基于微處理器的射頻連續(xù)物位測量儀表設(shè)計

摘 要：文章簡要介紹一種以射頻導納測量原理為基礎(chǔ)，微處理器為運算核心的連續(xù)物位測量儀表，采用脈沖移相法進行探測極粘附補償，瞬態(tài)電壓抑制器進行靜電干擾設(shè)計，提高儀表的測量準確性。該儀表已進行現(xiàn)場試應用，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，當倉內(nèi)物料發(fā)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(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，當分布電容發(fā)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(shè)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(yōu)質(zhì)不銹鋼設(shè)計的探測極和高溫耐蝕氟塑屏蔽材料設(shè)計的保護套組成，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；主機二次儀表的作用是對探測得到的信號脈沖進行信號調(diào)節(jié)、數(shù)字化處理，并進行計算判斷，得到介質(zhì)變化的結(jié)果，進行計算判斷，顯示和輸出測量結(jié)果，并與上位機進行遠程通訊。主要由正弦信號發(fā)生器、運算放大電路、采集電路、濾波驅(qū)動電路、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)，通過導線與外界進行連接。整體設(shè)計框圖如圖2所示。

2.2 測量電路的設(shè)計

測量電路主要包括正弦信號發(fā)生器、運算放大電路、采集電路、濾波驅(qū)動電路、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)生一個標準的正弦信號作為儀表的激勵源，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)動電路主要是增強電路的驅(qū)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(jīng)查模數(shù)轉(zhuǎn)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(gòu)成數(shù)據(jù)處理中心，微處理器選用C8051F410單片機，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)運算判斷，并輸出顯示和運算結(jié)果。

2.2.1 運算放大電路。儀表設(shè)計中運算放大器的選用和放大電路的設(shè)計是數(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)計中選用低電壓四通道運算放大器TLV2624為運算核心，設(shè)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(shù)據(jù)處理。本設(shè)計微處理器選用C8051F410為儀表的數(shù)據(jù)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(nèi)部時鐘、高速8051微處理器內(nèi)核等功能，溫度范圍寬[3]。C8051F410主要實現(xiàn)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(shù)器；實現(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)；實現(xiàn)掉電保護、溫度保護；驅(qū)動顯示芯片和控制實時時鐘。

3 程序設(shè)計

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

4 結(jié)束語

基于射頻導納技術(shù)的連續(xù)物位測量儀通過現(xiàn)場試驗及應用，已達到預期的設(shè)計效果，很好的解決了掛料問題。射頻導納物位測量儀表穩(wěn)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(xù)研究解決頻率不穩(wěn)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(yī)藥工程設(shè)計.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。