专利名称：一种四线制射频导纳液位及物位计及其方法
技术领域：
本发明涉及液位及物位自动检测和控制液位测量技术领域，特别 ; 是 一 种四线制射频导纳液位及物位计及其方法。
背景技术：
目前对于物位的测量，有电容式物位计，对于非导电介质的测量， 它完全可以胜任，对于导电性介质，如果挂料很轻微的场合也可以应 用电容式物位计，但如果挂料严重时，应用电容式物位计会产生很大 10 的测量误差。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。本发明产品无须人工调节可自动进行标定。在测量过程中，根据15 外部信号的大小，由CPU控制换档继电器进行自动换档，达到对信号的最优测量。四线制的设计保证了仪表有足够的功率来发射足够强的 能量来满足恶劣的测量条件。本发明的目的是克服上述现有技术的缺点而提供一种四线制射20 频导纳液位及物位计及其方法。本发明采用四线制进行工作。四线制 是指供电和输出信号各需要两根线缆。其中，两根电缆用于提供电源，两根电缆用于提供4-20mA电流信号输出。它的抗干扰措施优于两线制 仪器。本发明的变送器在工作时可以实现自动标定，无须人工进行调换 25测量档位，通过单片机MSP430控制继电器可以实现档位连续自动变换，从而达到对信号的最优测量。本发明采用可以进行直观显示的液晶显示器，避免了传统的射频
发明内容
导纳物位计没有直观显示的缺点。同时，可以通过按键对量程，阻尼 系数，继电器开，关等相应参数进行设置。技术方案一种四线制射频导纳液位及物位计，包括LC振荡电路，电桥电路， 5前级放大电路，检波同步电路，检波电路，信号放大电路，MSP430F147 单片机，93C46EEPR0M存储电路，液晶显示器，AD420电流输出电路，按键输入电路，继电器输出电路以及连续液位控制自动换档电路(如图2所示)。MSP430 F147单片机控制换档继电器自动换档。经过检波、积分选出有料位变化量引起的信号经过变换将直流信号输送给CPU处 m理器处理后送到液晶显示器显示，AD420电流输出电路，按键输入电路，继电器输出电路以及连续液位控制自动换档电路。MSP430单片机控制A D 4 2 0电流输出电路输出4 - 2 0 m A电流信号。所述LC振荡电路由三极管Q4， Q5, Q6以及由C21, C22， C23, C24,C25及电感线圈组成如图3所示。 15 所述电桥电路由档位电容C1与探头中心端与大地形成的检测电容C3串联，然后与电感线圈并联组成桥式测量电路，测量桥式电路测量中心线P与地之间的电容变化量。所述前级放大电路由Q7， Q8, Q9以及电阻R37, R38, R39,电容组成。如图4所示。20 所述检波同步电路由CD4007作为核心元件形成。如图3所示。所述检波电路由SD5 001作为核心元件形成。如图3所示。 所述信号放大电路由OP07形成信号运算放大电路。如图3所示。 所述MSP430单片机控制AD420输出4-20mA信号。 所述MSP430单片机控制换档继电器自动换档，完成对外部信号的25 最优溯'J量。反映物位或液位变化的信息经过MSP430单片机的处理后，直接送 到液晶显示器进行显示。 具体的实现原理根据射频导纳原理，挂料部分复阻抗的实部和虛部数值上相等。1015即■1^二『Cg (1)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A = 丄《，.( 2 )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(l)、式(2)得因此只要测得被测液体的复阻抗的实部和虛部，就可以准确得出 物位电容，消除挂料电容的影响。。根据射频导纳理论分析，对落后TT /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。首先 由三极管Q4， Q5, Q6以及由C21， C22, C23， C24， C25及电感线圈组 成的振荡电路为探头提供高频60K的正弦振荡信号。另一方面，60K 的正弦振荡信号通过电阻R27， C18， R28， C19以及CD4007形成两个同 频(60K ),反向(相位落后初始振荡信号TT / 4 )的方波信号，由CD4007 的8脚和12脚输出。