前言
在各種工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中，料位傳感器作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中測量儀器是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的一項(xiàng)必要設(shè)備，如在糧食烘干和加工過程中，糧食料位的檢測與控制是必不可少的。料位失控后，造成糧食損失或設(shè)備損壞。目前對(duì)料位的檢測大都采用的是料位開關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)測量的料位傳感器在國內(nèi)外均不多見，就目前僅有的料位傳感器中，國外的產(chǎn)品價(jià)格昂貴，國內(nèi)產(chǎn)品要么檢測范圍不夠，要么檢測靈敏度較低，不能滿足糧食等料位的測量。針對(duì)上述情況，研制了一種可靠性高、成本低、檢測靈敏度較高的電容式智能料位傳感器。
1料位傳感器的基本原理
電容式料位傳感器測量糧食料位的依據(jù)是利用糧食介電常數(shù)不同于空氣的介電常數(shù)，當(dāng)糧食接觸傳感器時(shí)，引起電容式傳感器電容量的變化。其基本工作原理是電容式傳感器把糧食的料位轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測量電容量的方法就可以求知料位數(shù)值。因此電容式料位傳感器是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。
電容式料位傳感器是根據(jù)圓筒電容器原理進(jìn)行工作的，在實(shí)際的料位測量中，一般以物料的容器壁作為電容的一個(gè)極，傳感器探頭固定在容器中作為電容的另一極，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
它如同兩個(gè)長度為L、半徑分別為R和r的圓筒型金屬導(dǎo)體，中間隔以絕緣物質(zhì)，當(dāng)中間介質(zhì)是介電常數(shù)為E1的氣體時(shí)，兩圓筒的電容量為
如果電極的一部分被介電常數(shù)為2的物料（非導(dǎo)電性的）浸沒時(shí)，則必有電容量的增量△C產(chǎn)生（因
），此時(shí)兩極間的電容量
。假如電極被浸沒長度為1，則電容增量為
當(dāng)
不變時(shí)，電容量增量△C與電極浸沒的長度l成正比，因此測出電容增量數(shù)值便可知道料位高度。
2測量電路設(shè)計(jì)
電容式料位傳感器的硬件電路實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)對(duì)電容量的檢測電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電容量的測量并輸出需要的電信號(hào)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出的是與電容量成比例的電壓信號(hào)。
料位傳感器的測量電路主要由振蕩電路和單片機(jī)檢測與處理電路兩部分組成。前者將電容量轉(zhuǎn)化為一定頻率的脈沖信號(hào)，當(dāng)電容量變化時(shí)，脈沖頻率發(fā)生相應(yīng)的變化。后者則實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率信號(hào)的測量，根據(jù)脈沖頻率的不同，輸出不同的電壓量。
信號(hào)變換關(guān)系為
料位一電容量一頻率信號(hào)一電壓.
為了實(shí)現(xiàn)料位的測量，傳感器測量電路選用目前較先進(jìn)的具有高集成度、內(nèi)部帶有A/D和D/A的表面貼裝芯片ADuC812單片機(jī)，其原理框圖如圖2所示，單片機(jī)的T0口用于頻率測量。
由單穩(wěn)電路555組成的振蕩器2/將表示料位的電容信號(hào)Cx轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)送入單片機(jī)ADuC812的定時(shí)器端口，經(jīng)單片計(jì)算機(jī)對(duì)該脈沖信號(hào)頻率計(jì)數(shù)采樣，并與初始校準(zhǔn)頻率比較，得到一個(gè)差頻信號(hào)，再將該差頻信號(hào)經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換電路
D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通過DACO端口輸出，這個(gè)輸出信號(hào)就是與電容量Cx的增量成比例的電壓信號(hào)，即糧食料位信號(hào)。
在該測量電路中，MAX706P為電源監(jiān)視與看門狗電路，可使傳感器可靠工作。
本測量電路的特點(diǎn)是：
（1）由于所有芯片采用了SMT表面貼裝技術(shù)，使得傳感器測量電路體積大為減?。?/p>
（2）由于測量電路采用ADuC812的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和D/A等內(nèi)部資源，使外部電路大為簡化。
（3）設(shè)計(jì)中所有信號(hào)處理均采用軟件實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。
（4）測量精確度高。通過軟件處理可使傳感器靈敏度得到大的提高。
在上面硬件測量電路基礎(chǔ)上，通過單片機(jī)ADuC812的軟件系統(tǒng)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)料位傳感器中脈沖頻率信號(hào)的分析、處理以及電信號(hào)的轉(zhuǎn)換輸出等功能。
3試驗(yàn)及測試結(jié)果
針對(duì)上面?zhèn)鞲衅鳒y量電路，進(jìn)行了整個(gè)傳感器試驗(yàn)，將傳感器探頭（簡稱料桿，長度500mm/插入裝有糧食的料桶中，料桶深度500mm，料位變化范圍0~400mm，對(duì)應(yīng)料桿等效電容30~108pF。根據(jù)料桿插入的深度h（即入料深度）不同，獲得了一組不同的輸出電壓，其結(jié)果如表1所示。
將上述數(shù)據(jù)運(yùn)用最小二乘法進(jìn)行直線擬合得
。通過這些數(shù)據(jù)的分析和驗(yàn)算得知傳感器輸出電壓V。與料桿的入料深度h基本成線性關(guān)系，輸出電壓的均方誤差為11.5mV，料位檢測誤差1mm。由此可知傳感器檢測準(zhǔn)確度0.2%。工程實(shí)踐證明，這樣的檢測準(zhǔn)確度已比較高，足以滿足對(duì)糧食加工過程中料位檢測或測量的準(zhǔn)確度要求。
4結(jié)束語
針對(duì)一般糧食烘干和加工過程中的料位測量問題，提出了一種新型的電容式料位傳感器設(shè)計(jì)方法，并以一種新型單片機(jī)ADuC812為核心對(duì)傳感器測量電路進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。這種電容式料位傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、分辨力高、可非接觸測量等特點(diǎn)，不僅適用于一般糧食烘干和加工過程中的料位測量，而且也適用于其它非導(dǎo)電性的松散粉末或顆粒狀物料以及液體等的料位測量。
工程實(shí)踐證明，本文設(shè)計(jì)的傳感器結(jié)構(gòu)簡單，測量準(zhǔn)確度高，工作穩(wěn)定可靠，適應(yīng)性強(qiáng)，能在惡劣環(huán)境中工作，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。
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