7输出端控制和采集压力、温度数据。首先采集一组压力数字信号之后，再采集一组温度数字信号，利用温度信号对压力信号进行零点和量程补偿。补偿后的数据送LED显示器显示，并可以通过串行接口输出；前面板上的按键连接到键盘/显示器接口电路。当按压按键时，键盘/显示器接口电路就将当时的按键参数存入其中，并通过IRQ引脚端向它的上级单片微机申请中断，单片微机响应后就清除该按键的状态，即完成了一次按压按键的控制过程。通过键盘可以修改标准数据，也可以设置仪表的一些功能参数。每只传感器接入仪表后，首先要进行标准测量，测得的数据即为标准数据，通过键盘输入到仪表并存入数据存储器中，该存储器具有掉电不丢失的特性，在单片微机每次补偿时都要利用这组标准数据；其电路的作用原理如下扩散硅压力变送器的电路如图3所示。SENSON是压力传感器。IC19是电流变送器。电压24V经过极性限制二极管D101，进入IC19，电位器W2是调节零压力时，电流等于4mA。电阻R12和电位器W3是增益调节电路，即满量程压力时，电流等于20mA。电阻R13是零点和增益调节电路的限流电阻。电位器W4是调节压力传感器的控制电流，IC19的Pinl的输出电压为75mV，通过压力传感器SENSOR的电流是Ip＝75mv/RW4。电容C45和C46是滤波电容。温度变送器的电路如图4所示。IC20是温度变送器，二极管D7、电容C48和电容C49组成限流滤波电路。三极管Q2起到电流调节作用。电阻R14、R15、R16和R17是控制变送器的测量温度范围，其中的相互关系和数值在器件手册中查找确定。图中参数是-100～+100测量温度范围。PT100是PT100标准铂电阻；A/D转换电路如图5所示。稳压电源器件IC4、电容C15、C16和限压二极管D1构成了模拟电源AVDD。稳压电源器件IC5、电容C17、C18和限压二极管D2构成了模拟电源AVSS。稳压电源器件IC6、电容C19、C20和限压二极管D3构成了数字电源DVDD。稳压电源器件IC7、电容C21、C22和限压二极管D4构成了数字电源DVSS。稳压电源器件IC8、电容C23、C24和限压二极管D5构成了传感器电源DVSS。A/D转换器器件IC1、稳压器件IC3、晶体CZ、电容C1～C4和电阻R1～R4构成A/D转换器电路。多路模拟开关IC2、电阻R5、R6、R7、R8和电容C23～28构成模拟开关电路，其中R7、R8分别是压力和温度电流的采样电阻；单片微机电路如图6所示。IC13是单片微机，晶体MZ和电容C31、C32构成晶振电路。电容C33和电阻R9构成复位电路。IC12是数据存储器，用来记忆测量标准数据，具有掉电不丢失特性。IC11是程序存储器，储存单片微机程序。IC10是单片机的低八位地址锁存器。IC14是接口锁存器，输出DA0～2用来控制A/D转换器电路，选通压力信号VP或温度信号VT；输出端AP14用来控制蜂鸣器TON，若有报警，则AP14为高电平，否则为低电平。蜂鸣器TON、电阻R10和三极管Q1组成蜂鸣器电路。IC16是键盘/显示接口电路，与三-八译码器IC17一起组成扫描接口，对键盘进行扫描，通过S6连接到LED显示器，S10是键盘插座，连接到仪表面板上的键盘。串行RS-232接口器件IC18和C40～C44组成串行接口，电容C34～C38是微机电路部分的滤波电容。
