關(guān)精

（鐵嶺鐵光儀器儀表有限責(zé)任公司，遼寧 鐵嶺 112000）

基于韋德曼效應(yīng)，磁致伸縮液位儀可利用電子技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)液體液位精確測(cè)量，測(cè)量過程需要對(duì)發(fā)射脈沖和回波脈沖間的時(shí)間值開展精密計(jì)測(cè)。磁致伸縮液位儀能夠一體化測(cè)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(shì)的充分發(fā)揮，正是本文圍繞超高精度磁致伸縮液位儀開展研究的原因所在。

1 超高精度磁致伸縮液位儀設(shè)計(jì)

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(dòng)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(cè)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(jì)量精度。在磁性浮子驅(qū)動(dòng)下，磁致伸縮液位傳感器能夠?qū)橘|(zhì)液位連續(xù)測(cè)量，在測(cè)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(jì)，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]。

圖1 磁致伸縮液儀工作原理

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

以處理器S3C6410 作為超高精度磁致伸縮液位儀的控制核心，高精度的時(shí)間測(cè)量基于時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，磁致伸縮液位測(cè)量器的外接可完成罐車液位精確測(cè)量。聲波傳感器與該時(shí)間測(cè)量方案的結(jié)合可同時(shí)實(shí)現(xiàn)聲波回波時(shí)間高精度測(cè)量，結(jié)合油品體積與罐車液位的關(guān)系模型，油品體積測(cè)算可同時(shí)完成，溫度傳感器可用于油品體積在固定溫度下的反推。對(duì)于設(shè)計(jì)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(cè)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(shí)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(dòng)式油罐的傾斜檢測(cè)需要，通過自動(dòng)液位補(bǔ)償，即可更準(zhǔn)確測(cè)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。本文研究的超高精度磁致伸縮液位儀用于移動(dòng)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超高精度測(cè)量，液位誤差、體積誤差控制需分別控制在1mm、0.1%內(nèi)[2]。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)關(guān)系

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(shí)間差，磁致伸縮液位傳感器可實(shí)現(xiàn)液位高度計(jì)算，扭應(yīng)力脈沖反射后且被接收器接收時(shí)，檢測(cè)出的扭應(yīng)力脈沖會(huì)向電信號(hào)轉(zhuǎn)換并送入信號(hào)處理系統(tǒng)，放大后處理后進(jìn)入電壓比較器?；谌⌒盘?hào)的時(shí)刻，電壓比較器向時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片發(fā)送嘀嗒信號(hào)，發(fā)射脈沖和反射脈沖間的時(shí)間差由時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器芯片完成計(jì)算，經(jīng)由串行外圍設(shè)備接口的時(shí)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(hào)HART 協(xié)議和模擬量4-20mA 信號(hào)輸出，圖3 為硬件框架示意圖。

圖3 硬件框架示意圖

微控制處理器接收HART 接口數(shù)據(jù)，信號(hào)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(hào)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(hào)處理系統(tǒng)完成超聲波信號(hào)處理，輔以信號(hào)通道選擇開關(guān)，設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)分時(shí)復(fù)用，信號(hào)的多通道處理順利完成。本文設(shè)計(jì)的超高精度磁致伸縮液位儀能夠綜合應(yīng)用溫度傳感器、姿態(tài)傳感器及磁致伸縮液位計(jì)，輔以罐容表查詢，即可準(zhǔn)確測(cè)量移動(dòng)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(jì)成本和開發(fā)難度可由此下降，同時(shí)基于圖4、圖5 所示方法進(jìn)行磁致伸縮液位計(jì)的安裝和固定[3]。

圖4 磁致伸縮液位計(jì)安裝方法

圖5 磁致伸縮液位計(jì)固定方法

本文設(shè)計(jì)的超高精度磁致伸縮液位儀主要具備以下幾方面特點(diǎn)：

第一，存在不能折彎的磁致伸縮探測(cè)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(dòng)壓力可能帶來的損壞問題有效規(guī)避，測(cè)量精度不會(huì)受到影響；

第三，浮子與容器壁不會(huì)出現(xiàn)碰撞，基于活動(dòng)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(jì)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(hào)，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 超高精度磁致伸縮液位儀的實(shí)現(xiàn)

2.1 總體路徑

通過幾何法計(jì)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(jiǎn)化計(jì)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(shí)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(shí)的體積能夠順利獲取，測(cè)量的傾斜角度通過姿態(tài)傳感器輸出，二次修正模型，保證超高精度磁致伸縮液位儀模型符合要求。以HART 協(xié)議為對(duì)外接口，兼顧罐車油品體積數(shù)據(jù)輸出和液位計(jì)常用輸出。

2.2 細(xì)節(jié)要點(diǎn)

為精確計(jì)量液位，需要設(shè)法精確測(cè)量反射扭力脈沖時(shí)間，具體采用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和電壓比較器，型號(hào)分別為TDC-GP2、MAX9202，以此完成回波信號(hào)時(shí)間測(cè)量，對(duì)于呈紡錘體狀包絡(luò)且近似于正弦波的回波信號(hào)，回波檢到時(shí)間設(shè)定為其兩波峰之間過零點(diǎn)，回波時(shí)間可比較發(fā)射波時(shí)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(duì)于到達(dá)V1 的檢測(cè)波形電壓，控制信號(hào)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(shí)實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢出，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器接收該信號(hào)，此時(shí)CPLD 控制下的電壓比較值（通道A）變?yōu)榇笥赩1 的V2，在V2 由通道A 檢出時(shí)，通道B關(guān)閉，電壓比較器的過零點(diǎn)檢測(cè)由此完成。對(duì)于變化趨勢(shì)最快的過零點(diǎn)時(shí)電壓，最小化計(jì)時(shí)誤差可同時(shí)獲取，時(shí)間精確測(cè)量能夠在超聲波流量計(jì)和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器支持下完成，存在50ps的典型分辨率。時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器在受到START 和STOP 信號(hào)間計(jì)時(shí)，時(shí)間值獲取后由串行外圍設(shè)備接口進(jìn)行傳遞，最終送至微控制處理器。

在設(shè)計(jì)對(duì)外數(shù)據(jù)接口的過程中，超高精度磁致伸縮液位儀使用的協(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(jì)模擬量輸出也能夠同時(shí)較好滿足。對(duì)外數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)采用DS8500 型號(hào)的芯片作為HART 調(diào)制解調(diào)器芯片，數(shù)/模轉(zhuǎn)換器型號(hào)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)議下允許最多存在兩個(gè)主設(shè)備，且能夠在第一主設(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(cè)、控制系統(tǒng)等第一主設(shè)備同時(shí)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(hào)實(shí)現(xiàn)傳遞及反饋。

圖6 HART 調(diào)制解調(diào)器芯片的具體應(yīng)用

圖7 HART 協(xié)議下頻移鍵控工作示意圖

具體設(shè)計(jì)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)首先發(fā)出命令，低電平的載波檢測(cè)口觸發(fā)中斷，接收由此時(shí)啟動(dòng)。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(shí)形成，最終將發(fā)送啟動(dòng)，SCI 之后關(guān)閉。

綜上所述，超高精度磁致伸縮液位儀具備較高推廣價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，本文涉及的設(shè)計(jì)目標(biāo)、硬件框架、細(xì)節(jié)要點(diǎn)等內(nèi)容，則直觀展示了超高精度磁致伸縮液位儀設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)路徑。為更好設(shè)計(jì)超高精度磁致伸縮液位儀，超高精度磁致伸縮液位儀的原位校準(zhǔn)功能設(shè)計(jì)同樣需要得到業(yè)內(nèi)人士高度重視。