一种基于tdc芯片技术的数字化电容式物位计的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种物位计领域，具体是一种基于TDC芯片技术的数字化电容式 物位计。
【背景技术】
[0002] 在物位的测量过程要实现对物位高度的在线监测与控制，关键在于能否精确的检 测当前物位高度。近年来，出现了许多新型的物位检测方法，各种料位测量仪也发展很快。 目前物位测量仪表主要有三个发展方向：非接触测量、物位仪表智能化和小型化、集成化。 同时随着科学技术的发展，以及其它相关领域的最新成果向物位测量方面的移植，使得物 位测量仪在一些特殊场合(如高温、高压、高真空等）获得了更广泛的应用，测量精度也有了 进一步的提高。在这些特殊场合应用当前首选电容式物位计，它具有结构简单、分辨力高、 工作可靠、动态响应快，并能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作等优点已在工农生 产的各个领域得到一定应用。但是传统的电容式物位计均采用模拟电路，抗杂散电容，提高 精度、增强稳定性和抗干扰并且降低成本一直是电容式物位计大范围推广的瓶颈。
[0003] 对于电容式物位计这一领域的研究，外国的起步早、投入的资金雄厚，发展比较迅 速，在70年代就取得了瞩目的成就，到目前为止，国外的许多家公司都研制出具有代表性 的一系列功能齐全、自动化程度高、精度高的测量系列与相应产品。如德国的E+H、P+F、西 门子等都推出了几款比较实用的电容式物位计。我国的经济发展水平比较落后，各种基础 行业的资金投入少，各相关领域发展缓慢，使得测量技术、测量方法相当落后，产品自动化 程度不高。精度、可靠性、功能等与国外的物位测量水平有很大的差距。
[0004] 以上这些国内外的仪表厂家研发生产的电容式物位计，无论自动化程度多高都 没有解决下这几项技术难题：一是抗强辐射干扰，二是多参数综合补偿，三是超小量程物位 的精确测量。其根本原因是没有摆脱传统的电容采样方法的束缚。国内外现有的电容式物 位计的测量电路大概有这几种：li、直流充放电法；交流电容桥；：|、交流锁相放大电 路；j、方波占空比测量法；?:、电容\频率转换法。这些测量方法均采用模拟电路。即便 是德国的Ε+Η公司生产的智能电容物位计，也是采用交流电容桥的方法进行电容采样后再 通过AD转换，然后用单片机处理。其工作模式大体是：传感一采集一放大一AD转换一控制 运算一DA转换一数据输出。这些环节都存在着数据的失真和漂移问题。
[0005] 因而现有的技术并不能真正的满足企业的生产需求。 【实用新型内容】
[0006] 实用新型目的：本实用新型的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于 TDC芯片技术的数字化电容式物位计。
[0007] 技术方案：为了实现以上目的，本实用新型所述的一种基于TDC芯片技术的数字 化电容式物位计，包括：数字传感单元、微控制器单元、通讯或输出单元和机械结构件，所述 数字传感单元、微控制器单元和通讯或输出单元均设于机械结构件中，其中，所述的数字传 感单元包括由电容测量单元、TDC测量单元、温度测量单元、数据逻辑处理器、顺序ALU单 元、结果和状态寄存器、控制和模式寄存器、微处理器接口单元和补偿电路构成，所述的电 容测量单元由RLC测量单元和RLC计数器构成，所述的RLC测量单元与TDC测量单元连接， 所述RLC计数器的两端分别与TDC测量单元和顺序ALU单元连接，所述TDC测量单元与温 度测量单元和数据逻辑处理器，所述温度测量单元还与控制和模式寄存器连接，所述数据 逻辑处理器还与顺序ALU单元和结果和状态寄存器连接，所述的结果和状态寄存器和控制 和模式寄存器均与微处理器接口单元的输入端连接，所述微处理器接口单元的输出端与微 控制器单元输入端连接，所述微控制器单元的输出端与通讯或输出单元的输入端连接，且 其内还设有8位数据总线、4位控制线和地址锁存线。
[0008] 本实用新型所述电容测量单元由感应电容、参考电容、第一电阻、模拟开关、开关 电源和控制模块，所述感应电容和参考电容均与第一电阻连接形成一个低通滤波器，所述 模拟开关设于两第一电阻之间，且所述的第一电阻、模拟开关和开关电源均与控制模块连 接，所述的控制模块由时间数字转换器、可编时序装置和三极管构成。
