一種基于tdc芯片技術(shù)的數(shù)字化電容式物位計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種物位計(jì)領(lǐng)域，具體是一種基于TDC芯片技術(shù)的數(shù)字化電容式 物位計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在物位的測(cè)量過程要實(shí)現(xiàn)對(duì)物位高度的在線監(jiān)測(cè)與控制，關(guān)鍵在于能否精確的檢 測(cè)當(dāng)前物位高度。近年來，出現(xiàn)了許多新型的物位檢測(cè)方法，各種料位測(cè)量?jī)x也發(fā)展很快。 目前物位測(cè)量?jī)x表主要有三個(gè)發(fā)展方向：非接觸測(cè)量、物位儀表智能化和小型化、集成化。 同時(shí)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及其它相關(guān)領(lǐng)域的最新成果向物位測(cè)量方面的移植，使得物 位測(cè)量?jī)x在一些特殊場(chǎng)合(如高溫、高壓、高真空等）獲得了更廣泛的應(yīng)用，測(cè)量精度也有了 進(jìn)一步的提高。在這些特殊場(chǎng)合應(yīng)用當(dāng)前首選電容式物位計(jì)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分辨力高、 工作可靠、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，并能在高溫、輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作等優(yōu)點(diǎn)已在工農(nóng)生 產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域得到一定應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的電容式物位計(jì)均采用模擬電路，抗雜散電容，提高 精度、增強(qiáng)穩(wěn)定性和抗干擾并且降低成本一直是電容式物位計(jì)大范圍推廣的瓶頸。
[0003] 對(duì)于電容式物位計(jì)這一領(lǐng)域的研究，外國(guó)的起步早、投入的資金雄厚，發(fā)展比較迅 速，在70年代就取得了矚目的成就，到目前為止，國(guó)外的許多家公司都研制出具有代表性 的一系列功能齊全、自動(dòng)化程度高、精度高的測(cè)量系列與相應(yīng)產(chǎn)品。如德國(guó)的E+H、P+F、西 門子等都推出了幾款比較實(shí)用的電容式物位計(jì)。我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平比較落后，各種基礎(chǔ) 行業(yè)的資金投入少，各相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展緩慢，使得測(cè)量技術(shù)、測(cè)量方法相當(dāng)落后，產(chǎn)品自動(dòng)化 程度不高。精度、可靠性、功能等與國(guó)外的物位測(cè)量水平有很大的差距。
[0004] 以上這些國(guó)內(nèi)外的儀表廠家研發(fā)生產(chǎn)的電容式物位計(jì)，無論自動(dòng)化程度多高都 沒有解決下這幾項(xiàng)技術(shù)難題：一是抗強(qiáng)輻射干擾，二是多參數(shù)綜合補(bǔ)償，三是超小量程物位 的精確測(cè)量。其根本原因是沒有擺脫傳統(tǒng)的電容采樣方法的束縛。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的電容式物 位計(jì)的測(cè)量電路大概有這幾種：li、直流充放電法；交流電容橋；：|、交流鎖相放大電 路；j、方波占空比測(cè)量法；?:、電容\頻率轉(zhuǎn)換法。這些測(cè)量方法均采用模擬電路。即便 是德國(guó)的Ε+Η公司生產(chǎn)的智能電容物位計(jì)，也是采用交流電容橋的方法進(jìn)行電容采樣后再 通過AD轉(zhuǎn)換，然后用單片機(jī)處理。其工作模式大體是：傳感一采集一放大一AD轉(zhuǎn)換一控制 運(yùn)算一DA轉(zhuǎn)換一數(shù)據(jù)輸出。這些環(huán)節(jié)都存在著數(shù)據(jù)的失真和漂移問題。
