射频导纳连续测量仪表的研制

　　1 引言

　　射频导纳物位仪表是从电容式物位测量技术发展起来的,该类仪表具有防挂料、可靠性高、测量准确、应用广泛等特点。射频即高频无线电波,是通过用 高频无线电波测量被测介质导纳的变化来实现物位测量。导纳的含义为电学中阻抗的倒数,它由电阻性成分、电容性成分、电感性成分组合形成[1]。随着科技的 不断发展,自动化水平的不断提高,工业过程控制中对物位监测及自动控制的要求越来越高,国内物位控制仪表研究人员对可实现闭环控制的连续物位控制仪表进行 了大量的研究。目前国内应用的连续物位监测仪表主要有射线式,电容式,雷达式,超声波等几类,因其使用功能、环境、应用领域的不同存在各式各样的局限性。

　　2 测量原理

　　物位的确定是由传感器和步进电机两部分综合决定。通过长短双射频导纳传感器探头之间的逻辑关系确认物位的界面;步进电机通过变速器、线轮带动探 头运动,步进电机与线轮的转数比是一个常数,线轮的周长也是一个常数,因此探头移动的距离(也就是物位)只与步进电机运动的步数相对应。按照表1的数字逻 辑关系来控制探头运动,通过计算确定步进电机运动的步距数,即可达到随动测量物位的目的。传感器状态与探头运行的关系表(表1)

　　在设计中采用蜗轮蜗杆减速器是为了增加传动比;保证传动系统停止运行或停电的情况下实现自锁,保持传感器的位置。仪表的测量原理如图1所示。

3 控制单元与驱动单元简介

　　检测仪按单元可分为控制单元和驱动单元二部分。主机和探头之间通过1根4芯的电缆连接。两个射频传感器探头产生的频率信号经由CPU定时采样 后,通过RS485串行数据接口输送到主控板,主控板将处理后的结果进行逻辑判断后,控制步进电机的转动状态与方向,同时根据预设的步进电机转动的角度来 计算传感器移动的距离, LED输出显示计算结果,同时输出4-20mA模拟量信号。

　　3.1 控制单元:

　　控制单元由传感器与主控板两部分组成。如下图2所示。

　　3.1.1 传感器

　　传感器单元由两个射频传感器、微处理器和RS485接口芯片组成。为了达到仪表能够在现场中实际使用,把传感器的两根探测极设计成5层3芯的结 构,长度相差50mm,相对独立。在确　　定传感器结构后,频率变化量的值将由被测物介电常数的大小来决定,频率的变化量决定传感器的上升和下降。

　　在设计中采用两组不同频率作为两个传感器基频的方案。采用两组不同的基频,是因为在试验过程中发生过当两个传感器的基频相差不大时,在进行测量 时两个传感器有可能产生共振现象,变成一个频率相同,同时变化且又相互作用的传感器。因此,我们采用了两组不同的RC网络组合,既避免了共振现象又达到准 确测量的目的。