这样，通过CD4007的8和12角分别控制SD5001的开 关3，开关4的导通与关闭，从而实现对真实物位信息的釆集。四线制射频导纳液位及物位计的整体工作方法程序是为了更好 的实现人机交互，便于对仪器的一些参数进行修改的的主程序。它是 对整个仪器的完善和功能的加强。四线制射频导纳液位及物位计测量方法的程序是指本发明的仪 器在对液位或物位高度测量时仪器的工作内容。 一种四线制射频导纳液位及物位计测量方法，其步骤如下歩骤Sl,读出存储在EEPROM93C46的数据；歩骤S2，对测量数据进行软件滤波；歩骤S3， L—DIS=0, C-DIS=0; 5 歩骤S4，滤波基数n腦o filter计算步骤S5, MSP单片机控制换档继电器自动切换到当前最合适的测 量档位，并计算当前物位对应的电容值C-MEASURE;歩骤S6，计算当前物位高度MEASURE,并显示；歩骤S7,显示当前物位对应的电容值C-MEASURE; m 歩骤S8，进入按键扫描，如果M0D]〉1,则Measure-int=Measure,进入步骤S9，否则直接进入步骤S9:歩骤S9，根据菜单设置的内容，由MSP430控制报警继电器动作歩骤SIO， AD420输出4-20MA的电流；步骤Sll，继续进行按键MODE内容判断，MODE为O,返回步骤S5， 15MODE不为O，返回上一级主程序。发明的有益效果本发明的四线制射频导纳液位及物位计在高 温、高压、粉尘和有限的小空间的测量有着其它产品不可取代的地位 和优势。而且这是国内外第一个。射频导纳物位计在测量上比电容式 稳定可靠在一些领域是不能缺少的。 20 目前国内外还没有专门的公司对此技术进行深度的研究，四线制射频导纳产品在石油、污水等行业销售比电容式，两线制射频导纳有 很大的优势，而且还减少人员调试维护费用。本发明可用于造纸，化工，发电，冶金等行业液位及物位自动检25
下面结合附图，对本发明的典型实施例作详细描述。本发明的上 述和其他特征和优点将显而易见。图l是射频导纳液位及物位计的整体结构图2是本发明的射频导纳液位及物位计的原理框图 图3是本发明的60K振荡信号产生，检波同步单元，检波单元，信号放大单元的电路图；图4是本发明的射频导纳液位及物位计前级信号放大的电路图； , 图5是随着物位信号进行幅度变化的调制波形；图6是对载有液位或物位信号的调制波形进行检波后的波形 图7是整个射频导纳液位及物位计整体流程图； 图8是四线制射频导纳液位及物位计测量方法流程图。 图中l、塑料盖；2、面膜；3、面膜底板；4、按钮部件；5、显 m示电路板部件；6、 RFL300主板；7、变送器；8、小铝盖；9、振荡电 路；10、电桥电路；11、信号前级放大；12、电源电路；13、检波同 步单元；14、检波单元；15、 EEPROM; 16、 AD420电流输出17、积 分电路；18、信号放大单元；19、按键；20、 MSP430F147; 21、换档 继电器22、报警继电器；23、液晶显示屏。1具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。图l是射频导纳液位及物位计的整体结构图。图中塑料盖i;面 膜2;面膜底板3;按钮部件4;显示电路板部件5; RFL300主板6;变送器7;小铝盖8。它是本发明的变送器整体外观结构图。其中模拟电 20路部分的电路板位于最下面和壳底接触，数字部分的电路板位于模拟 电路板上方，液晶显示屏与按键电路板位于数字电路板上方。传感器， 电流输出，继电器输出，电源都是通过小铝盖8前方的接线端子进行图2是本发明的射频导纳液位计及物位计的原理框图。首先LC振 25荡器电路9是由三极管Q4， Q5, Q6以及由C21, C22, C23, C24, C25及 电感线圈组成(如图3所示)。它产生峰峰为20V，频率为60K的正弦振荡信号，用于加载到探头(探头是与图l所示整个变送器的接线端子档位电容C1与检测电容C3串联，然后与电感线圈并联组成桥式测 量电路IO,测量桥式电路测量中心线P与地之间的电容变化量。LC振荡器电路产生60K正弦信号给电桥电路10,测量桥式电路测量 中心线与地之间的电容变化量。反映物位信息的信号幅度加载到60K、振荡信号上，由于信号非常微弱， 一般只有几十毫伏故需要前级放大 电路ll进行信号放大。