液位测量仪的研制

２６　传感器技术（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）　２００２年第２１卷第８期　

液位测量仪的研制　

孙慧卿，郭志友　（华南师范大学量电所，广东广州５１０６３１）　

摘要：介绍了压力变送器、温度变送器和测量仪表。温度测量元件和温度变送器电路性能稳定，压力传　感器和变送器电路重复性能好。利用单片机的汇编语言编制一组误差补偿程序，有效地补偿了压力传感　器的温度、非线性误差，提高了测量仪的测量精度，测量准确度≤０．１％±１字。　关键词：压力和温度变送器；单片机；误差补偿　中图分类号：ＴＰ２１６；ＴＰ２１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—９７８７（２０ｏ２）０８—００２６—０３　

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｅｖｅｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　

ＳＵＮ　Ｈｕｉ—ｑｉｎｇ，ＧＵＯ　Ｚｈｉ—ｙｏｕ　（Ｉｎｓｔ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ＆ＥＩｃｔ．Ｓｏｕｔｈ　Ｃｈｉｎａ　Ｎｏｒｍａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５１０６３１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｍ￣ｓｕｒｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　ａｎｄ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ａｒｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａ—　ｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｃｅｌｌ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｒｅ　ｓｔａｂｌｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｐｅａｔ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｎｄ　ｃｈａｎｇｅｒ　ａｒｅ　ｖｅｒｙ　ｇｏｏｄ．Ｕｓｉｎｇ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ　ｗｒｉｔｅｓ　ｅｒｒｏｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｐｒｏｇｒａｍｓ．Ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ　ｅｒｒｏｒ，ｔｅｍｐｅｒ—　ａｔｕｒｅ　ｄｒｉｆｔ　ｅｒｒｏｒ　ａｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｉｓ　ｒａｉｓｅｄ，ａｃｃｕｒａｃｙ￣０．１％±ｌｄｉｇｉｔａ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ；ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ｅｒｒｏｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　

０　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、练油厂的油罐和储油槽的油位的测量等。目前，　

国外的许多大的公司，例如：ＥＧ＆Ｇ、ＩＣ　Ｓｅｎｓｏｒ、　

Ｈｏｎｅｙｗｅ１１、Ｓｅｍｅｎｓ等，已经具备了完善的生产高精　

度压力传感器和测量仪表的先进技术。在国内，也　

有很多企业和公司生产液位测量仪，但都或多或少　

存在某些缺陷，例如：普遍准确度不够、生产成本偏　

高等问题。　

阐述了采用两只传感器提高测量准确度的方　

法，其中，一只压力传感器测量压力信号，一只温度　

传感器测量压力传感器的环境温度，再通过软件对　

压力信号的非线性、温度漂移、零点漂移进行补偿。　

对压力传感器的误差进行修正的关键是：增加测量　

温度传感器，准确地测量温度、压力信号的原始数　

据，利用单片机的汇编语言编制类似曲面拟合的补　

偿程序，设计稳定的单片机、模拟电路。　

收稿日期：２００２—０３—１５　１变送器原理及结构　

１．１测量原理　电阻式压力传感器的测量原理如图ｌ所示［　。　

图１压力传感器电路　

Ｆｉｇ　１　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｃｉ￣ｍｔ　在设计扩散硅结构时，使得两个桥臂的电阻变　

化相反，当压敏电阻器受力时，电桥的输出电压　

ＡＶ，与压力的大小成正比，也就实现了对压力的测　

量。在电桥电路中，若采用电压　ｌ供电，则有输出　

电压　，与压力和电源电流相关；若采用恒定电流　

Ｊ　对电桥供电，则输出电压　２仅仅与压力相关，因　

此，采用恒流供电是最佳选择。　

通常情况下，压敏电阻式压力传感器测量的压　

力是液体，也就是测量液体的压力，液位高低不同　维普资讯 http://www.cqvip.com 第８期　孙慧卿等：液位测量仪的研制　２７　

时，压力也随着增加和减少，因此，利用压力传感器　

可以直接测量液位高度。　

１．２　压力变送器　压力变送器在液位测量应用中普遍采用４～　

２０　ｍＡ传输，适合信号的远距离传送，压力变送器的　

电路如图２所示。　

图２　压力变送器电路框图　Ｆｉｇ　２　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　在图中，电路ＩＣ　是４～２０ｍＡ传感器变送电路　