其单片微机的采集和控制软件程序如下本测量仪主程序流程方框图如图7所示。电复位后，对键盘/显示接口电路IC16初始化，设置键盘为N键扫描方式，确定LED扫描位数。采集温度的信号每次采样数值替换前一次的温度值。压力信号的采样时间约为3～5次/秒，通过温度信号来补偿高度H。设置中断T0确定串行RS232通讯波特率为1200。中断INT1是键盘响应中断。先采样一次温度初值之后，再进入主循环程序，多路模拟开关选压力通道，采集压力信号PX，进行压力信号自动补偿。开中断INT1，判断是否有键盘中断？有键盘功能处理。返回主程序进行主循环；串行通讯程序串行通讯程序流程方框图如图8所示。当程序运行到串行通讯程序时，利用ASCII码，以1200波特率发送。发送高度H+测量高度值，传送温度T+测量温度值，传送质量W+油罐质量值；键盘中断程序键盘中断程序流程方框图如图9所示。当主程序将测量数据显示和通讯后，开键盘中断，无响应程序返回。有中断进入键盘处理程序，判断是否为键盘设置“补偿”参数功能？是，继续进入每个参数的改变和查看状态。否，继续判断为“上限”、“下限”设置？是，进入改变和查看状态。否，继续判断为“方式”设置？是进入设置状态。判断和进入其他功能。设置完成返回；压力信号补偿程序压力信号补偿程序流程方框图如图10所示。主程序采样压力信号进入补偿程序后，在温度、压力及补偿压力的曲面内，利用二维平面的一次线性函数关系，对压力非线性误差、压力的温度误差和零点随温度漂移的误差进行补偿；设定温度Ti，(i＝0～5)，温度间隔为+10℃，从-10～+40℃，测量数据为V(i，j)，(i＝0～5，j＝0～6)，也就是六个温度点共得到测量数据6组，每组数据7个，其中T0＜T1＜T2＜T3＜T4＜T5P0＜P1＜P2＜P3＜P4＜P5＜P6；首先，判断温度信号Ti所在的区域T0＜Tx＜T1℃之间，或者T1＜Tx＜T2℃之间，或者T2＜Tx＜T3℃之间，或者T3＜Tx＜T4℃之间，或者T4＜Tx＜T5℃之间，当Tx＜T0时按T0＜Tx＜T1℃之间计算；当Tx＞T5时按T4＜Tx＜T5℃之间计算；确定温度Tx的温度范围是T(i，i+1)之后继续判断Tx所在的温度点，当Tx＜Ti+Ti/2时，补偿的标准数据选择Ti温度点的一组数据V(i，j)，(j＝0～6)；当Tx＞Ti+Ti/2时，补偿的标准数据选择Ti+1温度点的一组数据V(i+1，j)，(j＝0～6)；通过温度TX，计算出ΔT的值ΔT＝TX-T25(1)T25为温度T＝25℃，是工业标准温度数值，也就是说最后计算出的压力或者测量的液位高度数值应该是25℃时的数值；确定温度TX所在的温度点后，再继续判断压力PX所在的区段，第一区段P0＜PX＜P1，第二区段P1＜PX＜P2，第三区段P2＜PX＜P3，第四区段P3＜PX＜P4，第五区段P4＜PX＜P5，第六区段P5＜PX＜P6，当PX＜P0时，按P0＜PX＜P1计算，当PX＞P6时，按P5＜PX＜P6计算，确定了TX温度在第i温度点以及压力PX在第Pj和Pj+1区段，即P(i，j)和P(i，j+1)，然后在这一区段内利用线性插值方法计算出实际压力数值；计算取区段标准压力差值ΔPn＝P(i，j+1)-P(i，j)(2)计算取区段标准高度差值ΔHn＝H(i，j+1)-H(i，j)(3)计算出对应在25℃时的压力值Pout＝Pnx×(1+α)+P25(i，j)(4)其中，Pnx＝{(Pn(i，j+1)-Pn(i，j))/(P(i，j+1)-P(i，j))}×PX+P(i，j)α＝{(P(i，j)-P25(i，j))/(TX-P25)}——Pn(i，j)是标准压力；——P25(i，j)是25℃时的压力数值；计算出对应在25℃时的高度值Hn25＝H(i，j)+(ΔHn/ΔPn)×(Pout-P25(i，j)) (5)式(4)是经过补偿后的压力数值；式(5)是经过补偿后的高度数值。
在此应说明的是标准数据是压力变送器和温度变送器同时放到相同的温度环境下(如恒温箱内)，测量的数据。具体是将其放在恒温箱中，恒温在约-15℃时测量压力数值，标准压力从零到满量程均匀测量六个点即P0、P1、P2、P3、P4和P5。如此类推在-15℃，0℃，15℃，25℃，35℃，45℃温度点分别测量六个压力数据。在整个范围内就有36个测量数据，在补偿程序中作为标准数据。
