高精度浮子式水位传感器设计.pdf

高精度浮子式水位传感器设计刘 瑜 王震庄 陈向飞(国网南京自动化研究院/南京南瑞集团公司 江苏省南京市 210003)=摘要 文章讨论了浮子式水位传感器实现高精度水位测量过程中碰到的问题及解决的方法。在高精度浮子式水位传感器的设计中,采用绝对值光电轴角编码器准确记录水位变化引起的轴角度变化,通过高性能单片机,完成对轴角编码器、环境温度的采样、多种校正因子的计算、数据显示和通信功能,实现对水位数据的自动精确测量。=关键词 高精度 浮子式 水位测量 光电编码 水情测报=数据库分类号 SZ04收稿日期:2006-10-13。本文为2006 年/全国水电自动化学术技术交流会0征文。0 引言随着我国国民经济发展对能源需求的不断增涨,水电在国家能源供应中的比率不断的提高,为了更加经济、有效的利用水资源,提高水力发电企业对水资源的综合利用效率,保证水轮机有足够的水头满负荷出力。精确测量水库坝上、坝下水位,提供准确可靠数据是非常必需的,由此南瑞水情公司设计了一款用于水库坝上、坝下水位井内安装的高精度浮子式水位传感器,型号为 9669.LG-OA。这款水位传感器的设计,充分考虑使用浮子式水位传感器进行水位测试固有问题,有针对性对测量引入偏差进行纠正,使水位传感器的测量精度达到较高的水平。1 水位传感器设计方向1.1 用途9669-LG-OA 型浮子式水位传感器是针对大变幅、高精度的水位测量进行设计,可在已有或可建水位竖井和钢管竖井的水位测量场所安装。将水位变化的模拟量转换成数字信号输出,并可通过 LCD 现场数据显示。水位传感器充分考虑了防雷、低功耗等问题,具有很高的可靠性。1.2 指标要求根据5水文自动测报规范6(SL61-2003)对水位传感器的指标要求,9669.LG-OA 将指标选择为0.001 m 分辨力,准确度指标为 0.3 级。在设计中,传感器满足以下所列的总体指标、测量指标和功能要求。1.2.1 总体指标#工作温度:-10+60 e,不含液晶显示#环境湿度:95%RH 40 e#工作电压:+10.816 V#静态功耗:200 L A,不含时钟#工作功耗:300 mA1.2.2 测量指标#感度:?0.001 m。感度是描述水位传感器对水位变化敏感程度的指标。?0.001 m 是说水83#技术交流#刘 瑜等 高精度浮子式水位传感器设计 位上升或下降 0.001 m,均被传感器所捕获#分辨力:0.001 m#精度:优于 0.03%F.S.#测量范围 040 m1.2.3 其他功能#4 20 字符 LCD,动态显示当前水位瞬时值,温度瞬时值#传感器采集间隔、采集时间参数可调#SDI-12 V1.2 接口1.3 水位传感器设计中需解决的问题目前,用于水位自动监测的传感器主要有浮子式水位传感器、压力式水位传感器、气泡式水位传感器、超声波水位传感器等。这些传感器可以直接接到 RTU 上,实现水位数据的自动监测。比较以上各类传感器,浮子式水位传感器具有工作稳定性高、维护简单,价格便宜等特点,但是国内浮子式水位计测量精度和对水位变化的感度一般不高,测量分辨率大多为厘米级,对水位变化感度大多为 3 cm 或以上。为了实现浮子式水位传感器对水位的高精度测量需要解决以下问题:#传感器水位计程轮、变比齿轮加工精度问题#高分辨力编码器选择,合理的计程轮、配重与计程轮、齿轮、编码器的力矩匹配图 1 浮子水位计接线图#钢丝绳传动的防滑设计#钢丝绳热胀冷缩引起的测量误差2 水位传感器设计2.1 总体设计9669.LG-OA 水位传感器是在水位测站水位井台上,安装一个用于感应水位变化的浮子,浮子与配重之间通过钢绳连接,并缠绕在水位传感器计程轮上,计程轮通过相应齿轮组与轴角编码器连接,并可作圆周运动。当水位变化时,浮子灵敏地响应水位变化并作相应的涨落直线运动,同时浮子涨落直线运动通过钢绳传递给水位传感器的计程轮,驱动计程轮和编码器运动,此时水位的涨落变化被转换成轴角编码器的角度变化,通过单片机采集编码器并运算出变化的水位值。整个传感器分为浮子感测系统、轴角编码系统、数据处理通信系统。如图 1 所示。2.2 浮子感测系统浮子感测系统由浮子、配重、钢丝绳等组成。浮子感测系统的好坏关键是浮子对水位变化的敏感程度,本次设计的感度指标为1 mm,即每 1 mm 水位变化在浮子产生的升力足以让计程轮克服机构摩擦力,带动轴角编码器转动。2.2.1 浮子浮子由铝合金材料制成,具有良好的抗腐蚀性能。其直径 24 cm,高度 12 cm,重量 1.5 kg。2.2.2 配重配重是用于平衡浮子的重量,使浮子悬浮于水中,浮子没入水中深度约为浮子高度的 1/2。2.2.3 钢丝绳钢丝绳用于连接浮子与配重,本设计中使用直径1 mm 多股不锈钢丝绳,其质地柔软材质为84 2007 年 2月 水 电 厂 自 动 化 第 1期 总第 111期1Cr18Ni9Ti,具有良好的抗腐蚀性能。2.3 轴角编码系统轴角编码系统由计程轮及导向机构、齿轮传动机构、柔性连轴节、光电轴角编码器等组成。在轴角编码系统中,使用了高分辨力的光电轴角编码器,保证数据输出的稳定可靠。