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压力变送器

用于移动罐体液位测量的高精度磁致伸缩液位计的设计分析

时间:2021-12-13 10:12:02

 摘要:磁致伸缩液位计在成品油储罐油品测量中的应用极为广泛,这是由于其能够实现不受环境影响的测量,近年来超高精度磁致伸缩液位计的研发受到业界高度重视,相关研究和探索大量涌现。基于此,本文将设计一种超高精度磁致伸缩液位计,围绕选用技术、设计目标、硬件框架、总体路径、细节要点等设计内容进行分析可以发现,本文设计能够用于移动式罐体的液位超高精度测量,具备较高推广价值。qUJ压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

 
基于韦德曼效应,磁致伸缩液位计可利用电子技术手段实现液体液位精确测量,测量过程需要对发射脉冲和回波脉冲间的时间值开展精密计测。磁致伸缩液位计能够一体化测量温度、液位且不受环境因素影响,为保证其技术优势的充分发挥,正是本文围绕超高精度磁致伸缩液位计开展研究的原因所在。
 
1超高精度磁致伸缩液位计设计
1.1选用技术
本文研究采用的磁致伸缩液位传感器具备高可靠性、高精度、易操作性、安全性出色、自动化程度高等特点,在波导脉冲原理支持下,起始和终止脉冲的测量能够保证位移量的准确得出,存在1mm的分辨率和0.5mm的计量精度。在磁性浮子驱动下,磁致伸缩液位传感器能够对介质液位连续测量,在测量重复性方面的表现也较为出色,辅以设置的软密封法兰,在法兰盖上开螺纹,磁致伸缩液位传感器的安装和维护能够更好实现。需将挡环和浮球卸下后进行软密封法兰安装,在法兰盖上拧紧液位计,挡环和浮球安装后依次装回容器,图1为磁致伸缩液仪工作原理[1]。
1.2设计目标
以处理器S3C6410作为超高精度磁致伸缩液位计的控制核心,高精度的时间测量基于时间数字转换器实现,磁致伸缩液位测量器的外接可完成罐车液位精确测量。声波传感器与该时间测量方案的结合可同时实现声波回波时间高精度测量,结合油品体积与罐车液位的关系模型,油品体积测算可同时完成,温度传感器可用于油品体积在固定温度下的反推。对于设计涉及的姿态传感器,其属于基于微机电系统的高性能技术测量系统,研究使用基于四元数的三维算法和特殊数据融合技术,实时输出零漂移三维姿态方位数据,具体以四元数和欧拉角表示,以此满足移动式油罐的倾斜检测需要,通过自动液位补偿,即可更准确测量液位。为得到HART接口正常输出,需结合图2所示的系统数据关系,固定温度下的油品体积能够由此顺利获取。本文研究的超高精度磁致伸缩液位计用于移动式罐体,需实现不同温度不同情况下罐车内油品真正有可比性的超高精度测量,液位误差、体积误差控制需分别控制在1mm、0.1%内[2]。
1.3硬件框架
基于发出询问脉冲到接收返回扭应力脉冲的时间差,磁致伸缩液位传感器可实现液位高度计算,扭应力脉冲反射后且被接收器接收时,检测出的扭应力脉冲会向电信号转换并送入信号处理系统,放大后处理后进入电压比较器。基于取信号的时刻,电压比较器向时间数字转换器芯片发送嘀嗒信号,发射脉冲和反射脉冲间的时间差由时间数字转换器芯片完成计算,经由串行外围设备接口的时间数据送至微控制处理器。液位数据在由微控制处理器处理后,通过转换和调制,分别由数字信号HART协议和模拟量4-20mA信号输出,图3为硬件框架示意图。
 
微控制处理器接收HART接口数据,信号处理后接入姿态传感器和磁致伸缩传感器,另外通过脉冲接收和脉冲发射送至超声波传感器,其信号处理存在类似于磁致伸缩传感器的原理,因此采用相同信号处理系统完成超声波信号处理,辅以信号通道选择开关,设计得以实现分时复用,信号的多通道处理顺利完成。本文设计的超高精度磁致伸缩液位计能够综合应用温度传感器、姿态传感器及磁致伸缩液位计,辅以罐容表查询,即可准确测量移动式罐体的罐容。选择高速微控制处理器接入传感器的输出数据,具体选择ARM11系列,设计成本和开发难度可由此下降,同时基于图4、图5所示方法进行磁致伸缩液位计的安装和固定[3]。
 