本实用新型与现有液位测量仪相比有如下的优点和有益效果(1)通过二次仪表中的单片微机对压力变送器的输出信号进行补偿，达到补偿温度、非线性和重复性误差的目的，这样使得本液位测量仪和变送器的价格比较合理，约为国外同类产品价格的1/10，适合我国目前的实际情况，易于被用户接受、易于推广应用；(2)选用22位AD7703型A/D转换器，该器件利用先进∑-Δ技术，转换精度高，温度误差小，稳定性好；(3)对扩散硅压力变送器的主要误差——零点的温度漂移误差、量程的温度误差、非线误差进行了补偿，补偿后的本仪表精度为±0.1～0.2％/FS，大大提高了本测量仪的精度；(4)本测量仪测量高度分辨率为1mm；温度分辨率为0.1℃；(5)本测量仪用了软件技术和硬件电路相结合的方式，与其它测量仪相比，增加了测量温度的变送器；利用汇编语言设计了分段曲面拟合的补偿方法；(6)本测量仪与普通测量仪相比是增加了一组温度变送器，又在电路方面增加了4～20mA的温度信号，用来补偿压力信号的温度误差；(7)温度和压力变送器连接到本测量仪后，通过测量其“标准数据”并将标准数据利用键盘存入本测量仪中，通过软件程序对测量的压力数值进行自动补偿，即完成了补偿。避免了利用其它硬件补偿方法，需要反复测量补偿的繁琐工作。
下面对说明书附图进一步说明如下图1是本高精度液位测量仪的外形结构示意图；图2是它的电路结构方框图；图3～图6是它的电路原理图，其中，图3是其压力电流变送器电路原理图；图4是其温度电流变送器电路原理图；图5是其稳压电源电路、A/D转换器电路及电流/电压转换多路模拟开关电路原理图；图6是单片微机电路、数据存贮器、程序存贮器、键盘/显示器接口电路的电路原理图；图7是本测量仪主程序方框图；图8是本测量仪串行通讯程序流程方框图；图9是本测量仪键盘中断程序流程方框图；图10是本测量仪压力信号补偿程序流程方框图。各电路图凡相同标志端点相互电气连接，插座S3与S11相互电气连接，插座S4与S12相互电气连接，插座S2与S5相互电气连接。
本实用新型的实施方式可为如下(1)按图3～图6所示，绘制印刷电路板，然后筛选元器件进行安装连接调试。其中IC1可选AD7703型A/D转换器；IC2可选A/D7501型多路模拟开关；IC3可选A/D580型精密稳压电源；IC4、IC6可选HM7805型稳压电源；IC5、IC7可选HM7905型稳压电源；IC8可选AM7824型稳压电源；IC10、IC14可选74LS373型锁存器；IC11可选AM2764型程序存贮器；IC12可选AM2816型数据存贮器；IC13可选INTEL8031型单片微机，IC15可选HD74LS00型或非门；IC16可选INTEL8279型键盘/显示接口电路；IC17可选HD74LS138型译码器；IC18可选TS232串行接口电路，IC19可选AD693型电流变送器；IC20可选XTR103型电流变送器；压力传感器(SENSOR)可选NT830型；温度传感器(测量温度热敏电阻)可选PT100型铂电阻；三极管Q1可选1N4001型；Q2可选1N4002型。晶振晶体CZ可选6MHz晶体；MZ可选3.579MHz晶体；(2)按图1、图2所示设计并用机加工方法加工机箱和面板，然后按上面说明书所述连接关系进行安装和电气连接；再按图7～图10所示，编制本测量仪的微机采集和控制软件程序——包括本测量仪主程序、串行通讯程序、键盘中断程序、压力信号补偿程序，并按上面说明书所述的工作作用原理进行操作，便能较好地实施本实用新型。发明人经过多年研制，已成功地制成样机，经过试验使效果非常理想，达到了精度高、稳定性好、价格仅为国外同类产品的1/10。