放大后的波形通过变压器进行进行隔离，然后 由检波单元14检波，具体波形如图6所示。检波信号通过积分电路成为 直流信号，送入精密运算放大器0P07 (如图3所示)进行放大处理。放 大后的直流信号进入MSP430F147的AD输入口P6. 4，进行A/D转换工作。io 其中数据采集工作是由MSP430F147的並片机内部的定时器A进行控制.., 采集到的数据通过MSP430单片机内部的处理，首先控制换档继电器输 出合适的档位进行工作，计算出当前液位或物位对应的电容数值 C-Measure,然后对采集到数据进行软件滤波，计算出当前液位或物位 对应的高度Measure,送入液晶显示屏进行物位高度和电容值的显示h MSP430单片机控制AD420进行电流信号的输出，满足应用场合要求。通 过按键板的五个按键完成对仪器工作参数如量程,阻尼系数，低位继 电器的开，关等参数的修改和保存。电源电路是为整个系统提供电源。首先由交流220V电源通过 AC-DC变换为直流24V电源，然后通过LM7815, LM7812， LM78(J5组成的2()电路分别提供15V直流，12V直流，5V直流电源。单片机的3. 3V电源是 由5V电源通过LM317的调整产生的。图4是本发明的射频导纳液位及物位计的前级信号放大的电路 图。探头的中心端与大地形成一个电容，是一个可变电容，与档位固 定电容串联，然后与电感线圈并联形成电桥电路，通过对探头中心端25电容信号的检测，实现物位信号的测量。由于测量到的载有物位信息 的信号非常微弱， 一般在亳伏数量级，所以需要前级放大电路进行放 大处理，以提高后级电路处理能力。。本发明的前级放大电路由Q7， Q8, Q9以及电阻R37, R38, R39，电容等组成(如图4所示)。放大后 的波形如图5所示。它是载波(60K初始振荡信号)随着信号幅度变化 的调制波。在同一档位上，反映物位信息的调幅波形的幅度与物位电容，物位高度是成正比关系的。即当物位电容增加时，图5所示的调幅波形 的幅度也是在增加的。 s 图6是对载有物位信号的调制波形进行检波后的波形；经过检波处理后的波形如图所所示，是采用L C振荡电路卢生高频 信号，高频信号通过桥式电路测量中心线与地之间的电容变化量并由 放大电路将此信号放大，经过检波得到的信号波形。对图6所示波形 进行积分处理，变换为反映物位或液位变化的直流信号。 m 上述的直流信号经过精密运算放大器0P07 (如图3所示)放大处理，送入MSP430的P6. 4，通过单片机内部的ADC12进行模拟信号到数 字信号的转换。图7是整个射频导纳液位及物位计的整体工作流程； 一种四线制射频导纳液位及物位计总体工作流程，其步骤如下 15 步骤S20,进行系统初始化工作，显示RFL-300DELTAPHASE两次；步骤S21,延时50MS;步骤S22,按键MODE状态判断； :o 歩骤S221，没有按下MODE键，MOI)E为O，进入当前物位测量子程序，如果这个过程中没有按MODE键，则一直处于测量状态；否则按下 MODE键,M0DE=1,子程序返回；步骤S222, MODE为l,进入密码确认子程序，密码错误，MODE为O, 子程序返回；密码正确，M0DE为2,子程序返回； 25 步骤S223， M0DE为2，进入量程修改子程序，按下MODE键，M0DE=3,子程序返回；没有按MODE键，程序则一直在量程修改菜单停留；步骤S224, M0DE为3，进入阻尼系数修改子程序，按下MODE键， M0DE=4，子程序返回；没有按MODE键，程序则 一直在阻尼系数修改菜 单停留；
歩骤S"5， M0DE为4，进入低位标定修改子程序，按下MODE键， M0DE=5，子程序返回；没有按MODE键，程序则 一直在低位标定修改菜 单停留；步骤S226, M0DE为5,进入高位标定修改子程序，按下MODE键， .sM0DE=6，子程序返回；没有按MODE键，程序则 一直在高位标定修改菜 单停留；歩骤S227, M0DE为6,进入低位继电器开点修改子程序，按下MODE 键，M0DE=7,子程序返回；没有按MODE键，程序则一直在低位继电器开点修改菜单停留；io 歩骤S228, M0DE为7，进入低位继电器关点修改子程序，按下MODE键，M0DE=8，子程序返回；没有按MOD:E键，程序则一直在低位继电器 