基于微處理器的射頻連續(xù)物位測量儀表設(shè)計(jì)

摘 要：文章簡要介紹一種以射頻導(dǎo)納測量原理為基礎(chǔ)，微處理器為運(yùn)算核心的連續(xù)物位測量儀表，采用脈沖移相法進(jìn)行探測極粘附補(bǔ)償，瞬態(tài)電壓抑制器進(jìn)行靜電干擾設(shè)計(jì)，提高儀表的測量準(zhǔn)確性。該儀表已進(jìn)行現(xiàn)場試應(yīng)用，并取得較好效果。

關(guān)鍵詞：射頻；連續(xù)；物位儀表

1 測量原理

射頻導(dǎo)納物位儀表是由電容式物位測量原理發(fā)展起來的。由于被測容器壁與探測極之間存在電容特性，在理想情況下，當(dāng)倉內(nèi)物料發(fā)生變化時(shí)其探測極與倉壁間存在的分布電容C0（如公式1所示）也會發(fā)生變化：

在測量過程中將分布電容與信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號引入到電橋電路中，當(dāng)分布電容發(fā)生變化時(shí)，將引起線路中電壓的變化，從而達(dá)到測量的目的。

2 儀表組成及設(shè)計(jì)

2.1 儀表組成

儀表主要由探測器和主機(jī)二次儀表兩部分組成。探測器部分由優(yōu)質(zhì)不銹鋼設(shè)計(jì)的探測極和高溫耐蝕氟塑屏蔽材料設(shè)計(jì)的保護(hù)套組成，主要作用是探測介質(zhì)的變化量，轉(zhuǎn)化成可被接收的電信號；主機(jī)二次儀表的作用是對探測得到的信號脈沖進(jìn)行信號調(diào)節(jié)、數(shù)字化處理，并進(jìn)行計(jì)算判斷，得到介質(zhì)變化的結(jié)果，進(jìn)行計(jì)算判斷，顯示和輸出測量結(jié)果，并與上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊。主要由正弦信號發(fā)生器、運(yùn)算放大電路、采集電路、濾波驅(qū)動(dòng)電路、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、微處理器外圍電路等組成，二次儀表及數(shù)據(jù)處理部分置于鑄鋁密封殼體內(nèi)，通過導(dǎo)線與外界進(jìn)行連接。整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

2.2 測量電路的設(shè)計(jì)

測量電路主要包括正弦信號發(fā)生器、運(yùn)算放大電路、采集電路、濾波驅(qū)動(dòng)電路、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、微處理器外圍電路等組成。正弦信號發(fā)生器主要是產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號作為儀表的激勵(lì)源，由于物位的測量調(diào)試與物料的等效電容在數(shù)值上成線性，濾波驅(qū)動(dòng)電路主要是增強(qiáng)電路的驅(qū)動(dòng)能力，提高物位的測量范圍。運(yùn)算放大和信號采集電路是將探測極測量得到的脈沖進(jìn)行放大、整形濾波處理后，經(jīng)查模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到微處理器進(jìn)行運(yùn)算處理。微處理器及外圍電路構(gòu)成數(shù)據(jù)處理中心，微處理器選用C8051F410單片機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算判斷，并輸出顯示和運(yùn)算結(jié)果。

2.2.1 運(yùn)算放大電路。儀表設(shè)計(jì)中運(yùn)算放大器的選用和放大電路的設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)采集的核心內(nèi)容，直接影響到儀表的技術(shù)參數(shù)和抗干擾性。本設(shè)計(jì)中選用低電壓四通道運(yùn)算放大器TLV2624為運(yùn)算核心，設(shè)計(jì)運(yùn)算電路，該放大器工作溫度范圍是-40℃～125℃，電壓溫度漂移3uV/℃，帶寬8MHz。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理。本設(shè)計(jì)微處理器選用C8051F410為儀表的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理核心。具有模擬12位ADC、兩個(gè)比較器、24個(gè)I/O端口、內(nèi)部時(shí)鐘、高速8051微處理器內(nèi)核等功能，溫度范圍寬[3]。C8051F410主要實(shí)現(xiàn)儀表的控制運(yùn)算功能：獲取探測器信號并進(jìn)行計(jì)算處理；提供精確的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器；實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和修改、參數(shù)設(shè)置；控制繼電器輸出狀態(tài)；實(shí)現(xiàn)掉電保護(hù)、溫度保護(hù)；驅(qū)動(dòng)顯示芯片和控制實(shí)時(shí)時(shí)鐘。

3 程序設(shè)計(jì)

根據(jù)智能儀器的設(shè)計(jì)原則，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。儀表在功能上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)診斷和修復(fù)等實(shí)用性的操作[4]。在數(shù)據(jù)處理方面，采用數(shù)字濾波，以保證測量的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語

基于射頻導(dǎo)納技術(shù)的連續(xù)物位測量儀通過現(xiàn)場試驗(yàn)及應(yīng)用，已達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，很好的解決了掛料問題。射頻導(dǎo)納物位測量儀表穩(wěn)定性好，維護(hù)量少、安裝方便，應(yīng)用面較廣。以后我們將通過繼續(xù)研究解決頻率不穩(wěn)定因素影響，以提高儀表測量的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]吳智.物位測量綜述[J].應(yīng)用與實(shí)踐，2002（3）：37-40.

[2]DE公司上海代表辦事處.射頻導(dǎo)納式物位測量[J].醫(yī)藥工程設(shè)計(jì).1994（4）：43-47.

[3]C8051F410/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[Z].新華龍電子有限公司，2006，2.

[4]王克義，王均.硬件、軟件及接口技術(shù)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.

作者簡介：劉影（1975-），女，高級工程師，從事研究方向：科技管理。