[導讀] 本文詳細介紹了一種新型的平板式數字智能料位計的系統設計。介紹了主要的測量原理、工藝結構設計、硬件電路設計、軟件流程、抗干擾設計。目前該儀表已經投入實際使用,取得預期效果。
摘 要:本文詳細介紹了一種新型的平板式數字智能料位計的系統設計。介紹了主要的測量原理、工藝結構設計、硬件電路設計、軟件流程、抗干擾設計。目前該儀表已經投入實際使用,取得預期效果。
1 引言
物位測量儀表大多以差壓、重錘、超聲波、雷達、射線等原理及形式研制。隨著科學技術的快速發展,自動化程度的提高,對物位的測量精度、可靠性和連續性要求越來越精確,利用 射頻導納技術研制的物位產品越來越多,現已成為市場主流物位監測產品。射頻導納物位控制技術是通過高頻無線電波測量被測介質導納來實現物位測量。[1] [2]射頻導納技術與電容式技術最重要的區別在于測量的多樣化和三電極技術。三電極技術包括電子單元和傳感器,在測量電極和地極之間加入屏蔽電極,將測量電極保護起來,不受掛料影響,使測量結果更加準確。平板式數字智能料位計是在射頻導納物位計基礎上設計的,主要是針對測量小直徑容器的物位檢測。測量的物料通常為粉煤灰、煤粉等細小的固體顆粒。
2 測量原理介紹
射頻導納物位儀表是一種從電容式物位測量技術發展起來的,防掛料、更可靠、更準確、適用性更廣的物位控制技術,射頻導納中的導納的含義為電學中阻抗的倒數,它由電阻性成分、電容性成分、電感性成分綜合而成。而射頻即發射高頻無線電波,所以射頻導納物位控制技術是通過用高頻無線電波測量被測介質導納來實現物位測量。由測量原理圖可以看出中心測量桿長度直接影響測量靈敏度,中間測量桿越長,桿相對于容器壁的電容就越大,物料變化時測出的導納變化也相應的變大。
針對小直徑容器的物位檢測,傳統射頻導納有以下不足:一是由于受到容器壁間距離所限,射頻導納料位計的中間探測桿不可能太長,所以靈敏度極差;二是小直徑容器的物流速度都比較快,沖擊力很強,傳感器的長桿很容易被物料沖彎。
為改進上述問題,將探測桿頭改為平板圓盤方式。圓盤加大了物位計和容器壁之間的電容,從而改善測量靈敏度。平板探測極面積加大,但是探測桿縮短,而且平板增加的面積主要不在物流的方向上,所以物流對探測桿的沖擊力并沒有增加多少,保證了探測桿的使用強度。
3 儀表工藝結構設計
儀表由探測器、微處理器和輸出電路等部分組成。如圖4所示,儀表的主機安裝于鑄鋁材料的外殼中,探測器與主機通過固定螺紋擰在一起。這種結構保證主機防護等級,還能屏蔽外界的電磁干擾。鑄鋁、不銹鋼和PFA 材質的選取都是基于使用溫度、防銹、防腐蝕、耐沖擊等綜合因素加以考慮的。探測器的平板圓盤頭大小直接影響探測靈敏度。由現場實際安裝示意圖 5 來看,平板越大,則靈敏度越高。但在實際應用里,平板的尺寸也不能無限變大。設計時主要考慮了以下幾個因素,1、安裝時的便利性,由安裝圖所示,平板圓盤最大不能超過安裝孔的大小;2、物料流動性,如果平板太大,則在平板和容器壁之間物料的流動性會受到影響,尤其物料濕度較大時很容易掛壁。3、安裝的堅固性,平板越大,物流對其沖擊力也加大。雖然平板增加面積主要不是物流方向上的,不過太大的話還是會增加物流阻力。4、平板加大,精度卻不一定提高。探測級與物料埋入深度不是一個純線性關系,物位點還是以平板中心為準。所以平板的大小應該在達到靈敏度的前提下盡可能的小。現在的尺寸是經過多個電廠、鋼廠的試驗結果設計的。特別要說明的是,如果物料流量太大或者物料的顆粒較大時,平板上方還需要再焊上一個阻流板,以保護探測器不受沖擊,并能屏蔽物料流動對測量的干擾。
4 儀表硬件電路設計
儀表電路單元以單片機C8051F410 芯片為核心并少量外圍電路構成,見圖所示。由于儀表的使用環境都比較惡劣,電路元件選取著重考慮了使用溫度要達到工業現場級的要求。另外為滿足批量生產要求,盡量選取滿足SMT 生產工藝要求的元件。
儀表采用了性能強大的具有片內上電復位、VDD 監視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的 C8051F410 器件。是真正能獨立工作的片上系統。FLASH 存儲器還具有在系統重新編程能力,可用于非易失性數據存儲,并允許現場更新 8051 固件。用戶軟件對所有外設具有完全的控制,可以關斷任何一個或所有外設以節省功耗。
片內Silicon Labs 二線(C2)開發接口允許使用安裝在最終應用系統上的產品MCU 進行非侵入式(不占用片內資源)、全速、在系統調試。調試邏輯支持觀察和修改存儲器和寄存器,支 持斷點、單步、運行和停機命令。在使用C2進行調試時,所有的模擬和數字外設都可全功能運行。兩個C2 接口引腳可以與用戶功能共享,使在系統調試功能不占用封裝引腳。下面就主要功能單元電路分別介紹:
