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物位檢測是參數(shù)檢測技術(shù)中的重要部分之一,基于荷重傳感器的料倉物位測量裝置利用了電子秤的原理, 將物料的重量轉(zhuǎn)化成高度, 系統(tǒng)采用了性能穩(wěn)定的應(yīng)變電阻片作為傳感器, 將位移信號轉(zhuǎn)化為電阻信號, 再通過精確度極高的錳銅電阻和精密電壓源轉(zhuǎn)化為電壓信號, 送入單片機(jī)進(jìn)行處理后得到料倉中物料的準(zhǔn)確高度。具體設(shè)計(jì)如下: ① 采用三個(gè)荷重傳感器, 進(jìn)行三路采樣輸入, 以保證較高的測量精度。② 采用專用鍵盤設(shè)定報(bào)警值、 密度值, 以及查看當(dāng)前參數(shù)。③ 設(shè)置上、下限報(bào)警、 域值、 料倉物料的密度值, 運(yùn)行中通過鍵盤進(jìn)行設(shè)定和修改、 查看等操作。④ 料位測量范圍為 0~ 5 m, 對應(yīng)的重量變化范圍為 0~ 5 000 kg 之間。

1  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要包括荷重傳感器檢測電路、A/ D 轉(zhuǎn)換采樣電路、 數(shù)據(jù)顯示電路、 E 2 PROM 掉電保護(hù)電路、 LED 狀態(tài)指示及聲光報(bào)警電路、 D/ A 轉(zhuǎn)換電路、 鍵盤電路等。

系統(tǒng)單片機(jī)采用 89C51, 該芯片內(nèi)含 4 K 的程序存儲器, 不需再進(jìn)行程序存儲器的擴(kuò)展; A/ D 轉(zhuǎn)換器采用 ADC7933, 它是 ANALOG DEVICE 公司制造的四通道并行 10 bit A/ D 轉(zhuǎn)換器, 具有轉(zhuǎn)換速度快, 運(yùn)算精度高、 功耗小, 噪聲低等優(yōu)點(diǎn), 比較適合多路采樣系統(tǒng); 系統(tǒng)中有一些參數(shù)需要通過鍵盤來輸入和保存, 如: 上、 下限報(bào)警值、 料倉物料密度值、標(biāo)定值等, 這些參數(shù)都需要提供掉電保護(hù), 用以保證再次開機(jī)時(shí)使用相同的參數(shù), 因此就需要有掉電保護(hù)電路, 可選用常見的93C46 芯片來保存參數(shù); 系統(tǒng)的 D/ A 轉(zhuǎn)換器采用美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的10 位 D/ A 轉(zhuǎn)換芯片 DAC1020 , 因其內(nèi)部沒有輸入寄存器, 所以須增設(shè)鎖存器才能與89C51 接口, 由于 89C51 字長為 8 位, 所以必須分兩次操作才能把一個(gè) 10 位 數(shù) 據(jù) 送 入 DAC1020 內(nèi) 進(jìn) 行 轉(zhuǎn) 換。DAC1020 的輸出經(jīng)運(yùn)算放大器和復(fù)合三級管放大轉(zhuǎn)換成 4~ 20 mA. DC 輸出; 串行輸出采用 RS232C串口通信標(biāo)準(zhǔn), 由于 89C51 的串行通訊接口 TXD( P3. 1) 輸出電平為 T TL 電平, 所以必須通過 1488電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行 TT L ) RS232 標(biāo)準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換, 才能直接與串口設(shè)備相連, 波特率選擇為 9 600/ s, 單片機(jī)工作于工作方式 2, 1 位起始位, 8 位數(shù)據(jù)位, 1位奇偶校驗(yàn)位, 1 位停止位, 每包 2 個(gè)物位數(shù)據(jù), 高位在前, 低位在后, 其它電路的設(shè)計(jì)比較常見, 讀者可參考相關(guān)資料。

