摘要：磁致伸縮液位計在成品油儲罐油品測量中的應用極為廣泛，這是由于其能夠實現(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，相關研究和探索大量涌現(xiàn)。基于此，本文將設計一種很高精度磁致伸縮液位計，圍繞選用技術、設計目標、硬件框架、總體路徑、細節(jié)要點等設計內(nèi)容進行分析可以發(fā)現(xiàn)，本文設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，磁致伸縮液位計可利用電子技術手段實現(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]。
1.2設計目標
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que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(jù)融合技術，實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(jù)關系，固定溫度下的油品體積能夠由此順利獲取。本文研究的很高精度磁致伸縮液位計用于移動式罐體，需實現(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。基于取信號的時刻，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(jīng)由串行外圍設備接口的時間數(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。
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，設計得以實現(xiàn)分時復用，信號的多通道處理順利完成。本文設計的很高精度磁致伸縮液位計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(jù)，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]。
本文設計的很高精度磁致伸縮液位計主要具備以下幾方面特點：
地衣，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(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)實現(xiàn)。
2 很高精度磁致伸縮液位計的實現(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 細節(jié)要點
為精que計量液位，需要設法精que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?V1 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#快 的過零點時電壓，#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，#終送至微控制處理器。
在設計對外數(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#多存在兩個主設備，且能夠在地衣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)等地衣主設備同時應用，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。 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，#終將發(fā)送 啟動，SCI 之后關閉。
綜上所述，很高精度磁致伸縮液位計具備較高推廣價值。在此基礎上，本文涉及的設計目標、硬件框架、細節(jié)要點等 內(nèi)容，則直觀展示了很高精度磁致伸縮液位計設計和實現(xiàn)路徑。為更好設計超 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功能設計同樣需要得到業(yè)內(nèi)人士高度重視。
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