水位传感器（精选六篇）
水位传感器 篇1
水位传感器[1]在当今的洗衣机制造领域中已经得到了广泛使用,其质量直接关系到洗衣机的整机性能。目前,国内的该行业大多数作业单位测试过程采用手工绘制其液位-频率特性曲线的检测方法,效率低,精度差,可靠性不高,不能实现水位传感器的整体性能分析,不能满足大规模生产的要求。
本文利用传感器技术[2]以及CAN现场总线技术[3],结合工厂实际需要,开发了精密水位传感器测试系统,实现检测数据的实时显示、液位-频率特性的查询、曲线自动生成以及报表管理等,整个系统操作简单、稳定性好、自动化程度高,大大提高了工作效率和测试质量,同时减少了操作工人数和劳动强度,对提高洗衣机水位传感器制造技术和检测技术的发展具有积极的作用。
2 系统检测原理及组成
测试系统要求在不同的水位高度时,准确测量出由水位传感器输出的脉冲信号的频率,并根据要求实时绘制液位-频率曲线,实现相应的查询及报表打印功能。
系统中选用了伺服电动机[4]作为主电机来实现精确定位,电机的输出通过减速机构与执行机构相连,最后带动细钢管在水箱中上下移动实现管内水位高度的变化,通过编码器对水位高度实时检测,频率的实时检测由单片计算机计数器来完成。系统控制组成框图如图1所示。
前端测控模块既可作为系统的一个组成部分,与上位监控计算机实时通信,完成参数的设置、手动远程控制、将采集的数据上传等工作。它也可以独立工作,即在上位监控计算机因故停止工作的情况下,前端测控模块仍可以正常运行,从而在不增加设备投入的情况下实现了系统的冗余,提高了系统的可靠性。同时,由于系统降低了对上位计算机可靠性的要求,因此上位机可以采用普通的PC机来代替工业控制计算机,降低了系统的成本。
系统中的上位计算机主要完成人机对话和系统管理功能,可实现水位上升、下降高度等分段测试参数的设定和修改;实际水位高度、水位传感器输出脉冲信号频率的实时显示;对下位测控模块上传的数据进行数据库管理,实现数据的查询和打印等;并可对工作进程进行实时监控,对执行机构进行手动远程控制。
3 前端测控模块硬件设计
系统前端测控模块采用PIC18F458单片机控制[5],由电源电路、复位电路、LCD/LED显示电路、CAN接口电路、脉冲整形电路、分段参数保存电路(EEPROM)等组成。
系统前端测控模块典型CAN通讯接口电路如图2所示。
MCP2551是一款ISO11898兼容的高速CAN收发器,其业界标准引脚与功能使其可用于已有高速CAN收发器中,同时提供改进的性能,如更宽的瞬变电压与短路电压范围,以及更短的传播延迟。
为了增强CAN总线节点的抗干扰能力,PIC18F458的两个CAN通讯引脚(CANTX和CANRX)通过高速光耦6N137后与MCP2551相连,这编码器产生2500个脉冲,通过传动机构的合理设置,使每个脉冲对应0.1mm的水位高度变化,那么编码器脉冲数值经过编程计算,就可得出实际水位高度的变化。脉冲计数以及水位高度计算在单片机的外部中断服务程序中完成。
水位传感器输出脉冲信号频率的测量。水位传感器输出的脉冲信号经过整形后送到单片机,通过对脉冲信号的计数或测量周期的方法,计算出水位传感器特定水位所对应的输出脉冲信号频率。
伺服电机驱动。我们利用PIC18F458内部包含的PWM(Pulse Width Modulation)模块产生1kHz脉冲信号,送至伺服电机驱动电路,与其它控制信号相配合,控制伺服电机根据要求实现快速正反转、慢速正反转、精确定位等动作。
4 前端测控模块软件设计
前端测控模块软件采用C18[6]和汇编语言混合编程,包括主程序、独立测控模式程序和联机测控模式程序三大部分。
主程序主要完成各端口的初始化、CAN通讯接口初始化,系统工作模式调用。其流程图如图3所示。
独立测控模式主要实现前端测控模块独立运行。当测控模块工作于此模式时,一方面根据EEPROM中保存的设置值(上次联机时设定的值)进行测控,同时,每次循环向上位监控计算机发送一次联机请求,如果联机成功,则进入联机测控模式,否则,仍然工作于独立测控模式。
联机测控模式除了完成独立测控模式各项功能以外,还能与上位监控计算机进行实时通信,完成各参数的远程设定、各执行装置的手动远程控制、将采集的数据上传等工作。
5 上位监控软件设计
系统的上位监控软件采用Visual C++语言编写而成,实现了完备的显示、查询、报表和帮助等功能,如图4所示。
1)测试画面显示,可显示系统实时测量值,如水位值和水位传感器输出脉冲信号的频率值等。
2)水位-频率特性曲线,根据前端测控模块上传的水位值和水位传感器输出信号的频率值,实时绘制水位传感器的水位-频率特性曲线。
3)查询报表,可通过查询得出特定传感器的测试参数,并绘制相应的水位-频率特性曲线,生成打印报表。
4)参数修改、口令设置及帮助等功能。
6 结束语
将传感器技术和CAN现场总线技术应用于水位传感器检测系统,极大地提高了水位传感器检测的可靠性和工作效率。本系统成功开发以来,已先后在多家为洗衣机生产厂家配套的水位传感器生产厂家投入使用,系统稳定可靠,经济效益十分明显,同时,因其操作简单、测试效率高,测试数据精确等特点,受到用户的普遍好评。
摘要：介绍了基于CAN(Controller Area Network)总线的精密水位传感器检测系统。在上位计算机与前端测控模块之间的通信中,采用现场总线CAN网络技术,系统不仅具有基本的参数测控功能,还可进行集中监控、参数设置、数据管理、报表打印等操作。由于实现了精确定位以及冗余,系统具有安全可靠、功能完善、性能价格比高等优点,成功实现了洗衣机用水位传感器参数的自动精确测量,取得了较好的经济效益。
关键词：传感器,冗余,伺服电机,局域控制网(CAN)
参考文献
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常用水位传感器的比较和选择 篇2
水位观测是水文测验中最重要的一项基础性工作[1], 随着技术的进步, 水位观测逐渐由人工观测向自动化监测转变, 水位自动化监测就是通过水位传感器再配合一些数据采集、传输、存贮等装置实现水位的自动监测[2], 其中水位传感器是水位自动监测的核心元件, 直接关系到水位测验的精度和可靠性, 也决定着水位观测站的建设形式和工程投资, 因此水位传感器的比较和选择是水文测验工作经常遇到的一个棘手问题。目前技术较成熟, 在我国应用较多的水位传感器有浮子式、压力式、超声波、雷达式和激光式等水位传感器, 不同的水位传感器工作原理、优缺点、适用条件也不尽相同。为此对常用水位传感器进行比较, 总结在实际生产中水位传感器选择的一些经验, 希望为水文测验中水位传感器的选择提供一定借鉴和参考。
