CN87101629A - 料位智能测量及控制系统 - Google Patents

Abstract

一种新型的料位(如煤位)智能测量及控制系统，它是采用超声调制方法来实现的，是由主机、接收信号放大器、超声换能器等组成。这种智能测量及控制系统，能克服料位(如煤位)表面非规则的影响，具有连续测量和连续显示被测料位(如煤位)的深度，测量准确，基本无测量死区，测量可靠性高，抗干扰能力强等特点。并具有判别、检查、改正测量错误的功能和可编程的控制能力。整个系统完全是模块化结构，在煤炭工业、化学工业、造纸工业等领域将能获得广泛应用。

Description

本发明是属于料位（如煤位）智能测量技术领域

料位的测量，尤其是煤仓煤位的测量一直是国内外煤炭工业自动化的一个薄弱环节，是多年来一直希望解决而未能彻底解决的难点，准确地测量煤位是实现煤仓管理和和运输系统自动化的必要前提。目前，国内外所用的煤位计可分为两类，一类是非连续测量式煤位计，但这一类测量方法除不准确外，还很不可靠;另一类是连续测量式煤位计，主要是采用单脉冲超声反射法（西德），雷达法（英国）和重锤法（中国）。重锤法因常常出现煤压重锤事故而不能正常使用，雷达法则因设备复杂、价格昂贵而用户甚少，使用单脉冲超声反射法则因死区大，可靠性差而受歧视。以上各类煤位计都未能克服因煤位的非规则表面而引起的准确性差的问题。

本发明的目的就是为了解决能对非规则表面的料位（如煤位）进行连续准确的测量问题，实现基本无死区，测量可靠性高。提高了采用超声调制方法对料位（如煤位）的测量，提供一种新型的料位（如煤位）智能测量及控制系统。这种新型的测量方法和智能测量及控制系统在国内外从未发表过，也没公知公用过。

众所周知，声波实质上是传声媒质（气体、液体、固体）质点所产生一系列力学振动过程，然而超声波却具有一些其他声波（如次声波等）所不具备的一些特性，其中很重要的一点是方向性，声学理论告诉我们，一个活塞式声源的指向特征可由以下方向函数来描绘，D（Q）＝ $｜\frac{{\mathrm{2J}}_1\mathrm{(ka\; sin\; Q)}}{\mathrm{ka\; sin\; Q}}｜$ 这里J₁为一阶贝塞尔函数，K＝2π/λ，λ为波长，a为活塞式超声发射器的半径，θ为超声发射角度。如果我们用矢量来表示声压，矢量的一端固定在发射器上，矢量的另一端的轨迹就给出了超声场的指向性园。在发射器半径一定的条件下，超声频率越高，方向性越强。在超声应用中，通常是用一定幅度的正弦波去驱动压电陶瓷等超声换能器来发射超声，这样由于频率是固定的，其超声发射角θ也就为固定。

本发明的超声调制方法是利用超声具有方向性这一特点，用频谱在一定的频宽近乎是均匀分布的伪随机二进制序列（PRBS）信号去调制频率f_c的方波信号，其复合频谱A（f）＝ (A_oT)/(2π) = (sinπT(f-f_c))/(πT(f-f_c)) 很明显，它不仅含有载频f_c，而且还有许多其他更高、更低的频率成份。若用这样的信号去驱动压电陶瓷，则所发生的超声对于不同的频率成份信号具有不同的发射角θ。由于PRBS是一串有不同周期T的随机脉冲序列，所以用由微机控制的PRBS信号去调制频率为fc的信号，再驱动超声换能器，其结果必然使所发射出的超声在整个测量时间内，超声发射角在较大范围内随机变化着，因此，这样的超声可以复盖料位（如煤位）所有不同的非规则表面，从而克服了由不规则表面而引起的测量误差。然后再用接收超声换能器将从不同的料位（如煤位）的非规则表面反射回来的超声接收变换成电信号。且进行放大、滤波、检波和整形，再经数字采样送入微机，进行高速数字相关信号处理，求出超声换能器探头到料位（如煤位）的距离，最终得到料位（如煤位）的深度，进行显示。并可由软件控制对外部设备（如给煤机、皮带机等）进行控制。

