专利名称：电容式射频导纳物位变送器及工作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测技术，特别涉及一种电容式射频导纳物位变送器。
背景技术：
物位是指贮存容器或工业生产设备里的液体、粉末状固体、气体之间的分界面位置，也可以是互不相容的两种液体间由于密度不等而形成的界面位置。根据具体用途分为液位、料位、界位传感器或变送器。物位是控制过程中所涉及的主要参数之一。物位不仅是物料耗量或产量计量的参数，也是保证连续生产和设备安全的重要参数。特别是在现代化工业中，生产规模大，速度高，且常有高温、高压、强腐蚀性或易燃易爆物料，对于物位的监视和自动控制更是至关重要。因此，物位检测技术在现代化工业过程控制中占重要地位。物位变送器在电站、石化、油田等工业领域得到广泛的应用。通过对物位的测量，获得物位的连续变量或开关量信号，以获取容器中物料的数量，以便调节物料的流入流出流量，从而实现对物料的处理以及加工过程最优化的控制，并且对在线物料的储藏管理提供有用信息。电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。虽然电容式传感器易受分布电容的影响，而且抗干扰能力和信号远距离传输能力也不高。但是电容式传感器具有结构简单，分辨率高等诸多优点。并能在高温辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。电容式物位变送器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程，主要用作类导电与非导电介质的液体物位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。作为测量物位的传统方法，电容式测量对现场环境的要求不高，而且简单易行，维修方便，也能够适用于许多工业场合。目前来讲电容式物位变送器是产品最为成型，功能最为完善，应用最为广泛的一种物位计。实际应用中存在的缺陷对于测量电极上的挂料情况，即当料位由较高的水平下降时，会有一些物料附着在测量电极上，尤其是被测物料是粘稠或固体粉末的情况。由于所测物料是导电介质，此时测量电极绝缘层表面的接地点覆盖了整个物料及挂料区，使得测量电容包含了真实物位对应的电容以及挂料层形成的电容两部分，导致测量电容的加大， 造成虚假物位。挂料误差的大小还受被测介质的导电性影响，导电性越强，其影响越大，产生的挂料误差也就越大，这是因为测量导电性介质时，物料电容是导电物料与传感电极芯以传感电极绝缘层为介质形成的，而挂料层具有导电性，导电性越强，相当于挂料层电阻越小，挂料层电位就越接近于物料电位，因而所产生的挂料电容越大，自然对测量结果的影响也就越大。

发明内容
本发明是针对现有的电容式物位变送器在被测物料是粘稠或固体粉末的测量误差大、不稳定的问题，提出了一种电容式射频导纳物位变送器及工作方法，同时检测电容和电阻可以消除由于被测介质粘附电极而产生的挂料的测量误差，到达精确的测量结果。
本发明的技术方案为一种电容式射频导纳物位变送器，包括采样电路、HART通讯接口 /显示接口、MCU控制单元、人机接口，采样电路依次由高频驱动、电容检测、挂料分离、采样保持几个模块组成，采样电路对被测对象进行检测，将测量的电容值处理后送入 MCU控制单元；MCU控制单元接收人机接口来的指令，同时对采样电路接收来的信号处理后送HART通讯接口 /显示接口，将标准信号送出和显示数据。所述高频驱动电路产生一个高频正弦激励信号，正弦信号通过带通滤波器对方波信号整形滤波得到，最后通过驱动电路得到符合设计的激励信号，激励信号加载在电容检测的电容传感器上。