1 水位传感器的工作原理及优缺点
1.1 浮子式水位传感器
浮子式水位传感器是国内使用最广泛, 应用最成熟的水位传感器, 工作原理是通过浮子在垂直方向上随水位变化, 通过绳索牵动水位计的计程轮转动, 最后将计程轮的位置变化转换为水位的测量仪器。根据计程方式的不同可分为绝对式和增量式, 根据计程原理又分为机械式、电磁式、光电式等。浮子式水位传感器具有结构简单、造价低廉、功耗小、易维护等优点;缺点是一般需要修建测井或钢管井, 土建规模大、投资高, 对于多沙河流, 测井清淤工作繁重, 若水位测验变幅大, 浮子与重锤的钢绳易打绞, 易发生机械故障。
1.2 压力式水位传感器
压力式水位传感器根据传感器所处位置不同可分为投入式和气泡式2种。
1.2.1 投入式压力水位传感器
投入式压力水位传感器的工作原理是通过固定在水下的压力传感单元将水压力转换为电信号, 再通过电信号与水深的换算关系推求水位。根据传感单元的压电转换原理又可分为压阻式、振弦式等。投入式压力水位传感器具有量程大、安装简单、土建工程量小、设备价格低等优点。缺点是受泥沙、温度等环境因素影响大, 存在温度、时间、非线性漂移等现象, 使用时需定期进行校核和率定, 长期观测精度较差;传感器需采用导电线缆传输信号, 易受电磁干扰和雷击, 工作可靠性较差;传感器安装在水底, 对设备的维护较困难。
1.2.2 气泡式压力水位传感器
气泡式压力水位传感器的工作原理是通过“吹气引压”将水下固定点的水压力通过气管引至岸上, 在岸上完成对水压力的测量, 然后再换算为水位。这种压力式传感器可避免压力传感单元长期处于受压状态而寿命缩短, 同时也避免了室外导电线缆的连接, 提高了设备的抗干扰性, 且由于气泡式水位传感器测量设备置于水面以上, 使得对设备的维护和管理变得简单易行。因此气泡式水位传感器测量精度高、量程大、不受水质影响、可靠性高、土建投资小, 缺点是设备价格较高, 仪器结构较复杂, 对气管气密性的安装要求高, 维护不太方便等。
气泡式水位传感器根据吹气方式的不同, 又分为自带气泵的自泵式和需高压气瓶的恒流式2种。自泵式使用空气吹气, 为排除空气中水汽的影响, 需要定期加装干燥剂;恒流式采用高纯氮供气, 可获得更高的测量精度, 但需要定期更换氮气。
1.3 超声波水位传感器
超声波水位传感器的工作原理是利用超声波 (机械波) 测距原理测量水位, 根据传感器的安装位置, 又分为气介式和液介式2种。气介式水位传感器架设于水面以上, 而液介式固定于水面以下。这类传感器具有无需测井, 土建投资小, 设备价格低, 安装维护方便等优点;缺点是由于采用的是超声波测距原理, 受气 (水) 温、空气 (水) 密度、湿度、泥沙含量等的影响较大, 测量精度和可靠性较差, 在水面漂浮物较多时亦无法使用。
1.4 雷达水位传感器
雷达水位传感器与超声波水位传感器类似, 只是采用的是电磁波, 电磁波比超声波有更好的抗干扰性和较小的发散角, 使得水位传感器具有寿命长、测验精度高、量程大、抗干扰能力强、可靠性好、安装简单方便、无需建设测井、基建投资小等优点。缺点是价格昂贵, 设备较复杂, 损坏后不易修复, 水面漂浮物较多时也不适用;另外在大雨时, 因测量端面充满水体而导致雷达波放射混乱, 会影响测量数据。
1.5 激光水位传感器
激光水位传感器跟雷达水位传感器类似, 只是采用激光测距原理, 优点是测量量程大、周期短、精度高, 无发散角, 体积小等;缺点是设备结构较复杂, 损坏后修复困难, 设备本身的可靠性不如雷达水位计, 且安装时水面需要反射板, 安装维护较复杂。
2 水位传感器的比较
2.1 测量精度的比较
浮子式水位传感器测量精度约为0.3%FS, 投入式压力水位传感器的测量精度大约为0.5%FS, 气泡式水位传感器精度约0.05%FS, 超声波水位传感器精度约0.3%FS, 雷达式水位传感器精度约0.03%FS, 激光水位传感器精度约0.005%FS。仅从测量精度比较, 激光水位传感器最高, 雷达式和气泡式水位传感器次之, 浮子式、超声波式水位传感器的精度相当, 投入式压力水位传感器的精度最差。
2.2 测量量程的比较
浮子式水位传感器的测量量程一般不超过40 m, 通过定制最大可达80 m, 但量程越大受浮子牵引绳稳定性的影响越大;投入式压力水位传感器的量程可达500 m, 甚至更高;气泡式水位传感器的量程一般不超过40 m, 目前最大量程可达140 m[3];超声波式水位传感器的量程一般小于20 m;雷达式水位传感器的最大量程一般小于70 m;激光式水位传感器的量程可达200 m, 甚至更高。从各传感器的测量量程看, 投入压力式和激光式水位传感器的量程最大, 基本不受限制, 气泡式、雷达式、浮子式水位传感器的测量量程相当, 超声波式水位传感器的测量量程最小。
2.3 设备可靠性的比较
实践生产中水位传感器的可靠性至关重要, 从应用经验来看, 浮子式水位传感器使用率最高, 设备最成熟, 可靠性高;投入式压力水位传感器由于价格低廉、使用方便应用也较多, 但因受安装环境和设备本身特性的影响, 常易损坏, 可靠性较差;气泡式和雷达式水位传感器是近些年兴起的新型水位传感器, 目前也有了一定范围的应用, 从应用效果看, 可靠性也较好;超声波式水位传感器目前已基本被淘汰, 可靠性较差;激光式水位传感器由于技术还不成熟, 可靠性较差。
2.4 设备安装的配套土建比较
浮子式水位传感器需配套建设测井, 土建工程量大, 土建投资高, 测井每米投资约为10 000~50 000元, 且测井施工难度大, 土建建设标准高;投入式压力水位传感器的配套土建有线缆保护设施和传感探头在水下的固定设施2部分, 土建工程量小、投资少, 但水下部分施工难度较大;气泡式水位传感器的配套土建有气管管路的保护设施和气管管口的固定设施2部分, 土建工程与投入式压力水位传感器类似;雷达式水位传感器的配套土建是安装支架, 一般采用钢结构制造, 土建工程量小, 造价较低, 施工难度较小;超声波式的配套土建与雷达式类似;激光式水位传感器由于需要反射板, 土建一般需要建钢管井, 土建工程量较大, 造价较高, 一般需依附有直立面的水工建筑物修建。
2.5 设备运行维护的比较
