CN201945891U - 一种基于无线传感网的物位/液位监控*** - Google Patents

一种基于无线传感网的物位/液位监控*** Download PDF

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Abstract

本实用新型涉及用于工业生产过程中容器、仓储的物位和液位的非接触测量监控***。所要解决的技术问题是针对现有技术中的连续波调频体制雷达物位计的不足，提供一种基于无线传感网的物位/液位监控***，实现低成本Ku频段测量终端。其特征在于：测量终端主要由微波射频单元、中频信号处理采集单元、线性调频输出控制单元、数据输出显示单元组成。本实用新型使测量终端在保证低成本的基础上，调频带宽更大、测量分辨率更高以及更加小型化；测量终端具有自动校准功能，能够根据环境温度以及VCO不同频响特性自动调整压控信号幅度，提高了测量精度；基于无线传感网设计，大规模厂矿多点监控应用时避免了传统有线传输方式带来的布线复杂的应用限制。

Description

一种基于无线传感网的物位/液位监控***
技术领域：
本实用新型涉及自动测量技术领域，具体涉及一种用于工业生产过程中容器、仓储的物位和液位的非接触测量监控***。
背景技术：
物位是工业生产过程的重要测量参数之一。对于固体物料的物位测量，过去的主要手段是接触式测量，如电容式、重锤式、音叉式、阻旋式等测量方法，由于测量时仪表和物料是接触的，在使用过程中往往会出现各种问题，且日常的维护量很大。到20世纪90年代开始采用非接触的物位测量，较早成熟的非接触的测量技术有超声波技术和核辐射技术(γ射线)，核辐射技术因有放射源，在应用上受到限制。
超声波技术是目前应用最广泛的非接触式测量方法，超声波物位测量必须借助于媒质传播，如以空气作为传播介质，而空气的温度、湿度、组分等的变化会影响超声波传播速度，空气中的粉尘也将衰减超声波的传播信号。在对粉仓物位的测量中，由于粉仓物位表面在下料时非常疏松，对超声波信号有较强的衰减，故测量效果并不理想。
雷达物位计具有非接触、分辨率高、介质适应性广的特点，不受粉尘、蒸汽及介质组分的影响，物料的温度、压力、密度等几乎不影响对其准确的测量，因而在行业内得到了广泛使用。
雷达物位计常用的测量方法有两种，脉冲式和连续波调频式。脉冲式测量优势为测量盲区小，但需要在纳秒级的时间进行回波前沿高速采样，技术难度大，分辨率低，逐渐被连续波调频式取代。分析目前行业内所广泛采用的连续波调频体制雷达物位计，虽然其实现技术难度低，但受方案以及器件应用方式等限制，具有精度不高、难以适应宽温度环境以及单机测量自动化程度不高等不足，难以适应大规模厂矿自动化物位、液位测量监控的应用需求。
实用新型内容：
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于无线传感网的物位/液位监控***，针对现有技术中的连续波调频体制雷达物位计的不足，通过方案设计实现低成本Ku频段测量终端，以及有别于连续波调频的全新雷达工作体制和技术实现方式，并基于无线传感网设计，使***具有体积小、测量精度高、温度环境适应能力强、自动化程度高以及基于无线传感网的远程工作控制、远程数据获取等优点，使用灵活、便捷。
本实用新型采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种基于无线传感网的物位/液位监控***，包括测量终端、监控终端；其特征在于：所述测量终端主要由微波射频单元、中频信号处理采集单元、线性调频输出控制单元、数据输出显示单元组成；
所述微波射频单元由Ku波段喇叭天线1、单刀双掷开关2、微波开关3、吸收式单刀双掷开关4、压控振荡器VCO5、低噪声放大器LNA6、混频器7、放大器8组成；
所述中频信号处理采集单元由滤波器9、数字增益控制放大器11、滤波器12、放大器13、模数转换器AD14、数字信号处理器DSP15组成；
