一种超低功耗磁感应式浮子水位传感器及信号处理方法
【专利摘要】本发明公开了一种超低功耗磁感应式浮子水位传感器及信号处理方法，其中浮子式水位传感器由编码器、传动齿轮组、水位计程轮、配重、钢丝绳、浮子组成，在编码器的固定码盘上安装有3个呈120度角差的磁感应干簧管，每个干簧管引出2根信号线，在编码器的旋转臂的顶端安装一块磁铁，当磁铁经过干簧管时，可以使干簧管的2根输出信号线产生低电平，将数据采集器唤醒，通过信号线的逻辑状态的比较，得出水位情况。本发明不仅能够实时感应水位变化，将水位变化转换为电脉冲信号传送给数据采集器，使采集器在休眠时不至于错过重要的水位变化过程，并且功耗低且大部分状态下可以以零功耗运行，特别适用于野外无交流供电条件下的水位实时采集。
【专利说明】一种超低功耗磁感应式淳子水位传感器及信号处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种超低功耗磁感应式浮子水位传感器及信号处理方法，属于水文水 利自动化领域。
【背景技术】
[0002] 在水文水利自动化领域，水文遥测站用来实现对原始的水文信息进行采集和远程 传输，这些水文信息包括降雨量、水位、流量等。水文遥测站一般由各种传感器、数据采集 器、远程通讯设备、电源设备组成。其中传感器负责将水文信息转换为电信号，而数据采集 器负责采集这些电信号并将其转换为实际的物理量数值，通过远程通讯设备将这些数据发 送给数据中心，由数据中心进行处理、分析。
[0003] 目前应用于水位测量的传感器从数据的输出方式上看可以分为2种： 纯被动式传感器：这类水位传感器测量都需要数据采集器主动发起，自身无法主动发 起测量，传感器只有在接收到数据采集器发出的测量命令或电源激励后，才能进行采样，并 将数据转换为电信号输出给数据采集器。目前在水文遥测站中应用的水位传感器绝大多数 都属于被动式传感器。
[0004] 主动式传感器：这类传感器自身可以发起水位测量，并能够将测量的数据主动上 传给数据采集器；也可以接收数据采集器发送的命令发起测量，返回测量结果给数据采集 器。
[0005] 水文遥测站往往安装在偏远地区，现场基本无交流供电条件，设备一般采用蓄电 池和太阳能电池供电，为保证设备在无日照环境下工作尽可能长的时间，设备的运行功耗 应尽可能低。在实际应用中，水文遥测站的数据采集器一般是以一个固定的时间间隔发起 对水位传感器的采样，采集到数据后通过远程信道发送给数据中心，然后就进入休眠状态， 以降低自身的功耗，直到下次采样时刻到来时再启动工作。如果水文遥测站采用的是被动 式水位传感器，那么这种定时采样的工作方式也决定了在两次采样时刻之间，如果水位发 生大的变化，这个变化的过程是无法被感知和采样的，因为在这个时间段数据采集器是处 于休眠状态的。但往往水位发生突变时可能造成巨大的灾害，例如夏季暴雨可以导致短时 间内山区洪水暴涨，引起山洪灾害。如果水文遥测站采用的是主动式传感器，那么传感器一 直处于工作状态，又会导致设备整体的功耗增大，在连续阴雨，太阳能供电不足的状况下， 蓄电池可支撑设备持续工作的时间有限。因此如何在能够实时捕捉水位变化的前提下降低 设备的功耗一直是野外无交流供电条件下水位测量的一个难题。
