摘 要:本文详细介绍了一种新型的平板式数字智能料位计的系统设计。介绍了主要的测量原理、工艺结构设计、硬件电路设计、软件流程、抗干扰设计。目前该仪表已经投入实际使用,取得预期效果。

 

　　1 引言

 

　　物位测量仪表大多以差压、重锤、超声波、雷达、射线等原理及形式研制。随着科学技术的快速发展,自动化程度的提高,对物位的测量精度、可靠性和连续性要求越来越精确,利用　　射频导纳技术研制的物位产品越来越多,现已成为市场主流物位监测产品。射频导纳物位控制技术是通过高频无线电波测量被测介质导纳来实现物位测量。[1] [2]射频导纳技术与电容式技术最重要的区别在于测量的多样化和三电极技术。三电极技术包括电子单元和传感器,在测量电极和地极之间加入屏蔽电极,将测量电极保护起来,不受挂料影响,使测量结果更加准确。平板式数字智能料位计是在射频导纳物位计基础上设计的,主要是针对测量小直径容器的物位检测。测量的物料通常为粉煤灰、煤粉等细小的固体颗粒。

 

　　2 测量原理介绍

 

　　

 

　　射频导纳物位仪表是一种从电容式物位测量技术发展起来的,防挂料、更可靠、更准确、适用性更广的物位控制技术,射频导纳中的导纳的含义为电学中阻抗的倒数,它由电阻性成分、电容性成分、电感性成分综合而成。而射频即发射高频无线电波,所以射频导纳物位控制技术是通过用高频无线电波测量被测介质导纳来实现物位测量。由测量原理图可以看出中心测量杆长度直接影响测量灵敏度,中间测量杆越长,杆相对于容器壁的电容就越大,物料变化时测出的导纳变化也相应的变大。

 

　　

 

　　针对小直径容器的物位检测,传统射频导纳有以下不足:一是由于受到容器壁间距离所限,射频导纳料位计的中间探测杆不可能太长,所以灵敏度极差;二是小直径容器的物流速度都比较快,冲击力很强,传感器的长杆很容易被物料冲弯。

 

　　为改进上述问题,将探测杆头改为平板圆盘方式。圆盘加大了物位计和容器壁之间的电容,从而改善测量灵敏度。平板探测极面积加大,但是探测杆缩短,而且平板增加的面积主要不在物流的方向上,所以物流对探测杆的冲击力并没有增加多少,保证了探测杆的使用强度。

 

　　3 仪表工艺结构设计

 

　　

 

　　仪表由探测器、微处理器和输出电路等部分组成。如图4所示,仪表的主机安装于铸铝材料的外壳中,探测器与主机通过固定螺纹拧在一起。这种结构保证主机防护等级,还能屏蔽外界的电磁干扰。铸铝、不锈钢和PFA 材质的选取都是基于使用温度、防锈、防腐蚀、耐冲击等综合因素加以考虑的。探测器的平板圆盘头大小直接影响探测灵敏度。由现场实际安装示意图 5 来看,平板越大,则灵敏度越高。但在实际应用里,平板的尺寸也不能无限变大。设计时主要考虑了以下几个因素,1、安装时的便利性,由安装图所示,平板圆盘最大不能超过安装孔的大小;2、物料流动性,如果平板太大,则在平板和容器壁之间物料的流动性会受到影响,尤其物料湿度较大时很容易挂壁。3、安装的坚固性,平板越大,物流对其冲击力也加大。虽然平板增加面积主要不是物流方向上的,不过太大的话还是会增加物流阻力。4、平板加大,精度却不一定提高。探测级与物料埋入深度不是一个纯线性关系,物位点还是以平板中心为准。所以平板的大小应该在达到灵敏度的前提下尽可能的小。现在的尺寸是经过多个电厂、钢厂的试验结果设计的。特别要说明的是,如果物料流量太大或者物料的颗粒较大时,平板上方还需要再焊上一个阻流板,以保护探测器不受冲击,并能屏蔽物料流动对测量的干扰。

 

　　

 

　　

 

 

 

4 仪表硬件电路设计

 

　　仪表电路单元以单片机C8051F410 芯片为核心并少量外围电路构成,见图所示。由于仪表的使用环境都比较恶劣,电路元件选取着重考虑了使用温度要达到工业现场级的要求。另外为满足批量生产要求,尽量选取满足SMT 生产工艺要求的元件。

 

　　

 

　　仪表采用了性能强大的具有片内上电复位、VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F410 器件。是真正能独立工作的片上系统。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力,可用于非易失性数据存储,并允许现场更新 8051 固件。用户软件对所有外设具有完全的控制,可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。

 

　　片内Silicon Labs 二线(C2)开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU 进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器,支　　持断点、单步、运行和停机命令。在使用C2进行调试时,所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个C2 接口引脚可以与用户功能共享,使在系统调试功能不占用封装引脚。下面就主要功能单元电路分别介绍:

 

　　4.1 传感器

 

