基于微處理器的射頻連續物位測量儀表設計

摘 要：文章簡要介紹一種以射頻導納測量原理為基礎，微處理器為運算核心的連續物位測量儀表，采用脈沖移相法進行探測極粘附補償，瞬態電壓抑制器進行靜電干擾設計，提高儀表的測量準確性。該儀表已進行現場試應用，并取得較好效果。

關鍵詞：射頻；連續；物位儀表

1 測量原理

射頻導納物位儀表是由電容式物位測量原理發展起來的。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，當倉內物料發生變化時其探測極與倉壁間存在的分布電容C0（如公式1所示）也會發生變化：

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

2 儀表組成及設計

2.1 儀表組成

儀表主要由探測器和主機二次儀表兩部分組成。探測器部分由優質不銹鋼設計的探測極和高溫耐蝕氟塑屏蔽材料設計的保護套組成，主要作用是探測介質的變化量，轉化成可被接收的電信號；主機二次儀表的作用是對探測得到的信號脈沖進行信號調節、數字化處理，并進行計算判斷，得到介質變化的結果，進行計算判斷，顯示和輸出測量結果，并與上位機進行遠程通訊。主要由正弦信號發生器、運算放大電路、采集電路、濾波驅動電路、模數和數模轉換電路、微處理器外圍電路等組成，二次儀表及數據處理部分置于鑄鋁密封殼體內，通過導線與外界進行連接。整體設計框圖如圖2所示。

2.2 測量電路的設計

測量電路主要包括正弦信號發生器、運算放大電路、采集電路、濾波驅動電路、模數和數模轉換電路、微處理器外圍電路等組成。正弦信號發生器主要是產生一個標準的正弦信號作為儀表的激勵源，由于物位的測量調試與物料的等效電容在數值上成線性，濾波驅動電路主要是增強電路的驅動能力，提高物位的測量范圍。運算放大和信號采集電路是將探測極測量得到的脈沖進行放大、整形濾波處理后，經查模數轉換后輸入到微處理器進行運算處理。微處理器及外圍電路構成數據處理中心，微處理器選用C8051F410單片機，主要實現數據運算判斷，并輸出顯示和運算結果。

2.2.1 運算放大電路。儀表設計中運算放大器的選用和放大電路的設計是數據采集的核心內容，直接影響到儀表的技術參數和抗干擾性。本設計中選用低電壓四通道運算放大器TLV2624為運算核心，設計運算電路，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 數據處理。本設計微處理器選用C8051F410為儀表的數據運算處理核心。具有模擬12位ADC、兩個比較器、24個I/O端口、內部時鐘、高速8051微處理器內核等功能，溫度范圍寬[3]。C8051F410主要實現儀表的控制運算功能：獲取探測器信號并進行計算處理；提供精確的定時器和計數器；實現數據存儲和修改、參數設置；控制繼電器輸出狀態；實現掉電保護、溫度保護；驅動顯示芯片和控制實時時鐘。

3 程序設計

根據智能儀器的設計原則，采用模塊化結構設計思想。儀表在功能上實現了自動診斷和修復等實用性的操作[4]。在數據處理方面，采用數字濾波，以保證測量的準確性。

4 結束語

基于射頻導納技術的連續物位測量儀通過現場試驗及應用，已達到預期的設計效果，很好的解決了掛料問題。射頻導納物位測量儀表穩定性好，維護量少、安裝方便，應用面較廣。以后我們將通過繼續研究解決頻率不穩定因素影響，以提高儀表測量的準確性。

參考文獻

[1]吳智.物位測量綜述[J].應用與實踐，2002（3）：37-40.

[2]DE公司上海代表辦事處.射頻導納式物位測量[J].醫藥工程設計.1994（4）：43-47.

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

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

作者簡介：劉影（1975-），女，高級工程師，從事研究方向：科技管理。