基于热电偶测温原理的智能温差液位计系统及其实现方法与流程

本发明涉及一种液位计测量系统，具体涉及一种基于热电偶测温原理的智能温差液位计系统及其实现方法。

背景技术：

液位计是工业现场常用的一种液位测量仪器，常见的液位计种类有：机械连通式液位计、超声波液位计、电容式液位计、雷达式液位计、磁性浮子液位计、磁致伸缩液位计、静压式液位计等。各类液位计都有其自身的不足，如：连通式液位计易破损，内表面沾污，造成读数困难；超声波液位计有测量盲区，无法测量易挥发性物质；电容式液位计，由于存在边缘效应以及寄生电容的影响，会对其测量精度有较大的影响；雷达式液位计价格昂贵，排查故障困难；磁性浮子液位计的浮子对腐蚀性液体敏感，当被测液体密度发生变化时，其测量精度有较大变化；磁致伸缩式液位计不能测量高粘度液体，有时会出现浮子被卡的情况；静压式液位计受介质密度和温度影响比较大，精度比较差。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于热电偶测温原理的智能温差液位计系统及其实现方法，通过改变热电偶沿安装管体的数量，可以满足不同液位测量量程的需求。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种基于热电偶测温原理的智能温差液位计系统，其改进之处在于，所述液位计系统包括液位计和测量液位计液位的测量系统，所述测量系统用于实现对液位计的128路热电偶的输出电压信号进行分时采集，对所采集到的多点温度数据处理后，得到液位高度信息。

进一步地，所述液位计包括安装管体和热电偶，在安装管体的一端留有供所有热电偶引线的出线口，热电偶按照5-10mm间距通过焊接的方式固定在安装管体内。

进一步地，所述热电偶的热端排列成一条直线，直接与被测液位的连通金属管壁接触，用于采集连通金属管壁的温度分布。

进一步地，所述安装管体由一段一侧开口的钢管(钢管的长度1-1.5m，壁厚2mm，外径40mm)构成，在所述安装管体按照一定间距设置有安装热电偶的安装孔。

进一步地，所述测量系统包括N个K型热电偶、16路模拟开关、运算放大器、RC滤波电路、单片机、液晶显示屏和AD421芯片；所述N个K型热电偶、16路模拟开关、运算放大器、RC滤波电路、单片机和AD421芯片依次连接；所述液晶显示屏与单片机连接；所述单片机与16路模拟开关连接。

进一步地，所述热电偶为128路，所述16路模拟开关的个数为8个；所述AD421芯片与远程控制室连接；所述液晶显示屏选用1602液晶屏显示模块，显示字符容量是2*16＝32个。

进一步地，所述测量系统实现对上述8个16路K型热电偶的输出电压信号进行分时采集，经16路模拟开关、运算放大器、RC滤波电路，传输给单片机；所述单片机对所采集到的多点温度数据处理后，得到液位高度信息，通过液晶显示屏进行显示，利用AD421芯片把液位高度信号转化为4mA～20mA的标准工业电流传输至远程控制室内。

进一步地，所述单片机具有54组数字I/O接口，其中14组用做PWM输出，16组模拟量输入端口，4个UART通信端口，用于数据处理和通信。

本发明还提供一种基于热电偶测温原理的智能温差液位计系统的实现方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

(1)液位计系统初始化：

在液位计系统初始化过程中，根据液位测量的实际需求，通过设定接入液位计系统有效热电偶的数目来设定液位计的有效量程，通过设定接入液位计系统热电偶的位置分布来设定液位计的测量精度(例如，(1)只接入1m长度之内的热电偶，也其测量量程为1m；(2)假如每两个热电偶间距为10mm，则测量精度为10mm，如果每隔一个热电偶接入测量系统，相当于有效接入的热电偶间距为20mm，这其测量精度为20mm)；

(2)采集多路热电偶信号：选用8个16路模拟开关来接入128路K型热电偶的1输出信号，选择的模拟多路开关芯片为CD4067；

(3)热电偶输出信号的放大及滤波；

单片机的A/D模块是10位的，模拟电压的输入范围是0-5V，其最小分辨率为4.8mv。热电偶的输出电压信号一般在mV级，因此，需要对热电偶信号进行放大和滤波处理。滤波电路采用的RC无源滤波电路，运算放大电路采用的是集成芯片LM324，通过电阻匹配，使其放大倍数为200倍。

