基于无线通信的射频导纳液位计

　　0　引言

　　传统的电容式液位计以其结构简单、工作可靠、维护方便等优点在液位测量领域占有重要的地位。但是在对导电黏性液体的测量过程中,黏性液体会黏附在传感电极上,形成挂料,从而造成虚假液位。另外,一般液位计采用RS-232串行通信接口,而串行通信的数据信号存在通信双方的共地干扰。在一些复杂的工业场合,更存在着化学腐蚀、安装困难等问题。采用基于无线通信的射频导纳液位计能够提高传统的电容式液位计的测量精度,具有减少连线、安装维护方便等特点,因此,其运行成本更低,便于应用推广。

　　1　射频导纳测量原理

　　射频导纳技术是一种新型液位测量方法,它能减小或消除由被测导电介质电极挂料引起的测量误差,从而提高电容式液位计的测量准确度。在实际测量过程中,可以获得被测量的复阻抗X等相关信息:

　　式中:C为物料和挂料的电容信息Cw、Cg的并联值;R为挂料部分和真实物料部分的电阻串联。

　　根据射频导纳原理,挂料部分复阻抗的实部和虚部数值上相等^[1],即

　　由于挂料部分的横截面积要远远小于物料部分的横截面积,挂料部分的电阻要远远大于物料部分的电阻,可以忽略物料部分电阻。因此由式(1)与式(2)可得

　　因此,只要测得被测液体的复阻抗的实部和虚部,就可以准确得出液位形成的电容,消除挂料电容的影响。可使用射频导纳测量电路来消除由于挂料电容所造成虚假液位的误差。所测液位的输出信号是由真实液位和挂料分别引起的信号的叠加,研究表明被测液体的复阻抗仅仅由激励电压信号矢量与响应电流信号矢量决定^[1],因此,只要测量出电压和电流矢量就可以得到被测液体的复阻抗值,当然这个值包括实部和虚部,通过相敏检波得到实部和虚部的值,就可以计算出真实的液位信号,从而解决了导电介质挂料对液体测量的影响。

　　2　测量电路实现

　　如图1所示,CPU采用与51系列兼容的AT89S8252单片机,具有8KB可擦写的Flash内部程序存储器,2KB的EEPROM,256B的RAM,32根可编程I/O线,可编程串行口,内置看门狗^[3]。设计中采用4 MHz晶振工作,可达到速度要求,同时可降低CPU功耗。直接利用CPU输出引脚XTAL2可得到4 MHz的信号,经过分频后得到100 kHz的控制方波,而激励信号源由信号发生芯片MAX0838产生,经过带通滤波器形成100 kHz的正弦波激励信号Vx.正弦波在单片机控制下再将激励信号加在传感电极上形成响应电压V0.将激励信号、响应信号、0°方波、90°方波加在受CPU控制的相敏检波器上,检波器输出经低通滤波器滤波后送入A/D转换器,转换结果被读入CPU进行计算、分析处理。液位测量结果通过无线通信送到上位机,以达到液位测量值与实际液位值的一一对应,同时上位机通过无线通信接口可实现对物位的实时监控。