一种基于无线传感网的物位/液位监控系统技术方案

本实用新型专利技术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系统。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/液位监控系统，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。本实用新型专利技术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。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及自动测量
，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系统。技术背景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 (Y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
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是提供一种基于无线传感网的物位/液位监控系统，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，使系统具有体积小、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。本技术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/液位监控系统，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VC05、低噪声放大器LNA6、混频器7、放大器8组成；3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VC05根据数模转换器DAlO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VC05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VC05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DAlO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、数据显示设备沈、监控计算机27和电源模块观组成，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控制数据显示设备沈进行数据值显示；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。本技术带来以下有益效果本技术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系统宽环境温度适应性，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；对为RS232芯片； 25为单片机J6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四可进行一体化设计(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，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于无线传感网的物位／液位监控系统，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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王海涛，王磊磊，何静，
申请(专利权)人：上海无线电设备研究所，
类型：实用新型
国别省市：31