浮子式水位传感器结构简单, 维护容易、方便, 但测井由于存在淤沙问题, 需定期清淤, 在泥沙含量较高的河流中维护工作繁重;投入式压力水位传感器由于固定于水下, 安装后难以维护, 损坏后一般只能重新更换新设备;气泡式水位传感器由于测量单元在水面以上, 运行维护较方便, 但由于设备本身较精密, 维护难度较高;超声波式和雷达式均安装于水面以上, 维护较方便, 同样由于设备较精密, 维护难度较高, 另外水面漂浮物对这类水位传感器影响较大, 因此水面漂浮物的清理也是维护工作的重要部分;激光水位传感器设备精密, 安装要求高, 维护难度较大。
3 水位传感器的选择
水位传感器的选择与测量要求、测量水体特性、测量环境、运行维护水平、投资预算等因素有关, 是一个综合比选的过程[4]。各水位传感器的优缺点不同, 各个厂家的生产工艺和质量也不同, 在传感器选择时, 一般应遵循可靠、精确、经济的先后原则, 不宜仅追求仪器的标称精度, 而不注重仪器的适用性。
实践经验表明, 对于河道水位站, 河流泥沙含量不高, 且具备建设测井条件的, 多采用浮子式水位传感器;若不具备测井建设条件, 又需要获得较高水位测验精度的, 多采用气泡式水位传感器;若河流水面漂浮物不多, 水位变幅也不大, 且岸坡陡峻的情况, 雷达水位传感器是不错的选择;若为临时水位观测, 使用期限要求不长, 且测验精度要求不高的, 如施工期临时水位观测, 则多选择投入式压力水位传感器。
对于水库或湖泊等静水水体的水位观测, 若水位变幅不大, 有建设测井或钢管井条件的, 可采用浮子式水位传感器;对于水位变幅较大, 且观测精度要求高的, 可采用气泡式水位传感器;若为临时水位观测, 且观测精度要求不高, 如水库初期蓄水水位观测, 可采用投入式压力水位传感器;若水体变幅范围内有直立面, 具备建设悬臂支架条件的, 可采用雷达式水位传感器。
对于测量水面有结冰情形的, 测量水面的水位传感器将不适用, 精度要求较高时可采用气泡式水位传感器, 精度要求不高时可采用投入式压力水位传感器。
以上仅是一般情况下选择水位传感器的一些经验, 在实践中必须结合现场条件和测验要求, 多分析比较后论证确定。另外需要指出的是, 随着科技的进步, 很多智能化的新型水位传感器不断涌现, 标称精度很高, 但在实践检验中经常不如传统水位传感器稳定和可靠。分析原因, 一方面是因为水位传感器的标称精度是在实验室环境下测得的, 在实际应用环境中差别可能会很大;另一方面新型水位传感器的结构一般较复杂, 安装要求较严格, 这在实践中经常不能得到满足, 从而影响了水位传感器的测量精度和可靠性, 因此在尝试应用新型水位传感器时, 更需要因地制宜地合理选用。
在选定水位传感器后, 严格按照厂家的安装说明进行设备安装和调试, 并在运行中注重设备的检查和维护, 适时调整或标定设备环境参数, 是保证水位传感器测验精度和可靠性的前提。除此以外, 注重人员素质的培养, 注重数据的后期分析和处理, 在实践中不断总结和积累经验, 是提高水位传感器测验精度和可靠性的重要保证。
4 结语
水文测验中水位传感器的比较和选择是保证水位观测可靠性、精度的重要技术手段, 是水文测验中的一项重要基础性工作。本文阐述了在我国水文测验中常用的几种水位传感器的工作原理及主要优缺点, 总结了在实践中水位传感器选择的一些基本经验, 结果表明各类水位传感器在测量量程、精度、可靠性、所需配套土建等方面各有优缺点, 水位传感器的比选应因地制宜, 结合具体测量条件、测量要求、投资预算等, 遵守可靠、精确、经济的先后原则, 通过多方案综合比较分析后确定。
参考文献
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[3]范瑞琪, 安全, 朱祯, 等.锦屏一级水电站库水位站建设方案研究与探讨[J].人民长江, 2014, 45 (3) :33-35.
水位传感器 篇3
水位是水文测验中最基本的观测要素,同时也是推算其它水文要素并掌握其变化过程的间接资料。目前常用的水位计主要有浮子式、超声波式和压力式水位计。浮子式水位计只适合于岸坡稳定、河床冲淤很小的低含沙量河段使用;超声波式水位计,声速受水温、水压、气温及水中浮悬粒子浓度影响,在测量过程中要对声波校正,才能达到最大测量精度;压力式水位计一般分为压阻式和气泡式,其中压阻式压力水位计适用于不便建测井的地区,对于环境的适应性要比前2种水位计强,但存在量程小及在小量程时过载能力差等问题。为此开发研制一种量程范围大,在小量程时过载能力强的,基于陶瓷电容传感器的压力式水位计(以下简称水位计)[1,2,3,4,5]。
1 水位计工作原理及结构
1.1 水位计组成结构
水位计主要由陶瓷电容压力传感芯体和电压电流变送器2部分组成。
1.1.1 陶瓷电容压力传感芯体
陶瓷是一种高弹性、抗腐蚀、抗磨损、抗冲击和振动的材料,工作温度范围高达-40~125℃。陶瓷电容压力传感芯体的工作原理是,通过将过程压力直接作用于陶瓷膜片的前表面使膜片产生微小位移,这样衬底的电极(固定电极)与膜片电极(活动电极)之间的电容量便发生变化,经专用的信号调理电路(ASIC)处理可使该电容变化值与膜片所受压力成正比,同时内置的温度传感器不断测量介质的温度,并进行温度补偿(-20~80℃),从而输出一个范围为1~4 V的与膜片所受压力基本成线性关系的直流电压。由于内部采用特殊的材料和结构设计,该类型陶瓷电容压力传感芯体具有良好的抗过载特性。当传感器过载时,膜片因紧贴陶瓷衬底而不会导致进一步的过载损坏,且电极表面的绝缘介质可防止电极接触短路;当压力恢复时,膜片性能又可以恢复正常不受任何影响。此外,由于陶瓷的高稳定性和抗腐蚀性,该传感芯体可以和绝大部分介质直接接触,大大扩展了传感器的应用行业范围和适用环境条件。因此,本研制方案选用该陶瓷电容压力传感芯体作为水位计的感测元件。
1.1.2 电压电流变送器
由于陶瓷电容压力传感器自带厚膜电路输出1~4 V电压,而目前工业环境下基本使用4~20 m A的标准电流输出信号,因此本设计采用电压电流变送器将传感器输出信号转换成4~20 m A标准信号。采用的电压电流变送器是高精度、低漂移,自带两路激励电压源,可驱动电桥的两线制集成单片变送器XTR106,工作温度范围宽,为-40~85℃,最大特点是可以对不平衡电桥的固有非线性进行二次项补偿,使桥路传感器的非线性大大改善,改善前后非线性比最大可达20∶1[6]。
1.2 水位计工作原理
将水位计投入水中,水压通过透水石作用在传感器陶瓷膜片的前表面,由传感芯体内部电路转换输出1~4 V电压,经电压电流变送器转换为4~20 m A标准电流信号送至采集模块,再利用软件将采集到的4~20 m A标准电流信号转换成水位值输出。
2 水位计的硬件电路设计
