磁致伸缩液位传感器中高分辨力时间量检测

磁致伸缩液位传感器中高分辨力时间量检测
作者：齐荣；姜波；陈祥光；余向明；张晓钟





       在液位测量领域 ,油罐储油计量是一个特例 ,通过测量罐中油位、水位进行储油计量。由于储油罐很高 (可达 20 m 以上) ,直径很大 ,则要求液位测量准确度很高。目前 ,我国用于油罐液位测量主要是引进国外较先进仪表 ,如超声波、雷达、磁致伸缩和射频导纳液位仪。其中 , 美国 M TS 系统公司和  Veeder Root 等公司的磁致伸缩液位传感器准确度可达0. 01 %FS ,并且能同时满足宽量程、多参数 (油位、水位和油温等) 的特殊要求 ,在油罐储油计量中占有独特的优势 。国内各仪表厂家正在积极进行该仪表的国产化开发研制工作。

       检测仪表的准确度是由仪表的测量、信号变换、信号处理、显示、传送等各组成部分所决定的。磁致伸缩液位传感器是利用磁致伸缩技术 ,把对液位的测量转化为对时间量的检测 。因此 ,实现高分辨力时间量检测 ,是磁致伸缩传感器实现高准确度的关键之一。在国产化开发研究中预定的技术指标是整机测量误差为 ±1 mm ,时间量检测电路分配的误差要求小于 0. 2 mm。由于同时要求大量程、多参数 ,所以 ,磁致伸缩传感器在时间量检测方面有其特殊要求 ,单片机内部定时器/ 计数器和片外常用计数器芯片无法满足。

        可编程逻辑器件 (CPLD) 具有使用灵活、可靠性高、功能强大的优点 ,在电子产品设计中得到了广泛的应用。CPLD可实现在系统编程 ,能重复多次 ,而且还兼容 IEEE1149. 1 (J TA G) 标准的测试激励端和边界扫描能力 ,使用 CPLD 器件进行开发 ,不仅可以提高系统的集成化程度、可靠性和可扩充性 ,而且可以大大缩短产品的设计周期 。本文在简述磁致伸缩液位传感器工作原理的基础上 ,提出采用 CPLD 来实现高分辨力的时间量检测 ,从而实现高准确度液位测量。

1、磁致伸缩液位传感器的组成及工作原理

        磁致伸缩液位传感器基于磁致伸缩和逆磁致伸缩效应。磁致伸缩效应是指磁化使铁磁材料产生机械应变的效应。反过来 ,铁磁材料受到机械应力之后 ,其磁化状态也会发生改变 ,称之为逆磁致伸缩效应。

       磁致伸缩液位传感器结构主要由外管、波导管、磁性浮子和测量头组成。其中 ,测量头内装电子部件 ,波导管安装在不锈钢外管内 ,磁性浮子套在外管上 ,可随液位沿波导管移动。

       传感器工作时 ,测量头中的脉冲发射电路不断向波导管发射询问电流脉冲 ,该电流产生轴向磁场并沿波导管传播 ,与磁浮子形成的轴向磁场相交时矢量叠加 ,形成螺旋磁场。在该磁场作用下 ,波导管发生磁致伸缩效应而产生波导扭曲 ,该应变波以超声波速沿波导管向两端传播 ,当传回测量头一端时 ,基于逆磁致伸缩效应 ,通过回波接收线圈转换为电脉冲 。

       由于电流以光速传递 ,从发射端到磁浮子之间电流传递时间可忽略不计 ,因此 ,只要测出发射电脉冲与返回应变脉冲之间的时间间隔 ,即可得到浮子距检测零点的距离 h ,实现液位检测。这个过程是连续不断的 ,所以 ,每当磁浮子随液位移动时 ,新的液位就被检测出来 ,即h = TV ,H = L - TV ,

式中 　H 为液位 , m; L 为罐高 , m ; T 为时差 , s; V为应变波传播速度 , m/ s。

       测量头内含单片机控制系统 ,可以探测到同一询问脉冲所产生的连续返回脉冲 ,所以 ,可以在同一传感器上安装 2 个浮子 , 同时进行油位、水位的测量。若在波导管底部 (罐底) 也固定一个磁环 , 还可完成自校准功能 ,消除温度对波速 V 的影响[4 ] 。设超声波从油气界面、油水界面和罐底返回的时间分别为 T1 , T2 和 T3 ,则油位 : H1 = L (1 - T1/ T3) ;水位 : H2 = L (1 - T2/ T3)

2、磁致伸缩液位传感器时间量检测方法

2. 1 时间量检测电路的功能要求分析

       从以上分析可知 , 传感器是通过测量脉冲发射和回波接收之间的时间间隔来确定液位的 ,所以 ,时间量的检测是实现传感器高准确度测量的关键所在。时间量的检测方法有多种 ,采用脉冲计数法可获得较高准确度。在发射脉冲电流的同时触发计数器开始对计数源脉冲计数 ,产生的回波脉冲经整形放大后对计数器复位 ,使其停止计数 ,则计数器的计数值 N 正比于时间间隔 T 。时间分辨力为 　Δ T = T/ N = 1/ f ,所对应的当量距离为　ΔH = VΔT = V/ f ,式中f 为记数脉冲源频率 , Hz。

