1 引言

 

　　射頻導(dǎo)納物位儀表是從電容式物位測(cè)量技術(shù)發(fā)展起來(lái)的,該類儀表具有防掛料、可靠性高、測(cè)量準(zhǔn)確、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。射頻即高頻無(wú)線電波,是通過(guò)用高頻無(wú)線電波測(cè)量被測(cè)介質(zhì)導(dǎo)納的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)物位測(cè)量。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、電感性成分組合形成[1]。隨著科技的不斷發(fā)展,自動(dòng)化水平的不斷提高,工業(yè)過(guò)程控制中對(duì)物位監(jiān)測(cè)及自動(dòng)控制的要求越來(lái)越高,國(guó)內(nèi)物位控制儀表研究人員對(duì)可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的連續(xù)物位控制儀表進(jìn)行了大量的研究。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用的連續(xù)物位監(jiān)測(cè)儀表主要有射線式,電容式,雷達(dá)式,超聲波等幾類,因其使用功能、環(huán)境、應(yīng)用領(lǐng)域的不同存在各式各樣的局限性。

 

　　2 測(cè)量原理

 

　　物位的確定是由傳感器和步進(jìn)電機(jī)兩部分綜合決定。通過(guò)長(zhǎng)短雙射頻導(dǎo)納傳感器探頭之間的邏輯關(guān)系確認(rèn)物位的界面;步進(jìn)電機(jī)通過(guò)變速器、線輪帶動(dòng)探頭運(yùn)動(dòng),步進(jìn)電機(jī)與線輪的轉(zhuǎn)數(shù)比是一個(gè)常數(shù),線輪的周長(zhǎng)也是一個(gè)常數(shù),因此探頭移動(dòng)的距離(也就是物位)只與步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的步數(shù)相對(duì)應(yīng)。按照表1的數(shù)字邏輯關(guān)系來(lái)控制探頭運(yùn)動(dòng),通過(guò)計(jì)算確定步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的步距數(shù),即可達(dá)到隨動(dòng)測(cè)量物位的目的。傳感器狀態(tài)與探頭運(yùn)行的關(guān)系表(表1)

 

　　

 

　　在設(shè)計(jì)中采用蝸輪蝸桿減速器是為了增加傳動(dòng)比;保證傳動(dòng)系統(tǒng)停止運(yùn)行或停電的情況下實(shí)現(xiàn)自鎖,保持傳感器的位置。儀表的測(cè)量原理如圖1所示。

 

　　

 

 

 

3 控制單元與驅(qū)動(dòng)單元簡(jiǎn)介

 

　　檢測(cè)儀按單元可分為控制單元和驅(qū)動(dòng)單元二部分。主機(jī)和探頭之間通過(guò)1根4芯的電纜連接。兩個(gè)射頻傳感器探頭產(chǎn)生的頻率信號(hào)經(jīng)由CPU定時(shí)采樣后,通過(guò)RS485串行數(shù)據(jù)接口輸送到主控板,主控板將處理后的結(jié)果進(jìn)行邏輯判斷后,控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)與方向,同時(shí)根據(jù)預(yù)設(shè)的步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來(lái)計(jì)算傳感器移動(dòng)的距離, LED輸出顯示計(jì)算結(jié)果,同時(shí)輸出4-20mA模擬量信號(hào)。

 

　　3.1 控制單元:

 

　　控制單元由傳感器與主控板兩部分組成。如下圖2所示。

 

　　

 

　　3.1.1 傳感器

 

　　傳感器單元由兩個(gè)射頻傳感器、微處理器和RS485接口芯片組成。為了達(dá)到儀表能夠在現(xiàn)場(chǎng)中實(shí)際使用,把傳感器的兩根探測(cè)極設(shè)計(jì)成5層3芯的結(jié)構(gòu),長(zhǎng)度相差50mm,相對(duì)獨(dú)立。在確　　定傳感器結(jié)構(gòu)后,頻率變化量的值將由被測(cè)物介電常數(shù)的大小來(lái)決定,頻率的變化量決定傳感器的上升和下降。

