智能型大量程磁致伸缩液位仪的设计与实现

智能型大量程磁致伸缩液位仪的设计与实现

作者：邓君姜云贺

 

 

 

 

1引言

       在成品油储罐油品测量中，磁致伸缩液位仪由于其精度高、可实现液界位测量和温度测量，测量传感部件可靠，测量时不受环境因素影响，因此在国际上被广泛应用于测量精度要求高的液位控制系统。特别是用于贸易结算的经营活动中，均采用此项技术。

       目前，国内成品油库大部分都采用国外产品。国内产品量程和可靠性方面都与国外产品有很大差距。通过本项目的研发，能够改变大量程磁致伸缩测量仪表被国外产品垄断的市场格局，为国内仪表高端化奠定基础。实施开发大量程磁致伸缩液位测量仪表，主要是为解决储油罐的油品液位、界位、温度等多参数的测量与监控，是油库系统安全监控的重要环节。

       目前公司磁致伸缩液位仪产品已有12m以下量程的产品技术，并配有相应的工艺装备、检测手段。在中石油、中石化等行业中已有大量应用。

2磁致伸缩液位仪工作原理

       磁致伸缩液位仪是利用韦德曼效应，通过现代先进的电子技术手段，精密的计测发射脉冲和回波脉冲间的时间值，达到精确测量液体液位的目的。磁致伸缩液位传感器的结构部分由不锈钢管(测杆)、磁致伸缩线(波导丝)、可移动浮子(内有永久磁铁)等部分组成。

       传感器工作时，传感器的电路部分将在波导丝上激励出脉冲电流，该电流沿波导丝传播时会在波导丝的周围产生脉冲电流磁场。在传感器测杆外配有一浮子，浮子沿测杆随液位的变化而上下移动。在浮子内部有一组永久磁环，当脉冲电流磁场与浮子产生的磁环磁场相遇时，浮子周围的磁场发生改变从而使得由磁致伸缩材料做成的波导丝在浮子所在的位置产生一个扭转波脉冲，这个脉冲以固定的速度沿波导丝传回并由检出机构检出。通过测量发射脉冲电流与扭转波的时间差可以精确地确定浮子所在的位置，即液面的位置。如果测杆上有界位浮子，同样的技术手段，可以测量界位浮子所在的位置，即界位的位置。在测杆内嵌入温度传感器，可以实时测量罐内温度值。现场安装结构示意图及测量工作原理，如图1、2所示。

3国内外研究开发现状和发展趋势

       在工业过程控制中的参数测量领域，多年来一直由国际大型仪表企业主导，在液位和位移测量领域也是如此。美国K-TEK公司、MTS公司、 AMETEK公司、VEEDER-ROOT公司等都是在早期进入中国市场的国外知名企业。特别是MTs公司以技术优势占据了30％以上国内成品油库的液位测量市场，特别在12m以上的油罐测量中更是独占鳌头；

      VEEDER-ROOT公司早期则是在加油站的油品测量中显现独有的技术优势，主要应用是在2～3m的成品油的计量测量。而美国I；0-TEK，公司和AMETE KJ公司在石油化工领域的过程测量中应用较多，主要以2m左右的测量范围，占据了30％的市场份额。其产品在技术性能上和稳定性方面处于领先地位，在产品的价格方面均居高位。

       国内生产企业在90年代初开始应用磁致伸缩产品，早期由广东康宇公司引进美国生产线，主要生产位移测量产品；后有青岛澳科、河北仪通鑫磊，北京航天鑫测，北京航天时空等企业陆续投入产品研发。

      由于磁致伸缩可多参数测量，在成品油测量领域具有其他液位测量仪表所不具有的技术优势，不受环境因素影响。雷达、超声波等非接触测量仪表，虽有测量简便、不接触介质等特点，但受环境影响较大，且测量精度、测量参数、介质特性都会影响到液位测量。因此，国家大型成品油贮罐都以磁致伸缩液位仪为主要测量仪表，实现液位、界位、温度的一体化测量。