[0005] 因而現(xiàn)有的技術(shù)并不能真正的滿足企業(yè)的生產(chǎn)需求。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006] 實(shí)用新型目的：本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于 TDC芯片技術(shù)的數(shù)字化電容式物位計(jì)。
[0007] 技術(shù)方案：為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型所述的一種基于TDC芯片技術(shù)的數(shù)字 化電容式物位計(jì)，包括：數(shù)字傳感單元、微控制器單元、通訊或輸出單元和機(jī)械結(jié)構(gòu)件，所述 數(shù)字傳感單元、微控制器單元和通訊或輸出單元均設(shè)于機(jī)械結(jié)構(gòu)件中，其中，所述的數(shù)字傳 感單元包括由電容測(cè)量單元、TDC測(cè)量單元、溫度測(cè)量單元、數(shù)據(jù)邏輯處理器、順序ALU單 元、結(jié)果和狀態(tài)寄存器、控制和模式寄存器、微處理器接口單元和補(bǔ)償電路構(gòu)成，所述的電 容測(cè)量單元由RLC測(cè)量單元和RLC計(jì)數(shù)器構(gòu)成，所述的RLC測(cè)量單元與TDC測(cè)量單元連接， 所述RLC計(jì)數(shù)器的兩端分別與TDC測(cè)量單元和順序ALU單元連接，所述TDC測(cè)量單元與溫 度測(cè)量單元和數(shù)據(jù)邏輯處理器，所述溫度測(cè)量單元還與控制和模式寄存器連接，所述數(shù)據(jù) 邏輯處理器還與順序ALU單元和結(jié)果和狀態(tài)寄存器連接，所述的結(jié)果和狀態(tài)寄存器和控制 和模式寄存器均與微處理器接口單元的輸入端連接，所述微處理器接口單元的輸出端與微 控制器單元輸入端連接，所述微控制器單元的輸出端與通訊或輸出單元的輸入端連接，且 其內(nèi)還設(shè)有8位數(shù)據(jù)總線、4位控制線和地址鎖存線。
[0008] 本實(shí)用新型所述電容測(cè)量單元由感應(yīng)電容、參考電容、第一電阻、模擬開關(guān)、開關(guān) 電源和控制模塊，所述感應(yīng)電容和參考電容均與第一電阻連接形成一個(gè)低通濾波器，所述 模擬開關(guān)設(shè)于兩第一電阻之間，且所述的第一電阻、模擬開關(guān)和開關(guān)電源均與控制模塊連 接，所述的控制模塊由時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器、可編時(shí)序裝置和三極管構(gòu)成。
[0009] 本實(shí)用新型所述TDC測(cè)量單元由數(shù)值寄存器、動(dòng)態(tài)計(jì)數(shù)器、非門電路、時(shí)鐘分頻 器、鎖相單元和標(biāo)定單元構(gòu)成，其中，所述的時(shí)鐘分頻器、鎖相單元和標(biāo)定單元構(gòu)成數(shù)據(jù)預(yù) 處理器，所述的數(shù)值寄存器和動(dòng)態(tài)計(jì)數(shù)器均與非門電路連接，且所述非門電路中的非門個(gè) 數(shù)決定了 START信號(hào)和STOP信號(hào)之間的時(shí)間間隔。
[0010] 本實(shí)用新型所述的溫度測(cè)量單元由電阻、電容、高速CMOS器件和溫度傳感器構(gòu) 成，所述電阻并聯(lián)于電路中，所述電容的兩端分別與電阻和接地開關(guān)連接，所述高速CMOS 器件設(shè)于兩電阻之間。
[0011] 本實(shí)用新型所述的機(jī)械結(jié)構(gòu)件由殼體和結(jié)構(gòu)件構(gòu)成，所述的結(jié)構(gòu)件設(shè)于殼體上。
[0012] 有益效果：本實(shí)用新型所述的基于TDC芯片技術(shù)的數(shù)字化電容式物位計(jì)，具有以 下優(yōu)點(diǎn)：
[0013] 1、本實(shí)用新型所述的一種基于TDC芯片技術(shù)的數(shù)字化電容式物位計(jì)，通過將TDC 測(cè)量單元與數(shù)據(jù)邏輯處理器連接，通過數(shù)字化TDC應(yīng)用信號(hào)通過內(nèi)邏輯門的延遲時(shí)間來高 精度的測(cè)量時(shí)間間隔，通過簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)和特殊的電路板布線方法使芯片可以非常精確 的重新建構(gòu)信號(hào)通過邏輯門數(shù)，其最高精度取決于芯片的最大邏輯門延遲時(shí)間，應(yīng)用這樣 的基礎(chǔ)測(cè)量單元和現(xiàn)代化的CMOS技術(shù)相結(jié)合可以使時(shí)間測(cè)量精度達(dá)到25皮秒，從而使電 容測(cè)量分辨率達(dá)到6af。比傳統(tǒng)的模擬電路測(cè)量電容的方法分辨率提高了 1000個(gè)數(shù)量級(jí)以 上，抗干擾能力提高了 10倍以上，從而很好的解決了抗強(qiáng)輻射干擾的問題。
