一种时域反射料位计的制作方法

本实用新型涉及一种料位计，尤其是涉及一种时域反射料位计。

背景技术：

料位计是指对容器中固体物料高度的变化进行实时连续检测的传感器，不同的工业生产过程的特点不同，所以料位计需针对不同的工艺条件来确定，较多使用的料位计是阻旋式料位计和超声波料位计，阻旋式料位计设备结构简单，采用电机加扇叶，当物料到达一定高度时，阻碍扇叶运动，使其旋转速度下降，间接知道物料高度，但机械损耗严重，需要定期更换，不耐用，并且对于密度小的物料不适用，容易对储罐内物料造成损坏，存在局限性，同时测量会受介质变化、温度变化、惰性气体及蒸汽、粉尘、泡沫等的影响，而超声波料位计为非接触料位计，安装简单，使用寿命长，但受环境影响很大，如粉尘、储罐内壁凹凸不平等，其严重影响测量的精度，因此也难以满足现在厂家对测量物料高度可靠要求。

技术实现要素：

本实用新型就是针对现有料位计精度较低和可靠性较差的技术问题，提供一种精度较高和可靠性较好的时域反射料位计。

为此，本实用新型包括测量电路和测量探头，测量电路包括中央处理器、振荡器、时序逻辑电路、采样控制电路、阻抗匹配电路、模数转换电路、低通放大电路、发送控制电路和采样电路，中央处理器分别与时序逻辑电路和模数转换电路电连接，振荡器的输出端与时序逻辑电路的输入端电连接，时序逻辑电路的输出端分别与采样控制电路和发送控制电路的输入端电连接，阻抗匹配电路分别与发送控制电路、采样电路和测量探头电连接，采样电路与采样控制电路和低通放大电路电连接，低通放大电路的输出端与模数转换电路的输入端电连接。

优选的，时序逻辑电路包括时钟信号积分器、高速电压比较器、斜坡电压发生器。

优选的，时序逻辑电路还包括相位检波器。

优选的，采样电路包括采样电容、采样二极管和电压保持电容。

优选的，测量探头包括测量电极、电极连接装置和重锤。

优选的，测量电路包括按键，按键与中央处理器电连接。

优选的，测量电路包括显示屏，显示屏与中央处理器电连接。

本实用新型结构简单，测量探头在物料处电阻抗发生突变，产生一个反射的电脉冲信号，反射电脉冲信号沿着测量探头传播到测量电路，通过测量电路测量发射电脉冲和接收到的反射电脉冲的时间间隔、电脉冲传播速度就可以计算物料的位置，操作方便，测量精度较高。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为测量电路的原理框图；

图3为测量电路的时序图；

图4为时序逻辑电路的原理框图；

图5为时序逻辑电路的时序图；

图6为发送控制电路和采样控制电路的原理框图；

图7为发射控制信号的时序图；

图8为采样电路的原理图；

图9为测量探头的结构示意图。

图中符号说明：

1.测量电路；2.测量探头；3.测量容器；201.测量电极；202.重锤；203.金属连接件；204.上绝缘块；205.中绝缘块；206.下绝缘块；207.外壳；208.固定块；209.同轴接头。

具体实施方式

下面参照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。

如图1所示，本实用新型包括测量电路1和测量探头2，测量电路1 设于测量探头2的输入端，用于向测量探头2发送脉冲信号，使用时将测量探头2伸入到测量容器3中探测物料的位置，测量电路1设于测量容器3的上方，对物料的位置进行测量。

如图2和图3所示，测量电路1包括中央处理器、振荡器、时序逻辑电路、采样控制电路、阻抗匹配电路、模数转换电路、低通放大电路、发送控制电路和采样电路，中央处理器分别与时序逻辑电路和模数转换电路电连接，振荡器的输出端与时序逻辑电路的输入端电连接，时序逻辑电路的输出端分别与采样控制电路和发送控制电路的输入端电连接，阻抗匹配电路分别与发送控制电路、采样电路和测量探头电连接，采样电路与采样控制电路和低通放大电路电连接，低通放大电路的输出端与模数转换电路的输入端电连接。

中央处理器，对波形进行分析和判断，判断发射和接收脉冲时间间隔，计算料位高度。

振荡器，作为时序逻辑电路的控制时钟信号，产生一定频率的振荡时钟A2，通常频率范围1MHz到8MHz之间，本测量电路1采用的时钟频率为2MHz。

如图4和图5所示，时序逻辑电路包括时钟信号积分器、高速电压比较器、斜坡电压发生器和相位检波器，振荡时钟信号B1通过两个时钟信号积分器分别变换成两个具有固定上升时间的脉冲信号B2和B4，两个脉冲信号分别经过高速电压比较器输出两个控制信号B3和B6，分别做为发射控制信号和采样控制信号；发射控制信号的门槛电压是固定的，做为基准电压；采样控制信号的门槛电压接斜坡电压发生器，电压按一定斜率线性增大，电压变化斜率决定了采样控制信号和反射控制信号的相位差，斜率越低，相位差越小；斜坡电压发生器的前端信号B5处设有相位检波器，通过测量发射控制信号和采样控制信号的相位差，自动控制斜坡电压的斜率，保证其相位精度，有效的解决电路中寄生参数、温度等参数变化影响相位差精度。

