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导波雷达液位计的回波信号捕获处理电路设计
发布日期:2018/9/4 10:43:54
液位计在工业测量中扮演着重要的角色。根据测量环境和测量要求等方面的具体情况,我们可以选择不同的液位仪表,比如伺服液位计、钢带液位计、浮筒液位计、磁翻板液位计、超声波液位计、磁致伸缩液位计、电容液位计、玻璃板液位计、玻璃管液位计、吹气液位计、差压液位计、雷达液位计等。虽然液位计的种类繁多,但是面对复杂的工况,高温、高压以及被测液体的介电系数特别小等情况时,目前只有导波雷达液位计才能达到比较高的测量精度
1、雷达液位计的分类
雷达液位计有两种:一种是连续调频式(FMCW)液位计,无论是它的工作原理还是电路实现都比较复杂,而且必须采用昂贵的振荡器温度稳定装置,或安装内部的参考源,通常需要不断地进行校准,在整个工作过程期间,约有一半的时间需向振荡系统供电,功耗较大。
另一种是脉冲式雷达液位计,它按结构又可分为天线式和导波式两种,本文介绍的是导波雷达液位计。由于脉冲波沿导波杆传播,能量集中,功耗低,反射返回并接受到的信号比较强,易于捕获与处理;它的测量不受介质密度、介质粘度、介质、液面波动、液面泡沫等的影响,故测量精度较高,一般产品为0.1%,精密级产品可达05mm或1mm纟色对精度;另外微波的传播不依赖介质,可用于有挥发、高温及压力的工况,量程大小对价格的影响不大。导波雷达采用24VDC电源供电,可以设计成安全级别ZUI高的本安型仪表,其安装成本和运行成本较低門。由于上述优点,使得它的应用十分广泛。
2、导波雷达液位计的测量原理
导波雷达液位计运用了TDR(时域反射原理)技术两,即发射的高频窄脉冲沿着同轴电缆传送.当遇到跟先前介质(空气或水蒸汽)的介电系数不同的表面时,负载阻抗和电缆的特征阻抗就会不相等,这样脉冲波会被反射回去,然后通过捕获回波信号来计算脉冲波传送时间,进而得到液位的高度。导波雷达信号传播示意图如图1所示。
根据TDR技术的特点,信号在同轴电缆和导波杆的连接处会产生一个断路回波,也就是顶部回波信号,另一部分信号会继续沿导波杆传播。当信号与被测界面接触时,却产生一个短路回波,即真正的液位回波信号。在实际测量中,在量程的上部和下部都会存在一段非线性区,分别为上部死区和下部死区,这两段区域的测量结果是不精确的,故在计算有效量程时要把它们减去。
3、硬件电路的实现
由于雷达信号的频率很高,周期很短,采集这样的信号可以用DSP或数控延时芯片等方法,但是这样实现起来不论是硬件还是软件都比较繁琐。所以我们搭建了脉冲时域展宽电路来处理信号,结果就把周期是纳秒级的信号转化成毫秒级的信号(具体电路在这就不详谈)。
如图2所示, signal就是经过时域展宽后的回波信号,它是只有10Hz的低频信号,它送到比较器MAX9042中进行比较捕获,其中CI是为了滤除高频尖波
电路中用到的主要芯片介绍:MAX9042是一款单电源供电的rail-to-rlil的双路比较器,400ns的传输延时,只有40uA的静态电流使得它功耗极低;高速与非门芯片74 LVCOOA,这也是款单电源供电的低功耗芯片,当供电电压ⅤCC=33V时,t=3ns;高速模拟开关T3A4751,它是一种导通阻抗只有0.9欧姆,单电源供电的芯片,它的导通时间和关闭时间分别为14ns和9ns;另外还用到高速二极管BAV70,它的开关速度t≤4ms。这些高速器件使得电路可以及时、可靠地处理信号,保证了测量的准确性。电路工作流程如下:回波信号先送入比较器比较,再配合模拟开关和二极管来控制选通比较器,接着用与非门把信号处理为CMOS高电平信号,ZUI后送入单片机捕获并计算。
4、回波信号的处理过程
我们要处理的信号有三个:顶部回波,液位回波和无液位时的回波,处理后结果送单片机。图中所示的PWM1,PWM2,PWM3是从单片机发出的占空比分别为35%,65%,35%的矩形波作为工业仪表精度至关重要,所以我们在设计时要从各个方面来提高测量精度。比如法兰的设计,导波杆的做工,电路抗干扰能力的提高等等;在软件方面考虑阻尼、介电系数、偏移量标定值等的大小。
实验测量结果
我们以水为介质,在常温下用量程为1100mm的导波杆进行测量,得出一系列数据。测试过程中,我们把电路板和导波杆连接起来,再将导波杆安装到一个带有准确刻度的透明玻璃管上。刚开始我们往玻璃管上方的进水口灌满水,每次测量时拧开玻璃管底部的出水口放一点水,待液面稳定后分别读出玻璃管上的刻度值和仪表上液晶屏显示的数值,我们测量了20组数据实验结果记录整理如表1所示。
5、总结
我们用比较简单的电路实现了雷达液位计回波信号的捕获,为单片机计算出雷达波传播的时间,进而得到所测量液位的高度奠定了基础。现场试验中我们得到的测量结果比较精准,系统运行也很稳定,从而证明的了此种捕获信号设计方法是可行有效的
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