[0014] 2、本實(shí)用新型中所述的電容測(cè)量單元、溫度測(cè)量單元和補(bǔ)償電路的設(shè)置，使得該 物位計(jì)中同時(shí)被采集和分析的參量有電容變化量、介質(zhì)的電導(dǎo)率和溫度，這些參量經(jīng)過補(bǔ) 償電力進(jìn)行系統(tǒng)綜合分析補(bǔ)償，從而得出準(zhǔn)確的物位值，多參量綜合補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用使電 容式物位計(jì)徹底解決了掛料問題和溫漂問題。
[0015] 3、本實(shí)用新型中所述的基于TDC芯片技術(shù)的數(shù)字化電容式物位計(jì)中的數(shù)據(jù)傳感 和采集全采用數(shù)字技術(shù)，且數(shù)據(jù)的傳輸采用串口通信，儀表內(nèi)部各個(gè)環(huán)節(jié)沒有模擬量成分， 不存在AD轉(zhuǎn)換，因而最大程度上保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性，從而很好的解決了在傳感一采集一 放大一AD轉(zhuǎn)換一控制運(yùn)算一DA轉(zhuǎn)換一數(shù)據(jù)輸出整個(gè)過程中造成的數(shù)據(jù)失真和漂移問題， 進(jìn)而更好的滿足了客戶的需要。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本實(shí)用新型的原理結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖2為本實(shí)用新型所述電容測(cè)量單元的電路連接圖；
[0018] 圖3為本實(shí)用新型中所述TDC測(cè)量單元的電路連接示意圖；
[0019] 圖4為本實(shí)用新型中所述溫度測(cè)量單元的電路連接示意圖；
[0020] 圖中：數(shù)字傳感單元-1、微控制器單元-2、通訊或輸出單元-3、電容測(cè)量單元-4、 TDC測(cè)量單元-5、溫度測(cè)量單元-6、數(shù)據(jù)邏輯處理器-7、順序ALU單元-8、結(jié)果和狀態(tài)寄存 器-9、控制和模式寄存器-10、微處理器接口單元-11、RLC測(cè)量單元-41、RLC計(jì)數(shù)器-42、 感應(yīng)電容-43、參考電容-44、第一電阻-45、模擬開關(guān)-46、開關(guān)電源-47、控制模塊-48、數(shù) 值寄存器-51、動(dòng)態(tài)計(jì)數(shù)器-52、非門電路-53、時(shí)鐘分頻器-54、鎖相單元-55、數(shù)據(jù)預(yù)處理 器-56〇
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本實(shí)用新型。 實(shí)施例
[0022] 如圖1、圖2、圖3和圖4所示的一種基于TDC芯片技術(shù)的數(shù)字化電容式物位計(jì)，包 括：數(shù)字傳感單元1、微控制器單元2、通訊或輸出單元3和機(jī)械結(jié)構(gòu)件，其中，所述的數(shù)字傳 感單元1包括由電容測(cè)量單元4、TDC測(cè)量單元5、溫度測(cè)量單元6、數(shù)據(jù)邏輯處理器7、順序 ALU單元8、結(jié)果和狀態(tài)寄存器9、控制和模式寄存器10、微處理器接口單元11和補(bǔ)償電路 構(gòu)成，所述的電容測(cè)量單元4由RLC測(cè)量單元41和RLC計(jì)數(shù)器42構(gòu)成，所述的機(jī)械結(jié)構(gòu)件 由殼體和結(jié)構(gòu)件構(gòu)成。
[0023] 上述各部件的關(guān)系如下：
[0024] 所述數(shù)字傳感單元1、微控制器單元2和通訊或輸出單元3均設(shè)于機(jī)械結(jié)構(gòu)件中， 所述的結(jié)構(gòu)件設(shè)于殼體上，所述的RLC測(cè)量單元41與TDC測(cè)量單元5連接，所述RLC計(jì)數(shù) 器42的兩端分別與TDC測(cè)量單元5和順序ALU單元8連接，所述TDC測(cè)量單元5與溫度測(cè) 量單元6和數(shù)據(jù)邏輯處理器7,所述