时序逻辑电路，与发送控制电路和采样控制电路电连接，时序逻辑电路对振荡时钟进行二分频后，对发送控制电路产生一个频率和相位固定的发射控制信号A4，同时对采样控制电路产生一个和发射电脉冲频率相同，但是相位逐渐增加的采样控制信号A5；相邻的采样控制信号的相位差是一个等差数列，设为0.01ns到1ns，差值越小测量精度越高，料位计一个测量周期，包括20000个发射脉冲，对测量信号采样20000次， 2MHz时钟频率，采样频率为1MHz，采样时间周期20ms，采样信号的相位差是0.01ns，等效时间采样0.01ns*20000＝200ns；一个测量周内，每发射一个电脉冲，采样一次测量探头2输入端电压，等效于将一个发射脉冲和反射信号在测量探头2输入端信号在时域放大几千倍。

如图6和图7所示，发射控制信号C1(A4)输入到发送控制电路，发送控制电路将发射控制信号微分和放大，输出发射信号C2(A6)，通过阻抗匹配电路耦合为信号C3到测量探头2。

采样控制信号A5输入到采样控制电路，采样控制电路将采样控制信号微分和放大，输出采样信号A7，通过采样电路对测量探头输入端电压进行采样，通过低通放大电路输出低频信号，低频信号经过模数转换电路进行模数转换后，由中央处理器进行判断发射和接收脉冲时间间隔，计算出料位高度。

如图8所示，采样电路包括采样电容、采样二极管和电压保持电容，静态时，电路E1电位5V，E2点电位2.5V，E3点电位2.5V，E4点电位 0V；工作时，E4点发射和反射信号的合成电压，幅度常常低于1V，有采样控制信号时，高频三极管Q5瞬间导通，其导通时间约3ns，E1点电位变成0V，由于Q5导通时间短(3ns)，E2电对地电压约-2.5V；由于RG 的阻值远大于RL，所以Q5导通时电流回路主要是Q5、Ch、D4、RL使电容Ch放电，二极管D1导通，通过RL对Ch放电，Ch电荷减少量由探头输入的电位决定。

当Q1截至时，此过程时间较长(1uS)，5V电源通过RS对电容Ch 充电，E1点电位升高到5V，此时E2点的电位也变成约2.5V，此时工作回路是RS、Ch、RG、Cf，采样过程Ch释放的电荷，恢复到静态值，采样电荷转移到保持电容Cf。

测量电路1还包括显示屏和按键，显示屏和按键分别与中央处理器电连接，通过显示屏显示料位高度，并通过按键对中央处理器中参数进行设置。

如图9所示，测量探头2包括测量电极201、电极连接装置和重锤 202；测量电极201采用金属材料，可以是刚性金属杆，也可以是柔性的金属钢丝绳，测量电极201的上端和电极连接装置相连，下端和重锤202 相连；电极连接装置包括金属连接件203、上绝缘块204、中绝缘块205、下绝缘块206、外壳207、固定块208和同轴接头209，外壳207和固定块208是金属材质，将下绝缘块206和中绝缘块205安放在外壳207内部，然后将金属连接件203安放在下绝缘块206和中绝缘块205中心，再将上绝缘块204安放在外壳207内，同轴接头209和金属连接件203 的上端连接，最后用固定块208通过上绝缘块204、中绝缘块205和下绝缘块206将金属连接件203固定在外壳207内，金属连接件203和外壳 207间的电阻抗为50欧姆；重锤202是金属材料，保证测量电极垂直，测量精度不受仓内物料运动影响。

使用时，测量电路1在测量探头2的输入端，发送一个电脉冲信号 A1，电脉冲信号以接近光速沿着测量探头传播，由于物料介电常数与空气不同，在有物料的位置，测量探头2在该处电阻抗发生突变，产生一个反射的电脉冲信号，反射电脉冲信号沿着测量探头2传播到测量电路，通过测量电路1测量发射电脉冲信号和接收到的反射电脉冲信号的时间间隔，应用电脉冲传播速度计算物料的位置；设电脉冲传播速度v为 3*10⁸m/s，测量物料高度h通常为1m到25m的量程，所以发射电脉冲信号到接收反射电脉冲信号的时间间隔t＝h/v，为6.7ns到167ns之间，为了测量间隔，采用等效时间采样技术，发射一个3ns宽度的频率和相位固定电脉冲信号，同时采用频率不变，相位逐渐增加的宽度约3ns秒信号控制采样保持电路，对测量探头2的输入端进行采样，采样信号经过滤波放大后，通过模数转换电路进行模数转换后，由中央处理器进行判断发射和接收脉冲时间间隔，计算出料位高度。

惟以上所述者，仅为本实用新型的具体实施例而已，当不能以此限定本实用新型实施的范围，故其等同组件的置换，或依本实用新型专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本实用新型权利要求书涵盖之范畴。