基于单片机的液位测量系统设计

基于单片机的液位测量系统设计
乔 智 孙传友
(长江大学电信学院，湖北荆州 邮编434023)
摘要：本文研究基于89C51单片机的液位测量系统，提出双差压法和参比法的改进方案，克服了液体密度变化和电源电压波动对液位测量结果的影响，提高了液位测量的精度。

关键词：双差压法，参比法，液位测量，单片机
1.引言
液体的液位测量在工业生产中非常普遍，应用领域也比较广，例如:自来水水位的测量和控制；油田、炼油厂的油罐和储油槽的油位的测量等。

液位测量的方法很多，其中差压法应用比较广泛。

然而在某些生产过程中被测介质的密度随着工况或环境的变化而改变。

这种情况下，采用普通差压法测量液位，精度无法保证。

此外，测量电路的电源电压波动也将对液位测量结果产生影响。

针对上述问题，本文提出双差压法和参比法的改进方案，以克服液体密度变化和电源电压波动对液位测量结果的影响，提高液位测量的精度。

2. 双差压法液位测量原理
差压法测量液位的原理是基于如下公式:
gH p ρ=∆ （1） 其中△P ――差压值
H ――液位高度
ρ――液体密度
g ――重力加速度
由上式可见，只有在液体密度ρ恒定不变的条件下，差压△P 才与液位高度H 呈线性正比关系，才可以通过测量差压△P 间接地获取液位H 值。

但是液体密度ρ是液体组份和温度的多元函数。

当液体组份和温度变化导致密度ρ改变时，即使液位高度H 没有变化，也将使差压信号△P 改变，此时若还按原先的液体密度ρ从差压信号△P 计算出液位H ，显然将导致测量误差，严重时会造成操作人员的错误判断。

为此，本文提出采用两个差压传感器，如图1所示。

其中差压传感器1用于测量未知液位高度H 产生的差压，即密闭容器底部和液面上方的压力差。

（若测量敞口容器内的液位，则差压传感器器1的低压室应与大气相通，即大气P P =2） gH P P P H ρ=−=∆21 （2） 差压传感器2用于测量已知液位高度h 产生的差压，即容器底部和液面下方取压点的压力差
gh P P P h ρ=−=∆31
（3） 由上两式可得 h P P H h H ⋅∆∆=
（4）
式中 Ｈ—容器内被测液面高度；
h —液面下方两固定取压点间的垂直距离；
由上式可见，双差压法可消除液位密度ρ变化对液位测量的影响。

但是双差压法需要实现两个差压的除法运算和与已知液位高度h 的乘法运算。

图1 双差压法测量液位的原理
3.压阻式差压传感器工作原理
本设计采用硅压阻式差压传感器，它由外壳、硅膜片和引线组成，其结构原理如图2所示。

图2 硅压阻式差压传感器
在硅膜片上，用半导体工艺中的扩散掺杂法做四个相等的电阻，经蒸镀铝电极及连线，接成惠斯登电桥，再用压焊法与外引线相连。

膜片的一侧是和被测系统相连接的高压腔，另一侧是低压腔。

当膜片两边存在压力差而发生形变时，膜片各点产生应力，从而使扩散电阻的阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，其输出电压U O 与硅膜片两侧所受的压力差值ΔP 的关系式为[]1
D S O U P S U U +∆××= （5）
式中U S —硅膜片上电阻电桥的供电电源电压
S--硅压阻式差压传感器的灵敏度
U D —电桥输出的零点电压，即0=∆P 时的输出电压。

4、放大偏移电路的功能
本设计采用测量放大器构成放大偏移电路[]2，如图3所示。

该测量放大器的输入端与硅压阻式差压传感器电桥的输出相连，放大倍数为
G
F R R K 21+
= （6） 输出电压为 REF D S OUT U U P S U K U ++∆××=)( （7）
图3 放大偏移电路
调整U REF 使0=+REF D U KU ，即消除差压传感器电桥的零点电压，上式变为
P S KU U S OUT ∆××= （8）
由上式可见，在供电电压U S 恒定的条件下，测量放大器输出电压仅与差压成线
性正比关系。

如果电桥供电电压U S 的波动，就会使测量放大器输出电压波动，
从而影响测量结果。

5、单片机接口电路
本设计的测量系统简化框图如图4所示。

单片机选用89C51. A/D 转换器选用ADC0809（详细的接口电路见文献3）。

两个压阻式差压传感器电桥的输出分别由两个参数相同的测量放大器IA 进行放大和偏移，形成两个与差压成正比的直流电压。

将ADC0809内部的8选1的开关接成2选1方式，让ADC0809内部的A/D 转换器依次对两路直流电压进行模数转换。

为了消除电桥供电电压U S 波动对
测量结果的影响，本设计采取将传感器电桥与A/D 转换器ADC 共用同一电源U S 的办法――参比法，即取ADC 的参考电压（满度输出数字D FS 对应的模拟输入电
压）S U E β=，β为分压系数，因此差压传感器经放大偏移和模数转换得到的输出数码为 P KSD P U SD KU D E U D FS S FS S FS
OUT ∆×=∆×==β
β （9） 由上式可见，输出数码与电桥供电电压U S 无关，这样就消除了电源电压波动产
生的影响。

由于本系统使用的两个差压传感器和两个测量放大器的型号及参数都完全相同，因此两个差压传感器输出电压经放大偏移和模数转换得到的输出数码分别为
H FS H P KSD D ∆×=β，h FS h P KSD D ∆×=β
代入（4）式即得到被测液位的计算公式 h D D H h
H ×= （10） 将两个差压的测量数据H D 与h D 送入单片机89C51,按照上式的算法编制软件进行计算，得到的结果即可在LED 显示器上显示出来。

图4 测量系统简化框图
6．结束语
本设计的液位测量系统不仅消除了液体密度变化带来的测量误差，而且也能 消除电源电压波动对测量结果的影响。

双差压法测量液位的方案只适用于容器中的液体是均匀液体，即容器中液体 密度必须处处相同才行。

本系统使用的两个差压传感器和两个测量放大器的型号及参数应完全相同。

为了消除两个差压传感器和两个测量放大器的参数不完全一致造成的误差，可以用一个差压传感器、一个测量放大器及一个模数转换器组成单路液位测量通道，配置一个多路取压控制器，让两个压力差ΔP H 和ΔP h 由同一个液位测量通道分时
地进行测量,这样测量精度可进一步提高。

参考文献：
1、Motorola. Sensor Device Data Book.2003
2、孙传友，翁惠辉编著.现代检测技术及仪表. 北京：高等教育出版社，2006
3、孙传友，孙晓斌编著.感测技术与系统设计. 北京：科学出版社，2004
发表于《科技咨询导报》2007年第33期。