关点修改菜单停留；步骤S229, M0DE为8，进入低低位继电器开点修改子程序，按下 MODE键，M0DE=9,子程序返回；没有按MODE键，程序则一直在低低位 15 继电器开点修改菜单停留；歩骤S22A, M0DE为9，进入低低位继电器关点修改子程序，按下 MODE键,MODE=10，子程序返回；没有按MODE键，程序则一直在低低 位继电器关点修改菜单停留；歩骤S2213， MODE为10,进入高位继电器开点修改子程序，按下MODE 20键，M0DE=11,子程序返回；没有按M()DE键，程序则一直在高位继电器开点修改菜单停留；步骤S22C,MODE为ll,进入高位继电器关点修改子程序，按下MODE 键，M0DE=12,子程序返回；没有按MODE键，程序则一直在高位继电 器关点修改菜单停留； 25 歩骤S22D, M0DE为12,进入高高位继电器开点修改子程序，按下MODE键，M0DE-13,子程序返回；没有按MODE键，程序则一直在高高 位继电器开点修改菜单停留；步骤S22E, M0DE为13,进入高高位继电器关点修改子程序，按下 MODE键，M0DE=14,子程序返回；没有按MODE键，程序则一直在高高
位继电器关点修改菜单停留；歩骤S22F,MODE为14，进入错误继电器输出修改子程序，按下MODE 键，M0DE=15，子程序返回；没有按MODE键，程序则一直在错误继电器输出修改菜单停留；歩骤S22J， M0DE为15，进入电流输出显示子程序，按下MODE鍵， MODE=0,子程序返回；没有按MODE键，程序则 一直在电流输出显示菜步骤S23,返回步骤S22，进行按键MODE状态判断。图8是本发明四线制射频导纳液位及物位计测量方法流程图。 m —种四线制射频导纳液位及物位计测量方法，其步骤如下步骤Sl,读出存储在EEPROM93C46的数据，包括，量程，低位高 度，低位电容值，高位高度，高位电容值，低位继电器开点高度，低 位继电器关点高度，低低位继电器开点高度，低低位继电器关点高度-高位继电器开点高度，高位继电器关点高度，高高位继电器开点高度， 15高高位继电器关点高度，错误继电器数值，阻尼数值； 步骤S2，对测量数据进行软件滤波； 歩骤S3， L-DIS=0, C-DIS=0; 步骤S4，滤波基数n腿o filter计算；步骤S5 ， MSP单片机控制换档继电器自动切换到当前最合适的测 20量档位，并计算当前物位对应的电容值C-MEASURE;步骤S6，计算当前物位高度MEASURE，并显示；步骤S7，显示当前物位对应的电容值C-MEASURE;步骤S8,进入按键扫描，如果M0DE4,则Measure-int=Measure， 进入步骤S9，否则直接进入步骤S9; :5 步骤S9，根据菜单设置的内容，由MSP430控制报警继电器动作；步骤SIO, AD420输出4-20MA的电流;步骤Sll,继续进行按键MODE内容判断，MODE为O，返回步骤S5, MODE不为O,返回上一级主程序。 实例单停留:LC振荡器电路1产生60K正弦信号给电桥电路10,外接探头电容 500P(电容箱模拟)，桥式电路测量中心线的调幅波形的峰峰值是 8謹V,通过前级放大电路放大后的波形峰峰值为l. 28V，然后通过变压 器进行信号隔离，峰峰电压为600MV，通过检波单元后输出信号为图5s 所示.从0到底端峰顶的值为40謹v(是个负值),通过R11，C11组成的积 分电路后形成反映物位信号变化的直流信号，其值为20画V,然后通过 OP07组成的放大电路对上述直流信号放大4倍后为80謹V,在通过OP07 进行两倍放大后，由OP07的输出1. 6V直流电压给MSP430的P6. 4口 (，由 MSP430内部的定时器A定时对P6. 4口的信号进行采集，转换。通过m MSP430内部的ADC12进行A/D转换后的信号，首先要经过软件滤波，然 后通过自动换档子程序判断当前的电容值500PF在第五档位上，由 MSP430单片机控制换挡继电器工作在第五档位上。然后，对采集到的 数据进行运算处理，在液晶显示屏上输出当前的物位高度2. 5M,电容 值500PF。i5 虽然已经描述了本发明的典型实施例，应该明白本发明不限于这些实施例，对本专业的技术人员来说，本发明的各种变化和改进都能 实现，但这些都在本发明权利要求的精神和范围之内.
