[發明專利]礦用超聲波水位傳感器

無效

• 申請號: 201010162101.0
• 申請日: 2010-04-30
• 公開（公告）號: CN101839747A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發明（設計）人: 王濤;邵鵬;王建偉
• 申請（專利權）人: 常州聯力自動化科技有限公司
• 主分類號: G01F23/296
• 分類號: G01F23/296;E21F17/18
• 代理公司: 常州市維益專利事務所 32211
• 代理人: 何學成

技術領域

本發明涉及一種水位傳感器，特別是用于連續測量煤礦井下水倉水位的礦用水位傳感器。

背景技術

礦用水位傳感器主要用于連續測量煤礦井下水倉水位，為礦井排水泵工作和礦井水涌出量統計計算提供數據。目前用于水位檢測的傳感器有浮子式、投入式、電極式等。此類傳感器都是接觸式固定測量儀表，其主要缺點是測量精度低，可靠性差，會出現浮子卡死不動或水垢和雜質堵塞傳感器導致較大誤差；由于需要將傳感器投入水中，導致安裝和調試不便，使用中維護工作量大；長期受到水的侵蝕，傳感頭使用壽命較短；測量范圍受限于傳感頭和傳感器機盒間信號線長度，安裝靈活性差。

發明內容

本發明的目的在于針對背景技術中所述的現有的礦用水位傳感器存在的測量精度低、可靠性差、安裝調試不便、不易維護、壽命短以及測量范圍具有局限性的問題，提供一種礦用超聲波水位傳感器。

實現本發明的技術方案如下：

一種礦用超聲波水位傳感器，其包括水位檢測裝置以及信號輸出系統，所述的水位檢測裝置為超聲波換能器，超聲波換能器中設置有主控制器、驅動信號發生模塊、壓電陶瓷晶片以及信號處理模塊，主控制器與驅動信號發生模塊的輸入端連接，驅動信號發生模塊的輸出端與壓電陶瓷晶片的輸入端連接，壓電陶瓷晶片的接收信號輸出端與信號處理模塊連接，信號處理模塊的輸出端連接主控制器，主控制器通過通信線路與信號輸出系統連接。

所述的驅動信號發生模塊包括脈寬調制器以及與脈寬調制器的輸出端連接的升壓電路，脈寬調制器的輸入端與主控制器連接，升壓電路的輸出端與壓電陶瓷晶片連接。

為了給壓電陶瓷晶片提供所需的工作電壓，所述的升壓電路為推挽升壓電路。

所述的信號處理模塊包括降壓濾波器、前置放大電路、增益可調放大電路以及比較電路，降壓濾波電路的輸入端連接壓電陶瓷晶片的信號輸出端，降壓濾波電路的輸出端連接前置放大電路，前置放大電路的輸出端連接增益可調放大電路，增益可調放大電路的輸出端連接比較電路，比較電路的輸出端連接主控制器。

為了使水位測量結果更加精確，所述的超聲波換能器中設置有溫度補償電路，溫度補償電路的輸出端連接主控制器。

所述的信號輸出系統包括主控器件和通訊端口，所述的主控器件為單片機，主控器件與所述的超聲波換能器的主控制器通過RS232通信線路連接，通訊端口設置于主控器件的輸出端。

所述的通訊端口為RS485通訊端口和頻率輸出端口。

為了便于調整超聲波換能器的位置，方便對其進行校準，所述的主控器件與用來設置超聲波換能器安裝高度的紅外信號接收電路連接。

本發明的有益效果在于因為本發明的水位檢測裝置為超聲波換能器，不需要投入到井下的水中，所以其安裝調試非常方便，而且量程更大，測量范圍為0.5～10m；因為該發明是通過計算發出超聲波到接收到反射超聲波的時間差來計算超聲波換能器的壓電陶瓷晶片與液位之間的距離，進而計算出待測的水位數據，接收到的反射超聲波通過壓電陶瓷晶片將機械振動轉變為為電信號，該信號經過降壓濾波器濾除噪音和諧波，保留有用的信號，通過前置放大電路以及增益可調放大電路對信號進行放大，然后在比較電路中將信號與對比信號進行比較，刪除較弱的信號，保留有用信號，并將該信號傳輸到主控制器進行計算處理，因為超聲波傳播速度受環境溫度的影響較大，因此在超聲波換能器中設置有溫度補償電路，溫度補償電路的輸出端與主控制器連接，計算處理中通過溫度補償電路提供溫度補償數據，進行溫度補償，使測量精度得到提高，因為不需要將水位檢測裝置投入到井下的水中，所以檢測器件不會受到井下環境的腐蝕，使用壽命更長，可靠性更好。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明的超聲波換能器原理圖；

圖3為本發明的顯示及通訊電路框圖；

圖中，1為超聲波換能器，2為信號輸出系統，3為主控制器，4為壓電陶瓷晶片，5為主控器件，6為通訊端口，7為脈寬調制器，8為推挽升壓電路，9為降壓濾波電路，10為前置放大電路，11為增益可調放大電路，12為比較電路，13為驅動信號線，14為溫度補償電路，15為上位機，16為紅外信號接收電路。

具體實施方式

參照圖1至圖3所示的一種礦用超聲波水位傳感器，其包括超聲波換能器1以及信號輸出系統2，所述的超聲波換能器1為收發一體的超聲波換能器1，超聲波換能器1中設置有主控制器3、驅動信號發生模塊、壓電陶瓷晶片4和信號處理模塊，信號輸出系統2包括主控器件5和通訊端口6。所述的超聲波換能器1的主控制器3以及信號輸出系統2中的主控器件5均為單片機。超聲波換能器1的主控制器3發出的信號通過脈寬調制器7轉變為脈寬調制信號，經過推挽升壓電路8升壓，使加在壓電陶瓷晶片4上的電壓達到其工作電壓，通過壓電陶瓷晶片4將電信號轉變為機械震動的超聲波，超聲波傳輸到井下水面發生反射，反射波傳輸到壓電陶瓷晶片4被壓電陶瓷晶片4吸收，轉換為電信號，通過降壓濾波電路9濾掉噪音以及諧波，保留有用信號，因為電信號非常微弱，所以需要對其進行放大，首先傳輸到前置放大電路10進行初步放大，然后傳輸到增益可調放大電路11進行放大，增益可調放大電路11的放大倍數通過主控制器3進行控制，這樣可以將電信號在不失真的前提下進行合理的放大，放大后的信號傳輸到比較電路12，與對比信號進行比較，比較當前信號與對比信號的幅度，刪除幅度小于對比信號的當前信號，篩選出幅度大于對比信號的信號傳輸到主控制器3，通過主控制器3的運算，得出水位的數據，通過RS232通信線路傳輸到信號輸出系統2的主控器件5，在具體實施中，通信線路為驅動信號線13。因為超聲波的傳輸速度受環境溫度影響較大，在超聲波換能器1中設置有溫度補償電路14，溫度補償電路14的輸出端與主控制器3連接，計算處理中通過溫度補償電路14提供溫度補償數據，進行溫度補償，使測量精度得到提高，超聲波換能器1的主控制器3傳輸到信號輸出系統2的主控器件5的信號，經過其處理通過RS485通訊端口6或是頻率輸出端口輸出到上位機15以及LED本地顯示數碼管，便于用戶及時了解水位狀況。為了方便對超聲波換能器1的位置進行調整，以及對水位探測器進行校準，主控器件5與紅外信號接收電路16連接，用戶可以通過遙控器設置超聲波換能器1的安裝高度，使測量結果更加精確。