水位测量电路原理图如图1所示。图中传感器1脚为电源正,2脚为电源负与输出负复用,3脚为输出正。采用15 V直流电源供电,陶瓷电容压力传感器将感测到的水压转换成(1.0±0.1)~(4.0±0.1)V的电压信号,再经电压电流变送器和外部调理电路后输出4~20 m A标准电流信号。试验过程中在I o输出端外接100Ω 标精电阻,通过高精度电压表检测100Ω 标精电阻上的电压取得输出电流。本设计中所有电阻均采用精度为千分之一的高精电阻,阻值随温度的变化率为0.002 5%/℃。经高低温试验证明整个电路受温度变化影响较小,满足设计要求。
电压电流变送器的传递函数为
本设计中采用的陶瓷电容压力传感器是一种桥路传感器,桥路传感器一般都存在非线性误差,传感器的非线性特性曲线如图2所示,图中曲线上弯代表传感器存在正的非线性,下弯代表传感器存在负的非线性,B表示非线性度。
经试验表明本设计中采用的陶瓷电容压力传感器存在正的非线性,且相对于满量程输出电压的非线性度为0.1%。由于本设计采用5 V基准电压源作为桥路激励,因此可用于矫正不大于±5%的非线性,具体线性化原理如下:连接于管脚11与1之间的Rlin为线性化电阻,提供正反馈,使桥路激励电压能够随着输入信号Vin的变化而变化。当桥路传感器存在正的非线性(上弯)时,管脚12与6连接,这时,基准电压Vref不是保持5.0或2.5 V不变,而是随着桥路输出(也就是XTR106的输入Vin)的增加而增加,以补偿正的非线性。量程电阻Rg和线性化电阻Rlin的选择公式如下:
式中:Klin是线性化因子,当基准电压源为5 V时,Klin=6.645 kΩ;Vƒs是满量程输出电压。
在实际应用中XTR106通常需外接1个NPN三极管,将外部电源电流与消耗严格分开,可大大降低内部功耗及发热,减少热漂移,保证高精度。
根据具体要求,传感器满量程输入电压为3 V,传感器正非线性度为0.1%,即B=0.1%,将Vƒs与B代入式(3),由于电路中关键元器件R1就是Rg,则得。
由式(1)可知当Vin=(Vin+)-(Vin-)=0时,I0=4 m A,传感器输出信号为(1±0.1)~(4±0.1)m V,所以应根据实际传感器输出信号将Vin-端电压拉高至0.9~1.1 m V,从而将输出信号转为0~3 V。本设计通过使用基准电压源TL431将从Vreg管脚引出的大约5.1 V的电压转换成2.47~2.52 V的基准电压,再经R2,Rw1和R5分压后产生900~1 100 m V的电压接入Vin-。其中R2选为3.0 kΩ,R5选为1.5 kΩ,假设滑动变阻器Rw1接入部分阻值为R,TL431基准电压为Vref,Vin-=Vout,则有以下公式:
由式(4)可得
式中:Vout=900~1 100 m V,Vref=2.47~2.52 V。经过计算可知Rmin=0.908 76 kΩ,取Rw1=1 kΩ。
由式(2)可得
3 主要技术指标
根据对水位计工作原理和硬件电路的分析,水位计主要技术指标包括:综合误差(包括线性、迟滞、重复性)在0.15%以内;能在-10~60℃环境下长期稳定工作;能测量2~50 m水深,应用场合广泛。
详细技术指标如下:测量精度为0.15%FS;分辨率为0.05%FS;重复性为0.025%FS;测量温度范围为-10~60℃;绝缘电阻≥50 MΩ;超量程为1.2倍额定压力;仪器外径为40 mm,长度为150 mm;供电电压5 V;量程范围2,5,10,20,50 m。
4 仪器试验
为验证利用基于陶瓷电容传感器的压力式水位计测量水位的精度,需要进行野外比测试验予以证实,为此对量程为50和2 m的水位计分别进行了试验。
4.1 测量范围及精度试验
量程为50 m的水位计采用精度等级为0.05级的活塞式压力计进行试验,通过增加与减少油压计上的砝码对传感器芯体进行不同强度的施压,模拟水位从高到低及从低到高的过程。通过测量100Ω 标精电阻上的输出电压得到实际的水位值。
量程为2 m的水位计封装后投入水管中进行试验,通过小水泵实现水位的升降,测量3次水位升降过程输出电压值。
为了达到水位计设计的精度要求,不仅需要在硬件上对电路进行非线性校正,而且需要在软件上对输出数据进行处理。一般使用一些拟合算法如端基法、最小二乘法、平均选点法等对输出数据进行拟合,拟合后的曲线称为工作曲线[7]。本设计采用端基法进行拟合,具体拟合方法如下:
1)假定水位从低到高的过程为正程,水位从高到低的过程为回程,试验过程中各做3组正程和回程。将水位计在每个水位点测得的3组正程输出电压取平均值作为正程平均输出电压,同理得到回程平均输出电压。
2)将正程与回程的平均输出电压取平均值得到输出电压平均值。
3)拟合直线的斜率k=(满量程输出电压平均值-零点输出电压平均值)/满量程水位值,由k与零点输出电压平均值即可得到拟合后的工作曲线。
采用上述拟合方法分别对参与试验的50和2 m量程的水位计电压输出值进行拟合,得出的工作曲线方程分别为
式中:U为输出电压;H1,H2分别为50和2 m量程水位计测得的水深。
利用50 m量程水位计的工作曲线方程将每个水位测点采集到的电压信号转换成水位高度值,试验温度为12℃,湿度为35%。试验数据记录如表1所示。
将量程为2 m的水位计测量得到的3次水位升降过程中输出电压值通过工作曲线方程转换为对应的水位高度值,试验温度为12℃,湿度为35%。试验数据记录如表2所示。
4.2 长期稳定性试验
为了检验仪器的长期稳定性,将2 m量程的水位计放在实验水管内,保证水深为1.8 m,进行长期稳定性试验,试验数据如表3所示。
m
m
4.3 温度试验
将水位计在恒温试验箱内进行温度试验,温度从-10~60℃,每10℃保持2 h,试验数据如表4所示。
5 数据处理及分析
水位计的综合误差为
式中:∆ƒc表示正程(加水)平均校准和回程(放水)平均校准曲线与工作曲线偏差的最大值,F代表满量程输出。
m
5.1 50 m量程水位计试验数据处理及分析
将表1中每个水位测点测得的3次正程水位值取平均值作为正程平均水位值,3次回程测得的水位值取平均作为回程平均水位值,则每个测点测得的正程平均水位值与理论水位值之差为绝对误差,绝对误差中的最大值与该水位计的满量程水位值之比为最大相对误差。同理得到回程平均水位值与理论值的最大相对误差,分别如表5和6所示。由表5和6可得正程平均校准曲线与工作曲线的最大相对误差为,回程平均校准曲线与工作曲线的最大相对误差
取正程和回程最大相对误差的最大值作为50 m量程水位计的综合误差,即εc=0.15%。
重复性误差指在全测量范围内和同一工作条件下,从同方向对同一输入值进行多次连续测量所获得的随机误差。由表1可计算得到该水位计的重复性误差为0.025%。
