摘 要:本文詳細(xì)介紹了一種新型的平板式數(shù)字智能料位計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。介紹了主要的測(cè)量原理、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件流程、抗干擾設(shè)計(jì)。目前該儀表已經(jīng)投入實(shí)際使用,取得預(yù)期效果。

 

　　1 引言

 

　　物位測(cè)量?jī)x表大多以差壓、重錘、超聲波、雷達(dá)、射線等原理及形式研制。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,自動(dòng)化程度的提高,對(duì)物位的測(cè)量精度、可靠性和連續(xù)性要求越來(lái)越精確,利用　　射頻導(dǎo)納技術(shù)研制的物位產(chǎn)品越來(lái)越多,現(xiàn)已成為市場(chǎng)主流物位監(jiān)測(cè)產(chǎn)品。射頻導(dǎo)納物位控制技術(shù)是通過(guò)高頻無(wú)線電波測(cè)量被測(cè)介質(zhì)導(dǎo)納來(lái)實(shí)現(xiàn)物位測(cè)量。[1] [2]射頻導(dǎo)納技術(shù)與電容式技術(shù)最重要的區(qū)別在于測(cè)量的多樣化和三電極技術(shù)。三電極技術(shù)包括電子單元和傳感器,在測(cè)量電極和地極之間加入屏蔽電極,將測(cè)量電極保護(hù)起來(lái),不受掛料影響,使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。平板式數(shù)字智能料位計(jì)是在射頻導(dǎo)納物位計(jì)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的,主要是針對(duì)測(cè)量小直徑容器的物位檢測(cè)。測(cè)量的物料通常為粉煤灰、煤粉等細(xì)小的固體顆粒。

 

　　2 測(cè)量原理介紹

 

　　

 

　　射頻導(dǎo)納物位儀表是一種從電容式物位測(cè)量技術(shù)發(fā)展起來(lái)的,防掛料、更可靠、更準(zhǔn)確、適用性更廣的物位控制技術(shù),射頻導(dǎo)納中的導(dǎo)納的含義為電學(xué)中阻抗的倒數(shù),它由電阻性成分、電容性成分、電感性成分綜合而成。而射頻即發(fā)射高頻無(wú)線電波,所以射頻導(dǎo)納物位控制技術(shù)是通過(guò)用高頻無(wú)線電波測(cè)量被測(cè)介質(zhì)導(dǎo)納來(lái)實(shí)現(xiàn)物位測(cè)量。由測(cè)量原理圖可以看出中心測(cè)量桿長(zhǎng)度直接影響測(cè)量靈敏度,中間測(cè)量桿越長(zhǎng),桿相對(duì)于容器壁的電容就越大,物料變化時(shí)測(cè)出的導(dǎo)納變化也相應(yīng)的變大。

 

　　

 

　　針對(duì)小直徑容器的物位檢測(cè),傳統(tǒng)射頻導(dǎo)納有以下不足:一是由于受到容器壁間距離所限,射頻導(dǎo)納料位計(jì)的中間探測(cè)桿不可能太長(zhǎng),所以靈敏度極差;二是小直徑容器的物流速度都比較快,沖擊力很強(qiáng),傳感器的長(zhǎng)桿很容易被物料沖彎。

 

　　為改進(jìn)上述問(wèn)題,將探測(cè)桿頭改為平板圓盤(pán)方式。圓盤(pán)加大了物位計(jì)和容器壁之間的電容,從而改善測(cè)量靈敏度。平板探測(cè)極面積加大,但是探測(cè)桿縮短,而且平板增加的面積主要不在物流的方向上,所以物流對(duì)探測(cè)桿的沖擊力并沒(méi)有增加多少,保證了探測(cè)桿的使用強(qiáng)度。

 

　　3 儀表工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

 

　　

 

