射频导纳物位测量中的同步采样技术研究

　　1　概述

　　射频导纳技术是一种新型物位测量方法,它能减小或消除由被测导电介质电极挂料的测量误差,从而提高电容式物位计的测量准确度。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。即

　　在实际测量过程中,可以获得整个被测量液体的复阻抗X等相关信息。其中

式中:C为包含了物料和挂料的电容信息,C=Cw+Cg;R为挂料部分和真实物料部分的电阻串联之和。

　　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,可以近似认为R即为挂料部分的电阻值Rg.这样由式(1)、式(2)得:

　　因此只要测得被测液体的复阻抗的实部和虚部,就可以准确得出物位电容,消除挂料电容的影响。可使用变压器测量电路达到上述目的,它的输出是由真实物位和挂料所分别引起的信号的叠加。进一步研究表明在特定时刻(即比信号源落后π/4)变压器测量电路的瞬时输出电压幅值仅仅与待测的介质真实物位电容有关,而与挂料电容无关如图1所示。因此,如果只对这些时刻的点进行测量,得到的值反映了真实的物位信号,从而解决了导电介质挂料对物位测量的影响。

　　2　系统构成

　　图2是系统的总体框图。激励信号是一个比较重要的环节。信号的稳定、精确是保证测量系统精度的重要前提。系统所用的信号为100 kHz的正弦波,发生器主要由高频信号发生器MAX038和高阶有源带通滤波器MAX275构成。MAX038是美国MAXIM公司提供的一种新型精密高频波形发生器。芯片外接少量的电阻、电容,配合内部2·5 V的能隙参考电压就可以产生0·1 Hz~20 MHz的低失调的正弦波、三角波和矩形波等信号。MAX275是美国MAXIM公司提供的一种多功能高阶滤波芯片,此芯片包含有2部分独立的带通或者低通二阶巴特沃斯、贝塞尔、切比雪夫型滤波器,而且4部分滤波器都可以通过接上不同的外部电阻来设置。滤波器的输出经过调理作为测量变压器的激励信号送入。输出信号如图1所示是2个同频,但是相位差为π/4的正弦信号,这个信号经过下面介绍的同步采集模块,只在真实物位信号的π/4相位处采集,就可以消除挂料的影响,实现精确的物位测量。然后采集到的数据在单片机内经过处理,再通过D/A和U/I变换模块变换成4~20mA的信号输出。

　　3　同步数据采集及误差分析

　　同步数据采集是核心部分。要求A/D转换器对变压器电桥电路输出的分别由真实物位信号和传感器挂料产生的两个正弦信号的叠加信号进行采样,如图2所示。根据射频导纳理论分析,对落后π/4的那些点进行采样,即可消除挂料影响,得到真实物位信号。由于采用的测量信号为100 kHz的,则周期为10μs,滞后π/4相位就是1·25μs,这是一段很短的时间,因此必须采用高速的,特别是采样时间短的A/D转换器才能满足上述要求,同时还要有速度较快的单片机配合使用才能实现。