由表4可知,50 m量程水位计零点随温度漂移的最大绝对值为0.0203 m,即该量程水位计在-10~60℃范围内受温度影响产生的最大相对误差为0.020 3/50×100%=0.04%。
5.2 2 m量程水位计试验数据处理及分析
将表2中在每个水位测点测得的3次加水水位值取平均作为加水平均水位值,同理可以得到放水平均水位值,与50 m量程水位计数据处理中计算相对误差的方法相同,得到2 m量程水位计加水或放水平均水值与理论水位值的误差值,具体如表7和8所示。由表7和表8可得,加水平均校准曲线与工作曲线的最大相对误差为放水平均校准曲线与工作曲线的最大相对误差为
取正程和回程2个最大相对误差的最大值作为2 m量程水位计的综合误差,即εc=0.15%。
由表2计算得该水位计的重复性误差为0.02%。
根据表3可知该仪器在测试时间内绝对误差的最大偏移量为(0.002 0-0.000 9)=0.001 1 m,其相对误差为0.001 1/2×100%=0.055%,比较稳定,即该水位计具有良好的长期稳定性。
由表4可知,2 m量程水位计零点随温度漂移的最大绝对值为0.000 8 m,即该量程水位计在-10~60℃范围内受温度影响产生的最大相对误差为0.000 8/2×100%=0.04%。
由以上实验数据的处理分析可知,2与50 m量程水位计的综合误差都在0.15%以内,且它们零点输出水位值在-10~60℃范围内受温度影响产生的最大相对误差都为0.04%,满足设计要求,并且通过对2 m量程水位计做长期稳定性实验,证明该量程的水位计具有良好的长期稳定性。
6 结语
水位传感器 篇4
水位监测是各水利部门的一项重要日常工作, 测量水位、分析数据对水情预报、水量调控等水利工作都有着重要意义。水位作为指示河流、库区汛情的基本水文要素之一, 是水情信息的重要组成部分, 是防洪调度及洪水预报的重要依据。江河水位、灌区引水渠水位对合理利用水资源、发电、灌溉、抗洪救灾、河堤和水坝的安全有着十分重要的作用[1]。
传统的水位测量方法很多, 按照测量原理可分为浮子式水位计、压力式水位计、气泡式水位计、超声波水位计、激光测距水位计等多种类型[2]。这些方法的基本原理是:水位的变化引起传感器某些因素 (压力、时间) 的变化, 从而使得记录设备进行新的数值保存。这些水位计测量形式都属于被动式记录形式, 即水位的变化引起测量值的变化。但实际生产中, 人们更希望一种主动式测量设备, 即需要测量时, 传感器测针在动力作用下接触水面进行测量, 这更符合人们的自身测量行为, 而且合理设置设备工作模式, 可有效减小误差, 减少无用数据量, 对提高远距离数据传输效率, 实现高效率无人值守水位设备起到积极的作用。采用机电式主动传感器能消除自然环境对于超声波、激光等测量影响, 同时由于其结构简单, 利于传感器的技术推广和日常维护。
1 主动式水位传感器原理
主动式传感器摒弃了传统浮子式传感器的工作方式, 将被动式的浮子变化, 改变为水位测杆的主动量测。传感器 (见图1、图2) 由防雨帽1、保护筒2、步进电机3、变速轮4、5、测杆6、测针7组成。两个同心齿轮组成的变速轮轴4、5, 其外轮4轮径大, 内轮5轮径小。其轮径比的选择, 可改变测杆运动力矩和传感器量测精度。步进电机齿轮3轮径固定且转动同样圈数时, 大齿轮4轮径越大, 则变速轮轴转动角度越小, 同轴小齿轮5随轴转动, 且轮径越小, 测杆位移量越小, 其测量精度就越高。只要选择合适的大小齿轮轮径比和步进电机步进角及精度, 就可制造出具有足够精度的水位量测系统。水位传感器的测杆前端有一测针7, 其设计除了完成测针触水时中断信号产生外, 还可改变测针宽度以减少水面波动造成的传感器计量误差。通过控制电路组件可进行数据的遥控和遥测, 通过远程控制软件, 可改变系统测量方式, 如出水中止测量或进水中止测量方式的选择, 测量精度的调整, 测量时间间距的改变, 测量前调零等, 以达到远程测量水位或其他液面的测量目的[3]。
2 主动式水位传感器控制系统设计
从以上原理分析可看出, 传感器的核心部件除了控制其测量精度的变速轮外, 步进电机是传感器的动力和数据采集器。步进电机是数字控制电机, 它将电脉冲信号转变为角位移, 它是一种数字/角度转换器[4]。步进电机转子的角度变化由变速器转变为传动杆的位移, 这样统计单位时间的步进电机所接收的电脉冲数, 即可计算测针在单位时间的位移量。
设步进电机步进角为α (rad) , 其传动轮有效半径为r0 (mm) , 减速轮小轮5的轮缘有效半径为r1 (mm) , 减速轮大轮4的轮缘有效半径为r2 (mm) , 则每个脉冲的位移值为:
undefined
式中:n为传感器齿轮有效半径系数比。
有效半径是指轮齿齿合时接触点距圆心的距离, 增加变速轮个数, 可进一步提高传感器测量精度。由于其位移量与测量速度仅由脉冲数的量和频率决定, 故主动式水位传感器的精度和测试方式可选51单片机控制, 这样不但降低了生产成本而且利于设备的后期维护。
2.1 系统硬件设计
图3是传感器控制系统原理图。控制系统由Atmel公司的AT89S52单片机作为处理器, 负责步进电机脉冲数的统计和计算。单片机在系统发出工作命令后, 由AT89S52定时/计数器发出脉冲, 步进电机转动并带动测针移动, 测针触水一瞬间会发出信号, 此信号触发AT89S52中断, 测针停止转动。此时由AT89S52将脉冲数转换并由LED显示, 同时将脉冲数和时间信号由GPRS网络发送到上位机, 并由上位机存储和进行数据分析。
在硬件电路中, 存储器采用型号为24C16的EEPROM, 它是I2C总线式串行器件。其不但占用资源少, 且体积小, 工作电源宽、抗干扰能力强、功耗低。步进电机驱动采用SGS公司的L297单片步进电机控制集成电路与两片H桥式驱动芯片L298组合, 组成完整的步进电机固定斩波频率的PWM恒流斩波驱动器。PWM斩波器控制相绕组电流, 实现恒流斩波控制, 以获得良好的转矩-频率特性。L298芯片是一种高电压、大电流双H桥功率集成电路, 可用来驱动继电器、线圈、直流电机和步进电机等感性负载。时钟模块采用美国DALLAS公司的DS1302模块, 该模块是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路, 它可对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时, 具有闰年补偿功能, 工作电压为2.5～5.5 V, 具有主电源/后备电源双电源引脚, 同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力[4]。