[0006] 目前在一些关键的水文遥测站点，为了实时捕捉水位信息，一般采用光电编码的 浮子式传感器。这种传感器相对采用其它测量原理的传感器(主要有压力水位传感器、雷达 水位传感器、超声波水位传感器、激光水位传感器）来说，是唯一一种内部可以不包含处理 器的主动式传感器，因此功耗在所有的主动式传感器中也是最低的。采用光电编码的浮子 传感器内部有一套光开关器件，其测量原理是水位的上升或下降会带动码盘旋转，光开关 器件输出的信号会随之变化，同时有一套光电转换器件将光信号转换为电脉冲信号，这个 电脉冲信号可以将后端的数据采集器从休眠状态唤醒，启动水位采集。这种浮子式水位计 工作时需要提供外部电源，光开关器件平时一直处于工作状态，平均功耗大约在IOOmw左 右，对于野外的水文遥测站点，需要配备大容量的蓄电池以确保在连续阴雨条件下设备的 持续工作时间。
[0007] 在野外无交流供电的条件下，为降低水文遥测站设备的整体运行功耗，数据采集 器一般不全速运行，而是以一定的时间间隔启动传感器采集，在完成采集和远程通讯任务 后进入休眠状态以节省功耗。而目前水文遥测站应用的绝大部分水位传感器都属于被动式 传感器，在数据采集器处于休眠状态时，无法采集水位数据，这有可能错过重要的水位变化 过程。目前较为流行的光电编码浮子式水位传感器虽然可以主动实时测量水位，但需要全 速运行，通过持续发送光信号感知水位变化，因此功耗偏大，安装在野外的水文遥测站需要 配置较大容量的蓄电池以确保设备能够在连续阴雨条件下可以持续工作较长时间。但水文 遥测站往往都在交通条件的地区，大容量蓄电池不方便运输和携带。
【发明内容】
[0008] 本发明提供了一种超低功耗磁感应式浮子水位传感器及信号处理方法，不仅能够 实时感应水位变化，将水位变化转换为电脉冲信号传送给数据采集器，使采集器在休眠时 不至于错过重要的水位变化过程；并且该传感器平时的最大功耗只有光电编码浮子式水位 传感器的1/40左右，且大部分状态下可以以零功耗运行。因此该传感器特别适用于野外无 交流供电条件下的水位实时采集。
[0009] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下： 一种超低功耗磁感应式浮子水位传感器，包括编码器、传动齿轮组、水位计程轮、配重、 钢丝绳和浮子，所述编码器和传动齿轮组安装在浮子水位传感器的外壳，所述钢丝绳安装 在水位计程轮上，钢丝绳的一端为配重，另一端为浮子； 所述编码器由一个固定码盘和一个旋转臂构成，所述固定码盘上安装有3个呈120度 角度差的磁感应干簧管，所述每个磁感应干簧管引出2根信号线，从每个磁感应干簧管中 各抽出1根信号线，连接在一起作为公共端； 所述旋转臂和固定码盘平行面对安装，旋转臂的顶端安装一块磁铁，随旋转臂转动； 所述传动齿轮组包含2组传动齿轮和传动轴，两个传动齿轮相哨合，其中1根传动轴与 旋转臂共轴，另1根传动轴和水位计程轮共轴；水位上升或下降时，钢丝绳带动水位计程轮 转动，水位计程轮带动同一传动轴上的传动齿轮转动，该传动齿轮又会带动和旋转臂共轴 的另一传动齿轮转动，从而带动旋转臂转动； 所述磁感应干簧管作为公共端的信号线连接到水文遥测站的数据采集器的数字信号 地，另外3根信号线连接到水文遥测站的数据采集器的数字量输入端口上。
[0010] 前述的数据采集器的数字量输入端口使用电阻上拉至高电平，并且这些数字量输 入端口支持电平中断。
[0011] 前述的电阻值在ιοιΓιοοκ之间选取。
