物位检测是参数检测技术中的重要部分之一,基于荷重传感器的料仓物位测量装置利用了电子秤的原理, 将物料的重量转化成高度, 系统采用了性能稳定的应变电阻片作为传感器, 将位移信号转化为电阻信号, 再通过精确度极高的锰铜电阻和精密电压源转化为电压信号, 送入单片机进行处理后得到料仓中物料的准确高度。具体设计如下: ① 采用三个荷重传感器, 进行三路采样输入, 以保证较高的测量精度。② 采用专用键盘设定报警值、 密度值, 以及查看当前参数。③ 设置上、下限报警、 域值、 料仓物料的密度值, 运行中通过键盘进行设定和修改、 查看等操作。④ 料位测量范围为 0~ 5 m, 对应的重量变化范围为 0~ 5 000 kg 之间。

1  系统硬件设计

系统硬件部分主要包括荷重传感器检测电路、A/ D 转换采样电路、 数据显示电路、 E 2 PROM 掉电保护电路、 LED 状态指示及声光报警电路、 D/ A 转换电路、 键盘电路等。

系统单片机采用 89C51, 该芯片内含 4 K 的程序存储器, 不需再进行程序存储器的扩展; A/ D 转换器采用 ADC7933, 它是 ANALOG DEVICE 公司制造的四通道并行 10 bit A/ D 转换器, 具有转换速度快, 运算精度高、 功耗小, 噪声低等优点, 比较适合多路采样系统; 系统中有一些参数需要通过键盘来输入和保存, 如: 上、 下限报警值、 料仓物料密度值、标定值等, 这些参数都需要提供掉电保护, 用以保证再次开机时使用相同的参数, 因此就需要有掉电保护电路, 可选用常见的93C46 芯片来保存参数; 系统的 D/ A 转换器采用美国国家半导体公司生产的10 位 D/ A 转换芯片 DAC1020 , 因其内部没有输入寄存器, 所以须增设锁存器才能与89C51 接口, 由于 89C51 字长为 8 位, 所以必须分两次操作才能把一个 10 位 数 据 送 入 DAC1020 内 进 行 转 换。DAC1020 的输出经运算放大器和复合三级管放大转换成 4~ 20 mA. DC 输出; 串行输出采用 RS232C串口通信标准, 由于 89C51 的串行通讯接口 TXD( P3. 1) 输出电平为 T TL 电平, 所以必须通过 1488电平转换芯片进行 TT L ) RS232 标准电压转换, 才能直接与串口设备相连, 波特率选择为 9 600/ s, 单片机工作于工作方式 2, 1 位起始位, 8 位数据位, 1位奇偶校验位, 1 位停止位, 每包 2 个物位数据, 高位在前, 低位在后, 其它电路的设计比较常见, 读者可参考相关资料。

2  物位检测原理与数据处理系统

2. 1  荷重传感器

荷重传感器由电阻应变片组成, 当应变电阻片受力时, 其电阻值在一定范围之间变化, 且位移随着电阻值的变化而变化, 表 1 为一组实测的应变电阻片位移与应变电阻之间的特性参数, 由图可见, 应变电阻片为非线性特性。为了提高测量精度, 该装置中使用了三个传感器, 分别安装在料仓同一平面上的三个对称位置, 料仓由承重弹簧支撑, 传感器安装在承重弹簧中间, 料仓的物位变化时承重弹簧产生相应的位移, 传感器的电阻发生变化, 这样在料仓中每一侧的物料重量都可均匀计算在整个料仓的物料重量中。
 

2. 2  检测电路

荷重传感器的检测电路由 3 个应变电阻片R 1 . 、 R 2 . 、 R 3 . 和锰铜电阻 R 1 、 R 2 、 R 3 , 调满度电位器W 1 、 W 2 、 W 3 , 调零电位器 W 4 、 W 5 、 W 6 和运放 A 1 、A 2 、 A 3 等组成的 3 组检测电路组成。3 组电路的编号分别为 1、 2、 3。料仓料位从最低变到最高时, R ₁ . 、 R ₂ . 、 R ₃ . 从 3. 57 kΩ 变到 120 kΩ, 装置使用前, 通过调满度电位器 W ₁ 、 W ₂ 、 W ₃ 和调零点电位器 W ₄ 、 W ₅ 、 W ₆ 分别对 3 个检测电路进行量程和零点调整。

2. 3  检测电路的信号处理

放大器 A 1 、 A 2 、 A 3 的放大倍数均为 1, 对于放大电路 1 有:
 

式中: R ₁’——为应变电阻阻值, 其变化范围为 3. 57kΩ 变到 120 kΩ;

