數字式射頻導納物位儀的研究與開發

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；

b. 與其他測量方法相比，測量信號的信噪比較大，利于后續的信號處理。

圖2 測量信號波形

3 射頻導納物位儀總體設計

圖3 數字式射頻導納物位儀原理框圖

3.1 正弦信號發生和電橋電路

正弦信號發生電路通過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

針對傳統的電容式物位測量儀在實際應用中存在的掛料現象進行了研究，采用斬波積分方法消除掛料產生的虛假信號，并設計了數字式射頻導納物位儀，該儀表的優點主要有：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，實現了現場LCD顯示并集成了HART協議。