CN101126657A - 具有自适应调整系统的射频导纳探测装置 - Google Patents

Abstract

具有自适应调整系统的射频导纳探测装置。射频导纳物位计是目前接触式物位监测仪表中最为先进的，但是在安装使用中，具体环境因素影响都是在安装时所难于预计的。本发明的组成包括：外壳(1)，与外壳相连的探测极(13)，所述的外壳(1)内有三层线路板A板(2)、B板(3)和C板(4)，所述的三层线路板通过连接件(6)连接，三层电路板之间有传输信号的传输电缆(11)，所述的C板(4)通过导线(12)与所述的探测极(13)连接，所述的C板(4)上连接凤凰端子(5)。本装置适用于物料挂壁严重、静电放电干扰强、温度漂移较大的密闭容器内之物位检测。

Description

具有自适应调整系统的射频导纳探测装置

技术领域：

本发明涉及一种射频导纳物位计，具体涉及具有自适应调整系统的射频导纳探测装置。

背景技术：

射频导纳物位计是目前接触式物位监测仪表中最为先进的，但是在安装使用中，还存在一些不足，具体因素影响有以下几点：

1.应用现场差异的影响大。由于这种物位仪表一般安装于密闭容器中，如电厂的除尘灰斗、仓式泵等，大家知道，射频导纳式物位仪表都是根据物料空满时环境阻容变化来判断物位，不同的安装现场环境千差万别，被测物料的介电常数不同、形状不均匀性，对仪表影响都很大；

2.温度变化的影响大。物位计安装时都是常温，投入使用后环境温度的变化也会引起测量误差；

3.现场调试难度大。随着时间的变化，监测点附近的物料挂壁也越来越多，原先安装时设定的仪表参数在设备正常运行一段时间后，必须加以调整，否则仪表的灵敏度将变差。电厂的灰斗料位点安装位置都很高，一般都有4、5米，调试人员很难到达，可是仪表参数调整必须在安装位置在线调整，所以调试工作难度相当大。

以上问题都是在安装时所难于解决的，目前国内射频导纳物位监测仪表都没有在这些方面予以考虑。本装置针对这些问题，重点进行了研究。

发明内容：

本发明的目的是提供一种仪表免调试，通过试验确定合理的分析方法，使得装置能够在初始安装时自动对环境因素进行判断分析的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，其组成包括：外壳，与外壳相连的探测极，所述的外壳内有三层线路板A板、B板和C板，所述的三层线路板通过连接件连接，三层电路板之间有传输信号的传输电缆，所述的C板通过导线与所述的探测极连接，所述的C板上连接凤凰端子。

上述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，所述的探测级由主探测极、辅助探测极、屏蔽地和绝缘层构成。

上述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，所述的A板由阻容元件和按键构成。

上述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，所述的B板的组成包括：自适应控制部分；显示输出部分；电源监控部分；元器件部分。

上述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，所述的自适应控制部分采用51系列单片机89C55WD做为运算控制核心。

上述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，所述的显示输出部分采用ZLG7289型显示芯片做为显示核心。

上述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，所述的电源监控部分采用CAT1023芯片做为装置稳定工作的保护装置。

上述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，所述的元器件部分采用符合SMT即表面组装技术工艺要求的器件。

上述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，所述的C板包括：信号采集；供电电源；继电器输出。

上述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，所述的信号采集采用集成运算放大器LM124为核心元件构成的振荡器电路。

这个技术方案有以下有益效果：

1.本发明产品，解决了仪表的免调试问题，通过试验确定合理的分析方法，使得装置能够在初始安装时自动对环境因素进行判断分析，无须等待加入物料即可完成仪表的各项参数设置，装置运行一段时间后，可自行动态调整运行参数，大大减轻了日后调试人员现场调试的难度，装置采用智能分析方法，自动适应现场环境变化，动态调整工作参数，免人工调试，并能进行自我诊断和修复，从而有效消除环境变化引起的测量误差，运用SMT技术，加强了装置的稳定性和探测灵敏度。适用于物料挂壁严重、静电放电干扰强、温度漂移较大的密闭容器内之物位检测，如火力发电厂的除尘灰斗、煤粉仓等。

2.本发明装置，可以解决应用现场差异问题。根据自适应控制的数学模型研制了以单片机为主控的硬件电路，并设计相应的应用软件。通过对不同测量现场的环境影响进行分析，从而有效消除环境变化引起的测量误差，尤其是长时间测量中积累的误差，动态调整工作参数，增强了装置的现场通用性。