所述线性调频输出控制单元由可编程逻辑器件CPLD18、数模转换器DA10、温度传感器19组成。
所述压控振荡器VCO5根据数模转换器DA10产生的步进台阶电压控制产生高线性度的频率步进射频信号，经吸收式单刀双掷开关4后在微波开关3中进行脉冲调幅，后经单刀双掷开关2选通发射支路由喇叭天线1发射出去，微波开关3由线性调频输出控制单元的可编程逻辑器件CPLD18产生的控制信号进行控制。
接收信号经喇叭天线1、单刀双掷开关2和微波开关3接收选通后进入低噪声放大器LNA6进行射频放大，然后在混频器7中与VCO5耦合的本振信号进行去斜混频，产生受距离差拍控制的视频脉冲信号。
所述微波射频单元输出的信号输入中频信号处理采集单元进行处理，输入的信号经过数字增益控制放大器11对信号回波能量进行增益控制，增益控制后的信号通过滤波器12进行基带信号滤波和放大器13进行基带信号放大，然后进行模数转换AD14采样变为数字信号，在DSP15中通过FFT进行回波信号的频谱分析，回波信号的频率大小与物位/液位的高度成正比。DSP15根据频谱分析获得的频率大小和能量得到增益控制放大器11的增益控制信号和物位/液位的实际高度。
DSP15根据温度传感器19检测的当前温度，查表选择该温度下VCO5频率响应步进电压控制字，控制CPLD18按该组控制字控制数模转换器DA10产生相应的步进台阶电压。
所述数据输出显示单元由数据收发模块16、数传天线17、数据显示模块20组成，测量终端得到的高度值实测数据通过数据显示模块20可进行实时显示，同时通过数传天线17和数据收发模块16发射到监控终端；同时数传天线17和数据收发模块16同步接收监控终端发射的工作控制信号，根据监控终端的控制切换工作状态或待机状态。监控终端主要由数传天线22、数据收发模块23、RS232芯片24、单片机25、数据显示设备26、监控计算机27和电源模块28组成，测量终端发送的实测数据由数据收发模块23和数传天线22接收到后通过监控计算机27经监控软件处理后进行实时图形或文本显示，并由单片机25控制数据显示设备26进行数据值显示；同时由监控计算机27向数据收发模块23发送测量终端工作控制指令，并由数传天线22发射，控制测量终端的工作状态。
本实用新型带来以下有益效果：
本实用新型主要具备以下技术特点和优势：
1.实现了Ku波段射频端低成本设计，使测量终端在保证低成本的基础上，调频带宽更大、测量分辨率更高以及更加小型化；
2.测量终端具有自动校准功能，能够根据环境温度以及VCO不同频响特性自动调整压控信号幅度，保证调频信号高线性度以及***宽环境温度适应性，提高测量精度；
3.基于无线传感网设计，大规模厂矿多点监控应用时避免了传统有线传输方式带来的布线复杂的应用限制。
附图说明：
图1测量终端组成框图.
图2监控终端组成框图
图3步进频率信号示意图
图4一体化测量终端示意图
图5监控终端示意图
图6无线传感网星型网络拓扑结构示意图
图7监控终端发送数据协议
图8测量终端反馈数据协议
具体实施方式：
1、测量终端及监控终端单机实施方式
如图1测量终端组成框图，虚线框内为射频部分；1为Ku波段喇叭天线；2为单刀双掷开关；3为微波开关；4为吸收式单刀双掷开关；5为压控振荡器；6为低噪声放大器；7为混频器；8为放大器；9为滤波器；10为数模转换器；11为数字增益控制放大器；12为滤波器；13为放大器；14为模数转换器；15为数字信号处理器；16为数据收发模块；17为数传天线；18为可编程逻辑器件；19为温度传感器；20为数据显示；21为电源模块。
如图2监控终端组成框图，22为数传天线；23为数据收发模块；24为RS232芯片；25为单片机；26为数据显示；27为监控计算机；28为电源模块。
天线1采用Ku波段喇叭天线形式设计，天线1口径以储物/液设备监控口开口大小为依据设计，设计原则以天线波束在储物/液设备底部的覆盖半径小于储物/液设备半径为优，天线波束宽度越小测量效果越好，实际情况折中选择。
