[導讀] 本文詳細介紹了一種新型的平板式數(shù)字智能料位計的系統(tǒng)設(shè)計。介紹了主要的測量原理、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件電路設(shè)計、軟件流程、抗干擾設(shè)計。目前該儀表已經(jīng)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(shù)字智能料位計的系統(tǒng)設(shè)計。介紹了主要的測量原理、工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計、硬件電路設(shè)計、軟件流程、抗干擾設(shè)計。目前該儀表已經(jīng)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(shù)的快速發(fā)展,自動化程度的提高,對物位的測量精度、可靠性和連續(xù)性要求越來越精確,利用 射頻導納技術(shù)研制的物位產(chǎn)品越來越多,現(xiàn)已成為市場主流物位監(jiān)測產(chǎn)品。射頻導納物位控制技術(shù)是通過高頻無線電波測量被測介質(zhì)導納來實現(xiàn)物位測量。[1] [2]射頻導納技術(shù)與電容式技術(shù)最重要的區(qū)別在于測量的多樣化和三電極技術(shù)。三電極技術(shù)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(jié)果更加準確。平板式數(shù)字智能料位計是在射頻導納物位計基礎(chǔ)上設(shè)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(shù)發(fā)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(shù),射頻導納中的導納的含義為電學中阻抗的倒數(shù),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(fā)射高頻無線電波,所以射頻導納物位控制技術(shù)是通過用高頻無線電波測量被測介質(zhì)導納來實現(xiàn)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(tǒng)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(xiàn)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(shè)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(guān)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(xiàn)在的尺寸是經(jīng)過多個電廠、鋼廠的試驗結(jié)果設(shè)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(shè)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(gòu)成,見圖所示。由于儀表的使用環(huán)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(yè)現(xiàn)場級的要求。另外為滿足批量生產(chǎn)要求,盡量選取滿足SMT 生產(chǎn)工藝要求的元件。
儀表采用了性能強大的具有片內(nèi)上電復位、VDD 監(jiān)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(tǒng)。FLASH 存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力,可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲,并允許現(xiàn)場更新 8051 固件。用戶軟件對所有外設(shè)具有完全的控制,可以關(guān)斷任何一個或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。
片內(nèi)Silicon Labs 二線(C2)開發(fā)接口允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU 進行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)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(diào)試時,所有的模擬和數(shù)字外設(shè)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(tǒng)調(diào)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(shè)計的關(guān)鍵核心,其性能的好壞直接影響到儀表的技術(shù)參數(shù)。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(shù)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(guān)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(zhì)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(wěn)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(tǒng)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(shù)字或模擬I/O 引腳。被選擇作為數(shù)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(shù)字交叉開關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口I/O 引腳。可通過設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計數(shù)器/ 定時器、串行總線、硬件中斷以及其它數(shù)字信號配置為出現(xiàn)在端口I/O引腳。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應用選擇所需通用端口I/O、數(shù)字資源和模擬資源的組合[4]。
C8051F410 主要實現(xiàn)儀表的以下功能:
1、通過內(nèi)部可編程計數(shù)器獲取探測器信號,并將其進行數(shù)據(jù)處理; 2、為系統(tǒng)測量提供精確的定時器和計數(shù)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(shù)據(jù)修改和存儲;5、輸出繼電器和指示燈控制信號;6、數(shù)據(jù)掉電保護;7、提供實時時鐘;8、溫度傳感器;9、硬件看門狗(內(nèi)置)
4.3 數(shù)據(jù)顯示及驅(qū)動
本部分采用ZLG7289,做為顯示核心,實現(xiàn)LED 譯碼、驅(qū)動電路功能,其接口采用流行的同步串行外設(shè)接口,可與任何一種單片機相聯(lián),并可同時驅(qū)動8 位LED;芯片顯示功能強大,主要完成數(shù)據(jù)顯示和顯示板指示燈的報警。此芯片具有高度的穩(wěn)定性,能夠保障裝置在環(huán)境條件惡劣的情況下穩(wěn)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(shè)計。主要是完成儀表控制、數(shù)據(jù)的采集、分析、運算。對儀表中各個器件的初始化、數(shù)據(jù)顯示、按鍵的處理以及數(shù)據(jù)存儲等等。儀表在功能上實現(xiàn)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(shù)據(jù)處理方面,采用算術(shù)平均值濾波法,以保證測量的準確性。
軟件解決現(xiàn)場差異和儀表的免調(diào)試問題。根據(jù)環(huán)境自適應控制的數(shù)學模型,通過對不同測量現(xiàn)場的環(huán)境影響進行分析,使得裝置能夠在初始安裝時自動對環(huán)境因素進行判斷分析,從而有效消除環(huán)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(tài)調(diào)整工作參數(shù),以增強裝置的現(xiàn)場通用性,從而大大減小了日后調(diào)試人員現(xiàn)場調(diào)試的難度。
6 儀表電磁兼容與抗干擾設(shè)計
6.1 儀表電磁兼容設(shè)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(shè)備及電腦的誤動作,甚至造成設(shè)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(tài)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(chǎn)生,從而改善保護了電子線路的特性,極大的提高電子設(shè)備的可靠性和使用壽命,用以確保產(chǎn)品的高質(zhì)量。但由于TVS管的溫度效應會對測量結(jié)果產(chǎn)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(tài)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(zhì)變化息息相關(guān),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(xiàn)象是在課題實驗中發(fā)現(xiàn)的。本課題中通過選用不同TVS 管后得出結(jié)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(shè)計
1、儀表內(nèi)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(huán)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(shù)字集成電路芯片的電源端對地就近并聯(lián)小電容,抑制電源中的雜波干擾。
7 結(jié)束語
目前課題組小批量生產(chǎn)的該儀表48 臺,已經(jīng)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(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。