基于單片機(jī)的壓力式液位檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

1壓力式液位檢測(cè)方案設(shè)計(jì)在整個(gè)控制領(lǐng)域中，經(jīng)常存在液體位檢測(cè)問(wèn)題。液體層的檢測(cè)方法也不同，并且還開(kāi)發(fā)了各種液體層析成像檢測(cè)傳感器和液位儀。其檢測(cè)原理可分為浮子式、電容式、超聲式、超聲波電容式、氣流式、差壓式等。它們的結(jié)構(gòu)、量程和精度適用于各自不同的場(chǎng)合,且各有其優(yōu)缺點(diǎn)。為兼顧成本的高低、結(jié)構(gòu)的繁簡(jiǎn)、精度、測(cè)量范圍、液面波動(dòng)影響、溫度影響等因素,提出一種壓力式液位檢測(cè)方案,此方案具有液位測(cè)量范圍寬,線性度好,而且專門設(shè)計(jì)了有消除液面波動(dòng)功能的液位緩沖腔,可緩沖液面波動(dòng)、減小誤差。該液位儀由液位檢測(cè)機(jī)械裝置和檢測(cè)電路兩部分組成。2液體層析成像檢測(cè)原理2.12傳感器輸出壓力隨其壓力變化的規(guī)律該液位儀使用了26PC型壓力傳感器,傳感器內(nèi)部原理圖如圖1所示,其原理是傳感器輸出的電壓跟它所受的壓力成正比。對(duì)其性能進(jìn)行標(biāo)定的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2,輸出電壓跟壓力成線性相關(guān),相系數(shù)R=1。2.2細(xì)管液壓密封液位儀的檢測(cè)原理如圖3所示的裝置:1為液箱;2為待測(cè)液體;3為液位緩沖腔,是內(nèi)徑為3cm、高為1.5cm塑料圓筒或金屬圓筒,內(nèi)裝大約70%體積的待測(cè)液體,上部空氣約為4mm;4為U形細(xì)管,內(nèi)徑為3mm,連通1和3;5為26PC型壓力傳感器;6為細(xì)管,內(nèi)徑為3mm,長(zhǎng)為2cm,連通5和3;7為5的電路連接端,接檢測(cè)電路;液箱內(nèi)裝液體前,3內(nèi)液體的上表面與1的底部相平;細(xì)管與各部分連接處都進(jìn)行良好密封。由此可知,壓力傳感器5所感受的壓力為1與3內(nèi)的液位差H所引起的壓力。2.3緩沖腔內(nèi)液位的隨所差變化的誤差該液位儀設(shè)計(jì)的液位緩沖腔有三個(gè)作用:(1)可以減小液面波動(dòng)帶來(lái)的液位誤差。當(dāng)液箱移動(dòng)顛簸時(shí),箱內(nèi)液面就會(huì)有較大的波動(dòng),液位緩沖腔通過(guò)U型細(xì)管與液箱連通,液位緩沖腔的面積約是U型管面積的100倍,U型管內(nèi)液體流動(dòng)緩慢,腔內(nèi)液體不會(huì)波動(dòng),從而緩沖腔內(nèi)液面波動(dòng),腔內(nèi)液面上方空氣壓強(qiáng)變化很小,因而誤差很小,讀數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。(2)減小液位變化引起的誤差。由于液箱內(nèi)液位的變化就會(huì)引起液位緩沖腔內(nèi)液位的微小變化,腔內(nèi)液面不再與液箱的底部相平,即測(cè)量值H與液箱內(nèi)實(shí)際的液位值存在一定的偏差。而本研究所設(shè)置的液位緩沖腔就是要盡量減小這種誤差,液位發(fā)生變化時(shí),緩沖腔內(nèi)空氣的壓強(qiáng)發(fā)生變化,假設(shè)溫度不變,因而體積發(fā)生相應(yīng)變化,體積的變化量為ΔV,假設(shè)待測(cè)液體為水,當(dāng)水位上升1米時(shí),其內(nèi)空氣約縮小原來(lái)的1/10,由于液位緩沖腔面積是連接小管面積的100倍,所以連接壓力傳感器的小管的氣體可以忽略不計(jì),緩沖腔內(nèi)原有空氣體積為V=sh,h=4mm,此式中,S為緩沖腔的底面積,Δh=0.4mm,為緩沖腔內(nèi)液位高度的變化量。