自調整現場感知智能料位計的製作方法

2023-09-12 21:24:25

專利名稱：自調整現場感知智能料位計的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及物位檢測技術領域，具體涉及一種自調整現場感知智能 料位計。
技術背景
在工農業生產自動化的過程中，物位檢測控制儀表是一個很重要的環節， 目前對儀表性能的要求越來越高，現在控制系統中使用的物位控制儀表(如 電容式、電阻式、電接點、光電式、壓力式、音叉式、超聲波、射線式等) 在使用方面存在不同的局限性。例如射線式物位計對環境有所汙染,電容 式物位計怕容器內物料掛壁，超聲波式物位計對容器內的被測物界面的要求 較高等等……，這些在一定程度上阻礙了儀表的使用與發展。
利用射頻導納技術研製的物位儀表是目前國際上最流行的新型檢測儀 表，國內已有模擬量檢測方式的射頻導納物位檢測儀表，但在應用過程中，
抗物料掛壁能力、靈敏度、防靜電幹擾及參數調整等方面存在一定的欠缺。 利用射頻導納技術、單片機運算處理、自適應控制原理、SMT貼片技術生產、 靜電幹擾線路應用等技術相結合的物位檢測儀表在使用中顯示出了獨特的功 能。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種自調整現場感知智能料位計，以功能線路 板為程序核心，解決了已有技術中現場差異、溫度變化等外界因素影響難以 克服的難題，而且解決了物料掛壁、靜電幹擾對測量結果的影響。
上述的目的通過以下的技術方案實現
自調整現場感知智能料位計,其組成包括殼體，所述的殼體內連接柱 依次連接功能線路板、信號採集電源板和操作板，所述的功能線路板通過同 軸電纜連接穿過殼體的探測極，所述的殼體具有進線孔連接電纜線。
所述的自調整現場感知智能料位計，所述的探測極由主探測極、輔助探測極和付探測極組成，所述的主探測極和輔助探測極具有絕緣層，所述的探
測極為不鏽鋼製成探測極，絕緣保護層為PFA高耐蝕材料製成，所述的殼體 為鑄鋁主機殼體。
本實用新型的有益效果
1. 本實用新型以自適應控制原理為設計思想，採用功能線路板為核心， 不僅解決儀表的免調試問題，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，能夠動態調整工作參數，提高了儀表靈敏度，同時 避免物料掛壁、蓬灰及靜電幹擾對測量結果的影響。
2. 解決了儀表在溫度和安裝環境發生變化對測量結果的影響，採用的
電纜線能夠將探測極保護起來，不受掛料影響，使測量結果更加準確。
3 .本實用新型採用優質不鏽鋼製成探測極，PFA高耐蝕材料製成絕緣 保護層，鑄鋁主機殼體等結構構成，探測極使用環境溫度-25'C-240lC。以功 能線路板包含的單片機為核心處理函數，探測極與主機部分採用一體式連接， 各極之間加抗靜電幹擾電路，使儀表具有一次性參數標定。探測極使用環境 溫度可達260'C等特點。能夠適應惡劣環境如物料掛壁嚴重、有靜電幹擾、溫 度變化較大的密閉容器內的物位檢測，以及火力發電廠的除塵灰鬥、脫硫裝 置，鋼廠的原煤倉、粉煤倉等。


附圖l是本產品的結構示意圖。
附圖2是本實用新型的電路原理圖。
附圖3是常規的物位測量基本原理示意圖。
附圖4是本實用新型物位測量的算法描述圖。
具體實施方式
實施例l:
自調整現場感知智能料位計，其組成包括殼體l，所述的殼體內連接柱 2依次連接功能線路板3、信號採集電源板4和操作板5，所述的功能線路板 通過同軸電纜6連接穿過殼體的探測極7,所述的殼體具有進線孔8連接電纜線9。
