泡沫液位传感器课程设计摘要：泡沫是一种特殊的两相流形态，其力学、热学、光学等多种性能均与单相气体或液体有很大区别，由于泡沫的形成机理多样、性质变化复杂，至今尚无完善的研究理论体系，泡沫的液位测量在国内外也是一个空白，本文主要设计了一种液位控制器，它以8051作为控制器，通过8051单片机和模数转换器等硬件系统和软件设计方法，实现具有液位检测报警和控制双重功能，并对液位值进行显示，一种基于传热原理的测量泡沫液位的传感器，介绍了传感器的构造和原理，以及测量误差和动态响应的计算分析。

关键词：泡沫；液位检测；传感器；两相流；Abstract：The foam is a special phase com pared w ith liqu id and gas．It ha s m any dif f erent cha r acters in m ech anics，therm oties，photology and soon，For different methods to generate fo amsand its special mechanism，even today there have not created a perfect theory system to deal with foam mediums．Foam level meas urement is also nearly to be all unreachable field by now．A kind of foam level sensor based on thermoties theory has be endeveloped，Introduces its structure 、principle 、analyses error and dynam icresponse of sensor．Key Words ： Foam ；Level Detecting ；Sensor；8051Single chip microcomputer；摘要 (1)前言 (3)1课程概论 (4)1.1课程设计现状 (4)1.2泡沫详解 (5)1.3设计方案 (6)1.4方案设计流程图 (6)2 系统设计 (8)2.1 8051单片机 (9)2.2 液位传感器设计 (10)2.3 DAC0832 D/A 转换器 (12)2.3.1 D/A转换原理 (12)2.3.2 ADC0809转换芯片 (14)2.4显示部分与键盘 (15)2.5系统报警 (16)3课程设计总结 (17)参考文献 (18)随着国内传感器检测技术的发展，各种传感器被广泛的的应用于社会生活的方方面面。

基于传感器技术的信息技术已经成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术。

传感器作为各种信息（各种物理量、化学量、生物量等）感知、采集的功能器件，已经越来越广泛地应用到国民经济的各个领域，特别是在自动检测和自动控制领域，传感器更是必不可少的重要工具。

传感器作为信息采集的首要部件，是实现自动测量和自动控制的主要环节，是现代自动测量和自动控制的主要环节，是现代信息产业的源头和重要组成部分。

因此，如何提高传感器测量技术的精确度，提高传感器功能器件的高稳定性和可靠性，是确保信息准确获取的可靠保证。

本系统是关于泡沫液位控制，在设计中主要有水位检测、按键控制、水位控制、显示部分、故障报警等几部分组成来实现液位控制。

主要用水位传感器检测水位，用六个控制按键来实现按健控制，用三位7段LED显示器来完成显示部分，用变频器来控制循环泵的转速，并且通过模数转换把这些信号送入单片机中。

把这些信号与单片机中内部设定的值相比，以判断单片机是否需要进行相应的操作，即是否需要开启补水泵或排水泵，来实现对液面的控制,从而实现单片机自动控制液面的目的。

本设计用单片机控制，易于实现液位的控制,而且有造价低、程序易于调试、一部分出现故障不会影响其他部分的工作、维修方便、等优点。

1 课程概论液位控制系统是以液位为被控参数的控制系统，它在工业生产的各个领域都有广泛的应用。

泡沫是气一液联合构造的特殊形态，也是一种具有重要研究价值的边界形态。

在自然界和工业生产过程中，普遍存在着大量的泡沫和泡沫性物质。

在有些领域它们对人类的生产和生活起着积极的推动作用，比如泡沫浮选、啤酒制造和消防；然而有时候泡沫的形成却起着相反的作用，比如造纸过程和放射性废水浓缩过程，能否有效地监测和控制泡沫，直接关系着产品质量和生产效率。

目前，生产和科研领域急需用于泡沫测量的仪表。

通过对泡沫的深入调研，开发一种基于传热原理的测量泡沫液位的传感器，介绍其构造和原理，并进行了测量误差和动态特性的计算分析。

在工业生产过程中，有很多地方需要对容器内的介质进行液位控制，使之高精度地保持在给定的数值。

液位控制一般指对某一液位进行控制调节，使其达到所要求的控制精度。

液体的液位的自动控制,是近年来新开发的一项新技术,它是微型计算机软件、硬件、自动控制等几项技术紧密结合的产物,工程作业采用的是微机控制和原有的仪表控制,微机控制有以下明显优势:1)直观而集中的显示各运行参数,能显示液位状态。

2)在运行中可以随时方便的修改各种各样的运行参数的控制值,并修改系统的控制参数,可以方便的改变液位的上限、下限。

3) 具有自动化处理以及监控软件良好的人机界面，操作人员在监控计算机上能根据控制效果及时修运行参数，这样能有效地减少工人的疲劳和失误，提高生产过程的实时性、安全性；1.1 课程设计现状目前我国在泡沫液位传感器装置研究、生产、应用中仍处于发展期，经调查，更多科研究所在这方面开展的工作更看重的是理论和算法,数年来这方面的研究的论文较多,着重生产实际的很少。

一些发达国家在泡沫液位传感器系统研究、制造和应用上,已积累了很多经验,奠定了基础,进入了国际市场。

我国在新型测控装置与系统研究、制造、应用和经验上,与其他发达国家相比还存在差距,但是我国的研究人员已经克服很多困难,并在不断的摸索中前进,有望在相关领域赶上甚至超过发达国家的技术水平,这是发展趋势。

