超高精度磁致伸縮液位儀分析

關精

（鐵嶺鐵光儀器儀表有限責任公司，遼寧 鐵嶺 112000）

基于韋德曼效應，磁致伸縮液位儀可利用電子技術手段實現(xiàn)液體液位精確測量，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。磁致伸縮液位儀能夠一體化測量溫度、液位且不受環(huán)境因素影響，為保證其技術優(yōu)勢的充分發(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計

1.1 選用技術

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，在波導脈沖原理支持下，起始和終止脈沖的測量能夠保證位移量的準確得出，存在1mm 的分辨率和0.5mm 的計量精度。在磁性浮子驅動下，磁致伸縮液位傳感器能夠對介質液位連續(xù)測量，在測量重復性方面的表現(xiàn)也較為出色，輔以設置的軟密封法蘭，在法蘭蓋上開螺紋，磁致伸縮液位傳感器的安裝和維護能夠更好實現(xiàn)。需將擋環(huán)和浮球卸下后進行軟密封法蘭安裝，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]。

圖1 磁致伸縮液儀工作原理

1.2 設計目標

以處理器S3C6410 作為超高精度磁致伸縮液位儀的控制核心，高精度的時間測量基于時間數(shù)字轉換器實現(xiàn)，磁致伸縮液位測量器的外接可完成罐車液位精確測量。聲波傳感器與該時間測量方案的結合可同時實現(xiàn)聲波回波時間高精度測量，結合油品體積與罐車液位的關系模型，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。對于設計涉及的姿態(tài)傳感器，其屬于基于微機電系統(tǒng)的高性能技術測量系統(tǒng)，研究使用基于四元數(shù)的三維算法和特殊數(shù)據融合技術，實時輸出零漂移三維姿態(tài)方位數(shù)據，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，通過自動液位補償，即可更準確測量液位。為得到HART 接口正常輸出，需結合圖2 所示的系統(tǒng)數(shù)據關系，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式罐體，需實現(xiàn)不同溫度不同情況下罐車內油品真正有可比性的超高精度測量，液位誤差、體積誤差控制需分別控制在1mm、0.1%內[2]。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據關系

1.3 硬件框架

基于發(fā)出詢問脈沖到接收返回扭應力脈沖的時間差，磁致伸縮液位傳感器可實現(xiàn)液位高度計算，扭應力脈沖反射后且被接收器接收時，檢測出的扭應力脈沖會向電信號轉換并送入信號處理系統(tǒng)，放大后處理后進入電壓比較器?；谌⌒盘柕臅r刻，電壓比較器向時間數(shù)字轉換器芯片發(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)字轉換器芯片完成計算，經由串行外圍設備接口的時間數(shù)據送至微控制處理器。液位數(shù)據在由微控制處理器處理后，通過轉換和調制，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。

圖3 硬件框架示意圖

微控制處理器接收HART 接口數(shù)據，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，設計得以實現(xiàn)分時復用，信號的多通道處理順利完成。本文設計的超高精度磁致伸縮液位儀能夠綜合應用溫度傳感器、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，具體選擇ARM11 系列，設計成本和開發(fā)難度可由此下降，同時基于圖4、圖5 所示方法進行磁致伸縮液位計的安裝和固定[3]。

圖4 磁致伸縮液位計安裝方法

圖5 磁致伸縮液位計固定方法

本文設計的超高精度磁致伸縮液位儀主要具備以下幾方面特點：

第一，存在不能折彎的磁致伸縮探測桿，波導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，在防爆穿線盒上設置接地螺栓，盒外接地端子與罐體的接地點相連接；

第五，選用的磁致伸縮液位計為PVDF 軟纜材質，能夠得到較為準確的顯示數(shù)據和正常的通信信號，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)實現(xiàn)。

2 超高精度磁致伸縮液位儀的實現(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系，基于不平整的罐車?？课恢每紤]，液位受到的傾斜角度影響也需要得到重視，需結合姿態(tài)傳感器提供的三維坐標描述信息進行疊加。為簡化計算，開展三維坐標描述信息與罐體傾斜的數(shù)學建模，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，結合等效數(shù)學思想，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，保證超高精度磁致伸縮液位儀模型符合要求。以HART 協(xié)議為對外接口，兼顧罐車油品體積數(shù)據輸出和液位計常用輸出。

2.2 細節(jié)要點

為精確計量液位，需要設法精確測量反射扭力脈沖時間，具體采用時間數(shù)字轉換器和電壓比較器，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且近似于正弦波的回波信號，回波檢到時間設定為其兩波峰之間過零點，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用過程中，選擇雙比較通道協(xié)作形式，設定存在V1 比較電壓的通道A，對于到達V1 的檢測波形電壓，控制信號由芯片給出，通道B 由此打開，結合設置為0 的通道B 比較電壓，通道B 能夠在波形電壓過零點時實現(xiàn)信號檢出，時間數(shù)字轉換器接收該信號，此時CPLD 控制下的電壓比較值（通道A）變?yōu)榇笥赩1 的V2，在V2 由通道A 檢出時，通道B關閉，電壓比較器的過零點檢測由此完成。對于變化趨勢最快的過零點時電壓，最小化計時誤差可同時獲取，時間精確測量能夠在超聲波流量計和時間數(shù)字轉換器支持下完成，存在50ps的典型分辨率。時間數(shù)字轉換器在受到START 和STOP 信號間計時，時間值獲取后由串行外圍設備接口進行傳遞，最終送至微控制處理器。

在設計對外數(shù)據接口的過程中，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)據輸出的寬量程和大數(shù)據量需要，4-20mA 的液位計模擬量輸出也能夠同時較好滿足。對外數(shù)據接口設計采用DS8500 型號的芯片作為HART 調制解調器芯片，數(shù)/模轉換器型號為AD420，HART 調制解調器芯片具體應用如圖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主設備，且能夠在第一主設備通訊不受干擾的前提下使用第二主設備，手持通信設備屬于典型的第二主設備，其能夠與監(jiān)測、控制系統(tǒng)等第一主設備同時應用，HART 調制解調器芯片可通過頻移鍵控實現(xiàn)載波頻率變化控制的調制，通過4～20mA 的模擬信號實現(xiàn)傳遞及反饋。

圖6 HART 調制解調器芯片的具體應用

圖7 HART 協(xié)議下頻移鍵控工作示意圖

具體設計需要初始化主程序，在看門狗復位或上電后，設置串口工作方式、波特率，基于準備接收狀態(tài)，上位機首先發(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。主機命令解釋完成之后，操作能夠隨之開展，應答幀也能夠同時形成，最終將發(fā)送啟動，SCI 之后關閉。

綜上所述，超高精度磁致伸縮液位儀具備較高推廣價值。在此基礎上，本文涉及的設計目標、硬件框架、細節(jié)要點等內容，則直觀展示了超高精度磁致伸縮液位儀設計和實現(xiàn)路徑。為更好設計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功能設計同樣需要得到業(yè)內人士高度重視。