除了处理器进行现场数据采集和处理功能外, 为了适应现代水文信息采集的需要, 控制系统采用GPRS网络实现了无线数据传输。GPRS (General Packet Radio Service) 是通用分组无线业务的简称, 它通过在原有的GSM系统中引入分组数据单元提供无线系统的数据业务。作为承载网络, GPRS 系统本身采用IP网络结构, 并对用户分配地址 (如IP或X.121地址) , 将用户作为独立的数据用户, 从而实现从网络到移动用户的端到端的数据应用[5,6]。GPRS模块采用法国WAVECOM公司的Q2403模块, 该模块由PHILIPS-VLSI构成, 该芯片组使用0.25 μm的CMOS技术, 模块功耗很低。
2.2 软件设计
按照传感器工作模式要求, 软件设计主要由脉冲子程序、中断处理子程序、数据传输子程序组成 (见图4) 。上电后, 系统首先自检, 若没有模式转换信号输入, 则系统开始调整测杆将其复位。系统调用步进电机驱动程序, 单片机定时/计数器开始计数, 在调用中, 系统检测来自测杆前端测针的中断信号, 当测针触水时, 中断信号产生, 系统停止计数, 并调用数值转换和数值显示程序予以位移量计算。每次测量后, 系统调用GPRS子程序将某时刻数据发送到Internet网络中, 供上位机数据的分析、处理和存储。
在系统工作模式中, 按照测量的频率要求, 有密集测量、稀疏测量和不测量3种工作模式, 其中密集测量用于汛期等特殊时段使用;稀疏测量用于日常水位的监测及冬季或枯水期等时段测量;不测量是设备的低功耗模式, 此时系统不工作, 但处于待命状态。工作模式的改变可通过GPRS模块进行系统数据交换来完成。
GPRS数据传输程序是数据传输子程序的核心内容, 它包括GPRS MODEM 拨号、LCP协商、IPCP协商、查找UDP、UDP解包、UDP包发送部分等内容。系统无需后台计算机支持, 一开机就能自动附着到 GPRS网络上, 并与数据中心建立通信链路, 随时发送终端设备数据。但用户使用时必须注意GPRS组网方式, 网络上任何两个网络终端之间要进行点对点通信, 一方必须有固定 IP 或域名, 并且这个固定IP 或域名需被另一方所访问[5]。因此单位内部组网等都无法进行正常数据交换, 同时注意所申请SIM卡是否开通GPRS服务功能。
3 系统测量精度分析
从系统总体模块来看, 决定传感器精度的因素主要是齿轮结合间隙和步进电机的性能, 两者中, 通过提高制造工艺及优化齿轮结构可减少齿轮结合间隙所带来的误差, 因此步进电机的性能是决定系统测量精度的关键因素。提高步进电机性能主要从转动力矩、保持力矩、步进角、精度、工作频率等方面考虑。转动力矩是指在额定条件下, 步进电机轴上所产生的转矩[5]。转动力矩会随转速的升高而下降, 因此驱动电机的频率不能太高。保持转矩是指步进电机通电但没有转动时, 定子锁住转子的力矩, 由于步进电机输出力矩随转速增大而不断衰减, 所以保持力矩可理解为其工作时的最大力矩, 它是步进电机驱动能力的重要指标。步进角是步进电机每接到一个脉冲而转动的角度, 从公式 (1) 可看出, 在有效半径比固定的情况下, 步进角是系统精度的重要参数。除了系统精度外, 步进电机精度也是一个重要参数。步进电机精度为步进角的3%～5%, 且不累积。为满足精密位置控制, 步进电机常采用细分驱动方式来减小步进角[7,8]。采用细分技术等可提高电机的运转精度, 通过细分驱动器驱动, 用户只需在驱动器上改变细分数, 就可以改变步距角, 进而提高系统的控制精度。工作频率即步进电机每秒走的额定步数, 工作频率的高低不但影响步进电机的快慢, 而且还影响着电机驱动力矩的大小和低频振动问题, 同时步进电机频率过高还容易在电机启动或停止时产生失步现象, 因此通过直线升降频、指数曲线升降频或抛物线升降频改善步进电机运动对提高整个系统精度具有很重要意义[9]。除此之外, 探针入水和出水精度也是影响测量精度的因素, 对此可通过传感器的实验室校准予以减小。同时, 测量探针入水和出水精度是中控系统对于风浪检测的重要参考指标, 根据传感器应用场所, 结合江湖库等风浪起伏峰值及时间等特点, 可通过模糊算法减少风浪对于传感器测量误差的影响, 探针宽度的实验室校准也是传感器抗风浪设计的重要内容。
4 结 语
(1) 本系统采用步进电机作为传感器动力和数据采集部件, 通过调速轮提高传感器测量精度和传动力矩, 用主动式控制思路进行水位测量。通过机械设计优化和步进电机控制方案改变, 可有效提高系统测量精度。系统不但可触水测量, 也可将测针放入水中进行出水测量, 因此测量方案灵活。
(2) 通过GPRS进行数据交换, 即可完成远距离无线数据采集, 还可进行系统测量频率和测量方式改变, 有效地提高了水位测量的精度和效率。
(3) 用主动式测量方式进行水位测量。通过测杆顶端的测针设计, 可提高传感器抗风浪测量能力和精度。这在水位信息采集中具有一定的创新性。通过机械设计优化和控制理论研究, 主动式水位量测精度和抗干扰能力可有效提高, 这在河道、水库等水位测量方面具很大的应用前景。
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水位传感器 篇5
平板载荷试验 (PLT) 是岩土工程地质测试中一个重要的原位测试方法[1], 通过PLT不仅可以确定出地基的承载力, 还可以确定出地基土的变形模量E0、回弹模量Er[2,3,4]。
目前, 岩土工程平板载荷试验中所用的承载板均为刚性承载板, 刚性承载板相对于地基变形有很高的抗弯刚度, 在竖向荷载作用下板底始终保持平面, 地基土沉降处处相等, 但板底应力分布十分复杂[2,3,4], 在计算地基土变形参数 (E0, Er) 时无法考虑板底应力实际分布, 只能取一个形状系数ω (圆形承载板为0.785, 方形承载板为0.886) 来修正[1], 因此计算出来的地基土变形参数是不准确, 而岩土工程界至今没有更好的办法来消除由此引起的误差, 要从根本上解决该问题只能采用柔性承载板来代替刚性承载板开展平板载荷试验, 因为地基土表面均布荷载作用必然对应不同沉降, 而只有柔性承载板底才能产生不同的竖向位移。
1 柔性承载板的构造
