數(shù)字式射頻導納物位儀的研究與開發(fā)

劉 虎 周 蕾

(淮陰工學院計算機工程學院，江蘇 淮安 223001)

波積分，既能有效消除掛料干擾信號，又能提高信噪比。

1 射頻導納物位儀工作原理①

在一個充滿粘稠導電物料的容器中，安裝一個具有絕緣層的測量電極，由于沒有掛料影響，此時測量電容與物料高度成正比，其測量原理和等效電路如圖1a所示。然而，這種電容式物位測量方法存在一個嚴重的缺點，當物位由高位h降低到低位h0時，探頭上會留有掛料，產生虛假的物位，給測量帶來較大誤差，如圖1b所示[3]。

圖1 粘性導電物位測量原理及其等效電路

由于掛料橫截面積較小，等效電阻較大，可以看作由許多微小的電阻和電容組成的串并聯(lián)電路，這會引起測量信號的能量損耗。由已知傳輸線理論從數(shù)學上可以證明：只要粘附層足夠長，粘附層的電阻和電容具有相同的阻抗。以圖1b為例可得：

(1)

式中Cg——掛料部分的等效電容；

Rg——掛料部分的等效電阻。

式(1)即射頻導納物位儀的測量模型[4]。若用一正弦波振蕩信號加到測量電路上，在圖1a的純電容測量電路中，電路不會有能量損耗，其相移

為0°；在圖1b中，由于掛料中存在電阻、電容，在交流信號激勵時會產生相移[5]。

設U為頻率為W的激勵電壓，Cw為物位的等效電容，Iw為流過被測實際物位電容的電流，Ig為流過粘附層的電流，I為總電流，I=Iw+Ig，Iw和Ig的計算式分別為：

Iw=jωCwU

(2)

(3)

將式(1)代入式(3)，得：

Ig=(1+j)ωCgU

(4)

2 防掛料解決方案

(5)

這樣則可消除虛假掛料信號對整個測量電路的影響。這種斬波積分方案的優(yōu)點是：

a. 物位儀表測量精度與正弦波振蕩信號頻率無關，儀表容易實現(xiàn)；

b. 與其他測量方法相比，測量信號的信噪比較大，利于后續(xù)的信號處理。

圖2 測量信號波形

3 射頻導納物位儀總體設計

圖3 數(shù)字式射頻導納物位儀原理框圖

3.1 正弦信號發(fā)生和電橋電路

正弦信號發(fā)生電路通過LC諧振，產生100kHz的正弦波，經變壓器耦和，通過副邊向交流測量電橋提供能量，經整流后，還提供物位檢測信號放大級工作電壓，如圖4所示。為了避免物位測桿與罐體組成的測量電路所受的干擾對前面振蕩級、后面放大級的干擾，電路上設計了隔離變壓器T01。T01的5-6、6-7，C25，Cx組成電橋的4個臂，測量信號取自量程電容C39兩端，其中Cx為物位測桿與物料罐體組成的電容。

圖4 正弦信號發(fā)生和電橋電路

3.2 斬波積分電路

斬波積分電路如圖5a所示。

圖5 斬波積分電路及其波形

4 軟件設計

圖6 主程序流程

圖7 外部中斷0子程序流程

圖8 定時0中斷子程序流程

5 結束語

針對傳統(tǒng)的電容式物位測量儀在實際應用中存在的掛料現(xiàn)象進行了研究，采用斬波積分方法消除掛料產生的虛假信號，并設計了數(shù)字式射頻導納物位儀，該儀表的優(yōu)點主要有：由MCU自動采樣正弦波振蕩信號零點，避免儀表出廠人工調整可調電位器；采用斬波積分方法，提高信噪比，提高儀表精度；采用低功耗MCU，實現(xiàn)了現(xiàn)場LCD顯示并集成了HART協(xié)議。