摘要：磁致伸縮液位計在成品油儲罐油品測量中的應(yīng)用極為廣泛，這是由于其能夠?qū)崿F(xiàn)不受環(huán)境影響的測量，近年來很高精度磁致伸縮液位計的研發(fā)受到業(yè)界高度重視，相關(guān)研究和探索大量涌現(xiàn)。基于此，本文將設(shè)計一種很高精度磁致伸縮液位計，圍繞選用技術(shù)、設(shè)計目標(biāo)、硬件框架、總體路徑、細(xì)節(jié)要點(diǎn)等設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計能夠用于移動式罐體的液位很高精度測量，具備較高推廣價值。
基于韋德曼效應(yīng)，磁致伸縮液位計可利用電子技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)液體液位精que測量，測量過程需要對發(fā)射脈沖和回波脈沖間的時間值開展精密計測。磁致伸縮液位計能夠一體化測量溫度、液位且不受環(huán)境因素影響，為保證其技術(shù)優(yōu)勢的充分發(fā)揮，正是本文圍繞很高精度磁致伸縮液位計開展研究的原因所在。
1很高精度磁致伸縮液位計設(shè)計
1.1選用技術(shù)
本文研究采用的磁致伸縮液位傳感器具備高可靠性、高精度、易操作性、安全性出色、自動化程度高等特點(diǎn)，在波導(dǎo)脈沖原理支持下，起始和終止脈沖的測量能夠保證位移量的準(zhǔn)確得出，存在1mm的分辨率和0.5mm的計量精度。在磁性浮子驅(qū)動下，磁致伸縮液位傳感器能夠?qū)橘|(zhì)液位連續(xù)測量，在測量重復(fù)性方面的表現(xiàn)也較為出色，輔以設(shè)置的軟密封法蘭，在法蘭蓋上開螺紋，磁致伸縮液位傳感器的安裝和維護(hù)能夠更好實(shí)現(xiàn)。需將擋環(huán)和浮球卸下后進(jìn)行軟密封法蘭安裝，在法蘭蓋上擰緊液位計，擋環(huán)和浮球安裝后依次裝回容器，圖1為磁致伸縮液儀工作原理[1]。
1.2設(shè)計目標(biāo)
以處理器S3C6410作為很高精度磁致伸縮液位計的控制核心，高精度的時間測量基于時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，磁致伸縮液位測量器的外接可完成罐車液位精que測量。聲波傳感器與該時間測量方案的結(jié)合可同時實(shí)現(xiàn)聲波回波時間高精度測量，結(jié)合油品體積與罐車液位的關(guān)系模型，油品體積測算可同時完成，溫度傳感器可用于油品體積在固定溫度下的反推。對于設(shè)計涉及的姿態(tài)傳感器，其屬于基于微機(jī)電系統(tǒng)的高性能技術(shù)測量系統(tǒng)，研究使用基于四元數(shù)的三維算法和特殊數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)時輸出零漂移三維姿態(tài)方位數(shù)據(jù)，具體以四元數(shù)和歐拉角表示，以此滿足移動式油罐的傾斜檢測需要，通過自動液位補(bǔ)償，即可更準(zhǔn)確測量液位。為得到HART接口正常輸出，需結(jié)合圖2所示的系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)系，固定溫度下的油品體積能夠由此順利獲取。本文研究的很高精度磁致伸縮液位計用于移動式罐體，需實(shí)現(xiàn)不同溫度不同情況下罐車內(nèi)油品真正有可比性的很高精度測量，液位誤差、體積誤差控制需分別控制在1mm、0.1%內(nèi)[2]。
1.3硬件框架