3.本发明装置，可以解决温度变化大问题。装置采用工业级微处理器为主控，元器件均满足SMT工艺要求，均为高性能，低温漂，高品质阻容元器件，可有效降低元器件的杂散特性，保证了装置工作的稳定性。探测换能元件与信号分析处理及控制线路结合为一体的形式，并在抗干扰及稳定性等方面进行特定设计，提高了装置灵敏度，降低了环境变化的影响。

4.本发明产品，其组成中A板主要实现人机交互的功能，由按键和指示灯构成，通过按键，可对装置进行简单的操作，可察看设定基值，修改动作延迟时间，指示灯根据B板的输出状态指示，给出相应的“亮，灭”指示，提示装置目前处于何种状态。

5.本发明产品，其结构中B板构成：(1)自适应控制部分，本部分采用51系列单片机89C55WD，作为运算控制核心，89C55WD单片机的性价比很高，片内含20KB闪速可编程/擦除存储器，256BRAM，32个I/O口，3个16位定时/计数器，6个中断源，两个优先级结构，可满足装置要求，它主要具有以下功能：

a、为系统测量提供精确的定时器；

b、通过计数器T0获取探测器信号，并对其进行数据处理；

c、控制显示芯片ZLG7289的工作。

d、提供按键功能，可进行数据修改和存储。

e、输出继电器和指示灯控制信号。

f、模拟I²C接口，控制电源监控保护芯片的工作。

本部分加入了自适应控制算法，在逻辑上和测量上提供了软件保障。

(2)显示输出部分

本部分采用ZLG7289，作为显示核心，实现LED译码、驱动电路功能，其接口采用流行的同步串行外设接口，可与任何一种单片机相联，并可同时驱动8位LED；芯片显示功能强大，主要完成数据显示和A板指示灯的报警。此芯片具有高度的稳定性，能够保障在环境条件恶劣的情况下稳定工作；

(3)电源监控部分

本部分采用CAT1023，做为装置稳定工作的保护装置，在外界环境不稳定或者静电干扰强烈导致仪表出现假死状态时，此部分的采用主要保障装置能够自行恢复正常工作。另外此芯片具有存储功能，它也是电擦除可编程串行存储器，具有体积小、专用I/O口少、价格低廉、电路简单等优点，它支持I²C总线数据传送协议，可编程自定时写周期；有字节写入方式和页写入方式两种；除此之外，此芯片具有噪声保护施密特触发输入技术，保证芯片在极强的干扰下数据不丢失；

(4)元器件部分

本部分全部采用符合SMT工艺要求的器件，为高性能，低温漂，高品质阻容元器件，可有效降低元器件的杂散特性，保证了装置工作的稳定性。

B板功能：本部分为装置的核心部分，主要实现了对信号的采集，分析，处理，输出操作，软件部分根据智能仪器的设计原则，采用自顶向下的程序设计思路，模块化编程和结构化编程相结合的思想，装置在功能上实现了自诊断，自修复等一些实用性操作，在自适应控制程序中涵盖了ROM，RAM，插件，开机，总线，输入通道，键控自检以及周期性自检等多方面的检测，保证了仪表的可靠性使用，在数据处理方面，采用算术平均值滤波法，以保证测量的准确性。量程区域切换的设计，保证了仪表工作时的稳定性。

6.本发明产品，其结构中C板构成有信号采集，采用集成运算放大器LM124为核心元件构成的振荡器电路，集成运算放大器LM124温漂较小，其工作温度是-55℃～125℃，电压温度漂移7uV/℃，传感器是整个装置的核心，其性能的好坏直接关系到装置的测量指标，这里对测量影响最大的因素就是温度，另外选择匹配的阻容元件也是放大器可靠工作的关键；

在探测极采集的信号进入放大器前加装防雷击装置，即TVS瞬态电压抑制器，在带有强静电的场所中使用时，如果不采取保护措施就会造成损坏，即使一般的尖脉冲噪声的突入，也会引起电子设备及电脑的误动作，甚至造成装置本身的损坏，因此采用TVS瞬态电压抑制器，消除雷电干扰及防止静电的产生，从而保护电子线路的稳定，提高电子设备的可靠性和使用寿命，确保装置的高质量。

