CN201373763Y - 自调整现场感知智能料位计 - Google Patents

Abstract

自调整现场感知智能料位计，现有控制系统中使用的物位控制仪表，在使用方面存在不同的局限性。本实用新型组成包括：壳体(1)，所述的壳体内连接柱(2)依次连接功能线路板(3)、信号采集电源板(4)和操作板(5)，所述的功能线路板通过同轴电缆(6)连接穿过壳体的探测极(7)，所述的壳体具有进线孔(8)连接电缆线(9)。本产品适用于物料挂壁严重、有静电干扰、温度变化较大的密闭容器内的物位检测，如火力发电厂的除尘灰斗、脱硫装置，钢厂的原煤仓、粉煤仓等。

Description

自调整现场感知智能料位计

技术领域：

本实用新型涉及物位检测技术领域，具体涉及一种自调整现场感知智能料位计。

背景技术：

在工农业生产自动化的过程中，物位检测控制仪表是一个很重要的环节，目前对仪表性能的要求越来越高，现在控制系统中使用的物位控制仪表(如电容式、电阻式、电接点、光电式、压力式、音叉式、超声波、射线式等)在使用方面存在不同的局限性。例如：射线式物位计对环境有所污染，电容式物位计怕容器内物料挂壁，超声波式物位计对容器内的被测物界面的要求较高等等……，这些在一定程度上阻碍了仪表的使用与发展。

利用射频导纳技术研制的物位仪表是目前国际上最流行的新型检测仪表，国内已有模拟量检测方式的射频导纳物位检测仪表，但在应用过程中，抗物料挂壁能力、灵敏度、防静电干扰及参数调整等方面存在一定的欠缺。利用射频导纳技术、单片机运算处理、自适应控制原理、SMT贴片技术生产、静电干扰线路应用等技术相结合的物位检测仪表在使用中显示出了独特的功能。

发明内容：

本实用新型的目的是提供一种自调整现场感知智能料位计，以功能线路板为程序核心，解决了已有技术中现场差异、温度变化等外界因素影响难以克服的难题，而且解决了物料挂壁、静电干扰对测量结果的影响。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

自调整现场感知智能料位计，其组成包括：壳体，所述的壳体内连接柱依次连接功能线路板、信号采集电源板和操作板，所述的功能线路板通过同轴电缆连接穿过壳体的探测极，所述的壳体具有进线孔连接电缆线。

所述的自调整现场感知智能料位计，所述的探测极由主探测极、辅助探测极和付探测极组成，所述的主探测极和辅助探测极具有绝缘层，所述的探测极为不锈钢制成探测极，绝缘保护层为PFA高耐蚀材料制成，所述的壳体为铸铝主机壳体。

本实用新型的有益效果：

1.本实用新型以自适应控制原理为设计思想，采用功能线路板为核心，不仅解决仪表的免调试问题，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，能够动态调整工作参数，提高了仪表灵敏度，同时避免物料挂壁、蓬灰及静电干扰对测量结果的影响。

2.解决了仪表在温度和安装环境发生变化对测量结果的影响，采用的电缆线能够将探测极保护起来，不受挂料影响，使测量结果更加准确。

3.本实用新型采用优质不锈钢制成探测极，PFA高耐蚀材料制成绝缘保护层，铸铝主机壳体等结构构成，探测极使用环境温度-25℃-240℃。以功能线路板包含的单片机为核心处理函数，探测极与主机部分采用一体式连接，各极之间加抗静电干扰电路，使仪表具有一次性参数标定。探测极使用环境温度可达260℃等特点。能够适应恶劣环境如物料挂壁严重、有静电干扰、温度变化较大的密闭容器内的物位检测，以及火力发电厂的除尘灰斗、脱硫装置，钢厂的原煤仓、粉煤仓等。

附图说明：

附图1是本产品的结构示意图。

附图2是本实用新型的电路原理图。

附图3是常规的物位测量基本原理示意图。

附图4是本实用新型物位测量的算法描述图。

具体实施方式：

实施例1：

自调整现场感知智能料位计，其组成包括：壳体1，所述的壳体内连接柱2依次连接功能线路板3、信号采集电源板4和操作板5，所述的功能线路板通过同轴电缆6连接穿过壳体的探测极7，所述的壳体具有进线孔8连接电缆线9。

