1 引言

 

　　射频导纳物位仪表是从电容式物位测量技术发展起来的,该类仪表具有防挂料、可靠性高、测量准确、应用广泛等特点。射频即高频无线电波,是通过用高频无线电波测量被测介质导纳的变化来实现物位测量。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、电感性成分组合形成[1]。随着科技的不断发展,自动化水平的不断提高,工业过程控制中对物位监测及自动控制的要求越来越高,国内物位控制仪表研究人员对可实现闭环控制的连续物位控制仪表进行了大量的研究。目前国内应用的连续物位监测仪表主要有射线式,电容式,雷达式,超声波等几类,因其使用功能、环境、应用领域的不同存在各式各样的局限性。

 

　　2 测量原理

 

　　物位的确定是由传感器和步进电机两部分综合决定。通过长短双射频导纳传感器探头之间的逻辑关系确认物位的界面;步进电机通过变速器、线轮带动探头运动,步进电机与线轮的转数比是一个常数,线轮的周长也是一个常数,因此探头移动的距离(也就是物位)只与步进电机运动的步数相对应。按照表1的数字逻辑关系来控制探头运动,通过计算确定步进电机运动的步距数,即可达到随动测量物位的目的。传感器状态与探头运行的关系表(表1)

 

　　

 

　　在设计中采用蜗轮蜗杆减速器是为了增加传动比;保证传动系统停止运行或停电的情况下实现自锁,保持传感器的位置。仪表的测量原理如图1所示。

 

　　

 

 

 

3 控制单元与驱动单元简介

 

　　检测仪按单元可分为控制单元和驱动单元二部分。主机和探头之间通过1根4芯的电缆连接。两个射频传感器探头产生的频率信号经由CPU定时采样后,通过RS485串行数据接口输送到主控板,主控板将处理后的结果进行逻辑判断后,控制步进电机的转动状态与方向,同时根据预设的步进电机转动的角度来计算传感器移动的距离, LED输出显示计算结果,同时输出4-20mA模拟量信号。

 

　　3.1 控制单元:

 

　　控制单元由传感器与主控板两部分组成。如下图2所示。

 

　　

 

　　3.1.1 传感器

 

　　传感器单元由两个射频传感器、微处理器和RS485接口芯片组成。为了达到仪表能够在现场中实际使用,把传感器的两根探测极设计成5层3芯的结构,长度相差50mm,相对独立。在确　　定传感器结构后,频率变化量的值将由被测物介电常数的大小来决定,频率的变化量决定传感器的上升和下降。

 

　　在设计中采用两组不同频率作为两个传感器基频的方案。采用两组不同的基频,是因为在试验过程中发生过当两个传感器的基频相差不大时,在进行测量时两个传感器有可能产生共振现象,变成一个频率相同,同时变化且又相互作用的传感器。因此,我们采用了两组不同的RC网络组合,既避免了共振现象又达到准确测量的目的。

 

　　3.1.2 主控板

 

　　主控板是仪表控制核心,由微处理器、RS485接口芯片、数据掉电保存芯片、电机数字逻辑控制电路、输入和输出光电隔离、4-20mA输出、电源转换等功能模块组成。微处理器完成电机控制、探头信号的输入和计算、物位结果的显示和输出、参数的输入等功能。微处理器采用ATMEL89C55单片机芯片。数字逻辑控制电路可根据上下限位行程开关的状态,从硬件上保证步进电机的驱动信号正确的输出。数字逻辑控制电路由3片数字逻辑门电路74LS04、74LS32、74LS08组成。光电隔离模块是提供将主控板与各外部功率元件连接起来,并有效隔离干扰的必备部分。电源转换提供系统DC5V和DC12V电源。

 

　　3.2 驱动单元

 

　　驱动单元由步进电机、驱动器、驱动装置组成。步进电机选用34HS300CZ二相混合式步进电机,最大静转矩4.0Nm,最大空载起动转速252 转/分;驱动器选择MS-2H090M二相电机驱动器,细分数为16档,最小步距角0.009°,最大步距角0.9°,电机工作时步距角为0.09°。减速器为10:1的蜗轮蜗杆铝合金减速器。步进电机、减速器、驱动器的选取与设计将影响影响仪表的负载能力、跟踪速度、测量精度、工艺体积、产品成本等性能指标。