由此可知,當(dāng)水位變化1米時(shí),氣體體積的變化總量較小,引起液位緩沖腔內(nèi)水上升不到1mm(0.4mm),即腔內(nèi)液面基本上跟液箱的底面保持相平,因而測(cè)量H與液箱內(nèi)實(shí)際的液位值的偏差非常微小。(3)減小溫度變化帶來(lái)的液位誤差。緩沖器上部的細(xì)管與壓力傳感器相接,細(xì)管內(nèi)部空氣少,空氣液位緩沖腔大、高度小,腔內(nèi)空氣高度約為4mm,上部的細(xì)管與空氣液位緩沖腔中總的空氣較少。如果壓強(qiáng)不變,當(dāng)溫度變化27℃時(shí),引起內(nèi)部空氣體積變化約為原體積的1/10;根據(jù)(2)的原理,當(dāng)溫度變化27℃時(shí)引起水位上升或下降的高度約為0.4mm,所以當(dāng)溫度變化不太大時(shí),引起空氣液位緩沖腔中液位變化可以忽略不計(jì),從而減小了溫度變化引起的液位誤差。3壓力傳器電路檢測(cè)電路由AVR單片機(jī)ATmega8芯片、壓力傳感器、儀表放大電路INA128、按鍵及顯示電路等組成,如圖4所示。AT-mega8內(nèi)帶8K的flash和10位A/D轉(zhuǎn)換器,可節(jié)省外部ROM和A/D的擴(kuò)展電路;壓力傳器采用26PC系列,具有線性度好、壓力范圍寬,選用不同的規(guī)格,可以實(shí)現(xiàn)零至幾十米的范圍,所用儀表放大電路INA128如圖5所示,具有外部電路簡(jiǎn)單,差模放大倍數(shù)高,線性度好,漂移小等優(yōu)點(diǎn)。這里根據(jù)現(xiàn)有的噴霧機(jī)的液箱高度,采用了26PCBFA6G型,壓力范圍是5PSI,可測(cè)水位范圍在0-3.5米,所設(shè)計(jì)的液位儀測(cè)量范圍約為1米;ATmega8內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器的參考電壓為2.5V,液位滿量程時(shí)將放大器輸出電壓調(diào)節(jié)到2.5V,根據(jù)10位A/D的最大數(shù)值為1023,測(cè)量液位的分辨率為0.1cm。4誤差的測(cè)量過(guò)程本裝置所采用壓力傳感器壓力范圍是0至3.5米水柱所產(chǎn)生的壓力,根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要,從零到1米水位高度進(jìn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定測(cè)試,其結(jié)果如下表。由上表可以看出,從整個(gè)量程來(lái)看誤差較小,線性度好;5cm以后誤差值時(shí)大時(shí)小,絕對(duì)誤差小于0.5cm,體現(xiàn)的是隨機(jī)誤差引起;低端1-5cm段誤差比較有規(guī)律,體現(xiàn)的是低端的非線性,對(duì)低端進(jìn)行線性修正后,低端誤差可小于2.5%。另外,通過(guò)模擬水面波動(dòng)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果干擾很小。如:保持水位不變,使水面上下波動(dòng),波峰谷距離大約為6cm以下時(shí),測(cè)量結(jié)果不變。由此證明系統(tǒng)防液位波動(dòng)能力較好。5本液位監(jiān)測(cè)裝置的性能本論文作者創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單可靠、量程寬、精度高的液位儀。本論文實(shí)驗(yàn)完成了高度為100cm的壓力式液位檢測(cè)裝置,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)量精度高,線性度好等優(yōu)點(diǎn)。安裝有空氣液位緩沖腔,具有機(jī)械去液面波動(dòng)功能。由實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知,本液位檢測(cè)裝置性能穩(wěn)定,檢