沖擊振動式物料位計原理與實驗研究

　　物料位測量，特別是固體物料的料位測量，由于被測對象的特殊物性，如粉塵，黏附，板結等作用，最佳的測量方法是非接觸式測量。相比較超聲波式和雷達式等非接觸方法，雖然不直接與被測物料接觸，但都需要與物料上方介質接觸，需要物料上方介質具有對超聲波或微波透明，完全非接觸式測量方法具有完全不與被測物料，包括物料上方介質接觸，具有更廣泛的適應性和更高的可靠性。目前僅有兩種完全非接觸式測量方法：放射式和稱重式。由于放射式料位計需要高能γ射線穿透被測容器，其運行中的安全防護與放射源的存儲等問題制約了這種方式的應用。稱重式料位測量儀器對介質密度有直接的依賴，需要有已知且穩定的介質密度，這在液體測量中也許是容易滿足的條件，在固體介質的測量中往往很難滿足。由于需要測量整體容器的重量，要求容器只有有限個鋼結構支撐架，這也限制了儀器的安裝條件。通過理論分析與實驗研究，研制了一種以沖擊與振動的方法進行測量的新型料位計。作為一種新型的完全非接觸式物料測量方法，不使用高能射線，沒有放射污染，不依賴被測介質密度，對容器結構沒有要求，全部儀器安裝于容器外部，與被測界面上下兩種介質都不需接觸，是一種干凈，方便，廉價，適用廣泛的新型料位測量的方法。
2　測量原理
　　測量的基本原理是通過容器外部的激振器產生適當的能量波，經過傳播后，攜帶容器內界面情況的信息，被傳感器所接收，通過分析波的特征，得到界面信息。能量波可以選擇電磁波或機械波。電磁波只有頻率足夠高才有足夠能量穿透容器（特別是金屬容器），也就是目前已經使用的放射料位計中的γ但是較高頻率的機械波穿透能力差，如超聲式料位計就必須安裝于容器內部，雖然稱為非接觸式測量，只是與被測界面兩介質中的一種不接觸，儀器需要在另一種介質中發射與接收超聲波，這就要求這種介質具有超聲透明的特性。也許這種方式應當稱為半接觸式測量。為了能夠進行完全非接觸測量，選擇使用低頻機械波，可以從容器外壁產生與接收，不但容易產生，容易檢測，而且容器及被測介質對波的衰減小，在大量程時這一點尤為重要。但是低頻機械波容易受到噪音干擾，由于波長較長，對測量精度的提高也帶來很多困難。這些都對信號處理提出很高要求。
　　在低頻機械波的傳播過程中，可以把容器壁看作具有一定單位面積質量，具有各向同性的剪切彈性模量，各向均勻的薄板介質。從總參數的角度觀察介質，可以看作無限多個相同參數的質量——彈簧——阻尼二階系統的級聯結構。從激振器到傳感器可以看作是在無限長鏈條中截取的有限個二階有阻尼系統。對于容器內有被測介質的容器壁，由于被測介質對容器壁的側壓力，使得容器壁的等效質量增大。又由于被測介質對波能量的傳導，容器壁的等效阻尼增大。然而，側壓力對容器壁的等效剪切彈性模量影響卻不大。這樣，原則上通過模態分析，可以找到振動模態與介質界面間的相關關系，從而達到測量的目的。但是這樣的測量是依賴于具體的容器以及具體的被測介質的物體，不具有實用價值。使用激勵器和傳感器矩陣，建立多輸入、多輸出的測量系統與相應的系統傳遞模型，基于波的傳播與加速阻抗模型，通過非模態化的測量和信號處理方法，在無需容器與被測物料參數的情況下，進行了物料位的測量。
3　系統設計
3．1　系統結構
　　沖擊振動式料位計試驗裝置的系統結構如圖3—1。試驗容器為一個直徑1m，高為1．8m的圓柱形3 mm厚45＃鋼板卷制焊接鋼桶。