权利要求
1. 一种四线制射频导纳液位及物位计，包括LC振荡电路，电桥电路，前级放大电路，检波同步电路，检波电路，信号放大电路，MSP430F147单片机，EEPROM存储电路，液晶显示器，AD420电流输出电路，按键输入电路，MSP430F147单片机控制换档继电器自动换档，其特征在于，经过检波、积分选出有料位变化量引起的信号经过变换将直流信号输送给CPU处理器处理后送到液晶显示器显示。
2、 根据权利要求l所述的四线制射频导纳液位及物位计，其特征在 于，所述LC振荡电路由三极管Q4， Q5， Q6以及由C21, C22, C23, C24,mC25及电感线圈组成。
3、 根据权利要求l所述的四线制射频导纳液位及物位计、其特征在 于，所述电桥电路由档位电容C1与探头中心与地之间形成的检测电容 C3串联，然后与电感线圈并联组成桥式测量电路，测量桥式电路测量 中心线P与地之间的电容变化量。
4、根据权利要求l所述的四线制射频导纳液位及物位计，其特征在 于，所述前级放大电路由Q7， Q8， Q9以及电阻R37, R38, R39,电容组成。
5、 根据权利要求l所述的四线制射频导纳液位及物位计，其特征在 于，所述检波同步电路由CD4007作为核心元件形成；所述检波电路20 SD5001作为核心元件形成。
6、 根据权利要求1所述的四线制射频导纳液位及物位计，其特征 在于，所述信号放大电路OP07形成信号运算放大电路。
7、 根据权利要求1所述的四线制射频导纳液位及物位计，其特征 在于，所述MSP430单片机控制AD420输出4-20mA信号。
8、根据权利要求1或7所述的四线制射频导纳液位及物位计，其 特征在于，所述MSP430单片机控制换档继电器自动换档，完成对外 部信号的最优测量。
9、一种四线制射频导纳液位及物位计总体工作方法，其步骤如下 歩骤S20,进行系统初始化工作，显示RFL-300DELTAPHASE两次； 步骤S21,,延时50MS;歩骤S22,，按键MODE状态判断；步骤S221,没有按下MODE键，MOI)E为O,进入当前物位测量子程 序，如果这个过程中没有按MODE键，则一直处于测量状态；否则按下 MODE键，M0DE=1，子程序返回； i(, 歩骤S222, MODE为l,进入密码确认子程序，密码错误，MODE为O,子程序返回；密码正确，M0DE为2,子程序返回；歩骤S223, M0DE为2,进入量程修改子程序，按下MODE键，M0DE=3, 子程序返回；没有按MODE键，程序则一直在量程修改菜单停留；歩骤S224， M0DE为3，进入阻尼系数修改子程序，按下MODE键， 15M0DE=4，子程序返回；没有按MODE键，程序则 一直在阻尼系数修改菜 单停留；步骤S225， M0DE为4，进入低位标定修改子程序，按下MODE键， M0DE=5,子程序返回；没有按MODE键，程序则 一直在低位标定修改菜 单停留；w 歩骤S226， M0DE为5,进入高位标定修改子程序，按下MODE键，M0DE=6，子程序返回；没有按MODE键，程序则 一直在高位标定修改菜 单停留；步骤S227， M0DE为6，进入低位继电器开点修改子程序，按下MODE 键，M0DE=7，子程序返回；没有按MODE键，程序则一直在低位继电器 二5开点修改菜单停留；步骤S228, M0DE为7,进入低位继电器关点修改子程序，按下MODE 键，M0DE=8,子程序返回；没有按MODE键，程序则一直在低位继电器 关点修改菜单停留；歩骤S229， M0DE为8，进入低低位继电器开点修改子程序，按下M0DE键,M0DE=9,子程序返回；没有按M0DE键，程序则一直在低低位继电器开点修改菜单停留；步骤S22A, M0DE为9，进入低低位继电器关点修改子程序，按下 MODE键，MODE=10,子程序返回没有按MODE键，程序则一直在低低 5 位继电器关点修改菜单停留；歩骤S22B， MODE为10,进入高位继电器开点修改子程序.