所述的操作板、功能線路板、信號採集電源板均採用SMT技術，三者通 過螺栓連接，頻率信號經過信號採集電源板轉換成脈衝信號，脈衝信號送入功 能線路板的CPUC8051F410運算再傳輸到操作板用四位數碼管顯示脈衝數。所 述的功能線路板CPU運算控制部分採用51系列單片機C8051F410,顯示輸出 部分採用ZLG7289做為顯示核心，電源監控部分，採用CAT1023,做為裝置穩 定工作的保護裝置。所述的信號採集，採用集成運算放大器TLV2624為核心元 件構成的振蕩器，所述的電源板包括供電電源，通過交流220V輸入，6V與12V 雙路輸出的變壓器進入裝置，繼電器輸出，通過傳輸電纜接收CPU輸送給 NE555，由NE555來控制繼電器，由繼電器輸出開關量，與控制室相連接，形 成閉環控制。所述的探測極採用一體化接觸設計，探測極採用三電極技術由 主探測極、輔助探測極和付探測極構成，主探測極信號與輔助探測極信號通 過雙路鳳凰端子進入信號採集電源板。
實施例2:
所述的自調整現場感知智能料位計，所述的探測極由主探測極IO、輔助 探測極11和付探測極12組成，所述的主探測極和輔助探測極具有絕緣層13。
所述的主探測極採用一體化不鏽鋼探杆；輔助探測極、付探測極採用不 鏽鋼管；絕緣層由PFA耐高溫、耐蝕材料構成；殼體是由鑄鋁構成；信號由 同軸電纜傳輸到信號採集板，連接柱用於固定功能運算板與信號採集電源板 操作板；進線孔、電纜線將開關量輸出信號送至控制系統。
所述的自調整現場感知智能料位計，以功能線路板所包含的單片機 (C8051F410)為程序核心，以自適應原理進行設計。通過試驗確定合理的分 析方法，使得儀表能夠在初始安裝時自動對環境因素進行判斷分析，無須等 待加入物料即可完成儀表的各項參數設置；通過對測量現場的環境影響進行 分析，建立了自適應控制的數學模型。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，提高了儀表靈敏 度；通過採用TVS瞬態電壓抑制器，使儀表在帶有強靜電的場所中使用時，避 免了靜電對儀表的電子器件的損壞以及對測量結果的影響，提高儀表的使用壽命和可靠性；採用電改寫E2PR0M外存使數據永不丟失，具有數據掉電保護 功能，儀表失電再供電自動轉入測量狀態，提供開關量輸出和RS485串行數 據通訊接口，可實現閉環控制，防物料掛壁、靜電幹擾的影響；以單片機為 核心，採用數字檢測方式，數字標定技術進行一次性參數標定，電改寫E2PR0M 外存，數據永不丟失，提供開關量輸出和RS485串行數據通訊接口，可實現 閉環控制。TLV2624放大線路設計和TVS瞬態電壓抑制器設計解決了物料掛 壁、信號傳輸弱和靜電幹擾對測量結果的影響，使儀表達到耐高溫、耐腐蝕、 防塵、抗掛壁的要求。LED數碼管顯示，提高測量精度，操作簡單，調試直觀 方便。由於該儀表的防掛壁功能以及一體化的設計思想使儀表在測量中不受 物料的密度、顆粒大小、化學成分、沉積粘度和導電特性等參數變化的影響， 可以應用於高溫、高壓及腐蝕性物料檢測場所，可以廣泛地應用於各類倉儲 物料的檢測。 工作原理
自調整現場感知智能料位計安裝通電後，儀表進入工作狀態，振蕩器產 生一個由被測介質導納值決定的固定頻率信號，這個頻率信號的頻率與被測 物導納值成反比，頻率信號經過信號採集板轉換成脈衝信號，脈衝信號送入 功能線路板的CPU C8051F410運算再傳輸到操作板用四位數碼管顯示脈衝 數。當探測極沒有接觸被測物時，振蕩器的頻率信號經過整形送到CPU進行 數據處理後輸出到操作板LED顯示無料值。當探測極接觸物料時，操作板LED 顯示有料數值。這兩值之差就是由被測物導納值改變的頻率變化量，利用操 作板上的調節鍵可以設定一個數值，即輸出開關量的閾值。對應不同的物料 情況HD、 LD顯示準確的狀態，並輸出不同的開關量。
自適應控制原理及算法設計
常規的物位測量基本原理是設定沒有物料時的儀表測量值為x，加入物 料後儀表測量的數值最大變化值為L (對於射頻導納物位計變化後測量值變 小)，則有區分物料的有無的閾值應當設定為x-L/2。見附圖3示意圖。