）６９３，在４　ｍＡ电流输出时，温度系数是　

±１．５　／ｃ，增益的温度系数是±５０×１０Ｉ６／ｃ，非　

线性误差±０．０５％。Ｄ】是电压保护二极管，Ｃ１是滤　

波电容器。力敏电阻器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、　是压力传感器　

的四个桥臂电阻条。为了减小力敏电阻器的温度、非　

线性误差，采用恒流供电的方式［　，ＩＣ　内部提供了　

一只运算放大器Ｂ和开路输出三极管Ｑ　、低温度系　

数的稳压电源。三极管Ｑ　的集电极输出端，　与稳　

压电源输出端６．２Ｖ连接，放大器Ｂ负输入端Ｓ一与　

三极管Ｑ　发射极相连接。放大器Ｂ、三极管Ｑ１、电阻　

Ｒ５和　组成一个恒流电源，提供电流，】，选择　

Ｒ５＝５６０ｋＱ，Ｒ６＝１００ｋＱ，压力传感器的供电电流　

是　

×６．２＝　×６．２＿０．９３９ｍＡ．（１）　

调整电路，使得压力传感器所受的压力为零时，　

，１＝４　ｍＡ。　

压力传感器的输出电压　１、　２分别输入到ＩＣ１　

的放大器输入端Ｓ一和Ｓ＋端，压力传感器的变化　

电压ＡＶ３　经过放大器Ｃ、Ｄ后，再经过放大器Ｅ、Ａ、　

三极管Ｑ２转换成电流信号，最后压力变化通过电流　

形式输出。器件ＩＣ】和电阻器　、　的工作电流为　

４　ｍＡ，由于传感器变化产生的电流是　

ＡＩ１＝２０—４＝１６　ｍＡ．　

１．３　温度变送器　

温度变送器电路如图３所示。　图３温度亚送器电路图　Ｆｉｇ　３　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　ＩＣ２是４～２０　ｍＡ电流变送器电路器件　

ＸＴＲ１０３，电路适合铂电阻Ｐｔｌ００，可以对铂电阻的　

测量温度非线性化误差进行补偿，特别适用于远距　

离传送。器件具有比较好的技术性能：①４　ｍＡ电流　

输出时，温度系数是±０．５　／ｃ；②增益的温度系　

数是±５０×１０Ｉ６／ｃ；③测量误差±１％。选择温度　

测量元件Ｐｔｌ００型铂电阻，测量温度范围一１００～　

１０４℃。Ｒ８：６０　Ｑ，可调电阻器Ｒ７＝２００　Ｑ，Ｒ９＝　ｌ　１０５　Ｑ。三极管　的作用是将电阻器Ｒ　和　所产　

生的电压差转换成电流。当温度变化时电阻器Ｒ　的　

阻值变化，有电压产生：　

Ｖｉ＝Ｖｉ十一Ｖｉ一＝Ｉ８Ｒ　一Ｉ７Ｒ７＝Ｉ８（Ｒ　一Ｒ７），（２）　

其中器件内部有恒流，７＝，８＝０．８ｍＡ。　调整变送器电路增益控制电阻器Ｒ７，使得ｔ＝　

２５℃时，输出电流，６＝１２ｍＡ，通过调整电阻器Ｒ７、

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、　可以改变测量温度范围、输出电流。当测量温　

度范围是０～１００℃时，电流Ｊ６＝２０—４＝１６ｍＡ，　

ａ＝１６／１００＝０．１６ｍＡ／Ｕ，即温度每变化１℃，电流　

变化０．１６ｍＡ。　

２液位测量仪　

液位测量仪原理框图如图４所示。　

图４　液位测量仪原理框图　Ｆｉｇ　４　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　ｏｎ　ｌｉｑｕｉｄ　ｌｅｖｅｌ　测量仪提供给压力变送器的电压是１２　Ｖ，变送　

