冲击振动式物料位计原理与实验研究

1　引言　　
　　物料位测量，特别是固体物料的料位测量，由于被测对象的特殊物性，如粉尘，黏附，板结等作用，最佳的测量方法是非接触式测量。相比较超声波式和雷达式等非接触方法，虽然不直接与被测物料接触，但都需要与物料上方介质接触，需要物料上方介质具有对超声波或微波透明，完全非接触式测量方法具有完全不与被测物料，包括物料上方介质接触，具有更广泛的适应性和更高的可靠性。目前仅有两种完全非接触式测量方法：放射式和称重式。由于放射式料位计需要高能γ射线穿透被测容器，其运行中的安全防护与放射源的存储等问题制约了这种方式的应用。称重式料位测量仪器对介质密度有直接的依赖，需要有已知且稳定的介质密度，这在液体测量中也许是容易满足的条件，在固体介质的测量中往往很难满足。由于需要测量整体容器的重量，要求容器只有有限个钢结构支撑架，这也限制了仪器的安装条件。通过理论分析与实验研究，研制了一种以冲击与振动的方法进行测量的新型料位计。作为一种新型的完全非接触式物料测量方法，不使用高能射线，没有放射污染，不依赖被测介质密度，对容器结构没有要求，全部仪器安装于容器外部，与被测界面上下两种介质都不需接触，是一种干净，方便，廉价，适用广泛的新型料位测量的方法。
2　测量原理
　　测量的基本原理是通过容器外部的激振器产生适当的能量波，经过传播后，携带容器内界面情况的信息，被传感器所接收，通过分析波的特征，得到界面信息。能量波可以选择电磁波或机械波。电磁波只有频率足够高才有足够能量穿透容器（特别是金属容器），也就是目前已经使用的放射料位计中的γ但是较高频率的机械波穿透能力差，如超声式料位计就必须安装于容器内部，虽然称为非接触式测量，只是与被测界面两介质中的一种不接触，仪器需要在另一种介质中发射与接收超声波，这就要求这种介质具有超声透明的特性。也许这种方式应当称为半接触式测量。为了能够进行完全非接触测量，选择使用低频机械波，可以从容器外壁产生与接收，不但容易产生，容易检测，而且容器及被测介质对波的衰减小，在大量程时这一点尤为重要。但是低频机械波容易受到噪音干扰，由于波长较长，对测量精度的提高也带来很多困难。这些都对信号处理提出很高要求。
　　在低频机械波的传播过程中，可以把容器壁看作具有一定单位面积质量，具有各向同性的剪切弹性模量，各向均匀的薄板介质。从总参数的角度观察介质，可以看作无限多个相同参数的质量——弹簧——阻尼二阶系统的级联结构。从激振器到传感器可以看作是在无限长链条中截取的有限个二阶有阻尼系统。对于容器内有被测介质的容器壁，由于被测介质对容器壁的侧压力，使得容器壁的等效质量增大。又由于被测介质对波能量的传导，容器壁的等效阻尼增大。然而，侧压力对容器壁的等效剪切弹性模量影响却不大。这样，原则上通过模态分析，可以找到振动模态与介质界面间的相关关系，从而达到测量的目的。但是这样的测量是依赖于具体的容器以及具体的被测介质的物体，不具有实用价值。使用激励器和传感器矩阵，建立多输入、多输出的测量系统与相应的系统传递模型，基于波的传播与加速阻抗模型，通过非模态化的测量和信号处理方法，在无需容器与被测物料参数的情况下，进行了物料位的测量。
3　系统设计
3．1　系统结构
　　冲击振动式料位计试验装置的系统结构如图3—1。试验容器为一个直径1m，高为1．8m的圆柱形3 mm厚45＃钢板卷制焊接钢桶。