4智能型大量程磁致伸缩液位仪关键技术实现

       由主控芯片控制驱动电路对波导丝定时发出激励信号。在大量程测量时，波导丝自身阻抗及波导丝与外壁接触产生的摩擦阻尼都造成了电流激励能量的损失，严重影响了回波信号的质量，甚至无法检测到回波信号，所以在激励端需要提高激励电压，本项目通过自制脉冲升压变压器实现40V激励脉冲，极大地提高了信号质量。同时，通过调节电容充放电电路中的电阻或者电容，可以调节激励信号脉宽，从而可以进一步调节回波信号的质量。由捡拾线圈将捡拾到得微弱电压信号通过运算放大器进行放大处理，然后进行适当的硬件滤波，去除工频干扰，噪声干扰等，使回波信号达到有效测量范围内，通过A／D转换器，将模拟回波信号转换成主控芯片可测量的数字信号，从而实现起始波与回波之间的时间测量，进而计算得出液位信号。通过RS485信号输出电路可以实现标准的Modbus协议输出，同时通过人机界面的显示屏可以实时显示液位高度、界位高度、介质温度(或环境温度)及通过按键可以实现现场液位的标定功能。

4．1硬件电路设计

4．1．1电源设计

(1)工作电源设计

        该仪表采用24VDC供电，符合工业现场仪表供电要求。通过金升阳降压集成芯片实现5VDc电源输出，然后通过线性降压集成芯片实现3．3V的稳定直流电压输出，供MCu及外围控制电路、信号处理电路、温度传感器使用。

(2)激励脉冲源设计

       24VDC电源还需要通过三级稳压二极管产生13V直流电压，用于匹配脉冲升压变压器产生40V左右的高压激励脉冲源。

4．1．2脉冲变压器设计

       目前公司所使用的磁致伸缩液位仪激励源最高为24V，通过实验测试，大量程磁致伸缩液位计激励发射源电压需要进一步提高，至少需要达到36V激励源，才能接收到信噪比较好的回波。从而实现液位及界位信号的正常输出。

为了提高激励源，解决措施主要有两种方法：

(1) 使用脉冲变压器，使电压源升压；

(2) 使用专用升压集成芯片，提高激励电压源。

       通过两种方案的仿真及实际验证对比，脉冲变压器设计更易实现，且外围器件较少。所以，在本项目大量程磁致伸缩液位仪中，采用了该方案。该方案的具体实施方法。

4．1．3回波信号的处理电路

       模拟信号的处理属于该项目的关键技术。在现有技术方案中，对于具有机械波检测的传感器及变送器仪表而言，往往换能器输出的电信号极微弱，同时夹杂各种噪声，单纯对信号进行放大，势必引起噪声的同样放大，从而无法捡拾出有效信号。通过仿真及实际的电路测试，设计了一种较好的信号处理方案，完成了信号的放大，滤波、整形等功能。该电路能够极大程度地放大有效信号，并抑制噪声信号，同时对信号的输入及输出提供保护设计，在一定程度上提高了整体电路设计的稳定性。最终输出信噪比足够好的起始波信号及回波信号，用于计算浮子距头部电子仓的时间，间接计算出液位值、界位值等信号。

4．1．4温度采集模块设计

       大量程磁致伸缩液位仪温度采集电路设计选用美国Dallas公司生产的Dsl8820集成温度芯片，该芯片封装小，能够简单的封装到液位仪的测杆中。DSl8820的优点如下：独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3．0～5．5V，无需备用电源；测量温度范围为一55℃～+125℃，一10℃～+85℃，范围内精度为±0．5℃。

4．1．5通信模块设计

       RS一485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。

       Rs一485一般采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。Rs一485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS一485可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。

       具有Rs485信号输出的大量程磁致伸缩液位仪符合GB／T 19582—2008《基于Modbus协议的工业自动化网络规范》，并通过机械工业仪器仪表综合技术经济研究所测量控制设备及系统实验室的测试，取得测试报告。电路设计方案如图11所示。

