1 引言

 

　　射頻導納物位儀表是從電容式物位測量技術發(fā)展起來的,該類儀表具有防掛料、可靠性高、測量準確、應用廣泛等特點。射頻即高頻無線電波,是通過用高頻無線電波測量被測介質導納的變化來實現(xiàn)物位測量。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、電感性成分組合形成[1]。隨著科技的不斷發(fā)展,自動化水平的不斷提高,工業(yè)過程控制中對物位監(jiān)測及自動控制的要求越來越高,國內物位控制儀表研究人員對可實現(xiàn)閉環(huán)控制的連續(xù)物位控制儀表進行了大量的研究。目前國內應用的連續(xù)物位監(jiān)測儀表主要有射線式,電容式,雷達式,超聲波等幾類,因其使用功能、環(huán)境、應用領域的不同存在各式各樣的局限性。

 

　　2 測量原理

 

　　物位的確定是由傳感器和步進電機兩部分綜合決定。通過長短雙射頻導納傳感器探頭之間的邏輯關系確認物位的界面;步進電機通過變速器、線輪帶動探頭運動,步進電機與線輪的轉數比是一個常數,線輪的周長也是一個常數,因此探頭移動的距離(也就是物位)只與步進電機運動的步數相對應。按照表1的數字邏輯關系來控制探頭運動,通過計算確定步進電機運動的步距數,即可達到隨動測量物位的目的。傳感器狀態(tài)與探頭運行的關系表(表1)

 

　　

 

　　在設計中采用蝸輪蝸桿減速器是為了增加傳動比;保證傳動系統(tǒng)停止運行或停電的情況下實現(xiàn)自鎖,保持傳感器的位置。儀表的測量原理如圖1所示。

 

　　

 

 

 

3 控制單元與驅動單元簡介

 

　　檢測儀按單元可分為控制單元和驅動單元二部分。主機和探頭之間通過1根4芯的電纜連接。兩個射頻傳感器探頭產生的頻率信號經由CPU定時采樣后,通過RS485串行數據接口輸送到主控板,主控板將處理后的結果進行邏輯判斷后,控制步進電機的轉動狀態(tài)與方向,同時根據預設的步進電機轉動的角度來計算傳感器移動的距離, LED輸出顯示計算結果,同時輸出4-20mA模擬量信號。

 

　　3.1 控制單元:

 

　　控制單元由傳感器與主控板兩部分組成。如下圖2所示。

 

　　

 

　　3.1.1 傳感器

 

　　傳感器單元由兩個射頻傳感器、微處理器和RS485接口芯片組成。為了達到儀表能夠在現(xiàn)場中實際使用,把傳感器的兩根探測極設計成5層3芯的結構,長度相差50mm,相對獨立。在確　　定傳感器結構后,頻率變化量的值將由被測物介電常數的大小來決定,頻率的變化量決定傳感器的上升和下降。

 

　　在設計中采用兩組不同頻率作為兩個傳感器基頻的方案。采用兩組不同的基頻,是因為在試驗過程中發(fā)生過當兩個傳感器的基頻相差不大時,在進行測量時兩個傳感器有可能產生共振現(xiàn)象,變成一個頻率相同,同時變化且又相互作用的傳感器。因此,我們采用了兩組不同的RC網絡組合,既避免了共振現(xiàn)象又達到準確測量的目的。

 

　　3.1.2 主控板

 

　　主控板是儀表控制核心,由微處理器、RS485接口芯片、數據掉電保存芯片、電機數字邏輯控制電路、輸入和輸出光電隔離、4-20mA輸出、電源轉換等功能模塊組成。微處理器完成電機控制、探頭信號的輸入和計算、物位結果的顯示和輸出、參數的輸入等功能。微處理器采用ATMEL89C55單片機芯片。數字邏輯控制電路可根據上下限位行程開關的狀態(tài),從硬件上保證步進電機的驅動信號正確的輸出。數字邏輯控制電路由3片數字邏輯門電路74LS04、74LS32、74LS08組成。光電隔離模塊是提供將主控板與各外部功率元件連接起來,并有效隔離干擾的必備部分。電源轉換提供系統(tǒng)DC5V和DC12V電源。

 

　　3.2 驅動單元

 