一种电容式射频导纳物位变送器的工作方法，包括电容式射频导纳物位变送器， 所述高频驱动输出的高频正弦激励信号加载到电容传感器，通过分析其响应信号的交流分量与直流分量的大小，通过MCU的运算求得电容传感器的阻抗与容抗，并由射频导纳理论中的挂料等效导纳的实部与虚部在数值上相等的结论反推得到挂料容抗，则实际电容=测量电容-挂料电容，再通过设置HART通讯接口电路、MCU控制电路单元，传感器采样的模拟信号经过MCU控制电路单元，进行比较运算，根据采样值进行数据处理之后由数模转换单元输出4 20mA模拟信号，实现电容式物位变送器的物位测量；同时，HART通讯接口电路检测到叠加在4 20mA直流信号上的外部控制信号，解调出叠加的数字信号，传送给CPU 进行处理；处理的结果经过HART通讯接口电路调制转换为HART信号要求的交变信号并叠加在直流信号上。本发明的有益效果在于本发明电容式射频导纳物位变送器及工作方法，结合运用给了射频导纳物位测量技术，解决了被测物料是粘稠或固体粉末的测量误差大的难题， 提高了测量的精度，保证了测量的稳定。


图1为挂料等效电路图2为本发明电容式射频导纳物位变送器结构示意图； 图3为本发明电容式射频导纳物位变送器中高频驱动电路图； 图4为本发明电容式射频导纳物位变送器中HART通信接口图。
具体实施例方式射频导纳物位测量技术是一种从电容式物位测量技术发展起来的，防挂料、更可靠、更准确、适用性更广的物位测量技术，“射频导纳”中“导纳”的含义为电学中阻抗的倒数，它由阻性成分、容性成分、感性成分综合而成，而“射频”即高频，所以射频导纳技术可以理解为用高频测量导纳。高频正弦振荡器输出一个稳定的测量信号源，以精确测量电容传感器与物料罐金属壁之间的导纳，在仪表两线制4 20mA工程量输出下，仪表的输出随物位的升高而增加。在上述文章中对电容式物位仪表测量原理的分析可知，造成仪表测量误差的原因是由于测量粘稠的导电性物料时的挂料引起的附加电容所致，而且物料的导电性越强，造成的测量误差也会越大。电阻阻值的大小由电导率和电阻尺寸所确定，导电介质的电阻值与其横截面积成
4反比，而我们所测物料的横截面积远远大于挂料层的横截面积，所以传感器阻抗部分的大小主要是挂料所产生的。实际应用中将导电物料作为电容的一个极板处理，物位电容即是导电物料与中心传感电极以绝缘层为介质形成的电容。挂料层则会具有很大的电阻，同时挂料层还会与中心传感电极以绝缘层为介质形成一个电容。可以把传感器电极产生的阻抗容抗进行微分等效，看成由无穷多个无穷小的电容元件和无穷小的电阻元件构成的均勻传输线网络，因此，挂料层与对应的传感电极可以抽象为一对以绝缘层为介质的均勻传输线， 其等效电路如图1所示。由均勻传输线理论可以得出挂料的等效导纳
Og的实部与虚部在数值上相等的结论。当传感器极棒存在挂料的时，实际测量结果是测量
真实物位与挂料层共同形成的复阻抗，挂料层的电阻性质表现为该阻抗的实部，挂料层的电容性质以及物位电容之和表现为该阻抗的虚部，基于挂料层的电阻性质所表现出来的电阻值与挂料层的电容性质所表现出来的电容的容抗值在数值上相等的特性，由测出的总容抗值减去测出的电阻值，即得到实际物位所对应的容抗值，进而求得实际物位。如图2所示电容式射频导纳物位变送器包括采样电路1、HART通讯接口 /显示接口 2、MCU控制单元3、人机接口 4，采样电路依次由高频驱动11、电容检测14、挂料分离15、 采样保持16几个模块组成，采样电路1对被测对象12进行检测，将测量的电容值处理后送入MCU控制单元3 ；MCU控制单元3接收人机接口 4来的指令，同时对采样电路1接收来的信号处理后送HART通讯接口 /显示接口 2，将标准信号送出和显示数据，HART通讯接口 2 还包括由专用HART调制解调芯片所构成的调制解调电路。本发明由一路高频正弦激励信号加载到电容传感器，通过分析其响应信号的交流分量与直流分量的大小，通过MCU的运算求得电容传感器的阻抗与容抗，并由射频导纳理