本发明的料位（如煤位）智能测量及控制系统就是实现超声调制方法的智能测量及控制系统。它主要是由主机、信号接收放大器、超声换能器等组成。

主机是以微处理器为中心的主体，主要完成信号采样、处理和计算，显示与控制。以及PRBS信号的产生和发射信号的大功率驱动等功能。它包括8位Z-80CPU，主频2MHZ，EPROM，静态RAM，PRBS信号发生器，方波信号发生器，信号调节器，显示与控制接口，大功率放大器，特殊并行信号采样接口，特殊信号处理硬件，接口与信号的光电隔离器等。其中EPROM用于存储予先固化的整个工作程序，该程序完成所有信号采集、处理和计算，测量结果显示及根据测量结果对有限设备进行控制，系统自我诊断，对可能的测量错误进行判别、检查和纠正，以及协调各部分硬件的动作。静态RAM用于存储数据及结果。PRBS发生器在CPU控制下，产生PRBS信号输入到信号调制器，并对超声发射起控制作用。方波信号发生器的频率大范围可调，经PRBS信号调制后进行大功率放大，以200W（瞬时值）以上的强大信号去驱动发射超声换能器。特殊并行信号采样接口，能与TTL兼容，对PRBS发生器产生的信号和信号接收放大器送来的接收信号同时进行采样，经2个8位移位寄存器一个PIO将两组信号以字节为单位分别放入内存，该接口的采样速率大范围可调，保证了信号的高速采集。特殊信号处理硬件，有一个PIO，一个CTC和一个8位移位寄存器（和控制电路）。当信号采样收集完毕，在CPU软件控制下，把分别放入内存的两通道的采样信号进行异式逻辑运算，结果通过PIO送入8位移位寄存器，寄存器数据依次左移控制CTC计数，使CTC得到两采样信号的异或运算后的累加和即互相关处理结果，送入内存。这样，经过多次循环运算、计数、存储，最终得到一组两通道的采样信号的相关处理结果并存放于内存的结果区。数字信号相关处理完毕，由CPU软件通过查循寻找出相关函数最大值所对应的时间τ，这个时间τ与声波速度相乘即为超声换能器探头到料位（如煤位）面的均值距离，并把由此得到的料位（如煤位）的深度送显示器显示。显示与控制接口，主要完成对测量结果的显示，并为控制设备提供接口信号。

信号接收放大器，主要是由高倍率放大电路，滤波电路、检波、整形电路等组成。把来自接收超声换能器的微弱电信号进行接收，其最小输入信号可为100μV。经过高倍放大器放大至合适的幅值，再经过带通滤波器，然后检波、整形为二值信号，最后送至主机的采样接口。这里的高频放大器是采用多级运算放大器，其放大倍数大于8万以上，并且有自动增益控制，很高的共模信号抑制比，良好的热稳定性和高输入阻抗等性能。这里的带通滤波器主要是抑制很强的现场噪声等影响，其带通滤波频宽为20KHZ，高通滤波电路为6阶电路，低通滤波电路为2阶电路。检波和整形电路是由二极管检波电路和施密特触发器组成，把放大滤波后的信号检波并整形为二值信号。

超声换能器有两个频率特性接近的超声换能器，一个连续地发射夹角不断变化的超声波，把电能转换成声能。另一个把从不同截面反射回来的超声转换成电信号。超声换能的频率在20KHZ～25KHZ之间，发射和接收换能器的谐振中心频率差，不大于2KHZ。

本发明的超声调制方法和相关处理技术，克服了因被测料位（如煤位）的非规则表面而引起的误差，解决了测量死区大、可靠性差的问题，以及有效发射脉冲功率小和大功率超声波连续发射及高灵敏度接收的问题。本发明的智能测量及控制系统在地面上能满足所使用的各种场合的环境条件。能连续测量和连续显示被测料位（如煤位）的深度，具有自动判别、检查和修改测量错误的功能和可编程的控制能力，并具有基本无测量死区，测量准确，可靠性高、抗干扰（电和声干扰）性强，整个系统完全是模块化结构，易于维修、扩展等特点，它既可以是一台独立的智能测量及控制系统。又可以在分布式微机控制网络中作为一个仪器为其他微机提供接口，将在煤炭工业、化学工业、造纸工业等中获得广泛的应用。