[0012] 超低功耗磁感应式浮子水位传感器的信号处理方法，包括以下步骤： 1)定义磁感应干簧管输出信号的二进制逻辑状态表示方式，得到三个磁感应干簧管的 二进制逻辑状态组合，当磁感应干簧管吸合时的输出信号用二进制0表示，非吸合状态时 用-进制1表不； 2) 定义旋转臂顺时针旋转表示水位下降，逆时针旋转表示水位上升； 3) 水文遥测站的数据采集器平时处于休眠状态，当水位上升或下降时，旋转臂相应作 逆时针或顺时针转动，从而带动磁铁一起转动； 4) 当磁铁经过任一磁感应干簧管时，会导致磁感应干簧管内部的簧片吸合，从而导致 该磁感应干簧管的2根输出信号线处于短路状态，输出低电平； 5) 低电平信号使数据采集器的处理器对应的数字量输入端口上产生一个中断，将数据 采集器从休眠状态唤醒； 6) 数据采集器读取当前3个磁感应干簧管输出信号的二进制逻辑状态，和上一次的逻 辑状态比较，确定旋转臂是顺时针运动还是逆时针运动，进而确定水位是上升一个分辨率 单位还是下降一个分辨率单位。
[0013] 前述的水位传感器分辨率的计算方法为： 相邻两个水位信号产生的水位变动的幅度即是该水位传感器的分辨率，假设计程轮每 转一圈，编码器旋转臂旋转N圈，水位计程轮周长为L，水位传感器分辨率为R，则R = L / (N X3)。
[0014] 本发明不需要单独供电，完全是靠水位轮旋转触发磁感应干簧管产生电脉冲信号 唤醒数据采集器进行工作，电流的消耗仅仅在后端信号处理电路的一个上拉电阻上，因此 本发明在功耗水平上大大优于光电编码的主动式传感器，适合在野外无交流供电的条件下 用于水位测量。本发明采用的测量原理不仅能够实时捕捉水位变化，并且大大降低了设备 的运行功耗，增强了野外无交流供电条件下设备的电池续航能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本发明的浮子水位传感器的结构示意图； 图2为本发明的传感器中编码器固定码盘结构及信号线示意图； 图3为本发明的传感器中编码器旋转臂和固定码盘位置示意图。
【具体实施方式】
[0016] 本发明的超低功耗磁感应式浮子水位传感器如图1所示，由编码器、传动齿轮组、 水位计程轮2、配重3、钢丝绳4和浮子5组成，其中，编码器和传动齿轮组安装在浮子水位 传感器的外壳1，钢丝绳4安装在水位计程轮2上，钢丝绳4的一端为配重3,另一端为浮子 5。传动齿轮组包含2组传动齿轮和传动轴，两个传动齿轮相哨合，其中1根传动轴与旋转 臂共轴，另1根传动轴和水位计程轮共轴；当水位上升或下降时，钢丝绳4带动水位计程轮 2转动，水位计程轮2带动同一传动轴上的传动齿轮转动，该传动齿轮又会带动和旋转臂共 轴的另一传动齿轮转动，从而带动旋转臂转动。
[0017] 编码器是本发明的传感器的核心部件，由一个固定码盘和一个旋转臂构成， 如图2所示，固定码盘上安装有3个呈120度角差的磁感应干簧管，每个干簧管引出2 根信号线，从每个干簧管各抽出1根信号线，连接在一起作为公共端G，其余的信号线分别 记为A、B、C。当干簧管受到磁场引力时，干簧管内部的簧片被磁场吸引并使该干簧管内的 2条信号线短路，而平时这2条信号线处于断路状态。
[0018] 如图3所示，旋转臂9是一个可以做圆周运动的部件，和固定码盘6平行面对安 装，旋转臂9由与其共轴的传动齿轮驱动，当被测水位波动时，传动齿轮会带动旋转臂9转 动。旋转臂9的顶端安装了一块磁铁8,磁铁8随旋转臂9转动，当磁铁8经过磁感应干簧 管7时，会导致磁感应干簧管7内部的簧片吸合，从而导致该磁感应干簧管的2根输出信号 线处于短路状态，输出低电平。