所述的操作板、功能线路板、信号采集电源板均采用SMT技术，三者通过螺栓连接，频率信号经过信号采集电源板转换成脉冲信号，脉冲信号送入功能线路板的CPUC8051F410运算再传输到操作板用四位数码管显示脉冲数。所述的功能线路板CPU运算控制部分采用51系列单片机C8051F410，显示输出部分采用ZLG7289做为显示核心，电源监控部分，采用CAT1023，做为装置稳定工作的保护装置。所述的信号采集，采用集成运算放大器TLV2624为核心元件构成的振荡器，所述的电源板包括供电电源，通过交流220V输入，6V与12V双路输出的变压器进入装置，继电器输出，通过传输电缆接收CPU输送给NE555，由NE555来控制继电器，由继电器输出开关量，与控制室相连接，形成闭环控制。所述的探测极采用一体化接触设计，探测极采用三电极技术由主探测极、辅助探测极和付探测极构成，主探测极信号与辅助探测极信号通过双路凤凰端子进入信号采集电源板。

实施例2：

所述的自调整现场感知智能料位计，所述的探测极由主探测极10、辅助探测极11和付探测极12组成，所述的主探测极和辅助探测极具有绝缘层13。

所述的主探测极采用一体化不锈钢探杆；辅助探测极、付探测极采用不锈钢管；绝缘层由PFA耐高温、耐蚀材料构成；壳体是由铸铝构成；信号由同轴电缆传输到信号采集板，连接柱用于固定功能运算板与信号采集电源板操作板；进线孔、电缆线将开关量输出信号送至控制系统。

所述的自调整现场感知智能料位计，以功能线路板所包含的单片机(C8051F410)为程序核心，以自适应原理进行设计。通过试验确定合理的分析方法，使得仪表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；通过对测量现场的环境影响进行分析，建立了自适应控制的数学模型。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，提高了仪表灵敏度；通过采用TVS瞬态电压抑制器，使仪表在带有强静电的场所中使用时，避免了静电对仪表的电子器件的损坏以及对测量结果的影响，提高仪表的使用寿命和可靠性；采用电改写E²PROM外存使数据永不丢失，具有数据掉电保护功能，仪表失电再供电自动转入测量状态，提供开关量输出和RS485串行数据通讯接口，可实现闭环控制，防物料挂壁、静电干扰的影响；以单片机为核心，采用数字检测方式，数字标定技术进行一次性参数标定，电改写E²PROM外存，数据永不丢失，提供开关量输出和RS485串行数据通讯接口，可实现闭环控制。TLV2624放大线路设计和TVS瞬态电压抑制器设计解决了物料挂壁、信号传输弱和静电干扰对测量结果的影响，使仪表达到耐高温、耐腐蚀、防尘、抗挂壁的要求。LED数码管显示，提高测量精度，操作简单，调试直观方便。由于该仪表的防挂壁功能以及一体化的设计思想使仪表在测量中不受物料的密度、颗粒大小、化学成分、沉积粘度和导电特性等参数变化的影响，可以应用于高温、高压及腐蚀性物料检测场所，可以广泛地应用于各类仓储物料的检测。

工作原理：

自调整现场感知智能料位计安装通电后，仪表进入工作状态，振荡器产生一个由被测介质导纳值决定的固定频率信号，这个频率信号的频率与被测物导纳值成反比，频率信号经过信号采集板转换成脉冲信号，脉冲信号送入功能线路板的CPU C8051F410运算再传输到操作板用四位数码管显示脉冲数。当探测极没有接触被测物时，振荡器的频率信号经过整形送到CPU进行数据处理后输出到操作板LED显示无料值。当探测极接触物料时，操作板LED显示有料数值。这两值之差就是由被测物导纳值改变的频率变化量，利用操作板上的调节键可以设定一个数值，即输出开关量的阈值。对应不同的物料情况HD、LD显示准确的状态，并输出不同的开关量。

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。见附图3示意图。

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。

根据试验，建立附图4示意的数学模型，进行算法设计：

阈值Y跟随任意计数值X保持固定数值h随动，即Y＝X-h；

当前值＞阈值时，设此时状态为“0”，当前值≤阈值时，设此时状态为“1”；

依据射频导纳设计原理，测杆周围如果存在外界物料，频率会降低，即显示计数值会减小。由于物料不同，相应变化最小值无法预计，因而，确定随动点只能选择测杆周围无物料时环境采样最大值D为参考点；