在密闭容器内, 施加于静止流体上的压强将以等值同时传到各点, 这就是著名的帕斯卡定律 (Pascal’s Law) 。根据帕斯卡定律可设计出所需的柔性承载板, 如图1所示。不锈钢板下面粘结一个密闭的柔性水囊 (材料可选用碳纤维布内涂聚氨酯) , 水囊内装入适量的水, 不锈钢板下安装水位传感器。不锈钢板上开有3个小孔:一个孔用于注水后安装压力表, 测试水囊内压强;一个孔用于安装气阀, 用于向囊内泵气和放气, 第三个孔用于引出水位传感器的导线 (处于密封状态) 。不管不锈钢板上作用荷载是均匀分布力还是集中力, 通过流体传压, 可以使板底作用于土体表面的竖向压应力大小相等。实验过程中, 当竖向压力增大时, 水囊内压力增大, 空气被压缩, 水位线上升, 可根据水位传感器的数据, 通过气阀向囊内泵入适量空气, 使水位线下降, 恢复到之前的位置, 如此可保证加压过程中, 囊内空气体积不变, 从而保证了水囊高度和底面积不变。实验完成后, 亦可根据水位传感器的数据, 不断释放空气, 直至卸载完成, 以保证水囊的安全。
2 电容式水位传感器的原理
水位传感器的做法有多种, 经比较, 决定采用电容式水位传感器。电容式水位传感器是根据电容器的工作原理制成, 电容是指容纳电场的能力, 是在给定电位差下的电荷储藏量, 记为C, 国际单位是法拉 (F) 。一般来说, 电荷在电场中会受力而移动, 当导体之间有了介质, 则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上;造成电荷的累积储存, 最常见的例子就是两片平行金属板, 也是电容器的俗称。一个电容器, 如果带1 C的电量时两级间的电势差是1 V, 这个电容器的电容就是1 F, 即:C=Q/U。但电容的大小不是由Q (带电量) 或U (电压) 决定的, 对于由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器, 如果不考虑边缘效应, 其电容量公式为[5,6]:
其中, ε0为真空介电常量, 8.86E-12 (F/m) ;εr为极板间介质的相对介电常数;A为两极板正对面积;d为极板间的距离。
由式 (1) 可知, 当ε和d保持不变时, C随两极板的正对面积A增大而增大, 减小而减小;当A和d保持不变时, 改变介质常数ε, C也会发生相应变化。图2中, 两块极板插入水中, 极板正对面积和距离保持不变, 随着x值的增大, 水位上升。空气的相对介电常数可近似取1.0, 水的介电常数与温度有关:温度为5℃时, εr=85.90, 温度为15℃时, εr=82.04, 温度为30℃时, εr=76.58。可见, 在常温下水的介电常数远大于空气的介电常数, 随着水位上升, 两块极板的电容增大明显, 因此可采用电容表或万能表测出电容值后求得x值。
3 电容式水位传感器的制作与标定
3.1 电容式水位传感器的制作
尽管市场上可以买到多种型式的电容式传感器, 但柔性承载板对传感器提出了一些特殊要求:防水、高度很小 (25 mm以内) 、较长、成本低廉 (降低柔性承载板的整体成本) , 因此决定自制电容式水位传感器。制作材料:采用0.1 mm厚的紫铜片作极板, 1 mm厚的塑料片作为底座。用801强力胶作为极板防水涂层, 极板采用环氧树脂与支座粘贴, 环氧树脂同时也能起到防水、绝缘的作用, 在单片极板面积有限的情况下, 为使测量精度更高, 采用双钢片作电极。具体制作过程如下:1) 铜片下料;2) 导线焊接;3) 与支座粘贴;4) 涂防水层。制作完成后极板长度为75 mm, 高度 (连同底座) 为21 mm。
3.2 传感器的标定
尽管式 (1) 给出电容器的电容公式, 但由于边缘效应, 无法根据式 (1) 得到准确的水位高x, 因此在将水位传感器安进承载板之前需要作标定。标定时水位传感器底座在上、极板朝下, 放入平板盘, 向盘内加水, 用万能表 (调到电容档) 测出电容值, 用直尺量出水位高, 得到x—C曲线, 如图3所示。
由图3可见, 除开始段和末尾段, x与C在中间段有很好的线性对应关系。在x∈ (8, 15) 段, 水位深x增加1 mm, 对应电容量C增大51 n F, 可见测试精度大于0.02 mm。图3是在室温为15℃时得到的, 当室温为其他数值时, 可根据εr的变化得到相应的x—C曲线。
4 实验测试与结论
4.1 实验测试
将安装好电容式水位传感器的柔性承载板平放在土体平表面, 万能表连上后向水囊内注水, 当万能表显示的电容值约为500 n F时, 此时对应的水位深 (图2中极板顶端至水位线的深度) 约为11 mm, 停止加水, 安上压力表, 开始对承载板加载 (力作用于套筒上) , 观察到万能表显示的电容在增加, 通过气泵向水囊内泵入空气, 使电容重新回到500 n F左右, 如此保持电容在500 n F附近变化, 从而确保水囊内空气体积在加载过程中基本不变。图4为实验加载过程中监测到的p—C变化图, 其中p为压力表显示的水囊内气压值, 该气压值即为作用于土体表面的荷载值。
4.2 结论
电容式水位传感器根据电容与水深成正比的原理而设计, 自制的水位传感器具有防水、高度小、成本低廉、测试精度高的特点, 将其应用于柔性承载板载荷试验中, 可以确保加载过程中水囊内空气体积基本不变, 从而确保了水囊高度和底面积不变, 保证了载荷试验结果的准确性。
摘要：介绍了柔性承载板的构造要求, 并对电容式水位传感器的原理、制作与标定方法进行了探讨, 指出将电容式水位传感器应用于柔性承载板载荷试验中, 通过向囊内泵入空气, 确保了水囊高度和底面积不变, 保证了载荷试验结果的准确性。
关键词：电容,水位传感器,柔性承载板,平板载荷试验
参考文献
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水位传感器 篇6
多传感器信息融合是指在多传感器系统中为完成对某一环境特性的描述,将来自不同途径、不同时间、不同空间的传感器信息协调成统一的特征表达的信息处理过程[2]。现基于卡尔曼滤波的数据融合方法,将各种影响汽包水位的参数以及同一参数(主要是水位)的不同传感测量通道数据,利用多传感器信息融合技术进行综合分析处理。提出了一种基于卡尔曼滤波的汽包水位多传感器信息融合方法以提高传统汽包水位测控系统的精度。
1 多传感器信息融合汽包水位测控系统
1.1 汽包水位控制模型
锅炉汽包蒸汽产生过程是一个多输入、多输出、多扰动的复杂过程。如图1所示,经过简化的汽包控制系统包括3个输入变量,即燃料量u1、进气量u2、给水量u3;4个输出变量,即蒸汽压力y1、富余含氧y2、汽包水位y3、耗汽量y4。