论中的挂料等效导纳Gf的实部与虚部在数值上相等的结论反推得到挂料容抗，则实际电
容=测量电容-挂料电容，从而消除了挂料带来的误差。再通过设置HART通讯接口电路、 MCU控制电路单元，传感器采样的模拟信号经过MCU控制电路单元，进行比较运算，根据采样值进行数据处理之后由D/A转换单元输出4 20mA模拟信号，实现电容式物位变送器的物位测量；同时，HART通讯接口电路检测到叠加在4 20mA直流信号上的外部控制信号， 解调出叠加的数字信号，传送给CPU进行处理；处理的结果经过HART通讯接口电路调制转换为HART信号要求的交变信号并叠加在直流信号上，从而实现与外界信息的数字通讯。本发明中，主要的变量和控制信息由4 20mA传送，在需要的情况下，其他过程参数、设备组态、校准和组态信息通过HART协议以数字通信的方式访问。高频驱动电路负责产生一个高频正弦激励信号，它由MCU分频得到方波信号，正弦信号通过带通滤波器对方波信号整形滤波得到，最后通过驱动电路得到符合设计的激励信号，如图3。电容传感器分别与一个已知的电容CO和电阻RO组成分压网络，正弦激励信号加载到这个网络的输入，通过电阻的分压网络之后的输出是正弦激励信号的直流通路相应， 这个电压通过低通滤波后得到的是已知电阻RO与挂料电阻之间的关系，由此可以求得挂料电阻，而通过电容CO与传感器组成的分压网络是激励信号的交流通路响应，交流的幅值通过AD637真有效值测量芯片测得，由于我们知道激励信号的幅值、频率、电容CO、电阻R0，我们完全可以得到传感器的阻容抗大小，由此可以通过MCU的计算来消除挂料的影响。MCU控制单元内部集成12位AD转换器、具有超低功耗并可以直接驱动LCD，高达 60KB的FLASH存储器以及2KB的RAM可以节省许多外围芯片，大大简化硬件电路设计。HART通信接口用MCU和HART MODEM芯片开发基于HART通讯的电容式物位变送器，简单方便，缩小了空间和成本。HART MODEM的主要功能模块由控制逻辑、载波检测、调制和解调四部分组成。它集成了输入滤波和输出整形的功能，可以简化接口电路设计实现系统的可靠性。如图4所示当HART芯片A5191的IRXA引脚上出现1200 (士 10)Hz或2200 (士20) Hz的频率信号时，则A5191的0⑶脚为高电平，MCU从Pl. 6检测到高电平后将Pl. 3置高电平，此时HART MODEM的INRTS脚检测到高电平，打开解调器对检测到的数字信号进行解调并将有效数据由ORXD传送给MCU进行处理。若0⑶为低电平，说明总线空闲，这时MCU设定P1. 3也为低电平，则A5191的调制器打开，将从ΙΤ )接收的数据调制整形后由OTXA引脚发送。由OTXA发送的数据由运算放大器放大并经过变压器耦合到4 20mA直流信号上。HART协议采用标准的Bell202移频键控信号以1200波特率进行通信。其物理层采用两种不同频率(1200Hz和2200Hz，分别代表2进制的1和0)的正弦信号，叠加在4 20mA信号上进行通信，由于正弦信号的均值为0，并不干扰直流信号。它可使模拟信号和数字信号能同时进行双向通信而不互相干扰。本发明采用的是半双工的通信，采用简化的三层模型结构，即第一层物理层、第二层数据链路层和第七层应用层。物理层规定了信号的传输方法、传输介质；数据链路层规定了 HART帧的格式，实现建立、维护、终结链路通讯功能；应用层规定HART命令集。命令分为三类，即通用命令、普通命令和专用命令。通用命令提供了所有与现场设备有关的功能，这些命令包括读取制造厂家与设备类型；读初始变量与单位；读取电流输出与量程的百分比；读4个预定义的动态变量；读写8字符位号，16字符描述符，日期；读写32字符信息；读量程、单位和阻尼时间常数；读传感器系列号和界限；读写最末的装配零件数字；写轮询地址。