器输出４～２０ｍＡ电流信号经过取样电阻器Ｒ…阻　

值Ｒｌ１＝１００　Ｑ。当Ｊ】＝４　ｍＡ时，电路中Ａ点的电　

压、／，Ａ＝４×１００：４００ｍＶ，当Ｊｌ＝２０ｍＡ时，　＝　

２０×１００＝２　０００　ｍＶ。电压　经过同向电压跟随　

ＩＣ３输出电压、／，　，连接到模拟开关器件的电压输入　

端。温度变送器输出电流Ｊ６流过电阻器Ｒ１２，产生电　

压、／，ｆ｛经过同向电压跟随器ＩＣ４，输出电压、／，５，输入　

到模拟开关电压输入端。Ｒｌ１、Ｒ１２选择精密线绕电阻　

ＲＸ７０型，具有温度系数小、准确度高特性。单片机首　

先控制模拟开关选通压力信号Ｖ４输入到Ａ／Ｄ转换　

器，存储测量压力数据，之后选通温度信号、／，５输入　到Ａ／Ｄ转换器，存储测量数据，一组测量采样结束。　

单片机对一组测量数据进行处理，调用温度、非　

线性误差补偿程序，对测量数据进行误差修正。测量　仪具有液位高度的声光报警功能，判断测量液位是　

否低于下限或高于上限。之后将准确的数据送ＬＥＤ　显示，通过串行ＲＳ２３２接口送计算机。　

３　误　差　实现测量仪对压力传感器及变送器的准确度补　

偿的关键技术问题：准确地测量压力和温度变送器　的输出信号数据；设计一组单片机的汇编语言编制　温度误差、压力非线性误差补偿程序＿２　Ｊ。编制一组　

程序，通过温度测量数据计算出温度所在的区域，再　计算出当前温度下，压力信号的实际计算出的数值，　最后计算出理论数据，也就是经过误差补偿后的数　

据，该程序利用单片机汇编语言编制。程序烧录到仪　表的程序存储器中，在测量仪表正常时，通过计算和　

处理测量数据，补偿压力信号的非线性误差、温度误　差和零点随温度漂移产生的误差＿３＿３。　压力变送器和温度变送器放置到恒温箱中，设　

置温度数值一１０℃时，等待恒温箱温度平衡，时间　约为３０　ｍｉｎ，主要以测量仪的温度变送器的信号稳　

定为准，若温度电压、／，ｓ，在３ｍｉｎ内稳定在３ｍＶ以　内，说明恒温箱内部温度平衡，测量该温度时的压力　

电压、／，　。同理可以测量一组数据。温度分别为一１０，　０，１０，２５，４５℃时，测量数据如表１所示。　表１在不同温度下测量液位高度数据　Ｔａｂ　１　Ｄａｔａ　ｏｆｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌ　ｏｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｈｅｉｇｈｔ　

从表中可以看出，压力传感器随着温度的变化，　压力灵敏度也在变化，严重影响了仪表的测量准确　

度。测量仪对温度和非线性误差进行补偿，实现了　测量准确度为液位高度读数值的０．１％±１字。　

４结束语　利用测量仪表对压力传感器进行误差补偿的方　法比较简单，也节省大量的成本，具有实际推广意　

义。介绍的压力变送器及仪表具有如下优缺点：　

（１）测量补偿数据时，包括了压力、温度、变送器　电路的整体误差；　（２）￣ｌＪ量仪补偿的是整个测量仪、压力变送器、　

温度变送器的系统误差；　（３）补偿程序简单、实用，补偿准确度高；　测量仪的不足之处是测量压力变送器、温度变　

送器的原始数据时，测量时间长，测量数据若有误差　将直接影响测量仪的补偿准确度。　

参考文献：　［１］袁希光．传感器技术手册［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９９２　４３８—４５１．　［２］朱目成．压阻式加速度传感器的补偿技术的研究［Ｊ］．仪表技　术，２０００，（４）：４２—４５．　［３］张维新，朱秀文，毛赣如．半导体传感器［Ｍ］．天津：天津大学出　版社，１９９２　１７４，１７７．　作者简介：　孙慧卿（１９６３一），女，辽宁沈阳人，华南师范大学量电所工程师，　从事半导体传感器应用、光敏器件的研究和产品开发工作。

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