(4)计算液位高度信息；

单片机的一个扫描周期得到8个16路K型热电偶的温度数值，记为T_i，i＝1，2，...128，ΔT_i＝T_i+1-T_i，i＝1，2，...127，如果ΔT_i＝max(ΔT₁,ΔT₂,...ΔT₁₂₇)，则液位高度位于第i个热电偶与第i+1个热电偶之间；ΔT_i为最大的第i个热电偶与第i+1个热电偶之间的温度差值；ΔT₁,ΔT₂,...ΔT₁₂₇分别为第2个热电偶和第1个热电偶之间的温度差值，第3个热电偶和第2个热电偶之间的温度差值，......，第128个热电偶与第127个热电偶之间的温度差值；

(5)显示液位信息；

(6)两线制标准回路电流信号的转换与输出。

进一步地，所述步骤(6)中，单片机将液位高度信息输入AD421芯片的DATA引脚，如果在两个连续的数据锁存信号LATCH信号间有16个时钟上升沿，则装入移位寄存器的数据就是4mA～20mA数据，在数据锁存信号LATCH信号的上升沿，输入移位寄存器的数据以16位并行方式传送到单片机中的DAC寄存器；

DAC寄存器中的数据若为全0编程为4mA电流输出，若为全1则为20mA电流输出；AD421芯片电压调整器与DN2540调整管一起，给AD421芯片及发送器其它器件供电；

AD421芯片内部2.5V基准源REFOUT2脚直接用作REFIN输入基准电压，外接一个4.7μF去耦电容；

单片机内的DAC后接时序滤波器，外接3个低介质吸收的电容，通过单片机内的LOOPIN引脚和N沟道MOS管DN2540的另一端输出循环电流分别接电流表的负极和正极，实现远程的实时监控。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案达到的有益效果是：

本发明旨在设计一种基于热电偶测温工作原理的智能液位计测量系统，主要解决的技术问题包括：(1)液位计的测量精度易受液体密度、压力影响的技术难题；(2)通过合理设置热电偶的间距以及采用适当的差值算法，可以满足不同液位测量精度的需要；(3)通过改变热电偶沿安装管体的数量，可以满足不同液位测量量程的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是液位计结构三维图；

图2是液位计结构局部放大图；

图3是液位计系统的组成框图；

图4是液位计总体测量电路图；

图5是液位计系统的工作流程图；

图6是多路热电偶采集电路图；

图7是RC滤波及放大电路图；

图8是液位信息显示模块电路图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

第一优选技术方案

本发明提供一种基于热电偶测温原理的智能温差液位计系统，所述液位计系统包括液位计和测量液位计液位的测量系统，所述测量系统用于实现对液位计的128路热电偶的输出电压信号进行分时采集，对所采集到的多点温度数据处理后，得到液位高度信息。

(1)液位计结构

液位计总体结构如图1所示，安装管体用来安装热电偶，由一段一侧开口的钢管构成，在安装管体的一端留有供所有热电偶引线的出线口，热电偶按照一定间距，通过焊接的方式固定在安装管体对应的安装孔内。所有热电偶的热端排列成了一条直线，直接与被测液位的连通金属管壁接触，采集连通管壁的温度分布。液位计结构局部放大图如图2所示。

(2)液位计系统的组成框图

如图3所示，该液位计测量系统可实现对128路热电偶的输出电压信号进行分时采集，经多路模拟开关、运放、RC滤波电路，传输给arduino mega 2560单片机系统。该单片机系统具有54组数字I/O接口(其中14组可做PWM输出)，16组模拟量输入端口，4个UART通信端口，用于数据处理和通信。单片机对所采集到的多点温度数据处理后，得到液位高度信息，通过液晶显示屏进行显示，同时，利用AD421芯片把液位高度信号转化为标准工业电流(4mA～20mA)传输至远程控制室内。

液位计总体测量电路图如图4所示。

测量系统包括N个K型热电偶、16路模拟开关、运算放大器、RC滤波电路、单片机、液晶显示屏和AD421芯片；所述N个K型热电偶、16路模拟开关、运算放大器、RC滤波电路、单片机和AD421芯片依次连接；所述液晶显示屏与单片机连接；所述单片机与16路模拟开关连接。