1.2 泡沫详解随着现代科学技术的发展，对于泡沫的研究越来越受到各行业的重视，然而“泡沫”至今仍无统一的定义，人们也经常将它与其他状态的物质相混淆。

英语中“泡沫”称为“foam”，常用的“bubble"是指“气泡”，而不是“泡沫”。

图：泡沫与气泡、气泡分散体示意图(1)气泡：浮于气体中的单个液膜包裹气体物，如娱乐中吹的肥皂泡；(2)泡沫：气多液少的“气／液”粗分散体，如污水处理产生的泡沫：(3)气泡分散体：液多气少的“气／液”粗分散体，如液体中的气泡；泡沫形成的基本要素为：气液接触，含助泡剂，并且发泡速度高于破泡速度。

液体表面形成的泡沫如果不能够保持稳定，不会对外界产生明显的影响，影响泡沫稳定的主要因素是Marangoni效应，又叫作“自我痊愈效应”、表面粘度、液膜表面电荷以及熵性双层互斥作用。

1.2.1泡沫的研究手段目前泡沫的研究主要在两个方面：一是对于泡沫稳定性的研究，其重点在于增加泡沫流体的稳定性和消泡；二是对液体中气泡的动力学性质研究，主要研究方向有：在界面上气泡的生成理论、生长速率、动力学、脱离理论和数值模拟以及气泡传热传质的研究。

泡沫的研究手段主要有：(1)声学技术：主要包括声学共振、脉冲探测，声纳复合频率反射方法，声学方法在海洋泡沫研究中使用较多；(2)气泡陷阱：用激光束在液体内生成势阱，在力的不平衡作用下，气泡停留在势阱里；(3)照相方法：以调整摄影记录气泡的轨迹；(4)电导方法：用探针测量电导率的变化，记录气泡。

1.2.2 泡沫的测量方法(1)射线法：基于核辐射通过物质时被减弱的原理测量泡沫。

(2)辐照陷肼法：将特殊的固体弹性高聚物放置在液体中，过热的小液滴附着分布在上面，处于准稳态，容易被激发。

当中子打击探测器表面液滴的原子时，产生的重离子反弹，形成热点，液体蒸发汽化，形成特殊的势能陷阱，周围的气泡被吸引在势肼中。

用光纤观察表面气泡数量，可以确定气泡的特征。

(3)电导法：以电导探针测量电导率的变化，反映探针端部处于气泡的中央还是液体中。

(4)导电法：把电极一极装在液体中，另一极在液体上方，当泡沫出现时，使电极导电，反映泡沫高度。

1.3 设计方案在该系统的设计流程图介绍，其中包括了对水位的检测，对补水泵的控制开和关，以及补水泵是否正常工作的报警。

通过对水体液位进行的简易方便的操纵，可以准确得控制泵进行添加消泡剂或放水以适应工作的需要，并可防止故障的发生；本程序段主要实现启动ADC0809转换器，并从A/D转换器采集信号的功能。

1.4方案设计流程图本流程图设计简易合理，方便易于操控，能够针对水位的不同状态和不同外界条件进行控制,水位运行稳定、控制品质良好、控制效果明显改善;同时大大提高了控制系统的抗干扰能力,保证了工业水体液位方面作业的稳定运行。

下图即为设计流程图图：设计流程图系统的原理是采用高亮二极管和光敏三级管所组成的液位传感器对液面进行控制,通过四对传感器分别安装在现场的四个不同的位置，由上至下测量水体的液位值。

并把这四个液位状态通过模数转换器ADC0809传到单片机中,在通过3位七段LED显示器显示出液位的四种状态及报警安全提示。

用LED显示是因为它具有显示清晰、亮度高、使用电压低、光电转换效能高、寿命长等特点，根据当前的液位值和用户设定的水位决定是否进行开、关水泵,需要是否开启和关闭驱动阀门的电动机。

液位检测是通过四对由高亮二极管和光敏三极管所组成的液位传感器分别安装在四个不同的位置，由上至下四个输出端口分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3口，实时对水位进行检测。

当泡沫高度上升至淹埋控制器部份探极（> 20cm ）时，控制器首先发出一个报警开关信号，当报警状态维持若干秒钟（此称响应时间，可选），确认泡沫的持续存在后，控制器再发出一个控制开关信号，指挥打开电磁阀，投放消泡剂；为节省消泡剂，投放若干秒后（此称投放时间，可选），控制器指挥关闭电磁阀，停止投放；待消泡剂与泡沫充分混合，如泡沫仍未下降，则再投放，然后再停止......反复进行，直至泡沫高度下降到离开探极报警点为止。

所以消泡剂的投放是间歇进行的，即投放一段时间，然后停一段“响应时间”，泡沫高度不降时再投。

用户可通过选用不同的“响应时间”和“投放时间”达到最佳消泡效果。

本系统所使用的传感器性能稳定,测量准确,大大简化现场安装,具有较高的性价比,有较大的工程应用价值,而且利用计算机与组态软件技术对工业生产过程进行自动控制有着重要的意义。

其优越性主要在于：首先，通过对水体液位进行的简易方便的操纵，可以准确得控制水泵进行添加水或放水以适应工作的需要，操作简单，经济效益好。