R ₁—— 为分压电阻, 其值第 1 路检测电路中的 R ₁ + W ₁ , R ₁ 为锰铜电阻。

放大器 A ₁ 输入信号的上限值为 5 V, 因此, 当料仓料位在上限值时, 应变电阻片的阻值为 120kΩ, 此时 R 1 的阻值可由下式:
   同理, 对于放大电路 2 和 3 有:

R ₂ = R ₃ = 168 kΩ

由此, 即可获得每个传感器所对应的料仓重量的电压信号, 将这 3 个电压信号求和, 即可获得料仓总的重量, 再根据物料的比重即可换算出料仓的物位。对于第 1路检测电路, 可由式(1)和表 1得出输出电压 U 01 和应变片位移之间的关系。 输出电压与位移即料仓料位之间非线性关系, 为了提高测量精度, 需进行非线性处理。
       此采用分段线性化法进行非线性处理, 将分为 4 段, 分别为 1、 2、 3、 4 段, 按最大测量重量5000 kg 计算, 分段点分别为 0 kg、 1 000 kg、 2 300kg、 3 600 kg、 5 000 kg, 在分段点之间用直线代替原有特性曲线, 对料仓料位进行计算。具体做法是, 在装置使用前分别在分段点上对装置进行标定, 可获得分段点 0 kg、 1 000 kg、 2 300 kg、 3 600kg、 5 000 kg 对应的输出电压分别为 V 0 、 V 1 、 V 2 、V 3 、 V 4 , 由此可算出各段直线的斜率K, 以第 2 段为例, 其斜率为:
    当料仓重量 x 在 1 000~ 2 300 kg 之间时, 测量电路的输出电压为:

V ₀₁ = K ₂ (x - 1 000) + V ₁

同样, 可算出另外 2 路测量电路当料仓重量 x 在1 000~ 2 300 kg 之间时的输出电压 V ₀₂ 、 V ₀₃ :

V ₀₂ = K ₂ (x - 1 000) + V ₁

V ₀₃ = K ₂ (x - 1 000) + V ₁

用同样的方法, 可求出在其他各段的测量电路的输出电压。这样就完成了对特性曲线的线性化处理。标定工作完成后, 专用计算机将标定后得到的数据K ₁ 、K ₂ 、 K ₃ 、 K ₄ 、 V ₀ 、 V ₁ 、 V ₂ 、 V ₃ 、 V ₄ 存入 E ² PROM或计算机硬盘中, 以备其它程序使用。增加分段数可进一步提高测量精度。

 

2. 4  数据采集与处理系统

数据采集与处理系统单元由 A/ D 转换、 专用计算机组成。系统每次执行采样操作, AD转换器对 3路测量电路依次采样, 每一路均采样 4 次, 然后计算平均值( 数字滤波) , 并将结果存储在相应内存中, 设3 路数字滤波后的采样电压为 U 1 , U 2 , U 3 , 每次三路采样完毕后均先计算三路采样电压平均值 U, 由软件先判断 U 的分段区间, 从而用该段对应的 K i 值计算料仓的重量G, 即:
   

式中: U _{i- 1} ——标定点对应电压值, i= 1, 2, 3, 4;

G _{i- 1}—— 标定点上的重量值, i= 1, 2, 3, 4,

以重量变化范围 0~ 5 000 kg 之间为例, 对应的重量值为: 0 kg、 1 000 kg、 2 300 kg、 3 600 kg、 5 000kg。这样, 可得出的重量值 G, 再根据料仓的形状,由程序换算出对应的料位高度。

3  系统软件设计

软件设计采用模块化结构, 主要由初始化程序、中断采样程序、 数据存储程序、 数据处理子程序、 报警程序子程序、 显示程序子程序、 LED 指示灯处理程子程序、 串行输出子程序、 DA 模拟信号输出子程序、键盘扫描及键处理子程序等组成, 在此不在赘述。

4  误差分析

该装置的误差主要有以下几个方面:

① 曲线拟合误差。经测量计算, 曲线拟合误差为 σ₁ = 1. 33%。② A/ D 转换器的转换误差。采用10 bitA/ D 转换器, 其转换误差为: σ₂ = 1/ 1024·2=0. 05%。③ 数据处理程序的舍入误差。舍入误差为: σ₃ = 0. 005/ 5= 0. 001%。

经分析, 以上三个误差可以认为是互不相关的,因此, 该装置的总的不确定度可由下式给出:
    

5  结  论

综上所述, 采用荷重传感器通过测量料仓重量求出料仓物位, 在对料仓物位检测过程中, 采用分段线性化法进行非线性处理, 提高了测量精度, 利用该设计, 可以设计出测量精度较高、 结构合理、 功能齐全的物位测量装置, 在实际应用中有较高的实用价值。

 

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