测量终端与监控终端分别独立安装于两个金属壳体中如图4、图5所示，图4中，29为测量终端壳体；30为安装法兰；31为数传天线；32为喇叭天线；33为天线指向调整、定位齿轮；34为数据显示模块。图5中，35为监控终端壳体；36为数传天线；37为数据显示模块；38为监控计算机。
为提高使用方便性，测量天线与测量终端壳体29可进行一体化设计(如图4)，采用金属法兰盘30实现测量终端与储物/液设备的安装，通过天线指向调整、定位齿轮33对天线波束指向进行调整、定位，在***设备安装调试时，提高调试效率和并为***稳定工作提供较好的波束指向条件。
***工作时首先处于低功耗待机状态，此时不进行物/液位测量监控，当监控终端监控PC27通过监控控制软件产生***工作指令后，该指令由数据收发模块23和数传天线22发射出去；测量终端数传天线17和数据收发模块16接收到指令后，传入主控DSP15，DSP15根据工作指令启动整个物/液位监控***工作。
***工作时，DSP15首先根据温度传感器19检测的当前温度，查表选择该温度下VCO5频率响应步进电压控制字，控制CPLD18按该组控制字控制DA10产生相应的步进台阶电压，如图3所示，VCO5根据步进台阶电压产生高线性度的频率步进射频信号经吸收负载式单刀双掷开关4后在微波开关3中进行脉冲调幅，后经单刀双掷开关2选通发射支路由喇叭天线1发射出去，微波开关3的控制信号由CPLD18根据***的同步关系产生。接收信号经喇叭天线1、单刀双掷开关2和微波开关3接收选通后进入LNA6进行射频放大，然后在混频器7中与VCO5耦合的本振信号进行去斜混频，产生受距离差拍控制的视频脉冲信号，后经过放大器8和滤波器9后产生微波前中输出。本实用新型利用了脉冲步进频体制的特点，采用单刀双掷和单刀单掷微波开关选通，实现了***的脉冲调制以及收发共用工作模式，代替了以往射频组件设计中通常采用的隔离器、环形器等高成本器件，在保证了***性能的前提下，最大程度的减小了***的成本。
前中输出的信号经过数字增益控制放大器11对信号回波能量进行增益控制，数字增益控制放大器的增益控制信号由DSP15根据回波信号频谱分析获得的能量大小实时调整。增益控制后的信号通过滤波器12进行基带信号滤波和放大器13进行基带信号放大，然后进行AD14采样变为数字信号，在DSP15中通过FFT进行回波信号的频谱分析，回波信号的频率大小与物位/液位的高度成正比。DSP15根据频谱分析获得的频率大小和能量产生增益控制放大器11的增益控制信号和物位/液位的实际高度，高度值通过数据显示模块20可进行实时显示，同时通过测量终端数传天线17和数据收发模块16发射到监控终端，实测数据由监控终端数据收发模块23和数传天线22接收到后通过监控PC27监控软件进行实时图形或文本显示，同时由单片机25控制监控终端数据显示设备26进行数据值显示。电源模块21和28分别为测量终端和监控终端提供工作电源。
2.基于无线传感网物位液位监控***(组网)实施方式
基于无线传感网的物位/液位监控***采用星型网络拓扑结构，网络拓扑示意图如图6所示。由于测量终端与监控终端中均带有无线数据收发模块，因此，无线传感网组网无需添加组网设备。
***使用时，监控终端与各测量终端采用主从方式半双工无线通讯。首先对每台测量终端分配一个身份ID码，各测量终端工作初始处于待机状态，监控终端通过无线数据传输向所有的测量终端发射终端ID码和命令控制字(发送数据协议如图7所示)，测量终端接收到ID码和命令控制字后首先将接收的终端ID码与自身的ID码相匹配，若匹配则接收到的命令控制字为监控终端对本机的命令指令，该测量终端按命令控制字执行相应的工作；若不匹配，则该指令与本机无关，测量终端继续处于待机或原工作状态，工作状态不发生改变。命令控制主要分为开机、待机、发送测量数据等。
当测量终端接收到与自身ID码相匹配的命令数据包时，根据该指令执行相关操作，并将更改后的状态标志发回监控终端(反馈数据协议如图8所示)，与监控终端进行确认。
通过上述主从方式工作，监控终端与测量终端间不会出现数据通讯冲突，保证了***控制和数据传输的可靠性与稳定性。