基于發(fā)出詢問脈沖到接收返回扭應(yīng)力脈沖的時間差，磁致伸縮液位傳感器可實(shí)現(xiàn)液位高度計算，扭應(yīng)力脈沖反射后且被接收器接收時，檢測出的扭應(yīng)力脈沖會向電信號轉(zhuǎn)換并送入信號處理系統(tǒng)，放大后處理后進(jìn)入電壓比較器。基于取信號的時刻，電壓比較器向時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片發(fā)送嘀嗒信號，發(fā)射脈沖和反射脈沖間的時間差由時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片完成計算，經(jīng)由串行外圍設(shè)備接口的時間數(shù)據(jù)送至微控制處理器。液位數(shù)據(jù)在由微控制處理器處理后，通過轉(zhuǎn)換和調(diào)制，分別由數(shù)字信號HART協(xié)議和模擬量4-20mA信號輸出，圖3為硬件框架示意圖。
微控制處理器接收HART接口數(shù)據(jù)，信號處理后接入姿態(tài)傳感器和磁致伸縮傳感器，另外通過脈沖接收和脈沖發(fā)射送至超聲波傳感器，其信號處理存在類似于磁致伸縮傳感器的原理，因此采用相同信號處理系統(tǒng)完成超聲波信號處理，輔以信號通道選擇開關(guān)，設(shè)計得以實(shí)現(xiàn)分時復(fù)用，信號的多通道處理順利完成。本文設(shè)計的很高精度磁致伸縮液位計能夠綜合應(yīng)用溫度傳感器、姿態(tài)傳感器及磁致伸縮液位計，輔以罐容表查詢，即可準(zhǔn)確測量移動式罐體的罐容。選擇高速微控制處理器接入傳感器的輸出數(shù)據(jù)，具體選擇ARM11系列，設(shè)計成本和開發(fā)難度可由此下降，同時基于圖4、圖5所示方法進(jìn)行磁致伸縮液位計的安裝和固定[3]。
本文設(shè)計的很高精度磁致伸縮液位計主要具備以下幾方面特點(diǎn)：
地衣，存在不能折彎的磁致伸縮探測桿，波導(dǎo)絲損壞帶來的靈敏度下降問題能夠有效規(guī)避；
第二，在接卸油環(huán)節(jié)，由于傳感器原理接卸油管口設(shè)置，油品流動壓力可能帶來的損壞問題有效規(guī)避，測量精度不會受到影響；
第三，浮子與容器壁不會出現(xiàn)碰撞，基于活動靈活的浮球、螺紋（法蘭蓋上開螺紋）與容器的牢固連接、保持垂直的探頭，儀器作用能夠更好發(fā)揮，具體如圖3所示；
第四，通過接地處理和接觸良好的通信線路，接地螺栓上得以連接雙芯雙絞屏蔽電纜和地線屏蔽層，在防爆穿線盒上設(shè)置接地螺栓，盒外接地端子與罐體的接地點(diǎn)相連接；
第五，選用的磁致伸縮液位計為PVDF軟纜材質(zhì)，能夠得到較為準(zhǔn)確的顯示數(shù)據(jù)和正常的通信信號，連接穩(wěn)定性也較高。此外，圖3所示的底部定位重錘固定通過鎖緊環(huán)實(shí)現(xiàn)。
2 很高精度磁致伸縮液位計的實(shí)現(xiàn)
2.1 總體路徑
通過幾何法計算確定油品體積與油罐液位的換算關(guān)系，基 于不平整的罐車停靠位置考慮，液位受到的傾斜角度影響也需
要得到重視，需結(jié)合姿態(tài)傳感器提供的三維坐標(biāo)描述信息進(jìn)行 疊加。為簡化計算，開展三維坐標(biāo)描述信息與罐體傾斜的數(shù)學(xué) 建模，通過微元法建立無變化位時油面高度與橢圓形罐體罐容 的定積分模型，結(jié)合等效數(shù)學(xué)思想，等效傾斜角度縱向變位狀 態(tài)為無變位狀態(tài)，液體在傾斜放置時的體積能夠順利獲取，測 量的傾斜角度通過姿態(tài)傳感器輸出，二次修正模型，保證很高精度磁致伸縮液位計模型符合要求。以 HART 協(xié)議為對外接 口，兼顧罐車油品體積數(shù)據(jù)輸出和液位計常用輸出。
2.2 細(xì)節(jié)要點(diǎn)
為精que計量液位，需要設(shè)法精que測量反射扭力脈沖時間，具 體采用時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和電壓比較器，型號分別為 TDC-GP2、 MAX9202，以此完成回波信號時間測量，對于呈紡錘體狀包絡(luò) 且近似于正弦波的回波信號，回波檢到時間設(shè)定為其兩波峰之 間過零點(diǎn)，回波時間可比較發(fā)射波時間得出。