       从式可以看出 :时间量检测的分辨力取决于计数器输入脉冲源频率 f , 以常用几种规范频率的时钟晶振作为计数脉冲源 , V 为 3 000 m/ s , 由式可求出所对应的时间量分辨力及当量距离 。由数据可见 ,计数源脉冲频率 f 越高 ,时间量检测的分辨力越高 ,所对应的当量距离 ,即带来的液位测量误差越小。

传感器的量程 R 越大 , 对应最大时间量也越大 ,所要求计数器的位数 C 与量程 R 、计数源频率 f及应变波传播速度 V 的关系应满足2 c/ f > R/ V .V 按 3 000 m/ s 计算 ,计数脉冲源频率 f 采用30 MHz ,则不同量程 R 所要求计数器的位数 C 不同。

       考虑到理论与实际实现中器件带来的误差 ,对于大量程 (20 m) 的磁致伸缩液位传感器 ,将时间量检测电路给液位测量带来的误差ΔH 限定在 0. 1 mm ,那么 ,计数源频率要在 30 MHz以上 ,采用的计数器位数至少要 18 位。而要实现磁致伸缩传感器的多参数 (同时测量油位、水位) 及自校准 ,时间量检测电路中需具备 3 个 18 位的计数器 ,从而满足对相继的 3 个时间量进行检测。

2. 2 采用 CPLD 实现时间量检测方法

       单片机内部定时器/ 计数器无论从位数还是从个数上都不能满足要求 ,采用 74L S393 计数器或8253 可编程计数器 ,所用器件都较多 ,占空间大。CPLD 器件具有使用灵活、可靠性高、功能强大的优点 ,可实现在系统编程 , 时间量检测电路所需要的 3 个 18 位的计数器可在其内部由编程来实现。

本方案选用型号为 EPM7064SLC44 - 5 的CPLD 器件 ,在 MAX + PLUS Ⅱ软件环境下 ,采取图形输入和 AHDL 文本输入相结合的方法进行设计 ,开发出形式简单的时间量检测电路 ,具一个起始端口 START ,停止计数端口 STOP ,清零端 CL R 和时钟端 CL K ,数据选择端口 A ,B ,C ,D ,以及数据输出端 A{7. . 0} 。

        在 CPLD 内部主要开发出 3 个具有锁存功能的18 位计数器单元、译码电路、计数器启闭闸门。 3 个 18 位计数器分别用于油位、水位和校正磁环所对应的时间量的计数 ; 译码电路在单片机的控制下通过 A ,B ,C ,D 端口选择对计数器的数据进行读入 ,使每个计数器的数据分低 8 位、中 8 位、高2 位依次被计算机读入。单片机输出询问脉冲的同时 ,通过 P1 口使 START 端口出现高电平 ,通过记数起闭门使 3 个计数器开始计数 ; 返回脉冲使STOP 端口依次出现 3 个由低到高的跳变 ,分别使 3个计数器依次停止计数 ,并触发单片机中断 ,通过单片机换算得到对应的油位、水位等信号输出。

3 个记数器模块实现的 18 位计数功能是由 AHDL硬件描述语言进行描述的 ,采用的是文本输入方式 ,然后 ,将这个 AHDL 设计文件创建成 MAX + PLUSⅡ软件系统默认的符号(. sym) ,加入图形设计文件(. gdf)中。 

3、实验结果

       磁致伸缩液位传感器中时间量检测部分给液位测量带来的误差 ,取决于记数脉冲源的频率 f 。本方案调试采用 51 单片机系统与时间量检 测 电 路 连 接 , 选 用 30 MHz 的 石 英 晶 体GBS308C 作记数脉冲源 ,选用固定时间间隔的电平变化来模拟液位测量信号。按量程为 20 m、应变波传播速度 V 为 3 000 m/ s ,则检测最大时间量为 6. 67 ms ,在此范围内均匀取几点进行实验。因该电路是对30 MHz的脉冲源记数 ,应记数 30 000 个/ ms ,每位数对应的当量液位值为 0. 1 mm 。根据实际记数与理论值比较可得所对应的测量误差。

       该时间量检测电路给液位测量带来的最大误差为 0. 2 mm。磁致伸缩液位传感器的准确度是由传感器各组成部分所决定 ,但是 ,高分辨力时间量检测、自校准以及温度补偿部分是实现该传感器高准确度测量的关键。在开发研制中应尽可能减小传感器各组成部分产生的误差 ,才能保证传感器的高准确度。

4、结束语

        磁致伸缩液位传感器是能同时测量液位和界面 ,准确度高。本文提出的采用 CPLD 进行时间量测量的设计方案 ,满足大量程、多参数磁致伸缩液位传感器的时间量检测高分辨力和高可靠性的要求。该方案简化了整个电路的设计 ,提高了系统的抗干扰能力 ,可供业内国产化开发研制的技术人员参考。





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