取环境采样最大值D的百分比例数k，得到a＝kD，取得区间[C，D]，当且仅当X∈[C，D]时，阈值Y才在[A，B]内进行调整；

阈值Y调整需根据时间进行，设调整时间t，在t定时到，阈值Y进行调整；

阈值Y调整时，状态不改变；

设变化量为L，根据“物质不同变化量L不同”的特性，相对于参考点D来讲，得到

a+h≤L    (1)；

数值获取分析：

首先确定h与a大小关系，证明状态不改变。

h≤a，状态不改变。证明：当X，Y∈[C，D]且X＞Y时，此时状态为“0”，随着物料的增多，X逐渐变小，存在X，Y∈[C，D]且X≤Y的情况，此时状态要改变为“1”。当t定时到，新阈值＜当前值＜阈值Y，根据描述2状态要变为“0”，状态改变与描述6矛盾，因而①不成立。

h＞a，状态不改变。证明：当X∈[C，D]且X＝D时，D＞Y＝B，状态为“0”，当X∈[C，D]且X＝C时，C＞Y＝A，状态为“0”。由于h＞a，OD-a＞OD-h，C＞B，说明阈值在调整时，随着当前值的变化，始终保持当前值＞阈值，状态没有改变，因而②成立。

综上得出，h＞a    (2)。

D值和L值可通过实验数据得到，从而k值和a值也可得出。

所述的操作板构成：主要由阻容元件和按键构成；操作板功能：主要实现人机交互的功能，由按键和指示灯构成。通过按键，可对装置进行阈值设定，延时时间设定，采样时间设定。指示灯根据功能线路板中CPU经过运算、判断产生的输出状态给出相应的亮灭指示，提示目前装置处于有、无料状态。

功能线路板主要构成及功能：

功能线路板构成：

(1)CPU运算控制部分

本部分采用51系列单片机C8051F410，做为运算控制核心，C8051F410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，两个优先极结构，可满足装置要求。它主要实现以下功能：

1、为系统测量提供精确的定时器；

2、通过计数器T0获取探测器信号，并将其进行数据处理；

3、控制显示芯片z1g7289的工作。

4、实现与面板人机交互功能，进行参数的修改和存储。

5、控制继电器和面板指示灯。

6、模拟I²C接口，控制电源监控保护芯片的工作。

(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，主要完成脉冲数据显示和控制指示灯。此芯片具有高度的稳定性，能够保障LED数码管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，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。

功能线路板功能：

本部分作为装置的核心部分，主要实现了对信号的采集，分析，处理，输出控制操作。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。

信号采集及电源板构成及功能：

信号采集及电源板构成：

(1)信号采集

采用集成运算放大器TLV2624为核心元件构成的振荡器电路。集成运算放大器TLV2624温漂较小，其工作温度是-55℃～125℃，电压温度漂移5uV/℃。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，探测极对测量影响最大的因素就是温度和静电干扰，阻容元件的选配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静电线路，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，消除雷电干扰及静电产生电压对测量结果的影响，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

本部分为装置提供直流电源支持。外界电源通过1路交流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，滤波，稳压后，通过传输电缆输送供线路板使用线路板能够正常工作。

(3)继电器输出

通过传输电缆接收CPU输送给NE555，由NE555来控制继电器，由继电器输出开关量，与控制室相连接，形成闭环控制。

信号采集和电源板主要功能：

外界交流电源通过变压，整流，滤波，稳压后通过传输电缆输送至线路板，为仪表提供工作电源支持。通过运算放大器对探测极采集的信号进行振荡和放大处理，将处理后的信号通过传输电缆输送至功能线路板的CPU进行处理，处理后的信号传送给NE555进行驱动继电器的动作信号。

Claims (2)

1.一种自调整现场感知智能料位计，其组成包括：壳体，其特征是：所述的壳体内连接柱依次连接功能线路板、信号采集电源板和操作板，所述的功能线路板通过同轴电缆连接穿过壳体的探测极，所述的壳体具有进线孔连接电缆线。

2.根据权利要求1所述的自调整现场感知智能料位计，其特征是：所述的探测极由主探测极、辅助探测极和付探测极组成，所述的主探测极和辅助探测极具有绝缘层，所述的探测极为不锈钢制成探测极，绝缘保护层为PFA高耐蚀材料制成，所述的壳体为铸铝主机壳体。

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