权利要求1.一种由机箱、面板、电路板等连接构成的液位测量仪，其特征在于它由压力传感器及压力变送器(1)、温度传感器及温度变送器(2)、电源(3)、机箱(4)、按键(5)、LED显示器、电路板共同连接构成，其相互位置及连接关系为压力传感器及压力变送器(1)、温度传感器及温度变送器(2)分别通过屏蔽电缆与机箱(4)内相应电路板相电气连接，电源(3)通过电源输出线与机箱(4)内相应电路板的电源端相电气连接，包括上限、下限、报警、密度、补偿、零点、数字键0～9、右移、确认键的按键(5)以及LED显示器的5位数码显示屏(6)构成的面板与机箱(4)相固定连接，按键(5)分别与机箱(4)内的相应键盘/显示接口电路相电气连接，LED显示屏(6)装于面板左侧并与机箱(4)内电路板的键盘/显示接口电路相电气连接；其电路由压力电流变送器电路、电流/电压转换多路模拟开关电路、温度电流变送器电路、A/D转换器电路、单片微机电路、数据存贮器、串行接口电路、程序存贮器、键盘/显示接口电路、LED显示器共同电气连接构成，其相互连接关系为压力电流变送器电路分别通过压力传感器输出信号线、压力电流变送器输出信号线、电源线分别与压力传感器1、电流/电压转换多路模拟开关电路、电源相电气连接；温度电流变送器电路分别通过温度传感器输出信号线、温度电流变送器输出信号线、电源线分别与温度传感器2、电流/电压转换多路模拟开关电路、电源相电气连接；A/D转换器电路分别通过电流/电压转换多路模拟开关的开关信号输出线、A/D转换器信号输出线分别与电流/电压转换多路模拟开关电路、单片微机电路相电气连接；单片微机电路分别通过微机总线中的数据信号输出线、程序信号输出线、键盘信号输入线及显示信号输出线分别与数据存储器、程序存储器、键盘/显示接口电路相电气连接；数据存储器通过数据存储输出信号线与串行接口电路相电气连接；键盘/显示接口电路分别通过键盘信号输出线、LED显示信号输出线分别与控制按键键盘、LED显示器相电气连接；
2.按权利要求1所述的液位测量仪，其特征在于所述的压力电流变送器电路由电流变送器IC19、二极管D6、插座S11、电位器W2～W4、电阻R12～R13、电容C45～C46共同电气连接构成；温度电流变送器电路由温度电流变送器IC20、三极管Q2、二极管D7、插座S12、标准铂电阻PT100、电阻R14～R17、电容C47～C49共同电气连接构成；模拟电源AVDD由稳压器集成件IC4、电容C15、C16、限压二极管D1共同电气连接构成；模拟电源AVSS由稳压器集成件IC5、电容C17、C18、限压二极管D2共同电气连接构成；数字电源DVDD由稳压器集成件IC6、电容C19、C20、限压二极管D3共同电气连接构成；数字电源DVSS由稳压器集成件IC7、电容C21、C22、限压二极管D4共同电气连接构成；传感器电源DVSS由稳压器集成件IC8、电容C23、C24、限压二极管D5共同电气连接构成；A/D转换器电路由A/D转换器集成件IC1、稳压器集成件IC3、晶振晶体CZ、电容C1～C14、电阻R1～R4共同电气连接构成；电流/电压转换多路模拟开关电路由多路模拟开关器件IC2、电阻R5～R8、电容C23～C28共同电气连接构成；单片微机电路由单片微机IC13、晶振晶体MZ、电容C31～C33、电阻R9、地址锁存器IC10、接口锁存器IC14、与非门IC15共同电气连接构成；键盘/显示接口电路由键盘/显示接口集成件IC16、译码器集成件IC17共同电气连接构成；蜂鸣器电路由蜂鸣器TON、三极管Q1、电阻R10共同电气连接构成。
专利摘要本实用新型是高精度液位测量仪,它由压力传感变送器、温度传感变送器、电源、机箱、按键、LED显示器、电路板共同安装及通过各自相应电缆信号线、电源线共同连接构成;其电路由压力、温度变送器电路、多路模拟开关、A/D转换器、单片微机、数据及程序存贮器、串行接口、键盘/显示接口、LED显示器通过各自相应信号线共同连接构成。本测量仪精度高、稳定性好、价格合理,约为国外同类产品价格的1/10。
文档编号G01F23/14GK2406226SQ99256069
公开日2000年11月15日 申请日期1999年12月22日 优先权日1999年12月22日
发明者孙慧卿, 郭志友 申请人:华南师范大学