羅向東，徐曉秋，趙孝文

（1黑龍江省科學院科技孵化中心，黑龍江哈爾濱150090；2黑龍江省科學院技術物理研究所，黑龍江哈爾濱150086）

隨著科技的不斷發(fā)展，自動化水平的不斷提高，工業(yè)過程控制中對物位監(jiān)測及自動控制的要求越來越高，國內物位控制儀表研究人員對可實現(xiàn)閉環(huán)控制的連續(xù)物位控制儀表進行了大量的研究。目前國內應用的連續(xù)物位監(jiān)測儀表主要有射線式，電容式，雷達式，超聲波等幾類，因其使用功能、環(huán)境、應用領域的不同存在各式各樣的局限性。射頻導納物位儀表是從電容式物位測量技術發(fā)展起來的，該類儀表具有防掛料、可靠性高、測量準確、應用廣泛等特點。

1 測量原理

檢測儀的測量結構如圖1所示。物位的確定是由探頭和步進電機兩部分綜合決定的。長短雙射頻導納傳感器探頭根據(jù)邏輯關系確認物位的界面；步進電機通過變速器、線輪帶動探頭運動，步進電機與線輪的轉數(shù)比是一個常數(shù)，線輪的周長也是一個常數(shù)，故而探頭移動的距離（也就是物位）只與步進電機運動的步數(shù)相對應。因此確定了按表1的數(shù)字邏輯關系控制探頭運動，并計算步進電機運動的步距數(shù)，即可達到隨動測量物位的目的。

圖1 測量原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of measurement

表1 傳感器狀態(tài)與探頭運行的關系表Table 1 Therelationshipbetweensensorstatusandtheproberunlist

2 儀表設計

檢測儀按結構可分為雙極射頻傳感器探頭和主機兩部分。主機和探頭之間通過1條4芯的電纜連接。當系統(tǒng)工作后，探頭內的微處理器分別將兩個傳感器接收到的工作頻率信號直接采集后，通過485接口輸出到總線上，傳感器接收到的信號經(jīng)定時采樣后，送主控板進行數(shù)據(jù)處理，處理的結果經(jīng)邏輯判斷控制步進電機的轉動狀態(tài)，根據(jù)步進電機轉動的角度計算傳感器位移的距離，LED顯示計算結果和4～20mA輸出。

2.1 探頭設計

探頭內部主要由兩個射頻傳感器、微處理器和接口芯片組成。

圖2 傳感極電路原理圖Fig.2 Sensing pole circuit diagram

圖2所示為傳感極電路原理圖，PLC497、R1、R2、R11、R12、C1、C2、、C11、C12是考慮電磁兼容而設計的，因傳感器有時會在帶有強靜電場所應用，抑制消除這種干擾是很必要的；運算放大器TLV2624、R3、R4、R5、R6、R13、R14、R15、R16、C3、C13組成兩個橋式振蕩器，正反饋支路的電阻R阻值相同，負反饋支路是RC網(wǎng)絡，當震蕩器穩(wěn)定工作后，產生波形的占空比為1∶1；4個射極跟隨器分別將信號相互隔離；芯片89C51通過編程將兩路頻率信號分別定時采集處理后發(fā)送出去；C6、C7、24M組成時鐘電路；C9、R21是通電復位；芯片MAX485、R22是總線收發(fā)器，通過它將CPU送來的信息發(fā)送到485總線上。

2.2 主機設計

主機由主控器、步進電機和電機驅動器、減速器和機械傳動系統(tǒng)等組成。如圖3，后面分別介紹。

圖3 主機結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the host

2.2.1 主控板

主控板是整個儀表的核心，由微處理器、RS485接口芯片、數(shù)據(jù)掉電保存芯片、電機數(shù)字邏輯控制電路、輸入和輸出光電隔離、4～20mA輸出、電源轉換等功能模塊組成[1]。

其中微處理器完成電機控制、探頭信號的輸入和計算、物位結果的顯示和輸出、參數(shù)的輸入等功能。微處理器采用ATMEL的89C55單片機芯片[2]。

電機數(shù)字邏輯控制電路具有根據(jù)上下限位行程開關的狀態(tài)，從硬件上保證步進電機的驅動信號正確的輸出。如：當探頭向上運動時，如果觸發(fā)上限位保護的行程開關，則步進電機向上的脈沖信號無法發(fā)出，不過電機向下運動的脈沖信號依然可以發(fā)出。電機數(shù)字邏輯控制電路由3片數(shù)字邏輯門電路74LS04、74LS32、74LS08組成。

光電隔離模塊是提供將主控板與各外部功率元件連接起來，并有效隔離干擾的必備部分。

電源轉換提供給系統(tǒng)DC5V和DC12V的電源。

圖4 主控板電路原理圖Fig.4 C ontrol board circuit diagram

2.2.2 步進電機及相關設備

步進電機選用了34HS300CZ二相混合式步進電機，最大靜轉矩4.0N·m，最大空載起動轉速252r/min；驅動器選擇MS-2H090M二相電機驅動器，細分數(shù)分為16檔，最小步距角0.009°，最大步距角0.9°，電機工作時步距角為0.09°。減速器為10∶1的蝸輪蝸桿鋁合金減速器。單片機的工作頻率為24M。