　　激振器安装在容器外壁，试验中使用了8个激振器模拟现场测量中被测容器很大（量程很大，此时单一激振器激励功率不能满足要求）时的状况，自顶而下垂直均匀排列，间距为20cm。传感器为加速度传感器，通过永磁铁基座吸附在容器外壁上，一共4个，同样自顶而下垂直均匀排列。采用这种多个激振器和传感器分布排列方式，各激振器与传感器组成冗余多传感器结构，经过多传感器信息融合，不但扩展了量程，更具有硬件上的容错能力，提高了系统可靠性。并且冗余的信息也大大提高了测量的精度、数据的可靠性和仪器的抗干扰能力。#p#分页标题#e#
　　激振器挂接在系统的控制总线上，对各激振器分配有其独立的地址编号，受控制总线控制在同一时间有且仅有一个激振器被选通。任意波形发生卡安装在另一台伺服计算机上，通过以太网络与主控计算机通讯，接收主控计算机发出的波形数据和控制信号。激励波形经任意波形发生卡产生后由功率放大器放大，由当前被选通激振器转换为机械波激励容器壁。机械波通过桶壁的传播，被传感器接收，转换为电信号，经连接其后的四路程控放大器。放大后的信号通过隔离放大器隔离后送入主控计算机进行数据采集，量化为数字信号进行数字信号处理。伺服计算机不但控制任意波形发生器产生需要的波形，而且还担任着翻译主控计算机的指令到控制总线控制着激振器的选通和程控放大器的增益的任务。
3．2　激振器设计
　　激振器为可选通的一体电磁结构，主要包括铁心，线圈，永磁铁，控制电路4部分组成。激励力大约为50 g／A，在功率放大器最大激励电流为10A（占空比1∶10）时，激振器最大输出力为500g。激振器有效通频带在200～16 000Hz。控制电路响应控制总线的地址信号，译码。在总线地址信号与该激振器地址编码吻合时选通该激振器，使得激振器的线圈与总线中的信号线接通，进入选通待命状态。当信号线被功率放大器激励时，激振器的永磁铁在线圈磁场的作用下受力，并将这一激励力施加给与其紧密粘结的容器壁，在容器壁上激励出机械振动波。
3．3　振动传感器选择
　　为适应不同容器的情况，以加速度传感器来测量桶壁的振动。加速度传感器具有较宽的通频带。
　　采用的传感器3db平坦带宽为0～10 000Hz，灵敏度为100mV／g。为了方便与钢制容器壁耦合，制作了专用的磁铁基座。通过螺柱与传感器牢固连接，通过磁力与容器壁吸附。垂直剥离力为5kg，满足加速度传感器安装条件。
3．4　任意波形发生器
　　为使得测量信号的处理方便，对激励波形的频谱和持续时间有着特殊要求。为了产生这种复杂的瞬态单次脉冲，主控计算机通过数值计算求得信号波形后把波形数据通过网络传送给伺服计算机，并储存在任意波形发生卡的缓存中。在主控计算机发出启动信号后，波形发生卡以指令中指定采样率参数对数据进行D／A变换，输出期望的激励信号。笔者使用的是sai200型任意波形发生卡，存储深度为32kbye，最大采样率为20MHz，最大输出波形电压为±5V。通过制作的10ms峰值功率达到400 W的功率放大器，推动激振器产生激励振动。
3．5　四路隔离程控放大器
　　四路程控放大器是该装置的重点。由于每次的激励都是短脉冲，持续时间短，且各次激励响应的相对强度也是重要的参数。所以，不能使用自动增益控制方法来适应不同大小的信号对放大器增益不同的要求。笔者采用计算机程控增益的方法解决了这个问题。另外，现场中由于加速度传感器紧密与容器壁相连，各传感器相隔甚远，通过传感器共地的外壳，容器壁，多个传感器包围了很大面积的闭合电回路，这在现场环境中会引来很大的环形干扰电流，且不能用屏蔽等方法进行克服。这对于微弱的振动信号造成强烈干扰，给后续的信号处理带来很多困难。笔者设计制作了4路隔离宽带低噪音程控增益放大器，对4路信号进行独立绝缘地的程控、放大，图3—2是其中一路放大器。4路绝缘地放大后的信号通过隔离放大器隔离，成为共地信号后，输出进入计算机的A／D数据采集卡作模数变换。电路中以开关型光耦隔离器隔离计算机的数字控制信号，以DAC0832作为D／A将计算机的控制字转换为增益控制的模拟电压。以程控低噪音宽带集成放大器AD603作为主放大器，开关电容式1∶1隔离放大集成电路ISO124作为隔离放大器。放大器的增益控制范围为0～80db，线性可调，带宽为10Hz～5MHz，通道间隔离度大于－80db，在试验中获得了满意的信噪比。

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3．6　软件结构
　　在硬件结构上，试验装置分为主从两套计算机装置，这是为模拟仪器在群控情况下的工作结构。从控计算机在现场、成本低、运算能力弱，主要是做硬件设备的控制，如激振器、放大器等。主控计算机一个区域只有一个，负责信号的处理工作，运算能力强。这样，在软件上，系统也分为多个进程，以便分布运行于多个处理器上。

　　整体结构见图3—3。主控计算机运行有4个进程，其中信号采集进程与中心控制进程通过WM－COPYDATA消息进行通信。其他信号处理等进程通过Matlab的数据引擎接口与VC编制的中心控制进程通信。通过Sockets套接字，主控计算机与从控计算机进行通讯，分别控制运行于从控计算机上的两个进程。测量时，主控进程首先通过从控计算机的总线控制模块调整激振器的地址编号和程控放大器的增益，然后激活信号采集模块，进入采集准备状态。接着，启动信号发生模块，产生理论激励波形，再把波形传送到从控计算机的波形发生卡控制模块发生激励。激励发出后，信号采集模块收到信号，结束等待状态，并把接收到的数据传送给主控进程。主控进程调用信号有效性判断模块判断信号的质量，如果认为不合格，则调整各参数并重新测量。如果判断为合格，则调用信号处理模块进行最后的信号处理工作，得出测量结果。
4　实验结果
    以细黄沙为被测介质，进行了45次测量。结果如图4—1所示。4—2为误差统计图。可以看到，大多数误差出现在2～3cm的范围内。但不呈正态分布。这与测量样本个数还不够多有关。

5　结论
　　通过大量试验，可以认为这种完全非接触式的测量方法是有效、可行的，是解决完全非接触测量这一难题的有效途径。未来的研究还可以试验对液体介质的测量，以及从测量精度的提高方面展开。