4．2印刷电路板(PCB)设计

       首先考虑PcB尺寸大小。整个电路按照功能模块进行分割，分为：接线电路板、电源板、主板、信号处理板。

(1)接线电路板主要实现外部电源接线及通信接线，同时在该电路板上增加防浪涌器件，用于保护仪表内部电路的安全性；

(2)电源板主要实现24VDC到其他直流电压的转换及高电压脉冲源的实现；

(3)主板为整个电路系统的控制中心，主要完成的功能包括：控制激励信号的发射、信号的采集、液界位值的计算、温度的采集、液晶显示屏的控制、通信的控制等功能；

(4)信号处理板主要完成微弱机械振动波的拾取、放大、滤波、整形的功能。

       该电路系统布板充分利用模块化进行电路板的制板。解决了模块的快速可更换，模块的工业适用性问题，容易生产和装配。

对电路布局采用了以下几点方法：

(1)首先是保证布线的布通率，把有连线关系的器件尽量放置在一起；

(2) 数字器件和模拟器件分开，尽量远离开来；

(3) 去藕电容尽量靠近元器件的电源端；

(4) 放置器件时考虑到以后的焊接问题，不能太密集，也不能太稀疏；太密集不易焊接，太稀疏会造成空间的浪费。

4．3智能型功能的实现

       本项目中大量程磁致伸缩液位仪除了实现基本的液位、界位及温度的检测功能，在智能化方面也做了很大的提升，主要体现在以下几个方面：

(1)现场测量数据的实时显示，如：液界位值、温度值、仪表ID号等；

(2)现场数据标定功能，如：标定实际测量值，修改ID号等；

(3)故障智能诊断功能，该功能是体现智能化的关键技术，也是花费时间较长的一部分，大量程磁致伸缩液位仪可以诊断的问题包括：

1)液位计失联(通信超时或者通信中断)；

2)液位计数据不稳定(有数据跳变现象)；

3)液位数据错误(超出实际测量范围)；

4)温度数据错误(超出实际测量范围)；

5)温度传感器失效(无法采集到正确的液位值)：

6)浮子失效(浮子掉落或者浮子内置磁钢失效)。

       故障代码在液晶显示屏上显示，同时在通信正常的条件下，将故障代码上传，以帮助用户及时处理问题。

       完成智能化功能是在硬件的基础上，通过嵌入式软件实现。该项目中主控芯片使用的是TI公司的MsP430F449型16位微控制器。系统软件开发所使用的平台为IAR开发环境。系统包括主程序与中断处理程序。主程序首先对cPu的内部寄存器进行初始化，同时对定时器进行相应的配置，CPU配置完毕即可进入主循环。主循环以精度补偿算法为主，采用分段补偿算法，克服由于波导丝的不均匀性引起的精度误差。所有的计数、控制信号输出、通信等操作均放在中断服务子程序中进行。对于数字输出的液位仪表，在进行程序设计时，采用模块化设讹主要包括：主功能程序，人机交互程序，数据采集、滤波程序，数字通信程序等。

5实验结果

       大量程磁致伸缩液位仪的关键技术在于微小机械振动波转换为电信号的处理方法，有效提取关键电信号，同时最大程度的抑制噪声信号，才能保证磁致伸缩液位仪的稳定运行。经实际测量，通过提高激励电压脉冲，在捡拾线圈处经过初级信号放大电路可得到200InV左右的回波信号，且信噪比较高，这对于后期模拟电路处理提供了较好的信号基础，利用次级信号放大电路可得到如图15所示的回波信号。通过整形电路可以得到浮子对应单脉冲信号的回波，实现高精度的液界位测量。

6结论

       通过大量程磁致伸缩液位仪项目的研发，研制完成了10台测量范围为20m的大量程磁致伸缩液位仪。经北京市计量检测科学研究院检测，测量精度达到±1mm，并取得了该产品的cMc制造计量器具许可证。在测杆上挂两个浮子，通过信号处理及软件算法处理，可以实现液位、界位的测量及信号输出。通过在测杆内嵌入多点温度传感器，实现了5点温度测量，精度为±0．5℃。该仪表采用Rs485通信，实现了标准的ModBus协议输出，可以直接挂接到符合该协议的系统中运行。

 

 

 

 

 

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