附图为本发明的料位（如煤位）的智能测量及控制系统的方框图。

本发明的实施例按照附图进一步加以说明。

8位Z-80CPU〔1〕，EPROM〔2〕，静态RAM〔3〕，特殊信号处理硬件〔4〕，PRBS信号发生器〔6〕，特殊并行信号采样接口〔7〕和显示与控制接口〔8〕连接在系统总线〔5〕上。EPROM〔2〕存储予先固化的整个工作程序，静态RAM〔3〕存储数据与结果。在CPU控制下，PRBS信号发生器产生信号加入到信号调制器〔10〕。由手动改变频率范围的方波信号发生器〔9〕产生的方波信号送入到信号调制器〔10〕后，被PRBS信号进行调制。调制后的信号加入到大功率放大器〔11〕进行大功率放大。以200W（瞬时）以上的强大信号去驱动发射超声换能器〔12〕。发射出的超声波频率是不断地改变着，所以其发射角在一个较宽范围内随机地变化着。复盖整个被测料位（如煤位）所有不同的非规则表面。接收超声换能器〔16〕把从不同的料面（如煤位）表面反射回来的超声波接收且转换为电信号。并把大于100μV的电信号加入放大倍数为8万以上的高倍放大电路〔15〕，此电路可由多级运算放大器组成。放大后的信号通过滤波电路〔14〕进行滤波，并经检波与整形电路〔13〕整形为二值信号输送到特殊并行信号采样接口〔7〕。特殊并行信号采样接口〔7〕把检波与整形电路〔13〕送来的二值信号和PRBS信号发生器〔6〕产生的PRBS信号同时进行采样，用一个PIO，2个8位移位寄存器对每8位一组采样的数字信号分别放于内存。采样频率经手控分频可大范围改变。特殊信号处理硬件〔4〕有一个PIO，一个CTC，一个8位移位寄存器和控制电路，当采样收集完毕，它在CPU软件控制下，把分别放于内存的采样信号进行异或逻辑运算，其结果通过PIO送入8位移位寄存器，寄存器数据依次左移，控制CTC计数，使CTC得到两采样信号异或运算后的累加和即互相关处理的结果，并送入内存。这样，经过多次循环运算、计数、存储，最终得到一组两采样信号的相关处理结果存放在内存中。数字信号相关处理完毕，CPU软件通过查循寻找出相关处理后得到最大值所对应的时间τ，这个时间τ与声波速度相乘即为超声换能器探头到料位（如煤位）面的均值距离。并把由此得到的被测料位（如煤位）的深度送显示与控制接口〔8〕进行显示和对有限设备的控制。

Claims (5)

1、一种应用于料位(如煤位)的智能测量方法，其特征在于：采用超声调制方法。即把振荡器产生一定频率的方波，经在微机控制下的伪随机二进制序列(PRBS)调制，由大功率放大器放大后驱动发射超声换能器，连续地发射频率不断变化的超声波。这样，所发射的超声夹角在一个较宽的范围内随机变化着，复盖整个料位(如煤位)的非规则表面，经不同的料位(如煤位)表面反射回来的超声被接收超声换能器所接收，且变换成电信号，再进行放大、滤波和整形为二值信号，经数字采样进入微机，通过微机对数字信号进行高速相关处理，求得被测料位(如煤位)的深度，并以显示。

2、一种由主机、信号接收放大器、超声换能器等组成的料位（如煤位）智能测量及控制系统，其特征在于：主机包括8位Z-80CPU〔1〕，EPROM〔2〕，静态RAM〔3〕，PRBS发生器〔6〕，方波信号发生器〔9〕，信号调制器〔10〕，大功率放大器〔11〕，特殊信号处理硬件〔4〕，特殊并行信号采样接口〔7〕，显示与控制接口〔8〕，系统总线〔5〕，接口与信号的光电隔离器等。

3、按权利要求2所述的智能测量及控制系统，其特征在于：（1）主机的整个工作程序予以固化且存储在EPROM〔2〕中，（2）特殊并行信号采样接口〔7〕有一个PIO，2个8位移位寄存器，改变采样频率的微动开关和分频电路。（3）特殊信号处理硬件〔8〕有一个PIO，一个CTC，一个8位移位寄存器及控制电路。

4、按权利要求2所述的智能测量及控制系统，其特征在于：信号接收放大器是由高倍放大电路〔15〕、滤波电路〔14〕、检波与整形电路〔16〕等组成，其中，高倍放大器〔15〕采用放大倍数在8万以上的多级运算放大器;滤波电路〔14〕为带通滤波器，其高通滤波电路为6阶电路，低通滤波电路为2阶电路。

5、按权利要求2或3或4所述的智能测量或控制系统，其特征在于：超声换能器为频率特性接近的发射和接收两个超声换能器发射和接收的谐振中心频率差不大于2KHZ。

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