函数型A/D转换器及其在卧罐液位/体积测量中的应用

　　1　引言

　　卧罐在石化、电力、贮运等部门中是一种应用广泛的贮罐。我们将V—H数表进行数据再处理后固化到EPROM中,与线性A/D转换器结合就构成一种函数型A/D,使检测仪表的结构大为简化,不仅降低了成本而且提高了系统的可靠性。用这种方法先后完成了卧罐液位/体积显示仪和各种热电偶测温仪,均取得了很好的应用效果。

　　2　函数型A/D转换器

　　A/D转换器通常用于模拟量到数字量的线性变换。函数型A/D是指模拟量到数字量的非线性变换,适用于变换函数为实型单值场合。过去,实现这种函数型A/D是用一个函数发生器为线性A/D转换器提供一个随输入模拟量变化的参考电压,如图1所示。其中函数发生器是用模拟电子线路构成。对于不同的变换函数,函数发生器千差万别,必须重新设计和调试,不仅繁琐而且变换精度难以控制。用线性A/D和EPROM结合构成函数型A/D显示出极大的优越性。可以在微机中利用高级语言编程直接生成数据,并通过写入卡直接固化到EPROM中,几乎无需调试就能完成。当函数关系改变时,只需重新固化一片新的EPROM,系统硬件几乎不作更动。

　　这种函数型A/D的硬件结构如图2所示,A/D输出的数字量作为EPROM的地址码,E-PROM的数据输出Data与Uin具有一定的函数关系。由于EPROM输出数据的字长通常为8位,变换精度受到很大限制,若采用图3的结构,变换精度则高达16位。变换后的数据由低四位给出,高四位作为位标志。这样,一个输出数据占用EPROM 4个地址空间,如2764为8K地址,最多能存贮2K个数据。当然,数据输出可以是16进制,也可以是BCD码,前者精度为16位,后者为0.01%。

　　3　卧罐的V—H数学模型

　　卧罐如图4所示。容积V(H)由卧圆柱V1(H)和两端半椭球V2(H)组成,总体积V(H)=V₁(H)+V₂(H)

　　卧圆柱部分见图5,长度为L,半径为R,液面高度为H,液面面积为

　　于是

　　端部见图6。半椭球的垂直投影为半椭圆M,其两个半轴分别为R和B。与液面重合的截面为另一个半椭圆N,其一个半轴为

　　另一个半轴为

　　∵b点在半椭圆M上,

　　椭圆N的面积为

　　即

　　两个端部容积

　　4　卧罐液位/体积显示仪电路及数据结构

　　原理电路如图7所示。液位变送器给出0～10mA经RS变成电压,经过沪波后送ADC0804。A/D输出的数字量作为EPROM的A9～A2的地址码。A0A1由双D触发器74LS74提供,时钟源fO由ADC0804给出,fO由RC时间常数决定。A0为其二分频,A1为其四分频。A10通过L/V开关切换使地址换页,作为液位和容积显示的转换开关。EPROM输出数据低四位为BCD码,经4511译码驱动作为共阴七段码显示器的字形,高四位D4～D7经OC门作为数显的字位选通信号。ADC0804的由50Hz的半波脉冲提供。EPROM中的数据结构型式如表1所示。其中D′7～D′0为A/D转换器的数字量输出,A10～A0为EPROM的地址,D7～D0为EPROM的数字量输出。A10="0”时显示贮罐体积,单位M3,A10=“1”显示液位高度,单位CM,用面板开关切换。当A10=“1”时,若液位高度为0,A/D输出则为00H,在E-PROM0000H、0001H、0002H、0003H四个连续单元中分别存放80H、40H、20H、10H于是,4位数码显示“0000”;若液位高度为1CM时,A/D输出为01H,选中以下4个地址,即0004H、0005H、0006H、0007H,其中分别存放80H、40H、20H、11H,于是显示“0001”,依此类推,当A/D转换值为pHqH时,若对应的4个单元中存放着81H、41H、20H、15H,则显示1105CM。