 

　　在設(shè)計(jì)中采用兩組不同頻率作為兩個(gè)傳感器基頻的方案。采用兩組不同的基頻,是因?yàn)樵谠囼?yàn)過(guò)程中發(fā)生過(guò)當(dāng)兩個(gè)傳感器的基頻相差不大時(shí),在進(jìn)行測(cè)量時(shí)兩個(gè)傳感器有可能產(chǎn)生共振現(xiàn)象,變成一個(gè)頻率相同,同時(shí)變化且又相互作用的傳感器。因此,我們采用了兩組不同的RC網(wǎng)絡(luò)組合,既避免了共振現(xiàn)象又達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量的目的。

 

　　3.1.2 主控板

 

　　主控板是儀表控制核心,由微處理器、RS485接口芯片、數(shù)據(jù)掉電保存芯片、電機(jī)數(shù)字邏輯控制電路、輸入和輸出光電隔離、4-20mA輸出、電源轉(zhuǎn)換等功能模塊組成。微處理器完成電機(jī)控制、探頭信號(hào)的輸入和計(jì)算、物位結(jié)果的顯示和輸出、參數(shù)的輸入等功能。微處理器采用ATMEL89C55單片機(jī)芯片。數(shù)字邏輯控制電路可根據(jù)上下限位行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài),從硬件上保證步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)正確的輸出。數(shù)字邏輯控制電路由3片數(shù)字邏輯門電路74LS04、74LS32、74LS08組成。光電隔離模塊是提供將主控板與各外部功率元件連接起來(lái),并有效隔離干擾的必備部分。電源轉(zhuǎn)換提供系統(tǒng)DC5V和DC12V電源。

 

　　3.2 驅(qū)動(dòng)單元

 

　　驅(qū)動(dòng)單元由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)裝置組成。步進(jìn)電機(jī)選用34HS300CZ二相混合式步進(jìn)電機(jī),最大靜轉(zhuǎn)矩4.0Nm,最大空載起動(dòng)轉(zhuǎn)速252 轉(zhuǎn)/分;驅(qū)動(dòng)器選擇MS-2H090M二相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,細(xì)分?jǐn)?shù)為16檔,最小步距角0.009°,最大步距角0.9°,電機(jī)工作時(shí)步距角為0.09°。減速器為10:1的蝸輪蝸桿鋁合金減速器。步進(jìn)電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)器的選取與設(shè)計(jì)將影響影響儀表的負(fù)載能力、跟蹤速度、測(cè)量精度、工藝體積、產(chǎn)品成本等性能指標(biāo)。

 

　　3.2.1 負(fù)載能力(即所需要的扭矩)

 

　　為簡(jiǎn)化計(jì)算,以探頭和輪盤的慣性重量合計(jì)估算為10公斤(以拉力秤在輪盤上快速拉動(dòng)測(cè)出);線輪的圓周為1米,則力臂長(zhǎng)度為0.16 米。

 

　　扭矩=拉力×力臂=1.6Nm

 

　　3.2.2 步進(jìn)電機(jī)的最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速

 

　　以在3分鐘之內(nèi)運(yùn)動(dòng)15米測(cè)量距離計(jì)算,1轉(zhuǎn)為1米。轉(zhuǎn)速=15/3=5轉(zhuǎn)/分鐘為了選取合適的電機(jī)(電機(jī)越大,價(jià)格越貴),還要考慮加配減速裝置,表2為加配減速器后對(duì)電機(jī)性能的要求。

 

　　

 

　　3.2.3 測(cè)量精度

 

　　步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī), 它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度(稱為“步距角”)一步一步運(yùn)行的, 其特點(diǎn)是沒(méi)有積累誤差(精度為100%),所以廣泛應(yīng)用于各種閉環(huán)控制。本項(xiàng)目采用步進(jìn)電機(jī)目的在于在一個(gè)長(zhǎng)距離的測(cè)量范圍內(nèi)保持測(cè)量精度。粗略概算一下,如果步進(jìn)電機(jī)的步距角0.09°,減速比合計(jì)為20:1,繞線輪直徑為1米,則有探頭每運(yùn)動(dòng)一米,步進(jìn)電機(jī)行走步數(shù)為360°/0.09°×20/1=80000 。傳動(dòng)誤差可忽略,誤差為 1m/80000=12.5nm,可以看出檢測(cè)儀的測(cè)量精度是相當(dāng)高的。