[0009] 本实用新型所述TDC测量单元由数值寄存器、动态计数器、非门电路、时钟分频 器、锁相单元和标定单元构成，其中，所述的时钟分频器、锁相单元和标定单元构成数据预 处理器，所述的数值寄存器和动态计数器均与非门电路连接，且所述非门电路中的非门个 数决定了 START信号和STOP信号之间的时间间隔。
[0010] 本实用新型所述的温度测量单元由电阻、电容、高速CMOS器件和温度传感器构 成，所述电阻并联于电路中，所述电容的两端分别与电阻和接地开关连接，所述高速CMOS 器件设于两电阻之间。
[0011] 本实用新型所述的机械结构件由壳体和结构件构成，所述的结构件设于壳体上。
[0012] 有益效果：本实用新型所述的基于TDC芯片技术的数字化电容式物位计，具有以 下优点：
[0013] 1、本实用新型所述的一种基于TDC芯片技术的数字化电容式物位计，通过将TDC 测量单元与数据逻辑处理器连接，通过数字化TDC应用信号通过内逻辑门的延迟时间来高 精度的测量时间间隔，通过简单的电路结构和特殊的电路板布线方法使芯片可以非常精确 的重新建构信号通过逻辑门数，其最高精度取决于芯片的最大逻辑门延迟时间，应用这样 的基础测量单元和现代化的CMOS技术相结合可以使时间测量精度达到25皮秒，从而使电 容测量分辨率达到6af。比传统的模拟电路测量电容的方法分辨率提高了 1000个数量级以 上，抗干扰能力提高了 10倍以上，从而很好的解决了抗强辐射干扰的问题。
[0014] 2、本实用新型中所述的电容测量单元、温度测量单元和补偿电路的设置，使得该 物位计中同时被采集和分析的参量有电容变化量、介质的电导率和温度，这些参量经过补 偿电力进行系统综合分析补偿，从而得出准确的物位值，多参量综合补偿技术的应用使电 容式物位计彻底解决了挂料问题和温漂问题。
[0015] 3、本实用新型中所述的基于TDC芯片技术的数字化电容式物位计中的数据传感 和采集全采用数字技术，且数据的传输采用串口通信，仪表内部各个环节没有模拟量成分， 不存在AD转换，因而最大程度上保证了数据的真实性，从而很好的解决了在传感一采集一 放大一AD转换一控制运算一DA转换一数据输出整个过程中造成的数据失真和漂移问题， 进而更好的满足了客户的需要。
【附图说明】
[0016] 图1为本实用新型的原理结构示意图；
[0017] 图2为本实用新型所述电容测量单元的电路连接图；
[0018] 图3为本实用新型中所述TDC测量单元的电路连接示意图；
[0019] 图4为本实用新型中所述温度测量单元的电路连接示意图；
[0020] 图中：数字传感单元-1、微控制器单元-2、通讯或输出单元-3、电容测量单元-4、 TDC测量单元-5、温度测量单元-6、数据逻辑处理器-7、顺序ALU单元-8、结果和状态寄存 器-9、控制和模式寄存器-10、微处理器接口单元-11、RLC测量单元-41、RLC计数器-42、 感应电容-43、参考电容-44、第一电阻-45、模拟开关-46、开关电源-47、控制模块-48、数 值寄存器-51、动态计数器-52、非门电路-53、时钟分频器-54、锁相单元-55、数据预处理 器-56〇
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型。 实施例
[0022] 如图1、图2、图3和图4所示的一种基于TDC芯片技术的数字化电容式物位计，包 括：数字传感单元1、微控制器单元2、通讯或输出单元3和机械结构件，其中，所述的数字传 感单元1包括由电容测量单元4、TDC测量单元5、温度测量单元6、数据逻辑处理器7、顺序 ALU单元8、结果和状态寄存器9、控制和模式寄存器10、微处理器接口单元11和补偿电路 构成，所述的电容测量单元4由RLC测量单元41和RLC计数器42构成，所述的机械结构件 由壳体和结构件构成。
[0023] 上述各部件的关系如下：
[0024] 所述数字传感单元1、微控制器单元2和通讯或输出单元3均设于机械结构件中， 所述的结构件设于壳体上，所述的RLC测量单元41与TDC测量单元5连接，所述RLC计数 器42的两端分别与TDC测量单元5和顺序ALU单元8连接，所述TDC测量单元5与温度测 量单元6和数据逻辑处理器7,所述