4.1 傳感器
采用以集成運算放大器TLV2624 為核心元件振蕩器電路。傳感器的選用是設計的關鍵核心,其性能的好壞直接影響到儀表的技術參數。這里對測量影響最大的因素就是溫度。為此,選擇了溫度系數較小工作帶寬范圍大的集成運算放大器TLV2624,其工作溫度范圍是-40℃～125℃,電壓溫度漂移3uV/℃。
電阻和電容的選取也很關鍵。元器件均打算采用滿足SMT工藝要求的高性能、低溫漂、高品質阻容元器件,最大限度降低元器件的雜散特性,保證裝置工作的穩定性。
4.2 微處理器
C8051F410 器件是完全集成的低功耗混合信號片上系統型MCU,是本儀表的核心。C8051F41x 器件最多有24 個I/O 引腳,端口引腳被組織為三個8位端口。端口的工作情況與標準8051相似,但有一些改進。每個端口引腳都可以被配置為數字或模擬I/O 引腳。被選擇作為數字I/O的引腳還可以被配置為推挽或漏極開路輸出。在標準8051中固定的“弱上拉”可以被單獨或總體禁止,以降低功耗。
數字交叉開關允許將內部數字系統資源映射到端口I/O 引腳?？赏ㄟ^設置交叉開關控制寄存器將片內的計數器/ 定時器、串行總線、硬件中斷以及其它數字信號配置為出現在端口I/O引腳。這一特性允許用戶根據自己的特定應用選擇所需通用端口I/O、數字資源和模擬資源的組合[4]。
C8051F410 主要實現儀表的以下功能:
1、通過內部可編程計數器獲取探測器信號,并將其進行數據處理; 2、為系統測量提供精確的定時器和計數器;3、控制顯示芯片zlg7289的工作;4、在面板上提供按鍵功能,以便進行數據修改和存儲;5、輸出繼電器和指示燈控制信號;6、數據掉電保護;7、提供實時時鐘;8、溫度傳感器;9、硬件看門狗(內置)
4.3 數據顯示及驅動
本部分采用ZLG7289,做為顯示核心,實現LED 譯碼、驅動電路功能,其接口采用流行的同步串行外設接口,可與任何一種單片機相聯,并可同時驅動8 位LED;芯片顯示功能強大,主要完成數據顯示和顯示板指示燈的報警。此芯片具有高度的穩定性,能夠保障裝置在環境條件惡劣的情況下穩定工作。
5 軟件流程
軟件以C 語言作為編程語言,采用模塊化程序設計。主要是完成儀表控制、數據的采集、分析、運算。對儀表中各個器件的初始化、數據顯示、按鍵的處理以及數據存儲等等。儀表在功能上實現了自診斷,自修復等一些實用性操作,在自診斷程序中涵蓋了 RAM、開機、總線、輸入通道、鍵控自檢以及周期性自檢等多方面的檢測,保證了儀表的可靠性使用。在數據處理方面,采用算術平均值濾波法,以保證測量的準確性。
軟件解決現場差異和儀表的免調試問題。根據環境自適應控制的數學模型,通過對不同測量現場的環境影響進行分析,使得裝置能夠在初始安裝時自動對環境因素進行判斷分析,從而有效消除環境變化引起的測量誤差,尤其是長時間測量中積累的誤差,動態調整工作參數,以增強裝置的現場通用性,從而大大減小了日后調試人員現場調試的難度。
6 儀表電磁兼容與抗干擾設計
6.1 儀表電磁兼容設計
儀表有時會在帶有強靜電的場所中使用,如果不采取保護措施就會造成儀表損壞。即使是一般的尖脈沖噪聲的突入,也會引起電子設備及電腦的誤動作,甚至造成設備本身的損壞。因此,抑制消除這種干擾是必要的。為此采用了 TVS 瞬態電壓抑制器,TVS 管能承受的瞬間脈沖功率可達上千瓦,其嵌位響應時間僅為1ps(10-12s)。TVS管允許的正向浪涌電流在常溫25℃,10ms條件下,可達50-200A。TVS 管消除雷電干擾及防止靜電的產生,從而改善保護了電子線路的特性,極大的提高電子設備的可靠性和使用壽命,用以確保產品的高質量。但由于TVS管的溫度效應會對測量結果產生微量誤差,用溫度補償算法在程序運算時對其進行了相應的補償。
因瞬態電壓抑制器的應用是在儀表前級信號采集部分,不能采用通用的TVS 管。原因是儀表靈敏度與介質變化息息相關,如果TVS 管本身電容較大則將會淹沒測量信號的變化,這個現象是在課題實驗中發現的。本課題中通過選用不同TVS 管后得出結論,只有當TVS 管的電容值低于10pF 的才適合使用。
6.2 儀表抗干擾設計
1、儀表內部重要部件全部采用貼片封裝形式,這在很大程度上減小了周圍環境的干擾因素,降低了元件本身的雜散特性。
2、在前級信號傳輸方面采用同軸電纜連接,增加了對外界的抗干擾強度。
3、所有數字集成電路芯片的電源端對地就近并聯小電容,抑制電源中的雜波干擾。
7 結束語
目前課題組小批量生產的該儀表48 臺,已經應用在四川瀘州電廠投入使用,運行半年多以來,一直工作穩定可靠,得到用戶認可。我們還在進一步的研究,使得該儀表的功能更加完善,應用更加廣泛。