所述热电偶为128路，所述16路模拟开关的个数为8个；所述AD421芯片与远程控制室连接；所述液晶显示屏选用1602液晶屏显示模块，显示字符容量是2×16＝32个。

第二优选技术方案

本发明还提供一种基于热电偶测温原理的智能温差液位计系统的实现方法，流程图如图5所示，包括下述步骤：

1，系统初始化

在系统初始化过程中，根据液位测量的实际需求，可以通过设定接入系统有效热电偶的数目来设定液位计的有效量程，通过设定接入系统热电偶的位置分布来设定液位计的测量精度。

2，采集多路热电偶信号

多路热电偶采集电路如图6所示。

考虑到硬件电路规模及成本，本发明选用了8个16路模拟开关来接入128路K型热电偶的1输出信号，选择的模拟多路开关芯片是CD4067，该芯片具有泄漏电流低(100nA)、导通电阻小(15Ω)的特点。单片机控制模拟开关的A，B，C，D，INH五个引脚，其选通通道表如下表1所示：

表1选通通道表

3，热电偶输出信号的放大、滤波

Arduino mega2560单片机的A/D模块是10位的，模拟电压的输入范围是0-5V，其最小分辨率为4.8mv。热电偶的输出电压信号一般在mV级，因此，需要对热电偶信号进行放大和滤波处理。滤波电路采用的RC无源滤波电路，运算放大电路采用的是集成芯片LM324，通过电阻匹配，使其放大倍数为200倍。

4，计算液位高度信息

单片机的一个扫描周期得到8个16路K型热电偶的温度数值，记为T_i，i＝1，2，...128，ΔT_i＝T_i+1-T_i，i＝1，2，...127，如果ΔT_i＝max(ΔT₁,ΔT₂,...ΔT₁₂₇)，则液位高度位于第i个热电偶与第i+1个热电偶之间；ΔT_i为最大的第i个热电偶与第i+1个热电偶之间的温度差值；ΔT₁,ΔT₂,...ΔT₁₂₇分别为第2个热电偶和第1个热电偶之间的温度差值，第3个热电偶和第2个热电偶之间的温度差值，......，第128个热电偶与第127个热电偶之间的温度差值；

5，液位信息的显示

选用1602液晶屏显示模块，显示字符容量是2×16＝32个。显示电路如图8所示：

6，标准回路电流信号的转换与输出

将液位高度信息输入AD421芯片的DATA引脚，AD421是一款完全的、回路供电的、数字量输入、4mA～20mA模拟量输出的转换器。可提供高精度的、完全集成的、低成本的紧凑的16引脚封装。如果在两个连续的LATCH信号间有16个时钟上升沿，那么装入移位寄存器的数据就认为是通常的4mA～20mA数据，在LATCH信号的上升沿，输入移位寄存器的数据以16位并行方式传送到DAC寄存器。在这种情况下，DAC寄存器中的数据若为全0编程为4mA电流输出，若为全1则为20mA电流输出。AD421电压调整器与DN2540调整管一起，给AD421及发送器其它器件供电，Vcc脚接4.7μF去耦电容，保证调整器输出稳定，为了稳定电压调整器中的运放与外部调整管形成的反馈回路，不仅在COMP与DRIVE之间接0.01μF电容，还要在DRIVE与COM之间接1kΩ电阻和1000pF电容。AD421内部2.5V基准源REFOUT2脚直接用作REFIN输入基准电压，外接一个4.7μF去耦电容。片内DAC后接时序滤波器，需外接3个低介质吸收的电容，C5＝C4＝0.01μF，C6＝0.0033μF。通过LOOPIN引脚和N沟道MOS管DN2540的另一端输出循环电流分别接电流表的负极和正极，实现远程的实时监控。

本发明解决了(1)液位计的测量精度易受液体密度、压力影响的技术难题；(2)通过合理设置热电偶的间距以及采用适当的差值算法，可以满足不同液位测量精度的需要；(3)通过改变热电偶沿安装管体的数量，可以满足不同液位测量量程的需求等问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。