　　儀表由探測(cè)器、微處理器和輸出電路等部分組成。如圖4所示,儀表的主機(jī)安裝于鑄鋁材料的外殼中,探測(cè)器與主機(jī)通過(guò)固定螺紋擰在一起。這種結(jié)構(gòu)保證主機(jī)防護(hù)等級(jí),還能屏蔽外界的電磁干擾。鑄鋁、不銹鋼和PFA 材質(zhì)的選取都是基于使用溫度、防銹、防腐蝕、耐沖擊等綜合因素加以考慮的。探測(cè)器的平板圓盤(pán)頭大小直接影響探測(cè)靈敏度。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝示意圖 5 來(lái)看,平板越大,則靈敏度越高。但在實(shí)際應(yīng)用里,平板的尺寸也不能無(wú)限變大。設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮了以下幾個(gè)因素,1、安裝時(shí)的便利性,由安裝圖所示,平板圓盤(pán)最大不能超過(guò)安裝孔的大小;2、物料流動(dòng)性,如果平板太大,則在平板和容器壁之間物料的流動(dòng)性會(huì)受到影響,尤其物料濕度較大時(shí)很容易掛壁。3、安裝的堅(jiān)固性,平板越大,物流對(duì)其沖擊力也加大。雖然平板增加面積主要不是物流方向上的,不過(guò)太大的話還是會(huì)增加物流阻力。4、平板加大,精度卻不一定提高。探測(cè)級(jí)與物料埋入深度不是一個(gè)純線性關(guān)系,物位點(diǎn)還是以平板中心為準(zhǔn)。所以平板的大小應(yīng)該在達(dá)到靈敏度的前提下盡可能的小?，F(xiàn)在的尺寸是經(jīng)過(guò)多個(gè)電廠、鋼廠的試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)的。特別要說(shuō)明的是,如果物料流量太大或者物料的顆粒較大時(shí),平板上方還需要再焊上一個(gè)阻流板,以保護(hù)探測(cè)器不受沖擊,并能屏蔽物料流動(dòng)對(duì)測(cè)量的干擾。

 

　　

 

　　

 

 

 

4 儀表硬件電路設(shè)計(jì)

 

　　儀表電路單元以單片機(jī)C8051F410 芯片為核心并少量外圍電路構(gòu)成,見(jiàn)圖所示。由于儀表的使用環(huán)境都比較惡劣,電路元件選取著重考慮了使用溫度要達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的要求。另外為滿足批量生產(chǎn)要求,盡量選取滿足SMT 生產(chǎn)工藝要求的元件。

 

　　

 

　　儀表采用了性能強(qiáng)大的具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD 監(jiān)視器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的 C8051F410 器件。是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。FLASH 存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力,可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ),并允許現(xiàn)場(chǎng)更新 8051 固件。用戶軟件對(duì)所有外設(shè)具有完全的控制,可以關(guān)斷任何一個(gè)或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。

 

　　片內(nèi)Silicon Labs 二線(C2)開(kāi)發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU 進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器,支　　持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用C2進(jìn)行調(diào)試時(shí),所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。兩個(gè)C2 接口引腳可以與用戶功能共享,使在系統(tǒng)調(diào)試功能不占用封裝引腳。下面就主要功能單元電路分別介紹:

 

　　4.1 傳感器

 

　　采用以集成運(yùn)算放大器TLV2624 為核心元件振蕩器電路。傳感器的選用是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵核心,其性能的好壞直接影響到儀表的技術(shù)參數(shù)。這里對(duì)測(cè)量影響最大的因素就是溫度。為此,選擇了溫度系數(shù)較小工作帶寬范圍大的集成運(yùn)算放大器TLV2624,其工作溫度范圍是-40℃～125℃,電壓溫度漂移3uV/℃。

 

　　電阻和電容的選取也很關(guān)鍵。元器件均打算采用滿足SMT工藝要求的高性能、低溫漂、高品質(zhì)阻容元器件,最大限度降低元器件的雜散特性,保證裝置工作的穩(wěn)定性。

 

　　4.2 微處理器

 

　　C8051F410 器件是完全集成的低功耗混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU,是本儀表的核心。C8051F41x 器件最多有24 個(gè)I/O 引腳,端口引腳被組織為三個(gè)8位端口。端口的工作情況與標(biāo)準(zhǔn)8051相似,但有一些改進(jìn)。每個(gè)端口引腳都可以被配置為數(shù)字或模擬I/O 引腳。被選擇作為數(shù)字I/O的引腳還可以被配置為推挽或漏極開(kāi)路輸出。在標(biāo)準(zhǔn)8051中固定的“弱上拉”可以被單獨(dú)或總體禁止,以降低功耗。

 

　　數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口I/O 引腳?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器/ 定時(shí)器、串行總線、硬件中斷以及其它數(shù)字信號(hào)配置為出現(xiàn)在端口I/O引腳。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇所需通用端口I/O、數(shù)字資源和模擬資源的組合[4]。

 

　　C8051F410 主要實(shí)現(xiàn)儀表的以下功能:

 

　　1、通過(guò)內(nèi)部可編程計(jì)數(shù)器獲取探測(cè)器信號(hào),并將其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理; 2、為系統(tǒng)測(cè)量提供精確的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器;3、控制顯示芯片zlg7289的工作;4、在面板上提供按鍵功能,以便進(jìn)行數(shù)據(jù)修改和存儲(chǔ);5、輸出繼電器和指示燈控制信號(hào);6、數(shù)據(jù)掉電保護(hù);7、提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘;8、溫度傳感器;9、硬件看門(mén)狗(內(nèi)置)

 

　　4.3 數(shù)據(jù)顯示及驅(qū)動(dòng)

 