Claims (1)

1.一种基于无线传感网的物位/液位监控***，包括测量终端、监控终端；其特征在于：所述测量终端主要由微波射频单元、中频信号处理采集单元、线性调频输出控制单元、数据输出显示单元组成；
所述微波射频单元由Ku波段喇叭天线(1)、单刀双掷开关(2)、微波开关(3)、吸收式单刀双掷开关(4)、压控振荡器VCO(5)、低噪声放大器LNA(6)、混频器(7)、放大器(8)组成；
所述中频信号处理采集单元由滤波器(9)、数字增益控制放大器(11)、滤波器(12)、放大器(13)、模数转换器AD(14)、数字信号处理器DSP(15)组成；
所述线性调频输出控制单元由可编程逻辑器件CPLD(18)、数模转换器DA(10)、温度传感器(19)组成；
所述压控振荡器VCO(5)根据数模转换器DA(10)产生的步进台阶电压控制产生高线性度的频率步进射频信号，经吸收式单刀双掷开关(4)后在微波开关(3)中进行脉冲调幅，后经单刀双掷开关(2)选通发射支路由喇叭天线(1)发射出去，微波开关(3)由线性调频输出控制单元的可编程逻辑器件CPLD(18)产生的控制信号进行控制；
接收信号经喇叭天线(1)、单刀双掷开关(2)和微波开关(3)接收选通后进入低噪声放大器LNA(6)进行射频放大，然后在混频器(7)中与VCO(5)耦合的本振信号进行去斜混频，产生受距离差拍控制的视频脉冲信号；
所述微波射频单元输出的信号输入中频信号处理采集单元进行处理，输入的信号经过数字增益控制放大器(11)对信号回波能量进行增益控制，增益控制后的信号通过滤波器(12)进行基带信号滤波和放大器(13)进行基带信号放大，然后进行模数转换AD(14)采样变为数字信号，在DSP(15)中通过FFT进行回波信号的频谱分析，回波信号的频率大小与物位/液位的高度成正比；DSP(15)根据频谱分析获得的频率大小和能量得到增益控制放大器(11)的增益控制信号和物位/液位的实际高度；
DSP(15)根据温度传感器(19)检测的当前温度，查表选择该温度下VCO(5)频率响应步进电压控制字，控制CPLD(18)按该组控制字控制数模转换器DA(10)产生相应的步进台阶电压；
所述数据输出显示单元由数据收发模块(16)、数传天线(17)、数据显示模块(20)组成，测量终端得到的高度值实测数据通过数据显示模块(20)可进行实时显示，同时通过数传天线(17)和数据收发模块(16)发射到监控终端；同时数传天线(17)和数据收发模块(16)同步接收监控终端发射的工作控制信号，根据监控终端的控制切换工作状态或待机状态；监控终端主要由数传天线(22)、数据收发模块(23)、RS232芯片(24)、单片机(25)、数据显示设备(26)、监控计算机(27)和电源模块(28)组成，测量终端发送的实测数据由数据收发模块(23)和数传天线(22)接收到后通过监控计算机(27)经监控软件处理后进行实时图形或文本显示，并由单片机(25)控制数据显示设备(26)进行数据值显示；同时由监控计算机(27)向数据收发模块(23)发送测量终端工作控制指令，并由数传天线(22)发射，控制测量终端的工作状态。
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