超高精度磁致伸缩液位仪技术研究

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。

2、设计目标 

以处理器S3C6410作为超高精度磁致伸缩液位仪的控制核心，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，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仪用于移动式罐体，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。

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。 

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仪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。

本文设计的超高精度磁致伸缩液位仪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； 

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。

　　审核编辑：汤梓红