　　激振器安裝在容器外壁，試驗中使用了8個激振器模擬現場測量中被測容器很大（量程很大，此時單一激振器激勵功率不能滿足要求）時的狀況，自頂而下垂直均勻排列，間距為20cm。傳感器為加速度傳感器，通過永磁鐵基座吸附在容器外壁上，一共4個，同樣自頂而下垂直均勻排列。采用這種多個激振器和傳感器分布排列方式，各激振器與傳感器組成冗余多傳感器結構，經過多傳感器信息融合，不但擴展了量程，更具有硬件上的容錯能力，提高了系統可靠性。并且冗余的信息也大大提高了測量的精度、數據的可靠性和儀器的抗干擾能力。
　　激振器掛接在系統的控制總線上，對各激振器分配有其獨立的地址編號，受控制總線控制在同一時間有且僅有一個激振器被選通。任意波形發生卡安裝在另一臺伺服計算機上，通過以太網絡與主控計算機通訊，接收主控計算機發出的波形數據和控制信號。激勵波形經任意波形發生卡產生后由功率放大器放大，由當前被選通激振器轉換為機械波激勵容器壁。機械波通過桶壁的傳播，被傳感器接收，轉換為電信號，經連接其后的四路程控放大器。放大后的信號通過隔離放大器隔離后送入主控計算機進行數據采集，量化為數字信號進行數字信號處理。伺服計算機不但控制任意波形發生器產生需要的波形，而且還擔任著翻譯主控計算機的指令到控制總線控制著激振器的選通和程控放大器的增益的任務。
3．2　激振器設計
　　激振器為可選通的一體電磁結構，主要包括鐵心，線圈，永磁鐵，控制電路4部分組成。激勵力大約為50 g／A，在功率放大器最大激勵電流為10A（占空比1∶10）時，激振器最大輸出力為500g。激振器有效通頻帶在200～16 000Hz?？刂齐娐讽憫刂瓶偩€的地址信號，譯碼。在總線地址信號與該激振器地址編碼吻合時選通該激振器，使得激振器的線圈與總線中的信號線接通，進入選通待命狀態。當信號線被功率放大器激勵時，激振器的永磁鐵在線圈磁場的作用下受力，并將這一激勵力施加給與其緊密粘結的容器壁，在容器壁上激勵出機械振動波。
3．3　振動傳感器選擇
　　為適應不同容器的情況，以加速度傳感器來測量桶壁的振動。加速度傳感器具有較寬的通頻帶。
　　采用的傳感器3db平坦帶寬為0～10 000Hz，靈敏度為100mV／g。為了方便與鋼制容器壁耦合，制作了專用的磁鐵基座。通過螺柱與傳感器牢固連接，通過磁力與容器壁吸附。垂直剝離力為5kg，滿足加速度傳感器安裝條件。
3．4　任意波形發生器
　　為使得測量信號的處理方便，對激勵波形的頻譜和持續時間有著特殊要求。為了產生這種復雜的瞬態單次脈沖，主控計算機通過數值計算求得信號波形后把波形數據通過網絡傳送給伺服計算機，并儲存在任意波形發生卡的緩存中。在主控計算機發出啟動信號后，波形發生卡以指令中指定采樣率參數對數據進行D／A變換，輸出期望的激勵信號。筆者使用的是sai200型任意波形發生卡，存儲深度為32kbye，最大采樣率為20MHz，最大輸出波形電壓為±5V。通過制作的10ms峰值功率達到400 W的功率放大器，推動激振器產生激勵振動。
3．5　四路隔離程控放大器
　　四路程控放大器是該裝置的重點。由于每次的激勵都是短脈沖，持續時間短，且各次激勵響應的相對強度也是重要的參數。所以，不能使用自動增益控制方法來適應不同大小的信號對放大器增益不同的要求。筆者采用計算機程控增益的方法解決了這個問題。另外，現場中由于加速度傳感器緊密與容器壁相連，各傳感器相隔甚遠，通過傳感器共地的外殼，容器壁，多個傳感器包圍了很大面積的閉合電回路，這在現場環境中會引來很大的環形干擾電流，且不能用屏蔽等方法進行克服。這對于微弱的振動信號造成強烈干擾，給后續的信號處理帶來很多困難。筆者設計制作了4路隔離寬帶低噪音程控增益放大器，對4路信號進行獨立絕緣地的程控、放大，圖3—2是其中一路放大器。4路絕緣地放大后的信號通過隔離放大器隔離，成為共地信號后，輸出進入計算機的A／D數據采集卡作模數變換。電路中以開關型光耦隔離器隔離計算機的數字控制信號，以DAC0832作為D／A將計算機的控制字轉換為增益控制的模擬電壓。以程控低噪音寬帶集成放大器AD603作為主放大器，開關電容式1∶1隔離放大集成電路ISO124作為隔離放大器。放大器的增益控制范圍為0～80db，線性可調，帶寬為10Hz～5MHz，通道間隔離度大于－80db，在試驗中獲得了滿意的信噪比。



3．6　軟件結構
　　在硬件結構上，試驗裝置分為主從兩套計算機裝置，這是為模擬儀器在群控情況下的工作結構。從控計算機在現場、成本低、運算能力弱，主要是做硬件設備的控制，如激振器、放大器等。主控計算機一個區域只有一個，負責信號的處理工作，運算能力強。這樣，在軟件上，系統也分為多個進程，以便分布運行于多個處理器上。



　　整體結構見圖3—3。主控計算機運行有4個進程，其中信號采集進程與中心控制進程通過WM－COPYDATA消息進行通信。其他信號處理等進程通過Matlab的數據引擎接口與VC編制的中心控制進程通信。通過Sockets套接字，主控計算機與從控計算機進行通訊，分別控制運行于從控計算機上的兩個進程。測量時，主控進程首先通過從控計算機的總線控制模塊調整激振器的地址編號和程控放大器的增益，然后激活信號采集模塊，進入采集準備狀態。接著，啟動信號發生模塊，產生理論激勵波形，再把波形傳送到從控計算機的波形發生卡控制模塊發生激勵。激勵發出后，信號采集模塊收到信號，結束等待狀態，并把接收到的數據傳送給主控進程。主控進程調用信號有效性判斷模塊判斷信號的質量，如果認為不合格，則調整各參數并重新測量。如果判斷為合格，則調用信號處理模塊進行最后的信號處理工作，得出測量結果。
4　實驗結果
以細黃沙為被測介質，進行了45次測量。結果如圖4—1所示。4—2為誤差統計圖。可以看到，大多數誤差出現在2～3cm的范圍內。但不呈正態分布。這與測量樣本個數還不夠多有關。





5　結論
　　通過大量試驗，可以認為這種完全非接觸式的測量方法是有效、可行的，是解決完全非接觸測量這一難題的有效途徑。未來的研究還可以試驗對液體介質的測量，以及從測量精度的提高方面展開。