CN106289458B - 一种物位计自动标定装置 - Google Patents

Abstract

针对现有非接触式物位计标定技术自动化程度低且人为误差不可避免的问题，本发明涉及一种物位计标定装置。该装置可实现并行标定和精准标定，通过允许多个载物小车利用不同时间和不同信道收发数据，支持一名标定人员利用一个操作台同时控制多台载物小车；通过光电编码器和光电开关实现双重定位，光电编码器可以精确定位到任意位置，光电开关用于在关键位置检验光电编码器的定位是否正确，双重保证确保标定精准。本发明装置具有结构简单、成本低、定位准确的优势，适合仪器生产厂家及计量单位推广使用。

Description

一种物位计自动标定装置

技术领域

本发明涉及无线通信技术和自动化装置领域，具体地说是一种物位计自动标定装置。

背景技术

物位测量通常指检测工业生产过程中封闭式或敞开式容器中物料(固体或液位)的高度。物位测量包括连续测量和限位测量。其中，如果是连续检测物料的高度，称为连续测量；如果只对物料高度是否到达某一位置进行测量，称为限位测量。完成物位测量任务的仪表称为物位计。根据测量原理，常用的物位计包括静压型物位计、超声波物位计、雷达物位计、电容式物位计四类。每个物位计在出厂前都要进行校正和标定，以保证物位计计量的准确性。

本发明是针对超声波物位计和雷达物位计这两类非接触式物位计而设计的。现有非接触式物位计的标定原理为：车间内安置一面反射面，将需要校正和标定的物位计放入一台载物小车，人工推动小车到固定位置，对比物位计读数和实际位置，手工记录数值并计算出误差，通过多个位置测试后，评定待测物位计是否符合标准。整个过程全部由手工完成，一方面，自动化程度低，浪费人力，导致生产效率低；另一方面，人为因素导致的运动误差和计数误差无法克服，影响对物位计实际误差的标定。

发明内容

针对现有非接触式物位计标定技术自动化程度低且人为误差不可避免的问题，本发明提供了一种物位计自动标定装置。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种物位计自动标定装置，包括：

一个或多个载物小车，每个载物小车包括车轮、车架及车架上搭载的主控制电路、电机控制电路、无线通信模块、动力蓄电池、车轮驱动系统、车轮光电编码器和定位光电开关，用于搭载待测物位计，根据操作台发出的指令执行前进/后退，并对自身位置进行定位，将自身位置信息及待测物位计的读数发送给操作台；

操作台，用于向载物小车发送指令，并接收载物小车的位置信息及待测物位计的读数，进而测量待测物位计的精准度。

所述主控制电路由CPU及其附属工作电路构成，用于控制载物小车的运动和采集待测物位计的读数，并根据车轮光电编码器测得的车轮运转角度，计算载物小车的运行距离，通过无线通信模块将其发送给操作台；判断计算出的载物小车的运行距离与定位光电开关得到的位置信息是否相符。

所述电机控制电路接收主控制电路的控制信号，将其转化成车轮驱动系统的驱动信号，输出驱动电流到车轮驱动系统，控制车轮驱动系统的运行。

所述车轮驱动系统包括步进电机、齿轮减速器及传动装置，连接电机控制电路，用于在电机控制电路的控制下将电机动力传递到车轮，驱动载物小车前进/后退。

所述车轮光电编码器为增量型编码器，安装于车轮驱动系统上随车轮一同转动，输出信号连接到主控制电路，用于实时采集车轮运转角度。

所述定位光电开关为槽式光耦，安装在车架上，输出信号连接到主控制电路，用于确定载物小车的初始位置和预先确立的关键位置，每个关键位置上安放一个金属码片，当载物小车运行到某一位置时，不同位置的金属码片对光电开关形成不同的开闭状态，通过读取光电开关的状态得到载物小车的真实位置。

所述无线通信模块连接主控制电路，用于与所述操作台无线通信。

所述操作台包括主机和第二无线通信模块，所述第二无线通信模块用于与所述载物小车的无线通信模块通信；所述主机连接所述第二无线通信模块，用于向所述载物小车发送运动指令，接收载物小车发送的载物小车的运行距离和物位计检测读数，并根据载物小车的运行距离和物位计读数计算物位计测量误差，判定物位计测量精准度是否符合要求。

本发明具有以下优点及有益效果：

(1)并行标定：融入了无线传感器网络的TDMA技术，通过允许多个载物小车利用不同时间和不同信道收发数据，支持一名标定人员利用一个操作台同时控制多台载物小车。

(2)精准标定：通过光电编码器和光电开关实现双重定位，光电编码器可以精确定位到任意位置，光电开关用于在关键位置检验光电编码器的定位是否正确，双重保证确保标定精准。