　　本部分采用ZLG7289,做為顯示核心,實(shí)現(xiàn)LED 譯碼、驅(qū)動(dòng)電路功能,其接口采用流行的同步串行外設(shè)接口,可與任何一種單片機(jī)相聯(lián),并可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8 位LED;芯片顯示功能強(qiáng)大,主要完成數(shù)據(jù)顯示和顯示板指示燈的報(bào)警。此芯片具有高度的穩(wěn)定性,能夠保障裝置在環(huán)境條件惡劣的情況下穩(wěn)定工作。

 

　　5 軟件流程

 

　　軟件以C 語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言,采用模塊化程序設(shè)計(jì)。主要是完成儀表控制、數(shù)據(jù)的采集、分析、運(yùn)算。對(duì)儀表中各個(gè)器件的初始化、數(shù)據(jù)顯示、按鍵的處理以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等等。儀表在功能上實(shí)現(xiàn)了自診斷,自修復(fù)等一些實(shí)用性操作,在自診斷程序中涵蓋了 RAM、開(kāi)機(jī)、總線、輸入通道、鍵控自檢以及周期性自檢等多方面的檢測(cè),保證了儀表的可靠性使用。在數(shù)據(jù)處理方面,采用算術(shù)平均值濾波法,以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

 

　　軟件解決現(xiàn)場(chǎng)差異和儀表的免調(diào)試問(wèn)題。根據(jù)環(huán)境自適應(yīng)控制的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)對(duì)不同測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境影響進(jìn)行分析,使得裝置能夠在初始安裝時(shí)自動(dòng)對(duì)環(huán)境因素進(jìn)行判斷分析,從而有效消除環(huán)境變化引起的測(cè)量誤差,尤其是長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量中積累的誤差,動(dòng)態(tài)調(diào)整工作參數(shù),以增強(qiáng)裝置的現(xiàn)場(chǎng)通用性,從而大大減小了日后調(diào)試人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的難度。

 

　　

 

　　6 儀表電磁兼容與抗干擾設(shè)計(jì)

 

　　6.1 儀表電磁兼容設(shè)計(jì)

 

　　儀表有時(shí)會(huì)在帶有強(qiáng)靜電的場(chǎng)所中使用,如果不采取保護(hù)措施就會(huì)造成儀表?yè)p壞。即使是一般的尖脈沖噪聲的突入,也會(huì)引起電子設(shè)備及電腦的誤動(dòng)作,甚至造成設(shè)備本身的損壞。因此,抑制消除這種干擾是必要的。為此采用了 TVS 瞬態(tài)電壓抑制器,TVS 管能承受的瞬間脈沖功率可達(dá)上千瓦,其嵌位響應(yīng)時(shí)間僅為1ps(10-12s)。TVS管允許的正向浪涌電流在常溫25℃,10ms條件下,可達(dá)50-200A。TVS 管消除雷電干擾及防止靜電的產(chǎn)生,從而改善保護(hù)了電子線路的特性,極大的提高電子設(shè)備的可靠性和使用壽命,用以確保產(chǎn)品的高質(zhì)量。但由于TVS管的溫度效應(yīng)會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生微量誤差,用溫度補(bǔ)償算法在程序運(yùn)算時(shí)對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的補(bǔ)償。

 

　　因瞬態(tài)電壓抑制器的應(yīng)用是在儀表前級(jí)信號(hào)采集部分,不能采用通用的TVS 管。原因是儀表靈敏度與介質(zhì)變化息息相關(guān),如果TVS 管本身電容較大則將會(huì)淹沒(méi)測(cè)量信號(hào)的變化,這個(gè)現(xiàn)象是在課題實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的。本課題中通過(guò)選用不同TVS 管后得出結(jié)論,只有當(dāng)TVS 管的電容值低于10pF 的才適合使用。

 

　　6.2 儀表抗干擾設(shè)計(jì)

 

　　1、儀表內(nèi)部重要部件全部采用貼片封裝形式,這在很大程度上減小了周圍環(huán)境的干擾因素,降低了元件本身的雜散特性。

 

　　2、在前級(jí)信號(hào)傳輸方面采用同軸電纜連接,增加了對(duì)外界的抗干擾強(qiáng)度。

 

　　3、所有數(shù)字集成電路芯片的電源端對(duì)地就近并聯(lián)小電容,抑制電源中的雜波干擾。

 

　　7 結(jié)束語(yǔ)

 

　　目前課題組小批量生產(chǎn)的該儀表48 臺(tái),已經(jīng)應(yīng)用在四川瀘州電廠投入使用,運(yùn)行半年多以來(lái),一直工作穩(wěn)定可靠,得到用戶認(rèn)可。我們還在進(jìn)一步的研究,使得該儀表的功能更加完善,應(yīng)用更加廣泛。