　　采用以集成运算放大器TLV2624 为核心元件振荡器电路。传感器的选用是设计的关键核心,其性能的好坏直接影响到仪表的技术参数。这里对测量影响最大的因素就是温度。为此,选择了温度系数较小工作带宽范围大的集成运算放大器TLV2624,其工作温度范围是-40℃～125℃,电压温度漂移3uV/℃。

 

　　电阻和电容的选取也很关键。元器件均打算采用满足SMT工艺要求的高性能、低温漂、高品质阻容元器件,最大限度降低元器件的杂散特性,保证装置工作的稳定性。

 

　　4.2 微处理器

 

　　C8051F410 器件是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU,是本仪表的核心。C8051F41x 器件最多有24 个I/O 引脚,端口引脚被组织为三个8位端口。端口的工作情况与标准8051相似,但有一些改进。每个端口引脚都可以被配置为数字或模拟I/O 引脚。被选择作为数字I/O的引脚还可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准8051中固定的“弱上拉”可以被单独或总体禁止,以降低功耗。

 

　　数字交叉开关允许将内部数字系统资源映射到端口I/O 引脚。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/ 定时器、串行总线、硬件中断以及其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择所需通用端口I/O、数字资源和模拟资源的组合[4]。

 

　　C8051F410 主要实现仪表的以下功能:

 

　　1、通过内部可编程计数器获取探测器信号,并将其进行数据处理; 2、为系统测量提供精确的定时器和计数器;3、控制显示芯片zlg7289的工作;4、在面板上提供按键功能,以便进行数据修改和存储;5、输出继电器和指示灯控制信号;6、数据掉电保护;7、提供实时时钟;8、温度传感器;9、硬件看门狗(内置)

 

　　4.3 数据显示及驱动

 

　　本部分采用ZLG7289,做为显示核心,实现LED 译码、驱动电路功能,其接口采用流行的同步串行外设接口,可与任何一种单片机相联,并可同时驱动8 位LED;芯片显示功能强大,主要完成数据显示和显示板指示灯的报警。此芯片具有高度的稳定性,能够保障装置在环境条件恶劣的情况下稳定工作。

 

　　5 软件流程

 

　　软件以C 语言作为编程语言,采用模块化程序设计。主要是完成仪表控制、数据的采集、分析、运算。对仪表中各个器件的初始化、数据显示、按键的处理以及数据存储等等。仪表在功能上实现了自诊断,自修复等一些实用性操作,在自诊断程序中涵盖了 RAM、开机、总线、输入通道、键控自检以及周期性自检等多方面的检测,保证了仪表的可靠性使用。在数据处理方面,采用算术平均值滤波法,以保证测量的准确性。

 

　　软件解决现场差异和仪表的免调试问题。根据环境自适应控制的数学模型,通过对不同测量现场的环境影响进行分析,使得装置能够在初始安装时自动对环境因素进行判断分析,从而有效消除环境变化引起的测量误差,尤其是长时间测量中积累的误差,动态调整工作参数,以增强装置的现场通用性,从而大大减小了日后调试人员现场调试的难度。

 

　　

 

　　6 仪表电磁兼容与抗干扰设计

 

　　6.1 仪表电磁兼容设计

 

　　仪表有时会在带有强静电的场所中使用,如果不采取保护措施就会造成仪表损坏。即使是一般的尖脉冲噪声的突入,也会引起电子设备及电脑的误动作,甚至造成设备本身的损坏。因此,抑制消除这种干扰是必要的。为此采用了 TVS 瞬态电压抑制器,TVS 管能承受的瞬间脉冲功率可达上千瓦,其嵌位响应时间仅为1ps(10-12s)。TVS管允许的正向浪涌电流在常温25℃,10ms条件下,可达50-200A。TVS 管消除雷电干扰及防止静电的产生,从而改善保护了电子线路的特性,极大的提高电子设备的可靠性和使用寿命,用以确保产品的高质量。但由于TVS管的温度效应会对测量结果产生微量误差,用温度补偿算法在程序运算时对其进行了相应的补偿。

 

　　因瞬态电压抑制器的应用是在仪表前级信号采集部分,不能采用通用的TVS 管。原因是仪表灵敏度与介质变化息息相关,如果TVS 管本身电容较大则将会淹没测量信号的变化,这个现象是在课题实验中发现的。本课题中通过选用不同TVS 管后得出结论,只有当TVS 管的电容值低于10pF 的才适合使用。

 

　　6.2 仪表抗干扰设计

 

　　1、仪表内部重要部件全部采用贴片封装形式,这在很大程度上减小了周围环境的干扰因素,降低了元件本身的杂散特性。

 

　　2、在前级信号传输方面采用同轴电缆连接,增加了对外界的抗干扰强度。

 

　　3、所有数字集成电路芯片的电源端对地就近并联小电容,抑制电源中的杂波干扰。

 

　　7 结束语

 

　　目前课题组小批量生产的该仪表48 台,已经应用在四川泸州电厂投入使用,运行半年多以来,一直工作稳定可靠,得到用户认可。我们还在进一步的研究,使得该仪表的功能更加完善,应用更加广泛。