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    新一代智能化磁致伸縮液位傳感器

    來源:拿度科技 瀏覽量: 時間:2021-04-06 13:27

      

           磁致伸縮液位傳感器以其遠程測量、高精度、安全可靠、穩定性好、安裝方便等優點,在工業流程、石油、化工、生化制藥、水利、電力、食品等領域逐漸取代了傳統的傳感器。目前應用的此類液位傳感器大多都把液位轉換成時間間隔,再把時間間隔轉換為相應的模擬電壓或電流信號,這種測量方法存在如下不足:①模擬信號抗干擾能力有限,不能遠距離傳輸;②由于電路轉換引入噪聲,使其測量精度不高;③一根測桿只能測量一個液位。
           本智能化磁致伸縮液位傳感器直接測量多個時間間隔,并利用單片機進行較好的處理,實現了多點高精度測量,并通過RS-485串行通信實現遠距離傳輸及接入工業監測網。另外,由于采用C8051F015低功耗單片機及其他低功耗芯片,優化電路結構,使系統功耗大大降低,滿足本傳感器要求。
    1.傳感器結構及工作原理
           磁致伸縮液位傳感器由不導磁的不銹鋼外管 (探測桿)、磁致伸縮線 (波導絲)、可移動的浮球 (磁環)和電子裝置等部分組成。波導絲被安裝在不銹鋼軟管內保持電磁特性,非接觸磁環在不銹鋼軟管外側可自由滑動,電子裝置集成在傳感器頭部的電子倉內。
           智能化磁致伸縮液位傳感器工作原理如圖 ! 所示。當進行液位測量時,磁環被封在浮球內,浮球套在探測桿上可沿探測桿隨液位的變化而上下移動。電子裝置產生一周期脈沖 (即 start脈沖),經過功率放大,加載波導絲,在波導絲周圍產生一個環形的磁場,在探測桿外配有的活動磁環同時產生一個磁場,且磁場方向與波導絲中電流產生的磁場方向垂直,當電流磁場與磁環磁場相遇時,兩磁場交互作用,形成螺旋磁場,產生瞬時扭力,使波導絲
           扭動并產生一個 “扭曲”脈沖,或稱 “返回”脈沖。這個脈沖以音速沿波導絲傳回,在電子裝置的線圈兩端產生感應脈沖 (即 stop脈沖),脈沖在波導絲中傳輸時間和磁環的位置成比例,因此通過測量atart脈沖與 stop脈沖之間的時間差就可以精確地確定被測液位量。
    磁致伸縮液位傳感器
    2.硬件系統設計
           單片機周期性地發送驅動脈沖,通過驅動電路加載于傳感器 (磁致伸縮絲),對其獲得的微弱信號采用差動放大,然后經過變增益放大器 )AD603 放大,增益的大小由單片機編程控制,放大后的信號再通過比較器,控制FPGA計數,計數頻率為50MHz,由 FPGA輸出的數字信號,經過單片機處理,送給 LCD顯示,同時用RS485串行標準與PC 機進行通訊。
    (1)微處理電路。該系統的數字部分以微控制單元(MCU)作為控制核心。在此選用了單片機C8051F015,它具有速度快、功耗低、運算處理能力強以及高速信號捕捉等特點。其實現的功能主要有:①控制顯示模塊和鍵盤接口模塊,實現人機界面的交互;②控制驅動模塊;③提供與上位機之間可靠的數據傳輸;④調節模擬部分中運放的放大增益倍數;⑤提供比較器的基準電壓;⑥實現對FPGA的控制及信號處理。
    (2)驅動電路。
           驅動電路由電阻 R1、 R2,電解電容E1和一對小功率開關三極管對管 B1、B2組成。單片機周期性地發出DRIVER控制信號,當其輸出為高電平時,N溝道MOSFET管 Q1導通,雙極型三極管B1、B2對管的基極電位為低電位,流過PNP型三極管B2的基極電流近似為零,三極管B2截止,相當于集電極與發射極間串聯大電阻,而流過PNP型三極管 B2的電流迅速達到飽和電流,三極管B1飽和導通,N溝道MOSFET管 Q2的柵極近似接地, 3% 管截止;當其輸出為低電平時,雙極型三極管 B1對管的基極電位為高電位,流過 PNP型三極管B2的基極電流迅速達到飽和,三極管 *( 飽和導通,而流過 PNP型三極管 B2的 基 極 電 流 近 似 為 零 , 三 極 管B2截 止 ,N溝 道MOSFET管 Q2的柵極電位幾乎等于+12V,場效應管 Q2導通。電解電容 E1給場效應管 Q2 提供一個穩定的電壓,二極管D1對其起保護的作用。