[0019] 本发明的信号处理方法为： 首先，定义磁感应干簧管输出信号的二进制逻辑状态表示方式，当干簧管吸合时的输 出信号用二进制〇表示，非吸合状态时用二进制1表示，那么三个干簧管的逻辑状态组合用 二进制逻辑表示，存在如表1所示的几种状态。
[0020] 表1干簧管逻辑状态表
【权利要求】
1. 一种超低功耗磁感应式浮子水位传感器，其特征在于，包括编码器、传动齿轮组、水 位计程轮、配重、钢丝绳和浮子，所述编码器和传动齿轮组安装在浮子水位传感器的外壳， 所述钢丝绳安装在水位计程轮上，钢丝绳的一端为配重，另一端为浮子； 所述编码器由一个固定码盘和一个旋转臂构成，所述固定码盘上安装有3个呈120度 角度差的磁感应干簧管，所述每个磁感应干簧管引出2根信号线，从每个磁感应干簧管中 各抽出1根信号线，连接在一起作为公共端； 所述旋转臂和固定码盘平行面对安装，旋转臂的顶端安装一块磁铁，随旋转臂转动； 所述传动齿轮组包含2组传动齿轮和传动轴，两个传动齿轮相哨合，其中1根传动轴与 旋转臂共轴，另1根传动轴和水位计程轮共轴；水位上升或下降时，钢丝绳带动水位计程轮 转动，水位计程轮带动同一传动轴上的传动齿轮转动，该传动齿轮又会带动和旋转臂共轴 的另一传动齿轮转动，从而带动旋转臂转动； 所述磁感应干簧管作为公共端的信号线连接到水文遥测站的数据采集器的数字信号 地，另外3根信号线连接到水文遥测站的数据采集器的数字量输入端口上。
2. 根据权利要求1所述的一种超低功耗磁感应式浮子水位传感器，其特征在于，所述 数据采集器的数字量输入端口使用电阻上拉至高电平，并且所述数字量输入端口支持电平 中断。
3. 根据权利要求2所述的一种超低功耗磁感应式浮子水位传感器，其特征在于，所述 电阻值在lOflOOK之间选取。
4. 根据权利要求1或3中任意一项所述的超低功耗磁感应式浮子水位传感器的信号处 理方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 定义磁感应干簧管输出信号的二进制逻辑状态表示方式，得到三个磁感应干簧管的 二进制逻辑状态组合，当磁感应干簧管吸合时的输出信号用二进制〇表示，非吸合状态时 用-进制1表不； 2) 定义旋转臂顺时针旋转表示水位下降，逆时针旋转表示水位上升； 3) 水文遥测站的数据采集器平时处于休眠状态，当水位上升或下降时，旋转臂相应作 逆时针或顺时针转动，从而带动磁铁一起转动； 4) 当磁铁经过任一磁感应干簧管时，会导致磁感应干簧管内部的簧片吸合，从而导致 该磁感应干簧管的2根输出信号线处于短路状态，输出低电平； 5) 低电平信号使数据采集器的处理器对应的数字量输入端口上产生一个中断，将数据 采集器从休眠状态唤醒； 6) 数据采集器读取当前3个磁感应干簧管输出信号的二进制逻辑状态，和上一次的逻 辑状态比较，确定旋转臂是顺时针运动还是逆时针运动，进而确定水位是上升一个分辨率 单位还是下降一个分辨率单位。
5. 根据权利要求4所述的信号处理方法，其特征在于，所述水位传感器分辨率的计算 方法为： 相邻两个水位信号产生的水位变动的幅度即是该水位传感器的分辨率，假设计程轮每 转一圈，编码器旋转臂旋转N圈，水位计程轮周长为L，水位传感器分辨率为R，则R = L / (N X3)。
【文档编号】G01F23/72GK104236677SQ201410422869
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】熊光亚, 黄磊, 李延军, 薛升宁 申请人:国网电力科学研究院, 南京南瑞集团公司