　　驅動單元由步進電機、驅動器、驅動裝置組成。步進電機選用34HS300CZ二相混合式步進電機,最大靜轉矩4.0Nm,最大空載起動轉速252 轉/分;驅動器選擇MS-2H090M二相電機驅動器,細分數為16檔,最小步距角0.009°,最大步距角0.9°,電機工作時步距角為0.09°。減速器為10:1的蝸輪蝸桿鋁合金減速器。步進電機、減速器、驅動器的選取與設計將影響影響儀表的負載能力、跟蹤速度、測量精度、工藝體積、產品成本等性能指標。

 

　　3.2.1 負載能力(即所需要的扭矩)

 

　　為簡化計算,以探頭和輪盤的慣性重量合計估算為10公斤(以拉力秤在輪盤上快速拉動測出);線輪的圓周為1米,則力臂長度為0.16 米。

 

　　扭矩=拉力×力臂=1.6Nm

 

　　3.2.2 步進電機的最高運行轉速

 

　　以在3分鐘之內運動15米測量距離計算,1轉為1米。轉速=15/3=5轉/分鐘為了選取合適的電機(電機越大,價格越貴),還要考慮加配減速裝置,表2為加配減速器后對電機性能的要求。

 

　　

 

　　3.2.3 測量精度

 

　　步進電機是一種作為控制用的特種電機, 它的旋轉是以固定的角度(稱為“步距角”)一步一步運行的, 其特點是沒有積累誤差(精度為100%),所以廣泛應用于各種閉環(huán)控制。本項目采用步進電機目的在于在一個長距離的測量范圍內保持測量精度。粗略概算一下,如果步進電機的步距角0.09°,減速比合計為20:1,繞線輪直徑為1米,則有探頭每運動一米,步進電機行走步數為360°/0.09°×20/1=80000 。傳動誤差可忽略,誤差為 1m/80000=12.5nm,可以看出檢測儀的測量精度是相當高的。

 

　　3.2.4 跟蹤速度

 

　　儀表除了要滿足測量精度外,跟蹤物位的速度也非常關鍵。由于控制電機的轉速是由單片機完成,除此之外單片機還要完成其他控制功能,故而電機程序的系統(tǒng)占用率不宜太高,相應的步進電機步距角就不能太小。表3為單片機控制MS-2h090驅動器在不同的細分條件下所能達到的步進電機的極限頻率。

 

　　

 

 

 

4 程序設計

 

　　軟件以C語言作為編程語言,采用模塊化程序設計[2],主要包括主程序流程圖、運行測量流程圖、修改參數流程圖三部分。實現(xiàn)對電機升降控制、數據的采集、分析、運算處理以及對儀表中器件進行初始化、數據顯示、按鍵處理、數據存儲等功能。見程序流程圖(圖3):

 

　　

 

　　5 電機升降速曲線的設計

 

　　步進電機啟動時,必須有升速、降速過程,升降速的設計至關重要。如果設計不合理,將引起步進電機的堵轉、失步、升降速過程慢等問題。升速過程由突跳頻率加升速曲線組成(降速過程反之),理想的升降速曲線為指數曲線(如圖4)。一般根據負載情況選擇不同的突跳頻率和不同的指數曲線,經多次‘試機’以找到一條最理想的指數曲線。在設計中突跳頻率不宜過大.

 

　　儀表在設計時采用如圖4所示指數曲線控制電機運行。在設計中考慮到單片機資源以及實際工作需要,在255個加速臺階內完成達到最高速度的啟動、加速全過程(臺階是指加速過程中每一個速度等級上需要作短暫的停留,保持這個速度穩(wěn)定運行幾個脈沖后才能進一步加速,實際上這也是局部速度誤差的自動糾正。)。階的寬度為10步(一般為8-16步)。由此可以推算加速(減速)過程最多為2550步。實際運行過程中,每啟動電機運行前將根據需要行走總步數換算出最高加速臺階數量,基本上按照三個1/3的辦法去換算,即1/3的行走步數用于加速,1/3用于保持高速勻速運行,1/3完成從高速到低速的減速停止。如果運行的距離比較遠,則從總步數里減去加速和減速的步數,其余都是高速勻速運行的步數。

 

　　

 

　　在實際運行過程中,由于指數曲線在軟件編程中比較繁瑣,應事先算好后存貯在ROM內,工作過程直接選取。為保證電機運動得平穩(wěn),電機運行的升速、降速、勻速各過程都在單片機的中斷程序中實現(xiàn)。

 

　　6 結束語

 

　　射頻導納連續(xù)測量儀已通過現(xiàn)場實驗測試,從現(xiàn)場使用情況看,儀表的各項性能都達到了設計目的。運行半年多以來,一直工作穩(wěn)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。