基于C8051的射频导纳长线料位仪的研制

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(大庆油田有限责任公司第一采油厂，黑龙江 大庆 163001)

1 引言

物位检测技术在现代工业过程控制中占有重要的地位，通过对物位的精确高度测量，实现对物位的处理以及加工过程的最优化控制，并且对现有物位的储藏管理提供有用的信息。目前应用于生产实践的物位仪表种类繁多，按测量方式有接触式测量和非接触式测量，因传感器索取一次信号方式方法的不同决定着物位仪表的应用领域和使用范围。射频导纳物位仪表具有结构简单，工作可靠，测量准确，维护方便的优点得到广泛应用[1]。

本文提出的射频导纳长线料位仪，是为适应检测装置发展趋势，结合厂家应用的实际情况，设计的适用于大直径、长距离、厚仓壁、封闭式容器内的顶端物位测量，该仪表的应用可提高工作效率，减轻劳动强度，使物位检测工作又实现了一次新的飞跃。

2 测量原理

射频导纳物位仪表是由电容式物位测量原理发展起来的[2]。由于被测容器壁与探测极之间存在电容特性，在理想情况下，当仓内无物料时其探测极与仓壁间存在的分布电容为C0：

C0＝ε0S/D ε0≈1：空气介电常数；S：两极板面积；D：两极板间距离

当物料高于探测极时:

CW＝εS/D ε:被测物料的介电常数

ΔC=CW-C0通过推导可得出：

ΔC=S/D(ε-ε0)对于特定的料仓来说 S、D 为常数，可取S/D=a，

ΔC=a(ε-ε0)即物料的有无对应电容 ΔC 的变化。

仪表工作时由探测极的分布电容去调制工作频率:C0对应 f，CW对应 fW，取(C0+ΔC)/2 对应的频率(f0+fW)/2为判定阈值，通过运算即可判断物料的空满状态。

3 结构设计

样机结构设计的基本要求是体积小，重量轻，安装调试方便、防腐蚀、防震、密封、抗电磁干扰。

3.1 仪表组成

射频导纳长线料位仪由棒式探测极、连接杆、二次仪表和手持控制器组成。棒式探测极的作用是索取介质的变化量，由不锈钢加工而成；连接杆主要是将探测极与主机二次仪表进行连接，进行介质变化量的传输，将探测信号传输给二次仪表；二次仪表把介质变化量进行数字化分析计算处理后，得到介质变化的结果，并进行计算判断，显示和输出测量结果。数据处理部分置于主机密封壳体内，通过壳体上的航空插头进行RS485数据线引出，连接到手持控制器和程控柜上。

3.2 测量电路的设计

测量电路的设计要求是力求简单、适用、稳定、可靠、抗干扰能力强、温度性能好。

测量电路包括信号采集和数据处理两大部分。信号采集电路是将来自于探测极的脉冲信号放大、整形和消除静电干扰，产生可进行数据分析处理的脉冲信号。数据分析处理部分由单片机来完成，单片机采用C8051F410，主要实现输入信号的分析处理并由数模转换，显示料位状态。

3.2.1 数据采集。仪表设计中运算放大器的选用和放大电路的设计是数据采集的核心内容，直接影响到仪表的技术参数和抗干扰性。本设计中采用集成运算放大器TLV2624为核心元件构成振荡器电路，该放大器工作温度范围是-40℃～125℃，电压温度漂移3uV/℃，带宽8MHz。

3.2.2 数据处理。采用具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的SOC单片机器件C8051F410为仪表的数据处理和控制核心[3]。C8051F410实现仪表的控制运算功能：获取探测器信号并进行计算处理；提供精确的定时器和计数器；实现数据存储和修改、参数设置；控制继电器输出状态；实现掉电保护、温度保护；驱动显示芯片和控制实时时钟。

图1 CPU控制结构框图

3.2.3 LED显示单元。显示部分采用ZLG7289芯片做为核心，实现LED译码、驱动电路功能，采用同步串行外设接口，与单片机相连接，可同时驱动8位LED，实现数据显示和面板指示灯的报警。此芯片具有高度的稳定性，可保障装置在环境条件恶劣的情况下稳定工作。

4 编程思想及软件功能

4.1 编程思想：根据智能仪器的设计原则，采用自顶向下的程序设计思路，模块化编程和结构化编程相结合的思想，检测仪在功能上实现了自诊断、自修复等一些实用性操作，在自诊断程序中涵盖了ROM、RAM、插件、开机、总线、输入通道、键控自检以及周期性自检等多方面的检测，保证了仪表的可靠性使用[4]。在数据处理方面，采用数字滤波，以保证测量的准确性。

图2 主函数流程图

4.2 软件功能

4.2.1 运行功能。探测极测得的采样信号以秒中断的方式经运算放大器放大后传输到单片机T0计数器中，计数器进行累加计算，取算术平均值，结果作为此周期内测量的信号，计算得出结果与判断基值相比较，确定继电器输出状态，大于判断基值，输出"空"指示，小于判断基值，输出"满"指示。为确保测量过程的稳定性，当信号幅度或频率超出T0计数器工作范围时，装置将自行判断信号合理性，符合条件的信号可被装置正确识别，不符合条件的信号会被认定当前周期内信号无效而重新进行采样。

4.2.2 参数设置功能。在装置位于运行状态时，可进行参数设置功能操作。预设增减键、移位键、确认键等功能按键。按住确定键三秒钟后，进入参数设置，默认显示菜单P-1，再按下确定键进入具体参数调整。移位键功能实现数位之间的切换操作，增减键可设置参数数值大小。

4.2.3 检测功能。此功能运行于通电自检，主要包括ROM、RAM、插件、开机、总线、输入通道、键控自检。检测完毕后，如某项出现问题会给出固定字符提示，提示使用者某检测项出现问题，需断电处理解决。

4.2.4 复位功能。恢复参数出厂设置，即所有参数值均为默认初始值。

5 结束语

基于射频导纳技术的射频导纳长线料位仪经现场试验达到了预期的使用效果，仪表的各项性能达到了设计目的。我们还在进行进一步的研究，以解决影响频率稳定因素，如电源电压、温度等，这些因素都要仔细加以考虑，以提高仪表测量的准确性，使得本文提出仪表的功能更加完善，应用更加广泛。

[1]吴智.物位测量综述[J].应用与实践.2002.

[2]DE公司上海代表办事处.射频导纳式物位测量.医药工程设计[J].1994(4)：43-47.

[3]C8051F410/1/2/3混合信号ISPFLASH微控制器数据手册[Z].新华龙电子有限公司Rev0.7 2006.02.

[4]王克义，王均.硬件、软件及接口技术教程[M].北京：清华大学出版社，1998.