按下MODE 键，M0DE=11,子程序返回；没有按M()DE键，程序则一直在高位继电器开点修改菜单停留；步骤S22C， MODE为11 ，进入高位继电器关点修改子程序，按下MODE m键，MODE=12,子程序返回；没有按MODE键，程序则一直在高位继电 器关点修改菜单停留；歩骤S22D， M0DE为12,进入高高位继电器开点修改子程序，按下 MODE键，M0DE=13,子程序返回；没有按MODE键，程序则一直在高高 位继电器开点修改菜单停留； 15 步骤S22E, M0DE为13,进入高高位继电器关点修改子程序，按下MODE键，M0DE=14,子程序返回；没有按MODE键，程序则一直在高高 位继电器关点修改菜单停留；步骤S22F,MODE为14,进入错误继电器输出修改子程序，按下MODE 键，M0DE=15，子程序返回；没有按MODE键，程序则一直在错误继电 二u 器输出修改菜单停留；步骤S22J， M0DE为15,进入电流输出显示子程序，按下MODE键， MODE=0,子程序返回；没有按MODE键，程序则 一直在电流输出显示菜 单停留；歩骤S23，返回步骤S22，进行按键MODE状态判断。
10、 一种四线制射频导纳液位及物伎计测量方法，其步骤如下 步骤S1，读出存储在EEPROM93C46的数据； 步骤S2，对测量数据进行软件滤波； 步骤S3， L-DIS-O， C-DIS二O; 歩骤S4,滤波基数numo filter计算；歩骤S5, MSP单片机控制换档继电器自动切换到当前最合适的观': 量档位，并计算当前物位对应的电容值C-MEASIIRE;歩骤S6,计算当前物位高度MEASURE,并显示； s 歩骤S7，显示当前物位对应的电容值C-MEASURE;步骤S8，进入按键扫描，如果MODE-l,则Measure-int=Measure, 进入步骤S9，否则直接进入步骤S9:步骤S9,根据菜单设置的内容，由MSP430控制报警继电器动作:歩骤SIO，， AD420输出4-20MA的电流； ") 歩骤Sll,继续进行按键MODE内容判断，MODE为O,返回步骤S5,MODE不为O，返回上一级主程序。
全文摘要
本发明涉及液位及物位自动测量技术领域，特别是一种四线制射频导纳液位及物位计及其方法。包括LC振荡电路，电桥电路，前级放大电路，检波同步电路，检波电路，信号放大电路，MSP430F147单片机，93C46EEPROM存储电路，液晶显示器，AD420电流输出电路，按键输入电路，继电器输出电路以及连续液位控制自动换档电路经过检波、积分选出有料位变化量引起的信号经过变换将直流信号输送给CPU处理器处理后送到液晶显示器显示。本发明的产品在化工、污水等行业销售比电容式，两线制射频导纳有很大的优势，而且还减少人员调试维护费用；在高温高压狭小空间的位置测量是不可取代的。
文档编号G01F23/22GK101210838SQ20061016968
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月27日 优先权日2006年12月27日
发明者刘海琴, 孙志强, 黄冠亚 申请人:德菲电气(北京)有限公司