基于变频振荡法的物位测量仪设计

刘 虎，赵建洋

(淮阴工学院计算机工程学院，江苏淮安 223001)

0 引言

物位测量是工业生产和过程控制经常遇到的问题，物位测量仪表是测量罐体内液态、粉态、固态界面或高度的工业自动化仪表[1]。测量块状、颗粒状、粉料等固体物料表面高度的仪表称为料位计，测量容器内液体高度的仪表称为液位计，测量容器内两种互不相溶液体界面位置的仪表称为界面计。由于各种物料性质差异很大，生产过程控制复杂多变，因此物位测量方法也很多，有电阻式、电容式、激光式、雷达波、超声波、射频导纳等多种类型[2-3]。文中设计的利用可变频率振荡器法测量物位信号本质上是一种电容式物位测量方法。

1 变频振荡法物位测量原理

1．1变频振荡器原理

(1)

图1 克莱泼振荡器

式(1)中，

L′=L1

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

由式(6)、式(7)可知，诣振电容容量之比与振荡中心频率的平方成反比，如式(8)所示：

(8)

式中：C1为原电容值；C2为新电容值；F1为原频率；F2为新频率。

已知C1，F1，测量F2后，就可以用式(8)计算未知电容C2。

1．2电容式物位测量原理

已知平板电容器电容量为：

(9)

式中：C为平板电容器电容量，pF；A为极板表面积，cm2；d为极板之间距离，cm2；εr为平板间电解质介电常数。

介电常数被用来表示在两极板上施加一定电压情况下，在其间增加极化介质时，其电容量增加的程度。规定空气的介电常数为1，任何其他物质的介电常数均大于1。

电容式物位测量方法结构简图如图2所示。插入容器中的一只带绝缘层的金属探棒与容器壁一起作为两块相对应的极板组成一个电容器，其电容量大小与探棒与容器壁之间的介质的大小相关。若其间只存在空气，即空罐状态，电容器的电容量很小；然而一旦部分探棒与物料形成接触，电容量就会增大，通过测量电容量的大小C，就可知物位高度h．

图2 电容式罐体物位测量简图

该柱形电容器的电容量计算公式为：

(10)

式中：C为容器电容量，pF；K为常系数；εr为容器内的物料介电常数；H为罐体高度，m；D为罐体直径，m；d为电极直径，m．

式(10)在实际应用中的经验公式一般为[5]：

(11)

由于对数算子作用，D/d的比值在式(1)中不起决定作用。式(11)可简写成：

C=10·εr·H

(12)

式(12)中，容器电容C基本与罐体直径无关，而只与物料介电常数εr及罐体高度H有关，空金属罐中，1 m长的测杆形成约10 pF电容。物位测量仪表经标定后，测量电容C，就可以获知真实物位高度h．

2 变频振荡法物位测量仪设计

设计的变频振荡法物位测量仪原理图如图3所示，电路是一个改进型克莱泼振荡器，振荡频率能达到10 MHz以上的高频率，选取合适的L1、C1、Cx在某一频率将达到谐振，C1应与Cx同一数量级。L1、C1、Cx、C3、C4构成振荡选频电路，振荡频率fx如式(13)所示。

(13)

式中：L′=L1；

C′=(Cx+C1)∥C3∥C4

(14)

由于Cx>>C1，因此：

(15)

将未知电容Cx接在测试电路上，Cx为物位测杆与金属筒壁形成的电容，其容量如式(12)所示。开关S1先置于位置b，由数字频率计读出振荡频率F1；然后将开关S1拨到位置a，电容Cx与C1并联接入电路，这时振荡器的输出频率变到F2。振荡器产生的正弦波经Q2、Q3放大整形后送入分频器74HC4040进行256分频，分频后的方波脉冲送入MCU进行计数。已知C1，F1，F2后，就可以用式(8)计算Cx，然后由式(12)计算物位实际高度h。测量原理图(3)中的(a)(b)(c)三点波形如图4所示。

图3 物位测量仪原理图

3 实验结果与分析

先对仪表进行标定，标定时采用高精度、低温飘定值云母电容器，将不同容量的标定电容接Cx两端，示波器接分频后的输出端，接入不同容量的标定电容Cx，监测并记录对应的输出频率fx，得到一组电容—频率转移特性数据，如表1所示。图5是根据表1数据绘制的变频振荡器输入输出对应关系图，横轴为256分频输出的频率，纵轴为接入的标定电容，从图中可以看出：接入的电容容量与输出频率呈非线性变化关系，电容容量越大，输出频率越低。

表1 电容—频率转移特性数据

采用最小二乘法对表1中的已知点进行二次多项式拟合，设二次多项式为：

f(x)=a1+a2x+a3x2

(16)

(a)点波形

(b)点波形

(c)点波形

f(x)=7 950.603 85-4 613.790 95x+680.421 08x2

(17)

由拟合误差分析可知：拟合后的确定系数R=0.995 99，标准偏差SD=10.811 32。多项式拟合曲线如图6所示。

图5 变频振荡器输入输出关系

图6 多项式曲线拟合

实际应用中，先用标准电容对物位信号采集模块进行标定，获得标定数据，再用最小二乘法对标定数据进行二次多项式拟合，获得拟合参数A=(a1，a2，a3)，将拟合参数写入仪表的EEPROM中。测量振荡频率f，就可以用式(17)计算接入电容Cx，再用式(12)计算物位高度h．

4 结束语

文中对变频振荡法应用于物位测量进行了研究，阐述了克莱泼(Clapp)振荡器工作原理，得出谐振电容与振荡频率的平方成反比关系的结论。对电容式物位测量方法及工作原理进行了分析，给出了简化后的工程应用经验公式。设计了一种改进型电容三点式克莱泼振荡器测量频率电路，谐振频率信号经放大、分频后送入MCU中计数、测频。仪表经标定、最小二乘法多项式线性拟合后，测量精度达到0.5级表精度要求。该测量方法在电容、电感测量，微小距离检测，物位、液位测量等工程应用中具有借鉴意义。

参考文献：

[1]范松南，蔡萍．取样积分在射频导纳物位测量中的应用．传感技术学报，2006，19(6)：2540-2543．

[2]陈平，沙训，罗晶．射频导纳电容式物位测量仪的研究．仪表技术与传感器，2006(7)：19-20．

[3]袁梅，陈松方，董韶鹏，等．新型射频电容式物位测量仪．自动化仪表，2011，32(10)：75-78．

[4]BARRY R．EISENBERG．Frequency Stability of a Clapp VCO．IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，VOL．IM-18，NO．3，SEPTEMBER，1969．

[5]WIM van de Kamp．物位测量理论与应用．蒋明生，译．北京：E+H北京工程培训中心，1996．

作者简介：刘虎(1973—)，副教授，硕士，主要研究领域为智能仪表，物联网工程。E-mail：jsliuhu@163．com

赵建洋(1963—)，教授，博士，主要研究领域为智能电网，计算机应用。E-mail：jszhaojy@163．com