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电容式料位传感器在粮食烘干加工中的应用

2018-07-17 13:46:40  

前言

在各种工业生产自动化中,料位传感器作为自动控制系统中测量仪器是实现生产过程自动化的一项必要设备,如在粮食烘干和加工过程中,粮食料位的检测与控制是必不可少的。料位失控后,造成粮食损失或设备损坏。目前对料位的检测大都采用的是料位开关,能够实现连续测量的料位传感器在国内外均不多见,就目前仅有的料位传感器中,国外的产品价格昂贵,国内产品要么检测范围不够,要么检测灵敏度较低,不能满足粮食等料位的测量。针对上述情况,研制了一种可靠性高、成本低、检测灵敏度较高的电容式智能料位传感器。

1料位传感器的基本原理

电容式料位传感器测量粮食料位的依据是利用粮食介电常数不同于空气的介电常数,当粮食接触传感器时,引起电容式传感器电容量的变化。其基本工作原理是电容式传感器把粮食的料位转换为电容量的变化,通过测量电容量的方法就可以求知料位数值。因此电容式料位传感器是一个具有可变参数的电容器。

电容式料位传感器是根据圆筒电容器原理进行工作的,在实际的料位测量中,一般以物料的容器壁作为电容的一个极,传感器探头固定在容器中作为电容的另一极,其结构如图1所示。

image.png

它如同两个长度为L、半径分别为R和r的圆筒型金属导体,中间隔以绝缘物质,当中间介质是介电常数为E1的气体时,两圆筒的电容量为image.png如果电极的一部分被介电常数为2的物料(非导电性的)浸没时,则必有电容量的增量△C产生(因image.png),此时两极间的电容量image.png。假如电极被浸没长度为1,则电容增量为image.png

image.png不变时,电容量增量△C与电极浸没的长度l成正比,因此测出电容增量数值便可知道料位高度。

2测量电路设计

电容式料位传感器的硬件电路实质上就是一个对电容量的检测电路,实现对电容量的测量并输出需要的电信号。本系统设计输出的是与电容量成比例的电压信号。

料位传感器的测量电路主要由振荡电路和单片机检测与处理电路两部分组成。前者将电容量转化为一定频率的脉冲信号,当电容量变化时,脉冲频率发生相应的变化。后者则实现对频率信号的测量,根据脉冲频率的不同,输出不同的电压量。

信号变换关系为

料位一电容量一频率信号一电压.

为了实现料位的测量,传感器测量电路选用目前较先进的具有高集成度、内部带有A/D和D/A的表面贴装芯片ADuC812单片机,其原理框图如图2所示,单片机的T0口用于频率测量。

image.png

由单稳电路555组成的振荡器2/将表示料位的电容信号Cx转换成脉冲信号送入单片机ADuC812的定时器端口,经单片计算机对该脉冲信号频率计数采样,并与初始校准频率比较,得到一个差频信号,再将该差频信号经单片机内部数模转换电路

D/A转换成模拟信号,通过DACO端口输出,这个输出信号就是与电容量Cx的增量成比例的电压信号,即粮食料位信号。

在该测量电路中,MAX706P为电源监视与看门狗电路,可使传感器可靠工作。

本测量电路的特点是:

(1)由于所有芯片采用了SMT表面贴装技术,使得传感器测量电路体积大为减小;

(2)由于测量电路采用ADuC812的定时器/计数器和D/A等内部资源,使外部电路大为简化。

(3)设计中所有信号处理均采用软件实现,提高了系统的灵活性和可靠性。

(4)测量精确度高。通过软件处理可使传感器灵敏度得到大的提高。

在上面硬件测量电路基础上,通过单片机ADuC812的软件系统,就可以实现对料位传感器中脉冲频率信号的分析、处理以及电信号的转换输出等功能。

3试验及测试结果

针对上面传感器测量电路,进行了整个传感器试验,将传感器探头(简称料杆,长度500mm/插入装有粮食的料桶中,料桶深度500mm,料位变化范围0~400mm,对应料杆等效电容30~108pF。根据料杆插入的深度h(即入料深度)不同,获得了一组不同的输出电压,其结果如表1所示。

image.png

将上述数据运用最小二乘法进行直线拟合得image.png。通过这些数据的分析和验算得知传感器输出电压V。与料杆的入料深度h基本成线性关系,输出电压的均方误差为11.5mV,料位检测误差1mm。由此可知传感器检测准确度0.2%。工程实践证明,这样的检测准确度已比较高,足以满足对粮食加工过程中料位检测或测量的准确度要求。

4结束语

针对一般粮食烘干和加工过程中的料位测量问题,提出了一种新型的电容式料位传感器设计方法,并以一种新型单片机ADuC812为核心对传感器测量电路进行了详细设计。这种电容式料位传感器具有结构简单、体积小、分辨力高、可非接触测量等特点,不仅适用于一般粮食烘干和加工过程中的料位测量,而且也适用于其它非导电性的松散粉末或颗粒状物料以及液体等的料位测量。

工程实践证明,本文设计的传感器结构简单,测量准确度高,工作稳定可靠,适应性强,能在恶劣环境中工作,具有较好的推广应用价值。


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