本課題中，步進電機、減速器、驅動器和單片機的工作頻率的選取是極為關鍵的。這幾個設備相互關聯(lián)，直接影響到儀表的測量精度、跟蹤速度、負載能力、工藝體積、產品成本等關鍵的性能。下面就這幾個關鍵設備的選取進行說明。

第一.步進電機的負載能力（即所需要的扭矩）。為簡化計算，以探頭和輪盤的慣性重量合計估算為10kg（以拉力秤在輪盤上快速拉動測出）；線輪的圓周為1m，則力臂長度為0.16m。

扭矩=拉力×力臂=1.6N·m

第二.步進電機的最高運行轉速。以在3min之內運動15m測量距離計算，1r為1m，

轉速=15/3=5r/min

為了選取合適的電機（電機越大，價格越貴），還要考慮加配減速裝置，表2為加配減速器后對電機性能的要求：

表2 電機性能表Table 2 Motor performance table

第三.測量精度的保證。步進電機是一種作為控制用的特種電機,它的旋轉是以固定的角度(稱為“步距角”)一步一步運行的,其特點是沒有積累誤差,所以廣泛應用于各種閉環(huán)控制。本項目采用步進電機目的也在于在一個長距離的測量范圍內保持測量精度。粗步概算一下，如果步進電機的步距角0.09°，減速比合計為20∶1，繞線輪直徑為1m，則有探頭每運動1m，步進

電機行走數(shù)為 360°/0.09°×20/1=80000。

傳動誤差可忽略，誤差為1000/80000=12.5nm，可以看出檢測儀的測量精度是相當高的。

第四.跟蹤速度。儀表除了要滿足測量精度外，跟蹤物位的速度也很關鍵。由于控制電機的轉速是由單片機完成，除此之外單片機還要完成其他控制功能，故而電機程序的系統(tǒng)占用率不宜太高，相應的步進電機步距角就不能太小。表3為單片機控制MS-2h090驅動器在不同的細分條件下所能達到的步進電機的極限頻率。

表3 電機最大轉速與單片機晶振頻率的關系Table 3 The relationship between the microcontroller crystal frequency and the maximum motor speed

綜合考慮各個因素，并通過試驗，工作時步進電機運行速度最高300r/min、步距角0.09°、扭矩0.16N·m，單片極工作頻率24M。從現(xiàn)場使用情況看，儀表的各項性能都達到了設計目的。

2.2.3 機械結構和原點行程開關

圖5 行程開關位置示意圖Fig.5 Schematic position limit switch

檢測儀的機械結構如圖5所示。線輪的左側為齒輪，受步進電機的傳動齒輪驅動。線輪中間套扣，與中間的固定絲杠咬合在一起。按圖5示位置，線輪轉動時，除了帶動探頭上下運動外，還沿著固定絲杠水平方向移動。

此種機械結構設計有三個好處：

①保證了線輪到出線口的連線始終與固定絲杠相垂直，從而使得探頭的連線均勻的繞排在線輪上；

②由于出線口位置固定，儀器的防塵很容易設計，有效解決了防塵的工藝問題；

③線輪的水平方向移動使得各個行程開關的安裝相當?shù)娜菀祝鐖D所示，無需在儀表外部添加任何設計即可安裝好行程開關。

3 軟件設計和人機操控界面

軟件以C語言作為編程語言，采用模塊化程序設計。主要是完成電機升降控制、數(shù)據(jù)的采集、分析、運算。對儀表中各個器件的初始化、數(shù)據(jù)顯示、按鍵的處理、以及數(shù)據(jù)存儲等等[3]。

具體見程序流程圖：

圖6 主程序流程圖Fig.6 The main program flow chart

圖7 運行測量流程圖Fig.7 The operation flow measurement

圖8 修改參數(shù)流程圖Fig.8 Modification parameters flow

4 結束語

精密長程連續(xù)檢測儀采用雙射頻導納傳感器、光電信號傳輸、微處理器、電機跟蹤傳動、軟件編程等各種技術相結合，實時跟蹤被檢測物位。雙極探測和步進電機隨動跟蹤技術的有機結合及機電一體化的應用。使該儀表具有很高的靈敏度，測量范圍長、抗干擾性強。儀表已于發(fā)電廠的灰?guī)爝M行了實際應用，取得了很好的應用效果。

［1］馬忠梅，籍順心，張凱，等.單片機的c語言應用程序設計［M］.北京：航空航天大學出版社，1999.

［2］ATMEL 89C52用戶手冊［Z］.Atmel Corporation，2010.

［3］姜志海，趙艷雷.單片機的c語言設計程序設計與應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.