(3)本发明具有结构简单、成本低、定位准确的优势，适合仪器生产厂家及计量单位推广使用

附图说明

图1是本发明装置整体结构框图；

图2是本发明重要位置的码片结构图；

图3是本发明操作台软件的参考界面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明装置包括载物小车和操作台两部分，整体结构如图1所示。载物小车能够按指令自动前进、后退，并对自身位置进行准确定位。载物小车上包括八个组件：金属车架、主控制电路、电机控制电路、无线通信模块、动力蓄电池、车轮驱动系统、车轮光电编码器以及定位光电开关。金属车架是小车的骨架，用于支撑其他部件；主控制电路是小车的大脑，由CPU及其附属工作电路构成，控制小车运行并采集物位计读数；电机控制电路接收主控制电路的控制信号，转化成电机的驱动信号，控制电机运行；无线模块是无线通信的载体，实现有线接口到无线收发的转换；动力蓄电池是整个小车的动力来源，给各个控制电路和电机供电；车轮驱动系统是一组减速传动装置，实现电机动力到车轮运行的动力传递；车轮光电编码器及定位光电开关实现车身精确定位。操作台上面主要运行操作软件，是供标定人员操作使用的人机交互界面。

主控制电路是下位机(单片机)，完成的计算是简单的累计光电编码器的脉冲，算出小车走出去多远，之后把离开初始位置的距离发送回去；同时，根据定位光电开关的定位测量判断通过车轮光电编码器计算出的载物小车的运行距离是否可以作为实际距离，如果可以，则将通过车轮光电编码器计算出的载物小车的运行距离作为实际距离发送给操作台，以便操作台计算物位计的精准度；否则检查自动标定装置是否有损坏。操作台是上位机(PC机)，是根据主控制电路发回来的小车的位置和物位计检测读数两个值做对比计算，判定物位计读出来的数是不是准确的(通过预设阈值判定)，因为小车的实际位置是通过光电编码器和光电开关两重保障保证精确，如果两者的差异达到一定程度，就可以判定物位计测量的不准确了。

载物小车与操作台通过无线方式收发指令，传递测量结果。同一个车间内的一个操作台可以控制多个载物小车并行工作，各载物小车通过分时或信道切换技术避免冲突。

本发明方案具有通用性，可根据实际应用环境选择不同硬件组件。此处给出典型的选型案例：

(1)金属车架：根据实际需要确定尺寸，考虑到整体装置以电池供电，车架采用重量轻、强度高的铝合金材料，而车轮及轨道磨损较大，采用钢质材料。

(2)主控制电路：由CPU及其外围工作电路构成；从成本和功耗的角度考虑，CPU选用高性能、低功耗ARM内核CPU。

(3)无线模块：根据需要可选取低端的433MHz模块或者高端2.4GHz无线模块，方便支持多信道技术。

(4)车轮驱动系统：包括步进电机、齿轮减速器及传动装置，负责将电机动力传递到车轮，驱动载物小车前进、后退。

(5)电机控制电路：是与步进电机配套的驱动和保护电路，负责将主控制器CPU发出的控制信号转化为电机的驱动信号。

(6)动力蓄电池：采用容量大、重量轻的锂电池，选用技术成熟又方便采购和更换的锂电池较为合适，如天能36V/10Ah锂电池。

(7)车轮光电编码器：选用增量型编码器，如长春倍信LEC-D6-100BM-G24F，每转1024脉冲，半径10厘米的车轮，折合每个脉冲对应运行0.3mm，足以满足标定精度要求。

(8)定位光电开关：可选用常用的槽式光耦，如ITR9803，体积小成本低。

本发明装置利用光电开关和光电编码器保证定位的精准性。车轮上安装光电编码器，实时采集车轮运转角度；主控制电路根据车轮运转角度，计算小车运行距离。车架上安装一组光电开关，用于确定初始位置和其他按照实际需要事先确立的关键位置。每个关键位置上安放一个金属码片，当小车运行到该位置时，不同位置的金属码片对光电开关形成不同的开闭状态；通过读取光电开关的状态，可判断光电编码器计算的位置是否与真实位置符合。基于上述原理，光电编码器和光电开关实现双重定位，保证物位计的精准定位。

光电开关个数根据标定精度确定。为了避免重码引起误操作发生，本发明增加边缘两个光电开关。只有当整个码片全部进入到光电开关检测范围内，边缘光电开关被挡住时，读取的状态才有效。此外，所有光电开关全部被挡住的状态不能精确定位，属于无效状态。由于有这两方面的要求，当有三个位置需要精准定位时，共需要四个光电开关。码片形状及光电开关安放位置如图2所示。如果再增加一个光电开关，可以精准定位七个位置。

操作台界面包括手动调试和自动标定两项功能。手动调试用于设备安装初期调试，或者设备运转一段时间以后，存在误差或故障时重新调试使用；自动标定用于正常工作时使用，操作简便、灵活，结果显示直观。操作台参考界面如图3所示，上方是手动调试界面，下方是自动标定界面。