            上述設計的三極管對管驅動,提高了帶容性負載的能力,具有較大的峰值電流,且提高了開關速度。
    (3)差動放大接收電路 。
            磁致伸縮液位傳感器采用的是4-20mA電流環信號傳輸方式,因為電流環信號與電壓信號相比不易受噪聲干擾,并且電流值不受線電阻的影響,信號衰減小。電流環轉換電壓信號電路主要基于一個差動式輸入的放大器電路。
           電路采用AD620放大器,電壓增益由一個電阻 Rc確定,且增益連續可調,有效地解決了后級負載對地聯接的問題,失調、漂移等誤差能夠得到補償,并具有較高的共模抑制比和抗干擾能力。通過傳感器獲得的微弱信號經過 1/V轉換、濾波,由 AD620放大器放大,又經電壓跟隨器輸出,這樣增強了AD620的帶負載能力,充分解決了后級的阻抗匹配問題。
    (4)可編程放大電路。放大電路的作用就是將接收換能器輸出的微小的電信號經過充分放大而得到足夠大的信號,以便驅動各種分析、控制。該設計的放大電路采用了變增益程控放大器 AD620,它具有低漂移、低非線性、高共模抑制比和寬頻帶等特點,對輸入信號的放大增益由單片機輸出控制,范圍可調,從而實現了系統的適應性,提高系統的測量精度。
    (5)基于FPGA的實時數字信號處理單元。FPGA在整個系統中是數字信號處理的核心部件,借助其用戶可編程特性及很高的內部時鐘頻率,設計了專用于該系統的數據處理芯片。
           FPGA單片機以一定的頻率不斷地發送激勵脈沖,每一個脈沖信號將觸發一次計數過程,其下降沿允許計數器計數,同時計數器清零,中斷 ). 使能?;夭ㄐ盘柕纳仙赝V褂嫈?,并將計數值鎖存至鎖存器中,其下降沿申請單片機中斷。
    (6)顯示電路。顯示電路采用 A 位串行輸入段碼式液晶顯示模塊,通過設置可使C8051F015單片機的I/ 0口與液晶模塊的片選、控制、數據引腳相接,數據一寫入緩沖器就開始發送,顯示模塊接收并顯示液位、界位和溫度值,用戶可在線觀察其變化。
    (7)遠程通信電路。本系統單片機和 PC機之間的串行通信,采用 RS-485串行標準進行點對點的通信連接,可以實現遠程通信傳輸,滿足工業現場的要求,在波特率為 9600時,傳輸距離可達1200M。MAX3485芯片可直接將單片機輸出的 TTL電平轉換為RS485電平,用RS485串行標準進行通信時,還可實現多點對多點的通信,傳輸距離可以更遠。本系統PC機與C8051單片機串行通信電路框圖,@A;6( 單片機輸出給MAX3485一個方向信號,控制其讀入還是寫出數據。
    3.軟件系統設計
           上 位 機 軟 件 采 用 Visual C++6.0實現 , 具有良好的人機界面,完成所有的自檢、參數設定、數據測量命令的下達;下位機的信號處理和通信程序開發采用的是 C語言編譯器,它是專為51系列單片機設計的一種高效的 % 語言編譯器,使用它可以縮短開發周期,降低開發成本,而且開發出的系統易于維護,可靠性高,可移植性好。
           對于數字信號處理的核心部件 FPGA,其工作程序(略)。
    4.信號處理
           在實際測量過程中,傳感器內電流脈沖和感應脈沖會對輸出信號產生一定的干擾,并且傳感器本身的磁性材料感應的磁場與波導管內的電流之間不可避免地會產生電磁干擾,使得測量所得的輸出信號有一定程度的畸變。如果需要在同一個系統中同時使用幾個磁致伸縮液位傳感器進行液位測量時,傳感器相互之間也會有干擾。這些干擾信號的存在使得控制系統的動、靜態性能不好,對精度高、響應頻率快的控制系統而言,其影響程度是很明顯的,會影響到系統的穩定,必須予以消除。為此,本系統采用防脈沖干擾平均值法。下位機具體采取以下濾波算法:把在靜態情況下每次采集的10組數據累加起來,然后減去最大和最小的一組,除以 - 所得平均值作為測量結果。
    5、結論
           本文根據液位測量的實際需要,自行研發設計了基于C8051F015單片機和FPGA智能化磁致伸縮液位傳感器,實現了液位的在線高精度測量。經過實驗證明,此設計是行之有效的。
     


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