但對於現場實際的測量中，由於一些非穩定因素的影響(即溫度、溼度 或介電常數等隨時間變化的因素)，x和L並不是一成不變的，而是在一定範圍內波動的。其波動的結果造成測量結果不穩定。
根據試驗，建立附圖4示意的數學模型，進行算法設計 閾值Y跟隨任意計數值X保持固定數值h隨動，即Y:X — h;
當前值>閾值時，設此時狀態為"o",當前值《閾值時，設此時狀態為
"1 ,， ■
依據射頻導納設計原理，測杆周圍如果存在外界物料，頻率會降低，即 顯示計數值會減小。由於物料不同，相應變化最小值無法預計，因而，確定
隨動點只能選擇測杆周圍無物料時環境採樣最大值D為參考點；
取環境採樣最大值D的百分比例數k，得到a-kD，取得區間[C , D],當 且僅當Xe[C, D]時，閾值Y才在[A， B]內進行調整；
閾值Y調整需根據時間進行，設調整時間t，在t定時到，閾值Y進行調
整；
閾值Y調整時，狀態不改變；
設變化量為L,根據"物質不同變化量L不同"的特性，相對於參考點D 來講，得到
a + h《L (1);
數值獲取分析
首先確定h與a大小關係，證明狀態不改變。
h《a,狀態不改變。證明當X, YE[C ， D]且X〉Y時，此時狀態為 "0",隨著物料的增多，X逐漸變小，存在X, YE[C ， D]且X《Y的情況， 此時狀態要改變為"l"。當t定時到，新閾值<當前值<閾值￥，根據描述2 狀態要變為"0"，狀態改變與描述6矛盾，因而①不成立。
h > a,狀態不改變。證明當XE[C ， D]且X二D時，D>Y=B，狀態為 "0",當XE[C ， D]且X二C時，C>Y=A，狀態為"0"。由於h > a， 0D-a 〉0D-h, OB，說明閾值在調整時，隨著當前值的變化，始終保持當前值> 閾值，狀態沒有改變，因而②成立。 綜上得出，h > a (2)。
D值和L值可通過實驗數據得到，從而k值和a值也可得出。所述的操作板構成主要由阻容元件和按鍵構成；操作板功能主要實 現人機互動的功能，由按鍵和指示燈構成。通過按鍵，可對裝置進行閾值設 定，延時時間設定，採樣時間設定。指示燈根據功能線路板中CPU經過運算、 判斷產生的輸出狀態給出相應的亮滅指示，提示目前裝置處於有、無料狀態。
功能線路板主要構成及功能
功能線路板構成
(1) CPU運算控制部分
本部分採用51系列單片機C8051F410，做為運算控制核心，C8051F410 單片機的性價比很高，片內含20KB閃速可編程/擦除存儲器，256BRAM, 32 個I/0口， 3個16位定時/計數器，6個中斷源，兩個優先極結構，可滿足裝 置要求。它主要實現以下功能
1、 為系統測量提供精確的定時器；
2、 通過計數器TO獲取探測器信號，並將其進行數據處理；
3、 控制顯示晶片zlg7289的工作。
4、 實現與面板人機互動功能，進行參數的修改和存儲。
5、 控制繼電器和面板指示燈。
6、 模擬rc接口，控制電源監控保護晶片的工作。
(2) 顯示輸出部分
本部分採用ZLG7289做為顯示核心，實現LED解碼、驅動電路功能，其 接口採用流行的同步串行外設接口，可與任何一種單片機相聯，並可同時驅 動8位LED;晶片顯示功能強大，主要完成脈衝數據顯示和控制指示燈。此芯 片具有高度的穩定性，能夠保障LED數碼管在環境條件惡劣的情況下穩定工 作。
(3)電源監控部分 本部分採用CAT1023，做為裝置穩定工作的保護裝置。在外界環境不穩定 或者靜電幹擾強烈導致儀表出現假死狀態時，此部分的採用主要保障裝置能 夠自行恢復正常工作。另外此晶片具有存儲功能，它也是電擦除可編程串行 存儲器，具有體積小、專用I/O 口少、價格低廉、電路簡單等優點，它支持12C總線數據傳送協議，可編程自定時寫周期；有字節寫入方式和頁寫入方式 兩種；除此之外，此晶片具有噪聲保護施密特觸發輸入技術，保證晶片在極 強的幹擾下數據不丟失。 (4)元器件部分