附图说明：

附图1是常规的物位测量基本原理的示意图；

附图2是本发明装置工作过程中自适应控制原理算法设计示意图；

附图3是本产品的结构示意图；

附图4是本产品的外壳的剖面图结构示意图；

附图5是本产品探测极A-A向剖视图；

附图6是本产品探测极的剖视图。

本发明的具体实施方式：

实施例1：

具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，其组成包括：外壳1，与外壳相连的探测极13，所述的外壳1内有三层线路板A板2、B板3和C板4，所述的三层线路板通过连接件6连接，三层电路板之间有传输信号的传输电缆11，所述的C板4通过导线12与所述的探测极13连接，所述的C板4上连接凤凰端子5，主探测极信号与辅助探测极信号通过双路凤凰端子进入C板。

其组成中A板主要实现人机交互的功能，由按键和指示灯构成，通过按键，可对装置进行简单的操作，可察看设定基值，修改动作延迟时间，指示灯根据B板的输出状态指示，给出相应的“亮，灭”指示，提示装置目前处于何种状态；

B板构成：(1)自适应控制部分，本部分采用51系列单片机89C55WD，做为运算控制核心，89C55WD单片机的性价比很高，片内含20KB闪速可编程/擦除存储器，256BRAM，32个I/O口，3个16位定时/计数器，6个中断源，两个优先级结构，可满足装置要求，本部分加入了自适应控制算法，在逻辑上和测量上提供了软件保障；

(2)显示输出部分

本部分采用ZLG7289，做为显示核心，实现LED译码、驱动电路功能，其接口采用流行的同步串行外设接口，可与任何一种单片机相联，并可同时驱动8位LED；芯片显示功能强大，主要完成数据显示和A板指示灯的报警。此芯片具有高度的稳定性，能够保障在环境条件恶劣的情况下稳定工作；

(3)电源监控部分

本部分采用CAT1023，做为装置稳定工作的保护装置，在外界环境不稳定或者静电干扰强烈导致仪表出现假死状态时，此部分的采用主要保障装置能够自行恢复正常工作；

(4)元器件部分

本部分全部采用符合SMT工艺要求的器件，为高性能，低温漂，高品质阻容元器件，可有效降低元器件的杂散特性，保证了装置工作的稳定性。

B板功能：本部分为装置的核心部分，主要实现了对信号的采集，分析，处理，输出操作。软件部分根据智能仪器的设计原则，采用自顶向下的程序设计思路，模块化编程和结构化编程相结合的思想，装置在功能上实现了自诊断，自修复等一些实用性操作，在自适应控制程序中涵盖了ROM，RAM，插件，开机，总线，输入通道，键控自检以及周期性自检等多方面的检测，保证了仪表的可靠性使用。在数据处理方面，采用算术平均值滤波法，以保证测量的准确性。量程区域切换的设计，保证了仪表工作时的稳定性。

C板构成：(1)有信号采集，采用集成运算放大器LM124为核心元件构成的振荡器电路，集成运算放大器LM124温漂较小，其工作温度是-55℃～125℃，电压温度漂移7uV/℃。传感器是整个装置的核心，其性能的好坏直接关系到装置的测量指标，这里对测量影响最大的因素就是温度，另外选择匹配的阻容元件也是放大器可靠工作的关键；采用TVS瞬态电压抑制器，消除雷电干扰及防止静电的产生，从而保护电子线路的稳定，提高电子设备的可靠性和使用寿命，确保装置的高质量；

(2)供电电源，本部分为装置提供电源支持，外界电源通过1路220V输入，6V与12V双路输出的变压器进入装置，输出的电压要经过整流，稳压，滤波后，通过传输电缆输送至A板和B板，以保证A板和B板能够正常工作；

(3)继电器输出，通过传输电缆接收B板输送来的状态指示，由本部分给出相应的输出动作信号。

实施例2：

实施例1所述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，装置接通电源后即可工作，无需人工调试参数，首先，装置要经过2分钟的预热，此阶段装置对环境产生的各种杂散因素做出适应性调整，并根据调整的结果，计算出符合当前环境的参数值，此参数值作为装置的基值，测量时都要以基值作为参考点判断，C板上运算放大器采集来的信号经过控制程序分析处理，与基值比较判断后，B板输出状态指示至C板，C板给出相应继电器动作信号，同时B板也输送状态指示至A板，A板提供指示灯对应相应输出状态；

装置可实现四部分基本功能，运行，参数设置，检测，复位。

(1)运行功能

当波段开关置位于此状态时，装置主要实现参数采集、测量、监控、信号输出功能。通电开机后，装置首先要进行自检，包括ROM、RAM、插件、开机、总线、输入通道、键控自检方面的检查，其中如果某一检测项出现问题，装置会针对具体现象给出字符提示和声音报警，提示使用者被检测项出现问题，需要及时断电处理解决。