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本文设计的超高精度磁致伸缩液位计主要具备以下几方面特点:
第一,存在不能折弯的磁致伸缩探测杆,波导丝损坏带来的灵敏度下降问题能够有效规避;
第二,在接卸油环节,由于传感器原理接卸油管口设置,油品流动压力可能带来的损坏问题有效规避,测量精度不会受到影响;
第三,浮子与容器壁不会出现碰撞,基于活动灵活的浮球、螺纹(法兰盖上开螺纹)与容器的牢固连接、保持垂直的探头,仪器作用能够更好发挥,具体如图3所示;
第四,通过接地处理和接触良好的通信线路,接地螺栓上得以连接双芯双绞屏蔽电缆和地线屏蔽层,在防爆穿线盒上设置接地螺栓,盒外接地端子与罐体的接地点相连接;
第五,选用的磁致伸缩液位计为PVDF软缆材质,能够得到较为准确的显示数据和正常的通信信号,连接稳定性也较高。此外,图3所示的底部定位重锤固定通过锁紧环实现。
 
2 超高精度磁致伸缩液位计的实现 
2.1 总体路径 
 
通过几何法计算确定油品体积与油罐液位的换算关系,基 于不平整的罐车停靠位置考虑,液位受到的倾斜角度影响也需
要得到重视,需结合姿态传感器提供的三维坐标描述信息进行 叠加。为简化计算,开展三维坐标描述信息与罐体倾斜的数学 建模,通过微元法建立无变化位时油面高度与椭圆形罐体罐容 的定积分模型,结合等效数学思想,等效倾斜角度纵向变位状 态为无变位状态,液体在倾斜放置时的体积能够顺利获取,测 量的倾斜角度通过姿态传感器输出,二次修正模型,保证超高精度磁致伸缩液位计模型符合要求。以 HART 协议为对外接 口,兼顾罐车油品体积数据输出和液位计常用输出。 
 
2.2 细节要点 
为精确计量液位,需要设法精确测量反射扭力脉冲时间,具 体采用时间数字转换器和电压比较器,型号分别为 TDC-GP2、 MAX9202,以此完成回波信号时间测量,对于呈纺锤体状包络 且近似于正弦波的回波信号,回波检到时间设定为其两波峰之 间过零点,回波时间可比较发射波时间得出。
 
在电压比较器的具体应用过程中,选择双比较通道协作形式,设定存在 V1 比较电压的通道 A,对于到达 V1 的检测波形电压,控制信号由芯片给出,通道 B 由此打开,结合设置为 0 的 通道 B 比较电压,通道 B 能够在波形电压过零点时实现信号检出,时间数字转换器接收该信号,此时 CPLD 控制下的电压比较 值(通道 A)变为大于 V1 的 V2,在 V2 由通道 A 检出时,通道 B 关闭,电压比较器的过零点检测由此完成。对于变化趋势非常快 的过零点时电压,非常小化计时误差可同时获取,时间精确测量 能够在超声波流量计和时间数字转换器支持下完成,存在 50ps的典型分辨率。时间数字转换器在受到 START 和 STOP 信号间 计时,时间值获取后由串行外围设备接口进行传递,非常终送至微控制处理器。
 

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在设计对外数据接口的过程中,超高精度磁致伸缩液位计使用的协议为 HART,其能够满足罐车油品体积数据输出的宽量程和大数据量需要,4-20mA 的液位计模拟量输出也能够同 时较好满足。对外数据接口设计采用 DS8500 型号的芯片作为HART 调制解调器芯片,数 / 模转换器型号为 AD420,HART 调 制解调器芯片具体应用如图 6 所示,图 7 为 HART 协议下频移 键控工作示意图。HART 协议下允许非常多存在两个主设备,且能够在第一主设备通讯不受干扰的前提下使用第二主设备,手持 通信设备属于典型的第二主设备,其能够与监测、控制系统等第一主设备同时应用,HART 调制解调器芯片可通过频移键控 实现载波频率变化控制的调制,通过 4~20mA 的模拟信号实现 传递及反馈。 具体设计需要初始化主程序,在看门狗复位或上电后,设 置串口工作方式、波特率,基于准备接收 状态,上位机首先发出命令,低电平的载波检测口触发中断,接收由此时启动。主 机命令解释完成之后,操作能够随之开 展,应答帧也能够同时形成,非常终将发送 启动,SCI 之后关闭。
 
综上所述,超高精度磁致伸缩液位计具备较高推广价值。在此基础上,本文涉及的设计目标、硬件框架、细节要点等 内容,则直观展示了超高精度磁致伸缩液位计设计和实现路径。为更好设计超 高精度磁致伸缩液位计,超高精度磁致伸缩液位计的原位校准功能设计同样需要得到业内人士高度重视。

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