本部分全部採用符合SMT工藝要求的器件，均為高性能，低溫漂，高品 質阻容元器件，可有效降低元器件的雜散特性，保證了裝置工作的穩定性。 功能線路板功能
本部分作為裝置的核心部分，主要實現了對信號的採集，分析，處理， 輸出控制操作。軟體部分根據智能儀器的設計原則，採用自頂向下的程序設 計思路，模塊化編程和結構化編程相結合的思想，裝置在功能上實現了自診 斷，自修復等一些實用性操作，在自適應控制程序中涵蓋了ROM， RAM,插件， 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，採用算術平均值濾波法，以保證測量 的準確性。量程區域切換的設計，保證了儀表工作時的穩定性。
信號採集及電源板構成及功能
信號採集及電源板構成 ("信號採集
採用集成運算放大器TLV2624為核心元件構成的振蕩器電路。集成運算 放大器TLV2624溫漂較小，其工作溫度是-55。C 125r，電壓溫度漂移5uV/ 'C。傳感器是整個裝置的核心，其性能的好壞直接關係到裝置的測量指標， 探測極對測量影響最大的因素就是溫度和靜電幹擾，阻容元件的選配也是放 大器可靠工作的關鍵。
在探測極採集的信號進入放大器前加裝防靜電線路，即TVS瞬態電壓抑 制器。在帶有強靜電的場所中使用時，如果不採取保護措施就會造成損壞，即 使一般的尖脈衝噪聲的突入，也會引起電子設備及電腦的誤動作，甚至造成 裝置本身的損壞。因此釆用TVS瞬態電壓抑制器，消除雷電幹擾及靜電產生 電壓對測量結果的影響，從而保護電子線路的穩定，提高電子設備的可靠性 和使用壽命，確保裝置的高質量。(2) 供電電源
本部分為裝置提供直流電源支持。外界電源通過1路交流220V輸入，6V 與12V雙路輸出的變壓器進入裝置，輸出的電壓要經過整流，濾波，穩壓後， 通過傳輸電纜輸送供線路板使用線路板能夠正常工作。
(3) 繼電器輸出
通過傳輸電纜接收CPU輸送給NE555，由NE555來控制繼電器，由繼電器 輸出開關量，與控制室相連接，形成閉環控制。 信號採集和電源板主要功能
外界交流電源通過變壓，整流，濾波,穩壓後通過傳輸電纜輸送至線路 板，為儀表提供工作電源支持。通過運算放大器對探測極採集的信號進行振 蕩和放大處理，將處理後的信號逋過傳輸電纜輸送至功能線路板的CPU進行 處理，處理後的信號傳送給NE555進行驅動繼電器的動作信號。
權利要求1.一種自調整現場感知智能料位計，其組成包括殼體，其特徵是所述的殼體內連接柱依次連接功能線路板、信號採集電源板和操作板，所述的功能線路板通過同軸電纜連接穿過殼體的探測極，所述的殼體具有進線孔連接電纜線。
2. 根據權利要求l所述的自調整現場感知智能料位計，其特徵是所述 的探測極由主探測極、輔助探測極和付探測極組成，所述的主探測極和輔助 探測極具有絕緣層，所述的探測極為不鏽鋼製成探測極，絕緣保護層為PFA 高耐蝕材料製成，所述的殼體為鑄鋁主機殼體。
專利摘要自調整現場感知智能料位計，現有控制系統中使用的物位控制儀表，在使用方面存在不同的局限性。本實用新型組成包括殼體(1)，所述的殼體內連接柱(2)依次連接功能線路板(3)、信號採集電源板(4)和操作板(5)，所述的功能線路板通過同軸電纜(6)連接穿過殼體的探測極(7)，所述的殼體具有進線孔(8)連接電纜線(9)。本產品適用於物料掛壁嚴重、有靜電幹擾、溫度變化較大的密閉容器內的物位檢測，如火力發電廠的除塵灰鬥、脫硫裝置，鋼廠的原煤倉、粉煤倉等。
文檔編號G01F23/22GK201373763SQ200920099009
公開日2009年12月30日 申請日期2009年1月22日 優先權日2009年1月22日
發明者李北城, 潘志魁, 羅向東, 趙孝文 申請人:黑龍江省中貝技術有限公司