 

　　3.2.1 负载能力(即所需要的扭矩)

 

　　为简化计算,以探头和轮盘的惯性重量合计估算为10公斤(以拉力秤在轮盘上快速拉动测出);线轮的圆周为1米,则力臂长度为0.16 米。

 

　　扭矩=拉力×力臂=1.6Nm

 

　　3.2.2 步进电机的最高运行转速

 

　　以在3分钟之内运动15米测量距离计算,1转为1米。转速=15/3=5转/分钟为了选取合适的电机(电机越大,价格越贵),还要考虑加配减速装置,表2为加配减速器后对电机性能的要求。

 

　　

 

　　3.2.3 测量精度

 

　　步进电机是一种作为控制用的特种电机, 它的旋转是以固定的角度(称为“步距角”)一步一步运行的, 其特点是没有积累误差(精度为100%),所以广泛应用于各种闭环控制。本项目采用步进电机目的在于在一个长距离的测量范围内保持测量精度。粗略概算一下,如果步进电机的步距角0.09°,减速比合计为20:1,绕线轮直径为1米,则有探头每运动一米,步进电机行走步数为360°/0.09°×20/1=80000 。传动误差可忽略,误差为 1m/80000=12.5nm,可以看出检测仪的测量精度是相当高的。

 

　　3.2.4 跟踪速度

 

　　仪表除了要满足测量精度外,跟踪物位的速度也非常关键。由于控制电机的转速是由单片机完成,除此之外单片机还要完成其他控制功能,故而电机程序的系统占用率不宜太高,相应的步进电机步距角就不能太小。表3为单片机控制MS-2h090驱动器在不同的细分条件下所能达到的步进电机的极限频率。

 

　　

 

 

 

4 程序设计

 

　　软件以C语言作为编程语言,采用模块化程序设计[2],主要包括主程序流程图、运行测量流程图、修改参数流程图三部分。实现对电机升降控制、数据的采集、分析、运算处理以及对仪表中器件进行初始化、数据显示、按键处理、数据存储等功能。见程序流程图(图3):

 

　　

 

　　5 电机升降速曲线的设计

 

　　步进电机启动时,必须有升速、降速过程,升降速的设计至关重要。如果设计不合理,将引起步进电机的堵转、失步、升降速过程慢等问题。升速过程由突跳频率加升速曲线组成(降速过程反之),理想的升降速曲线为指数曲线(如图4)。一般根据负载情况选择不同的突跳频率和不同的指数曲线,经多次‘试机’以找到一条最理想的指数曲线。在设计中突跳频率不宜过大.

 

　　仪表在设计时采用如图4所示指数曲线控制电机运行。在设计中考虑到单片机资源以及实际工作需要,在255个加速台阶内完成达到最高速度的启动、加速全过程(台阶是指加速过程中每一个速度等级上需要作短暂的停留,保持这个速度稳定运行几个脉冲后才能进一步加速,实际上这也是局部速度误差的自动纠正。)。阶的宽度为10步(一般为8-16步)。由此可以推算加速(减速)过程最多为2550步。实际运行过程中,每启动电机运行前将根据需要行走总步数换算出最高加速台阶数量,基本上按照三个1/3的办法去换算,即1/3的行走步数用于加速,1/3用于保持高速匀速运行,1/3完成从高速到低速的减速停止。如果运行的距离比较远,则从总步数里减去加速和减速的步数,其余都是高速匀速运行的步数。

 

　　

 

　　在实际运行过程中,由于指数曲线在软件编程中比较繁琐,应事先算好后存贮在ROM内,工作过程直接选取。为保证电机运动得平稳,电机运行的升速、降速、匀速各过程都在单片机的中断程序中实现。

 

　　6 结束语

 

　　射频导纳连续测量仪已通过现场实验测试,从现场使用情况看,仪表的各项性能都达到了设计目的。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。