装置正常运行后，采集来的探测信号以秒中断的方式通过运算放大器进入单片机的T0计数器中，计数器不断进行累加计算，取算术平均值，结果作为此周期内测量的信号，计算结果与判断基值进行比较，给出继电器输出状态指示，大于判断基值，输出“空”指示，小于判断基值，输出“满”指示。为确保测量的稳定性，当信号的幅度或者频率超出T0计数器的工作范围时，装置将会自行判断信号的合理性，符合条件的信号才可被装置正确识别，不符合条件的信号会被认定当前周期内信号无效而重新进行采样，当错误信号次数达到预定值，装置会产生报警信号，提示使用者注意。

采样信号符合要求时，单片机对采集来的信号进行分析处理，当此信号满足自适应控制要求的条件时，判断基值改变，进行自适应控制调整，反之，当信号不符合条件时，则不进行自适应控制调整。此时，不影响单片机对原有输出状态的指示，即继电器保持原有动作信号，状态不改变。

在输出继电器状态完成后进入自检程序，对上次测量的结果和判断基值进行常规合理性检查，对总线、ROM、RAM、插件进行周期性自检，巡检时间大概在1秒左右，自检完毕后，恢复测量采样工作。

(2)参数设置功能

此部分功能只能在装置处于运行功能时操作。预设增加键，减少键，移位键，确定键四个功能按键。通过参数设置功能，使用者可进行继电器延迟动作时间的设定，0-200秒可调，按住确定键三秒钟后，进入参数设置功能，通过菜单提示，可进入具体参数调整。移位键功能为不同数位之间的切换操作，增加键和减少键可控制改变某个数位数值。当修改后的数值不符合设定要求时，本次设置无效，该项参数设置完毕后恢复为上次正常状态时所设数值。

(3)检测功能

当波段开关置位于此状态时，装置主要实现ROM，RAM，插件，开机，总线，输入通道，键控自检功能。检测完毕后，如某项出现问题会给出字符提示和声音报警，提示使用者被检测项出现问题，需要及时断电处理解决。

(4)复位功能

当波段开关置位于此状态时，装置主要实现恢复参数出厂设置功能，即所有参数值均为默认初始值。

实施例3：

实施例1或2所述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，其工作过程中自适应控制原理及算法设计：

常规的物位测量基本原理是：设定没有物料时的仪表测量值为x，加入物料后仪表测量的数值最大变化值为L(对于射频导纳物位计变化后测量值变小)，则有区分物料的有无的阈值应当设定为x-L/2。见图1

但对于现场实际的测量中，由于一些非稳定因素的影响(即温度、湿度或介电常数等随时间变化的因素)，x和L并不是一成不变的，而是在一定范围内波动的。其波动的结果造成测量结果不稳定。

Claims (10)

1.一种具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，其组成包括：外壳，与外壳相连的探测极，其特征是：所述的外壳内有三层线路板A板、B板和C板，所述的三层线路板通过连接件连接，三层电路板之间有传输信号的传输电缆，所述的C板通过导线与所述的探测极连接，所述的C板上连接凤凰端子。

2.根据权力要求1所述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，其特征是：所述的探测极由主探测极、辅助探测极、屏蔽地和绝缘层构成。

3.根据权力要求1或2所述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，其特征是：所述的A板由阻容元件和按键构成。

4.根据权力要求1所述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，其特征是：所述的B板的组成包括：自适应控制部分；显示输出部分；电源监控部分；元器件部分。

5.根据权力要求4所述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，其特征是：所述的自适应控制部分采用51系列单片机89C55WD做为运算控制核心。

6.根据权力要求4或5所述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，其特征是：所述的显示输出部分采用ZLG7289型显示芯片做为显示核心。

7.根据权力要求4或5所述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，其特征是：所述的电源监控部分采用CAT1023芯片做为装置稳定工作的保护装置。

8.根据权力要求4或5所述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，其特征是：所述的元器件部分采用符合SMT即表面组装技术工艺要求的器件。

9.根据权力要求1所述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，其特征是：所述的C板包括：信号采集；供电电源；继电器输出。

10.根据权力要求9所述的具有自适应调整系统的射频导纳探测装置，其特征是：所述的信号采集采用集成运算放大器LM124为核心元件构成的振荡器电路。

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