在電壓比較器的具體應(yīng)用過程中，選擇雙比較通道協(xié)作形式，設(shè)定存在 V1 比較電壓的通道 A，對于到達(dá) V1 的檢測波形電壓，控制信號由芯片給出，通道 B 由此打開，結(jié)合設(shè)置為 0 的 通道 B 比較電壓，通道 B 能夠在波形電壓過零點(diǎn)時實(shí)現(xiàn)信號檢出，時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器接收該信號，此時 CPLD 控制下的電壓比較 值（通道 A）變?yōu)榇笥?V1 的 V2，在 V2 由通道 A 檢出時，通道 B 關(guān)閉，電壓比較器的過零點(diǎn)檢測由此完成。對于變化趨勢#快 的過零點(diǎn)時電壓，#小化計時誤差可同時獲取，時間精que測量 能夠在超聲波流量計和時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器支持下完成，存在 50ps的典型分辨率。時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器在受到 START 和 STOP 信號間 計時，時間值獲取后由串行外圍設(shè)備接口進(jìn)行傳遞，#終送至微控制處理器。
在設(shè)計對外數(shù)據(jù)接口的過程中，很高精度磁致伸縮液位計使用的協(xié)議為 HART，其能夠滿足罐車油品體積數(shù)據(jù)輸出的寬量程和大數(shù)據(jù)量需要，4-20mA 的液位計模擬量輸出也能夠同 時較好滿足。對外數(shù)據(jù)接口設(shè)計采用 DS8500 型號的芯片作為HART 調(diào)制解調(diào)器芯片，數(shù) / 模轉(zhuǎn)換器型號為 AD420，HART 調(diào) 制解調(diào)器芯片具體應(yīng)用如圖 6 所示，圖 7 為 HART 協(xié)議下頻移 鍵控工作示意圖。HART 協(xié)議下允許#多存在兩個主設(shè)備，且能夠在地衣主設(shè)備通訊不受干擾的前提下使用第二主設(shè)備，手持 通信設(shè)備屬于典型的第二主設(shè)備，其能夠與監(jiān)測、控制系統(tǒng)等地衣主設(shè)備同時應(yīng)用，HART 調(diào)制解調(diào)器芯片可通過頻移鍵控 實(shí)現(xiàn)載波頻率變化控制的調(diào)制，通過 4～20mA 的模擬信號實(shí)現(xiàn) 傳遞及反饋。 具體設(shè)計需要初始化主程序，在看門狗復(fù)位或上電后，設(shè) 置串口工作方式、波特率，基于準(zhǔn)備接收 狀態(tài)，上位機(jī)shou先發(fā)出命令，低電平的載波檢測口觸發(fā)中斷，接收由此時啟動。主 機(jī)命令解釋完成之后，操作能夠隨之開 展，應(yīng)答幀也能夠同時形成，#終將發(fā)送 啟動，SCI 之后關(guān)閉。
綜上所述，很高精度磁致伸縮液位計具備較高推廣價值。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的設(shè)計目標(biāo)、硬件框架、細(xì)節(jié)要點(diǎn)等 內(nèi)容，則直觀展示了很高精度磁致伸縮液位計設(shè)計和實(shí)現(xiàn)路徑。為更好設(shè)計超 高精度磁致伸縮液位計，很高精度磁致伸縮液位計的原位校準(zhǔn)功能設(shè)計同樣需要得到業(yè)內(nèi)人士高度重視。
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