常用命令提供常见的多种现场设备中的功能，但不是全部。包括读总共4个动态变量的一组选择；写阻尼时间变量；写量程；校准测定(置零、置最大量程)；设置固定的输出电流； 执行自检；执行主机复位；调整初始变零；写初始变量单位；调整数字-模拟转换器零点与增益；书写传送函数；书写传感器系列号；读写动态变量赋值。专用命令提供只针对特殊的现场设备的功能，是本发明自已所特有的，不互相兼容。由于HART协议规定的数据传送速率是1200bit/s，每传送一个字符的时间接近10 毫秒，所以软件中采用中断的方式收发数据，其余时间可以使CPU进入低功耗状态或处理其它事务。MSP430的USART模块的接收、发送缓存均可产生独立的中断，程序在该中断中完成对HART信息帧的各种处理。在帧的接收过程中，每当检测出异常，会自动设置相应状态信息，程序在定时器中断集中处理传输过程中出现的错误、延迟，并根据系统工作模式的不同调用相应的处理过程。信息帧的发送过程与此类似，当系统工作于成组模式时，定位器以一定的时间间隔不断地检测线路上是否有主机上传的命令信息，如果没有，会自动把设备运行的相关信息以HART信息帧的形式发送出去；如果恰有主机正在通信，则优先执行主机命令，或根据主机命令类型推迟或取消成组数据的发送。
权利要求
1.一种电容式射频导纳物位变送器，其特征在于，包括采样电路、HART通讯接口 /显示接口、MCU控制单元、人机接口，采样电路依次由高频驱动、电容检测、挂料分离、采样保持几个模块组成，采样电路对被测对象进行检测，将测量的电容值处理后送入MCU控制单元； MCU控制单元接收人机接口来的指令，同时对采样电路接收来的信号处理后送HART通讯接口 /显示接口，将标准信号送出和显示数据。
2.根据权利要求1所述电容式射频导纳物位变送器，其特征在于，所述高频驱动电路产生一个高频正弦激励信号，正弦信号通过带通滤波器对方波信号整形滤波得到，最后通过驱动电路得到符合设计的激励信号，激励信号加载在电容检测的电容传感器上。
3.一种电容式射频导纳物位变送器的工作方法，包括电容式射频导纳物位变送器，其特征在于，所述高频驱动输出的高频正弦激励信号加载到电容传感器，通过分析其响应信号的交流分量与直流分量的大小，通过MCU的运算求得电容传感器的阻抗与容抗，并由射频导纳理论中的挂料等效导纳Gg的实部与虚部在数值上相等的结论反推得到挂料容抗，则实际电容=测量电容-挂料电容， 再通过设置HART通讯接口电路、MCU控制电路单元，传感器采样的模拟信号经过MCU控制电路单元，进行比较运算，根据采样值进行数据处理之后由数模转换单元输出4 20mA模拟信号，实现电容式物位变送器的物位测量；同时，HART通讯接口电路检测到叠加在4 20mA 直流信号上的外部控制信号，解调出叠加的数字信号，传送给CPU进行处理；处理的结果经过HART通讯接口电路调制转换为HART信号要求的交变信号并叠加在直流信号上。
全文摘要
本发明涉及一种电容式射频导纳物位变送器及工作方法，高频驱动输出的高频正弦激励信号加载到电容传感器，通过分析其响应信号的交流分量与直流分量的大小，通过MCU的运算求得电容传感器的阻抗与容抗，并由射频导纳理论中的挂料等效导纳的实部与虚部在数值上相等的结论反推得到挂料容抗，则实际电容=测量电容-挂料电容，消除由于被测介质粘附电极而产生的挂料的测量误差，解决了被测物料是粘稠或固体粉末的测量误差大的难题，提高了测量的精度，保证了测量的稳定。
文档编号G01F23/24GK102538905SQ201010578690
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者杨振荣, 王鑫 申请人:上海自动化仪表股份有限公司