数字式射频导纳物位仪的研究与开发

刘 虎 周 蕾

(淮阴工学院计算机工程学院，江苏 淮安 223001)

波积分，既能有效消除挂料干扰信号，又能提高信噪比。

1 射频导纳物位仪工作原理①

在一个充满粘稠导电物料的容器中，安装一个具有绝缘层的测量电极，由于没有挂料影响，此时测量电容与物料高度成正比，其测量原理和等效电路如图1a所示。然而，这种电容式物位测量方法存在一个严重的缺点，当物位由高位h降低到低位h0时，探头上会留有挂料，产生虚假的物位，给测量带来较大误差，如图1b所示[3]。

图1 粘性导电物位测量原理及其等效电路

由于挂料横截面积较小，等效电阻较大，可以看作由许多微小的电阻和电容组成的串并联电路，这会引起测量信号的能量损耗。由已知传输线理论从数学上可以证明：只要粘附层足够长，粘附层的电阻和电容具有相同的阻抗。以图1b为例可得：

(1)

式中Cg——挂料部分的等效电容；

Rg——挂料部分的等效电阻。

式(1)即射频导纳物位仪的测量模型[4]。若用一正弦波振荡信号加到测量电路上，在图1a的纯电容测量电路中，电路不会有能量损耗，其相移

为0°；在图1b中，由于挂料中存在电阻、电容，在交流信号激励时会产生相移[5]。

设U为频率为W的激励电压，Cw为物位的等效电容，Iw为流过被测实际物位电容的电流，Ig为流过粘附层的电流，I为总电流，I=Iw+Ig，Iw和Ig的计算式分别为：

Iw=jωCwU

(2)

(3)

将式(1)代入式(3)，得：

Ig=(1+j)ωCgU

(4)

2 防挂料解决方案

(5)

这样则可消除虚假挂料信号对整个测量电路的影响。这种斩波积分方案的优点是：

a. 物位仪表测量精度与正弦波振荡信号频率无关，仪表容易实现；

b. 与其他测量方法相比，测量信号的信噪比较大，利于后续的信号处理。

图2 测量信号波形

3 射频导纳物位仪总体设计

图3 数字式射频导纳物位仪原理框图

3.1 正弦信号发生和电桥电路

正弦信号发生电路通过LC谐振，产生100kHz的正弦波，经变压器耦和，通过副边向交流测量电桥提供能量，经整流后，还提供物位检测信号放大级工作电压，如图4所示。为了避免物位测杆与罐体组成的测量电路所受的干扰对前面振荡级、后面放大级的干扰，电路上设计了隔离变压器T01。T01的5-6、6-7，C25，Cx组成电桥的4个臂，测量信号取自量程电容C39两端，其中Cx为物位测杆与物料罐体组成的电容。

图4 正弦信号发生和电桥电路

3.2 斩波积分电路

斩波积分电路如图5a所示。

图5 斩波积分电路及其波形

4 软件设计

图6 主程序流程

图7 外部中断0子程序流程

图8 定时0中断子程序流程

5 结束语

针对传统的电容式物位测量仪在实际应用中存在的挂料现象进行了研究，采用斩波积分方法消除挂料产生的虚假信号，并设计了数字式射频导纳物位仪，该仪表的优点主要有：由MCU自动采样正弦波振荡信号零点，避免仪表出厂人工调整可调电位器；采用斩波积分方法，提高信噪比，提高仪表精度；采用低功耗MCU，实现了现场LCD显示并集成了HART协议。