2.3.1 计程轮及导向机构计程轮为一铝合金轮,计程轮边缘被设计为/V0字型开槽,钢丝绳从计程轮绕过可以更加紧的与计程轮接触。当计程轮上绕上钢丝绳时,其直径为 101.859 mm,工作周长为 319.99 mm。在钢丝绳绕过计程轮前,传感器还使用两个导向轮,保证绕在计程轮上的钢丝绳能够包络计程轮 2/3 的圆周,进一步消除了钢丝绳在计程轮上的打滑现象。2.3.2 齿轮传动机构在齿轮传动机构设计中,使用了驱动齿轮和从动齿轮各 1 个。驱动齿轮通过传动轴与计程轮钢性连接,驱动齿轮设计 25 齿;从动齿轮通过柔性连轴节与轴角编码器连接,从动齿轮设计 80 齿。则齿轮的传动变比 r=8025=3.2。2.3.3 光电轴角编码器轴角编码器是将水位的垂直方向的位移变化,转换成角度变化的设备。为了保证转换所得数据满足0.001 m 分辨力的要求,编码器选择了世界著名编码器制造商德国HEIDENHAIN 公司的光电轴角编码器(ROQ425SSI)。该光电轴角编码器具有如下特点:#工作电压 1030VDC#绝对值输出码:25 位格雷码(SSI)#分辨率:8192 线/圈,连续 4096 圈#最大电缆长度:100 m(SSI)#电气允许转速:5000 r/min#最大机械转速:10000 r/min#启动转矩:1 Ncm(20 e)#工作温度:-40 e+100 e(1)编码器与计程轮对应关系光电轴角编码器每圈 8192 线,一共有 4096圈。即拥用 225-1 个刻度值。由此,可以计算出水位的变化与光电轴角编码器刻度线之间的关系。根据前述水位计计程轮工作周长为工作周长 L=319.99mm(约 320mm),齿轮的传动变比 r=80/25=3.2。即计程轮每转 3.2 圈时,光电轴角编码器转 1 圈。根据光电轴角编码器转 1 圈对应8192 线。则计程轮转 3.2 周时,L r=320(mm)3.2=1024(mm),对应了 8192 线刻度。相应的光电轴角编码器每变化 8 线对应 1mm 的水位变化。(2)水位传感器起动力矩计算水位传感器指标要求水位测量感度为?1 mm。根据水位每变化 1 mm 浮子排空水的体积对应的水位浮力f=0.461 N。不计导轮磨擦力矩时,可传至编码器轴上的力矩:R=7.492 Ncm。实测导轮的起始摩擦力矩(平均)Ri=0.2Ncm/每导轮;系统中共有 6 个导轮,约计需要 6 0.2=1.2 Ncm力矩克服导轮阻力。编码器起动需要 1Ncm 力矩,总计需要 2.2Ncm 力矩。通过计算得出浮子感测系统传递力矩较多余度,可以满足水位传感器感度?1 mm 的要求。2.4 数据处理与通信系统2.4.1 传感器硬件传感器硬件电路具备对编码器、温度采集和处理能力,通过数据总线连接 1 片 4 20 字符LCD,用于实时数据显示;通过串行接口电路完成 SD-12 数据通信。传感器具备实时时钟系统,可定时完成水位数据测量、水位值校正工作。电路框图如图2所示。85#技术交流#刘 瑜等 高精度浮子式水位传感器设计 图 2 传感器硬件电路图2.4.2 工作模式根据浮子式高精度水位传感器设计要求,水位计工作模式有3 种:#被动式(响应数据采集器发送的数据采集命令)#定时式(以传感器实图 3 工作流程图时时钟为基准,定时采集数据)#显示式(本地显示当前水位真实值、温度真实值)2.4.3 工作流程传感器定时采集环境温度,并根据当前水位计两侧钢丝绳长度。对因热胀冷缩引起水位测量偏差进行修正,如图3 所示。2.4.4 数据通信传感器采集目前国外水文仪器设备通用的 SDI-12 接口及协议,可以方便的接入到含有该接口的数据采集器中,并且可以在SDI-12总线上挂接不超过 10 个符合协议的传感器,进行数据采集。3 测试与偏差消除浮子式高精度水位传感器的测量精度依赖于计程轮、计程齿轮、从动齿轮等部件加工精度和部件的装配精度。任何一件部件都不可能完全吻合设计要求,特别是水位传感器中的计程轮圆周长较难保证。为了让每台传感器都能满足测量指标要求,传感器在装配完成后,在室温环境下对计程轮的实际周长进行测量,根据测量结果得出每个计程轮周长与编码器的变比系数,并保存在单片机的EEPROM 中。单片机根据此系数修正水位值,消除计程轮加工过程中出现偏差。4 结束语南瑞 9669.LG-OA 高精度浮子式水位传感器已成功应用于三峡、新疆、广东、贵州等多个水电厂的水情系统。从自动采集值与人工观测值 1 年多的对比结果看,9669.LG-OA 高精度浮子式水位传感器在测量精度、长期稳定性等方面达到设计要求,完全满足用户对水位高精度测量的需求。参考文献 1 HEIDENHAIN 产品技术手册.中华人民共和国水利部.SL61-2003.水文自动测报系统技术规范.中华人民共和国水利部,2003.5.26.刘 瑜 男,工程师,从事水情水调自动化系统及传感器研究工作。王震庄 男,教授级高级工程师,从事水情系统及传感器研究工作。陈向飞 男,助理工程师,从事水情测报研究工作。86 2007 年 2月 水 电 厂 自 动 化 第 1期 总第 111期