智能磁致伸缩液位测量仪设计

智能磁致伸缩液位测量仪设计
作者：杨星红；黄皎；陆晓春；尹涛





       现如今部分工业现场环境恶劣，对测量设备提出了诸多要求，如需要耐高温高压、抗磨损、腐蚀等，工作人员也很难近距离操控测屋流程，这使得测量过程不那么轻易可行。磁致伸缩液位传感器因其具有大量程、高精度、易维护、免定标、长寿命和强适应性等特点，目前广泛应用于工业液位测量领域，满足了工业现场对液位测屈的环境要求。由于我国自行研制的液位测量仪虽然具有一定的测措精度，能够满足基本测蜇要求，但其在操作、人机交互、数据容星和兼容性上均存在一 定的局限性[2]。传统液位测量仪只配备了传统的工业现场总线方式，这对远距离的控制和访问造成了困难，使得测量数据尤法得到实时监控。本文设计了一种智能磁致伸缩液位测量仪，具有网络化接口，能够实现实时数据传输与存储，实时监测与报警功能。

1 测量仪总体概述

I.I 测量原理

       磁致伸缩传感器结构包括传感器头部、探测杆、活动磁铁和阻尼器。主控制模块向波导丝上施加激励驱动脉冲，波导丝周围瞬时产生电磁场，与磁铁产生的轴向磁场叠加，形成螺旋磁场，由于磁致伸缩效应，扭转波发生瞬时形变产生扭转波，该扭转波以已知的固定超声波速度向两端传播[4] , 一端被阻尼器吸收，另一端被线圈检测到。传感器头部感应线圈检测到扭转波信号时，该时刻与驱动脉冲产生时刻的时间间隔为扭转波传播时间，该时间与扭转波波速乘积即为活动磁铁的位移。

1.2 测量仪系统设计

       智能磁致伸缩液位测量仪以TM4C1294NCPDTI为主控制器，包含电源模块、时钟复位模块、激励脉冲产生模块、回波信号处理模块、故障报警模块、触摸屏显示模块、数据存储模块以及以太网接口通信模块等。本系统采用基于ARM Cortex-M4系列的32位处理器，频率可达120 MHz, 可提高捕获回波脉冲的分辨率，提高时间间隔捕获的准确性，自带睡眠模式，超低功耗。内部集成Thumb 2指令集，内置10/100 M以太网媒体访问控制器与物理层 [5]。激励脉冲触发传感器进行液位测量，信号处理模块将采集到的信号进行处理送至处理器捕获； 10/100 M 以太网模块将测量结果传送至工业以太网；报警模块根据不同的错误信息触发扬声器报警；控制阀模块根据检测到的液位信息，及时调整阀、泵的开闭；数据存储单元采用SD卡接口，将大量的测量数据和报警信息以FAT32格式进行保存；触摸屏模块为用户提供友好的交互界面，直观显示测量信息以及更改参数设置。

2额两翼硬件模块设计

2.1激励脉冲模块

       根据磁致伸缩传感器的测屈原理，为使波导丝产生较大的扭转形变，驱动电流脉冲必须足够大，一般为2A左右[6] '因而，需增设如图3 所示激励脉冲驱动电路。激励脉冲经三极管射极跟随缓冲电路将脉冲信号进行放大，通过N沟道增强型MOSFET管连接磁致伸缩位移传感器波导丝输入端，构成回路以驱动传感器工作。

2.2 信号放大电路

       由于扭转波经过感应线圈感应变换后的回波信号会发生衰减，幅值较小（约2mV)频率较高、并且极易被噪声淹没，因而，选用MAXIM公司的具有高输入阻抗、高带宽、稳定的放大倍数和带宽增益积为200 MHz的双通道运算放大器MAX4453 lsJ。考虑到传感器的工作环境比较恶劣，存在外部扰动、噪声干扰、共模干扰等，因此，采用双端输入，单端输出的差动放大电路和同相放大电路对回波信号进行多级放大。差动放大电路放大差模信号，抑制共模信号，同相放大电路则继续对回波信号的幅值进行放大，经过两级放大后，又串接两同相放大电路，总闭环增益可达1100倍，回波信号的可检测性大大提高，使得传感器的稳定性也大大增强。

2.3 触摸屏模块

       触摸屏模块设计了多个工业化测量界面，包含测量数据显示界面，参数设置界面、报警信息显示界面等。参数设置界面包含液位测量上、下限值，测量数据与触摸屏实时交互，当超过上下限设定的值时，就会启动蜂鸣器报警，同时关闭或启动相应的控制阀。报警信息显示界面提供当前报警信息显示和历史信息查阅功能。

3 测量仪软件模块设计

3.1总体测量流程

       该液位测量仪有实时测屈、参数设置、数据查询、通道测试共4个工作模式。

3.2 数据存储模块

       为方便用户读取测量仪历史数据和警告信息，程序采用FAT32文件格式写入SD卡。该文件系统完全采用标准C语言编写且源代码开放，小巧精悍，只占用4kB内存，功能齐全。测量仪处理模块采用SPI通信方式读写SD卡中的液位测量数据。程序设计时，主控制器使CS引脚为低电平， SD卡使能并处于丛机地位，SPI总线读写存储器中的液位测量数据。主控制器产生SCK时钟信号，同时通过SI和SO引脚将液位数据读出和写入存储器。

3.3网络通信功能模块

        TCP/IP 协议是 Internet 的基本协议，协议中定义了设备如何接入因特网，同时规定了设备间的数据传输标准l 11??l。在工业测批领域中，随着控制技术网络化的发展， TCP/IP 协议运用逐渐增多，方便了设备之间、设备与监控平台之间的数据传输。Modbus 协议是工业上的事实标准，M odbusTCP 是 M od-bus 协议和 TCP/IP 协议协议在应用中的结合，液位测掀仪的网络数据传输部分设计了 M odbusTCP 数据传输功能。TCP/IP 协议是众多网络协议的组合，为了能够满足多种协议功能的需求致使 TCP/IP 协议栈包含众多的协议，规模庞大。由于本系统中并不需要使用所有的网络通信功能，因此，对 TCP/IP 协议栈进行精简，设计的协议栈满足需要又节约资源。本系统将监控终端作为 M odbus TCP 服务器。由于 TCP是端对端的连接，在设计服务器程序时要为每一 个连接建立一张 TCB 表，这张表记录了对应该连接的一 些基本信息，包括通信双方的 IP 地址、端口号、当煎发送报文序号、ACK 序号和最大传输报文长度等。

4.实验结果

       实验设计量程为2m的磁致伸缩位移传感器，将传感器浮子磁铁分别置于位移为 50 ,100 ,150 mm 处，得到 6 组测量的实验数据列于表 。从实验数据分析可知，所测位移数据均在实际位移附近小范围波动，其相对误差在 0.08 % 之内，精度可达 0.02 %F. S, 其精度符合测最标准。

5结论

       实验数据表明：本文设计的智能磁致伸缩液位测措仪达到了较高的测量精度，具有较好的重复性和稳定性，同时还具有强大的数据存储和传输功能。该仪表不仅满足了用户的需求，同时满足了互联网的发展要求，具有较高的使用和推广价值。






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