2  物位檢測原理與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

2. 1  荷重傳感器

荷重傳感器由電阻應(yīng)變片組成, 當(dāng)應(yīng)變電阻片受力時(shí), 其電阻值在一定范圍之間變化, 且位移隨著電阻值的變化而變化, 表 1 為一組實(shí)測的應(yīng)變電阻片位移與應(yīng)變電阻之間的特性參數(shù), 由圖可見, 應(yīng)變電阻片為非線性特性。為了提高測量精度, 該裝置中使用了三個(gè)傳感器, 分別安裝在料倉同一平面上的三個(gè)對稱位置, 料倉由承重彈簧支撐, 傳感器安裝在承重彈簧中間, 料倉的物位變化時(shí)承重彈簧產(chǎn)生相應(yīng)的位移, 傳感器的電阻發(fā)生變化, 這樣在料倉中每一側(cè)的物料重量都可均勻計(jì)算在整個(gè)料倉的物料重量中。
 

2. 2  檢測電路

荷重傳感器的檢測電路由 3 個(gè)應(yīng)變電阻片R 1 . 、 R 2 . 、 R 3 . 和錳銅電阻 R 1 、 R 2 、 R 3 , 調(diào)滿度電位器W 1 、 W 2 、 W 3 , 調(diào)零電位器 W 4 、 W 5 、 W 6 和運(yùn)放 A 1 、A 2 、 A 3 等組成的 3 組檢測電路組成。3 組電路的編號分別為 1、 2、 3。料倉料位從最低變到最高時(shí), R ₁ . 、 R ₂ . 、 R ₃ . 從 3. 57 kΩ 變到 120 kΩ, 裝置使用前, 通過調(diào)滿度電位器 W ₁ 、 W ₂ 、 W ₃ 和調(diào)零點(diǎn)電位器 W ₄ 、 W ₅ 、 W ₆ 分別對 3 個(gè)檢測電路進(jìn)行量程和零點(diǎn)調(diào)整。

2. 3  檢測電路的信號處理

放大器 A 1 、 A 2 、 A 3 的放大倍數(shù)均為 1, 對于放大電路 1 有:
 

式中: R ₁’——為應(yīng)變電阻阻值, 其變化范圍為 3. 57kΩ 變到 120 kΩ;

R ₁—— 為分壓電阻, 其值第 1 路檢測電路中的 R ₁ + W ₁ , R ₁ 為錳銅電阻。

放大器 A ₁ 輸入信號的上限值為 5 V, 因此, 當(dāng)料倉料位在上限值時(shí), 應(yīng)變電阻片的阻值為 120kΩ, 此時(shí) R 1 的阻值可由下式:
   同理, 對于放大電路 2 和 3 有:

R ₂ = R ₃ = 168 kΩ

由此, 即可獲得每個(gè)傳感器所對應(yīng)的料倉重量的電壓信號, 將這 3 個(gè)電壓信號求和, 即可獲得料倉總的重量, 再根據(jù)物料的比重即可換算出料倉的物位。對于第 1路檢測電路, 可由式(1)和表 1得出輸出電壓 U 01 和應(yīng)變片位移之間的關(guān)系。 輸出電壓與位移即料倉料位之間非線性關(guān)系, 為了提高測量精度, 需進(jìn)行非線性處理。
       此采用分段線性化法進(jìn)行非線性處理, 將分為 4 段, 分別為 1、 2、 3、 4 段, 按最大測量重量5000 kg 計(jì)算, 分段點(diǎn)分別為 0 kg、 1 000 kg、 2 300kg、 3 600 kg、 5 000 kg, 在分段點(diǎn)之間用直線代替原有特性曲線, 對料倉料位進(jìn)行計(jì)算。具體做法是, 在裝置使用前分別在分段點(diǎn)上對裝置進(jìn)行標(biāo)定, 可獲得分段點(diǎn) 0 kg、 1 000 kg、 2 300 kg、 3 600kg、 5 000 kg 對應(yīng)的輸出電壓分別為 V 0 、 V 1 、 V 2 、V 3 、 V 4 , 由此可算出各段直線的斜率K, 以第 2 段為例, 其斜率為:
    當(dāng)料倉重量 x 在 1 000~ 2 300 kg 之間時(shí), 測量電路的輸出電壓為:

V ₀₁ = K ₂ (x - 1 000) + V ₁

同樣, 可算出另外 2 路測量電路當(dāng)料倉重量 x 在1 000~ 2 300 kg 之間時(shí)的輸出電壓 V ₀₂ 、 V ₀₃ :

V ₀₂ = K ₂ (x - 1 000) + V ₁

V ₀₃ = K ₂ (x - 1 000) + V ₁

用同樣的方法, 可求出在其他各段的測量電路的輸出電壓。這樣就完成了對特性曲線的線性化處理。標(biāo)定工作完成后, 專用計(jì)算機(jī)將標(biāo)定后得到的數(shù)據(jù)K ₁ 、K ₂ 、 K ₃ 、 K ₄ 、 V ₀ 、 V ₁ 、 V ₂ 、 V ₃ 、 V ₄ 存入 E ² PROM或計(jì)算機(jī)硬盤中, 以備其它程序使用。增加分段數(shù)可進(jìn)一步提高測量精度。

 

2. 4  數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)單元由 A/ D 轉(zhuǎn)換、 專用計(jì)算機(jī)組成。系統(tǒng)每次執(zhí)行采樣操作, AD轉(zhuǎn)換器對 3路測量電路依次采樣, 每一路均采樣 4 次, 然后計(jì)算平均值( 數(shù)字濾波) , 并將結(jié)果存儲在相應(yīng)內(nèi)存中, 設(shè)3 路數(shù)字濾波后的采樣電壓為 U 1 , U 2 , U 3 , 每次三路采樣完畢后均先計(jì)算三路采樣電壓平均值 U, 由軟件先判斷 U 的分段區(qū)間, 從而用該段對應(yīng)的 K i 值計(jì)算料倉的重量G, 即:
   

式中: U _{i- 1} ——標(biāo)定點(diǎn)對應(yīng)電壓值, i= 1, 2, 3, 4;

G _{i- 1}—— 標(biāo)定點(diǎn)上的重量值, i= 1, 2, 3, 4,

以重量變化范圍 0~ 5 000 kg 之間為例, 對應(yīng)的重量值為: 0 kg、 1 000 kg、 2 300 kg、 3 600 kg、 5 000kg。這樣, 可得出的重量值 G, 再根據(jù)料倉的形狀,由程序換算出對應(yīng)的料位高度。

3  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu), 主要由初始化程序、中斷采樣程序、 數(shù)據(jù)存儲程序、 數(shù)據(jù)處理子程序、 報(bào)警程序子程序、 顯示程序子程序、 LED 指示燈處理程子程序、 串行輸出子程序、 DA 模擬信號輸出子程序、鍵盤掃描及鍵處理子程序等組成, 在此不在贅述。

4  誤差分析

該裝置的誤差主要有以下幾個(gè)方面:

① 曲線擬合誤差。經(jīng)測量計(jì)算, 曲線擬合誤差為 σ₁ = 1. 33%。② A/ D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差。采用10 bitA/ D 轉(zhuǎn)換器, 其轉(zhuǎn)換誤差為: σ₂ = 1/ 1024·2=0. 05%。③ 數(shù)據(jù)處理程序的舍入誤差。舍入誤差為: σ₃ = 0. 005/ 5= 0. 001%。

經(jīng)分析, 以上三個(gè)誤差可以認(rèn)為是互不相關(guān)的,因此, 該裝置的總的不確定度可由下式給出:
    

5  結(jié)  論

綜上所述, 采用荷重傳感器通過測量料倉重量求出料倉物位, 在對料倉物位檢測過程中, 采用分段線性化法進(jìn)行非線性處理, 提高了測量精度, 利用該設(shè)計(jì), 可以設(shè)計(jì)出測量精度較高、 結(jié)構(gòu)合理、 功能齊全的物位測量裝置, 在實(shí)際應(yīng)用中有較高的實(shí)用價(jià)值。

 

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