 

　　3.2.4 跟蹤速度

 

　　儀表除了要滿足測(cè)量精度外,跟蹤物位的速度也非常關(guān)鍵。由于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由單片機(jī)完成,除此之外單片機(jī)還要完成其他控制功能,故而電機(jī)程序的系統(tǒng)占用率不宜太高,相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)步距角就不能太小。表3為單片機(jī)控制MS-2h090驅(qū)動(dòng)器在不同的細(xì)分條件下所能達(dá)到的步進(jìn)電機(jī)的極限頻率。

 

　　

 

 

 

4 程序設(shè)計(jì)

 

　　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)[2],主要包括主程序流程圖、運(yùn)行測(cè)量流程圖、修改參數(shù)流程圖三部分。實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)升降控制、數(shù)據(jù)的采集、分析、運(yùn)算處理以及對(duì)儀表中器件進(jìn)行初始化、數(shù)據(jù)顯示、按鍵處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。見(jiàn)程序流程圖(圖3):

 

　　

 

　　5 電機(jī)升降速曲線的設(shè)計(jì)

 

　　步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí),必須有升速、降速過(guò)程,升降速的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。如果設(shè)計(jì)不合理,將引起步進(jìn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)、失步、升降速過(guò)程慢等問(wèn)題。升速過(guò)程由突跳頻率加升速曲線組成(降速過(guò)程反之),理想的升降速曲線為指數(shù)曲線(如圖4)。一般根據(jù)負(fù)載情況選擇不同的突跳頻率和不同的指數(shù)曲線,經(jīng)多次‘試機(jī)’以找到一條最理想的指數(shù)曲線。在設(shè)計(jì)中突跳頻率不宜過(guò)大.

 

　　儀表在設(shè)計(jì)時(shí)采用如圖4所示指數(shù)曲線控制電機(jī)運(yùn)行。在設(shè)計(jì)中考慮到單片機(jī)資源以及實(shí)際工作需要,在255個(gè)加速臺(tái)階內(nèi)完成達(dá)到最高速度的啟動(dòng)、加速全過(guò)程(臺(tái)階是指加速過(guò)程中每一個(gè)速度等級(jí)上需要作短暫的停留,保持這個(gè)速度穩(wěn)定運(yùn)行幾個(gè)脈沖后才能進(jìn)一步加速,實(shí)際上這也是局部速度誤差的自動(dòng)糾正。)。階的寬度為10步(一般為8-16步)。由此可以推算加速(減速)過(guò)程最多為2550步。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,每啟動(dòng)電機(jī)運(yùn)行前將根據(jù)需要行走總步數(shù)換算出最高加速臺(tái)階數(shù)量,基本上按照三個(gè)1/3的辦法去換算,即1/3的行走步數(shù)用于加速,1/3用于保持高速勻速運(yùn)行,1/3完成從高速到低速的減速停止。如果運(yùn)行的距離比較遠(yuǎn),則從總步數(shù)里減去加速和減速的步數(shù),其余都是高速勻速運(yùn)行的步數(shù)。

 

　　

 

　　在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,由于指數(shù)曲線在軟件編程中比較繁瑣,應(yīng)事先算好后存貯在ROM內(nèi),工作過(guò)程直接選取。為保證電機(jī)運(yùn)動(dòng)得平穩(wěn),電機(jī)運(yùn)行的升速、降速、勻速各過(guò)程都在單片機(jī)的中斷程序中實(shí)現(xiàn)。

 

　　6 結(jié)束語(yǔ)

 

　　射頻導(dǎo)納連續(xù)測(cè)量?jī)x已通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,從現(xiàn)場(chǎng)使用情況看,儀表的各項(xiàng)性能都達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。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。