根据参考文献[3-4]分析,锅炉汽包系统的各输入、输出参数可以用下列状态方程[3,4]描述:
其中,常数矩阵C和变量ni在参考文献[3]中有详细介绍,不再多述。
从式(1)~(4)以及式(7)可以看出,汽包水位受多个变量扰动的影响,在检测中很容易出现虚假水位。为了解决这个问题,电力行业热工自动化标准化技术委员会在《火力发电厂锅炉汽包水位测量系统技术规定》DRZ/T01-2004中规定锅炉汽包水位测量系统必须采用2种或以上工作原理共存的配置方式,新建锅炉应配置1套就地水位计、3套差压式水位测量装置(用于控制系统)和3套电击式水位测量装置(用于保护系统)[5]。该规定从硬件上为可靠的汽包水位监测提供了依据,但是要对水位实现可靠、精确的控制,对各种影响参数以及不同传感器测量数据的综合处理则是其中的关键问题。基于多源信息融合技术,控制系统需要对原始传感器测量数据进行初步的融合处理,然后根据式(1)~(8)的状态方程进行相应的控制决策处理。
1.2 基于卡尔曼滤波的汽包水位测控系统
对于一个多传感器的汽包水位控制系统,在利用多种、多个传感器获取汽包系统对象环境的全面、完整信息后,主要的工作就体现在选择合适的融合算法上。多传感器数据融合虽然未形成完整的理论体系和有效的融合算法,但在不少应用领域根据各自的具体背景,已经提出了许多成熟并且有效的融合方法[6,7,8,9,10]。卡尔曼滤波方法多用于实时融合动态的低层次冗余传感器信息。该方法利用测量模型的统计特性,经过递推运算,估计出在统计意义下是最优的融合数据。当系统具有线性动力学模型,且噪声符合高斯分布时,该方法为融合数据提供了唯一的统计意义的最优估计。且卡尔曼滤波的递推特性使数据处理不需大量的数据存储和计算。
如图2所示,这里探讨的多传感器信息融合汽包水位测控系统采用分层的混合式数据融合结构。首先,基于卡尔曼滤波方法,参考通过汽包系统输入、输出模型得到的水位变化预测值,对3路汽包水位检测信号进行滤波及融合处理,得出一个较为精确的水位测量值H;然后,将经过处理的水位测量值H同其他相关参数检测结果(蒸汽压力p、富余含氧O和耗汽量D)进行聚类融合处理;最后,将最终融合得出的结果信息S送入融合数据库中,参照式(1)~(8)所示的汽包系统参数模型,按照一定的控制算法,系统做出相关的控制决策,并交由燃料量B、进气量I和给水量W 3个相关的控制机构,实现对锅炉水位以及其他相关参数的预定控制[11,12]。
其中,需要说明以下几点。
a.状态预测是卡尔曼滤波中的重要组成部分,这里将经过一定控制算法得出的控制量结果(燃料量B、进气量I和给水量W)作为状态预测的基础,通过汽包模型计算出预期的状态供滤波处理参考。同时,这些控制量也是信息聚类融合处理组成部分。
b.为了降低多传感器信息融合处理过程不受各个传感器自身的测量随机误差干扰,在各通道传感信号进入融合处理机制前,分别对各个通道原始信号进行卡尔曼滤波预处理。
c.在综合的信息融合处理中,融合数据包含液位、压力、含量、流量等不同量纲的多种参数,因此在融合处理中使用基于模式窗口及时间序列的聚类分析的融合策略。
d.传感器模型库用于存放各种传感器的模型,定量地描述了各个传感器的特性以及各种外界条件对传感器特性的影响。
e.各个传感器往往从不同的坐标框架对环境中同一特征进行描述,它们所表示的时间、空间和表达方式各不相同。信息协调管理模块完成了时间因素、空间因素和工作因素的全面协调管理,并对传感器进行选择,投入最合适和可靠的传感器以适应不同的条件。
f.除了相关的数据融合算法,专家知识库存放了必要的汽包水位相关知识进行监督和指导。
2 卡尔曼滤波法信息融合实现
如图3中A部分所示的控制系统状态转换流程,离散时间线性动态汽包控制系统的状态方程可以描述为
其中,x(k)∈Rn是k时刻目标的状态向量;u(k)是输入或控制信号,即汽包水位控制系统的输出控制信号B、I及W变量;v(k)∈Rn是过程噪声;Φ(k)∈Rn,n是状态转移矩阵;G(k)∈Rn,n是过程噪声分布矩阵;Γ(k)为输入控制加权矩阵。
传感器的通用观测方程可表示为
其中,z(k)∈Rm是传感器在k时刻的观测向量,w(k)∈Rm是观测噪声向量[13,14,15,16]。
如图3中B部分所示,可以推导出在卡尔曼滤波算法中,状态估计的一步预测方程为
预测协方差为
类似的,预测的观测向量为
观测向量的预测误差协方差为
滤波器的增益为
卡尔曼滤波的状态更新方程为
其中
与式(16)相对应的滤波误差协方差更新方程表示为
3 信息融合仿真实验
基于上述的多传感器信息融合方案和卡尔曼滤波方法,借助Matlab 6.5仿真工具,对汽包水位控制系统中的多传感器检测得到水位信号进行了卡尔曼滤波融合处理仿真测试。仿真包含单通道卡尔曼滤波仿真测试和多通道卡尔曼融合仿真测试2个部分。
3.1 单通道卡尔曼信号滤波
水位是一个变化相对比较缓慢的物理量,而且在汽包系统中,水位控制是一个闭环系统,控制操作的目标是将汽包水位维持在一个恒定的范围内。因此,在单通道卡尔曼滤波仿真测试中,假定控制方案能够较好地跟随水位的变化,在使用卡尔曼滤波方法对单路水位信号进行滤波时的水位预测量与上一状态相同。基于此,令初始水位偏差ΔH0=0,且在20个采样周期后跃变为ΔH20=5,x(0|0)=1,P(0|0)=10,进行200次采样操作,测试结果如图4所示(图中n指采样次数)。其中,阶跃形直线为实际水位偏差,圆点为传感器检测获得水位偏差值,粗曲线为经过卡尔曼滤波得到的处理值,细曲线为经过滑动平均(二阶)滤波得到的处理值。
从图4可以看出,在汽包水位变化缓慢区域,卡尔曼滤波结果明显优于递推速度及数据处理量相近的普通二阶滑动滤波方法得到的结果。因为仿真试验中的卡尔曼滤波是基于水位变化为零的预测值实现的(并非根据控制策略分析出的水位变化预测值),在水位突变部分,卡尔曼滤波跟随速度相对较慢。这也说明了对于不可预测的被测对象突变,卡尔曼滤波跟随速度稍慢。
3.2 多通道卡尔曼数据融合
在单通道信号卡尔曼滤波的基础上,如图5所示,对3个通道水位信号进行了基于卡尔曼滤波的数据融合仿真,并同二阶滑动平均滤波综合的结果进行了比较,其中图例与图4相同。为了便于仿真,此处对3通道水位信号采用单通道卡尔曼滤波后取平均值的方法实现其数据融合。
从图5可以看出,在汽包水位变化缓慢区域,基于卡尔曼滤波的数据融合结果明显优于基于普通二阶滑动滤波综合得到的结果,数据融合得到水位信号同实际水位近乎重叠。同样的,在水位发生非预见性跳变时,基于卡尔曼滤波的数据融合结果跟随速度比二阶滑动平均综合处理稍慢。
4 结论