对操作台界面的操作示例如下。

(1)设备安装并调试完毕后，点击“回初始位置”，此时载物小车无论在哪个位置，均返回初始位置。如果载物小车在初始位置，则向靠近反射面方向先运行一小段后，再重新回到初始位置，如果载物小车在其他位置，小车向反射面方向运行并越过初始位置后再向前一段距离，之后改变方向重新回到初始位置，这样做的目的是消除传动装置的间隙空程(所谓间隙空程是指因柔轮与刚轮的齿隙和其他构件内的间隙所引起的空程)，减小测试误差。回到初始位置后光电开关的状态是：光电开关1、2、4关闭，3打开，光电编码器计数置零。

(2)点击“到中间位置”，小车向远离反射面的方向，主控制电路按最大距离(系统设计时确定)的一半给步进电机发脉冲，并同时检测光电编码器的计数脉冲。当光电编码器脉冲达到要求后停止，之后再检测光电开光的状态是否是1、3、4关闭，2打开。如果光电开光状态不正确则给出告警，那么是载物小车或者操作界面出现问题，需重新调试和确定参数。

(3)点击“到最大位置”，载物小车运行到最大位置，同时检测光电编码器计数脉冲和光电开光状态，当光电编码器脉冲达到要求后停止，之后再检测光电开光的状态是否是1、4关闭，2、3打开。如果光电开光状态不正确则给出告警，那么是载物小车或者操作界面出现问题，需重新调试和确定参数。

(4)点击“到给定位置”前，需在对话框先手动填入距离值(以毫米为单位)。如果不是预先设定的关键位置，则只检测光电编码器计数脉冲，不检测光电开关(只有关键位置安装码片，非关键位置光电开关全打开没有意义)。

(5)使用自动标定前，需要先手动设定测试点数和允许误差；设定完毕后，在载物小车上放入待标定物位计，连接好电源线和数据线，点击“自动标定”，载物小车开始运行。按之前手动设定点数将初始位置和最大距离间均分(假设测定N个点，N要求为奇数，将全部行程距离N-1均分)，采集载物小车在这些位置的数据，并发送到操作台保存。其中，初始位置、中间位置和最大位置为必测点。采集完成后，操作台计算出最大实测误差，并显示初始位置、中间位置和最大位置的详细测试数据。如果符合预期要求，则“标定结果”显示“本次测试选取测试点XX次，最大误差XX％，平均误差XX％，测试通过。”；不符合则显示“本次测试选取测试点XX次，最大误差XX％，平均误差XX％，最大误差超标，测试不通过”。

Claims (6)

1.一种物位计自动标定装置，其特征在于，包括：

一个或多个载物小车，每个载物小车包括车轮、车架及车架上搭载的主控制电路、电机控制电路、无线通信模块、动力蓄电池、车轮驱动系统、车轮光电编码器和定位光电开关，用于搭载待测物位计，根据操作台发出的指令执行前进/后退，并对自身位置进行定位，将自身位置信息及待测物位计的读数发送给操作台；所述车轮光电编码器为增量型编码器，安装于车轮驱动系统上随车轮一同转动，输出信号连接到主控制电路，用于实时采集车轮运转角度；所述定位光电开关为若干个槽式光耦，分别安装在车架上，输出信号连接到主控制电路，用于确定载物小车的初始位置和预先确立的关键位置，每个关键位置上安放一个带有多个开孔且开孔位置不同的金属码片，当载物小车运行到某一位置时，车架上的若干个光电开关与当前位置的金属码片上的多个开孔相互配合，通过读取当前位置的若干个光电开关在同一时刻的开闭状态唯一确定载物小车的精确位置；

操作台，用于向载物小车发送指令，并接收载物小车的位置信息及待测物位计的读数，进而测量待测物位计的精准度。

2.根据权利要求1所述的一种物位计自动标定装置，其特征在于，所述主控制电路由CPU及其附属工作电路构成，用于控制载物小车的运动和采集待测物位计的读数，并根据车轮光电编码器测得的车轮运转角度，计算载物小车的运行距离，通过无线通信模块将其发送给操作台；判断计算出的载物小车的运行距离与定位光电开关得到的位置信息是否相符。

3.根据权利要求1所述的一种物位计自动标定装置，其特征在于，所述电机控制电路接收主控制电路的控制信号，将其转化成车轮驱动系统的驱动信号，输出驱动电流到车轮驱动系统，控制车轮驱动系统的运行。

4.根据权利要求1所述的一种物位计自动标定装置，其特征在于，所述车轮驱动系统包括步进电机、齿轮减速器及传动装置，连接电机控制电路，用于在电机控制电路的控制下将电机动力传递到车轮，驱动载物小车前进/后退。

5.根据权利要求1所述的一种物位计自动标定装置，其特征在于，所述无线通信模块连接主控制电路，用于与所述操作台无线通信。

6.根据权利要求1所述的一种物位计自动标定装置，其特征在于，所述操作台包括主机和第二无线通信模块，所述第二无线通信模块用于与所述载物小车的无线通信模块通信；所述主机连接所述第二无线通信模块，用于向所述载物小车发送运动指令，接收载物小车发送的载物小车的运行距离和物位计检测读数，并根据载物小车的运行距离和物位计读数计算物位计测量误差，判定物位计测量精准度是否符合要求。