新型伺服式液位计的研制

1 引言 　　传统的伺服式液位计由于安装简单、使用方便、可靠性高等优点已经在各种储罐的计量被广泛采用，对储罐的安全生产起到很大的作用。传统的伺服式液位计可以测量液位和油水分界面两种参数，并且测量精度很高，因此在使用上优于其他种类的液位计。但传统的伺服式液位计在测量油水界面参数时也存在一定的问题，由于测量水位的原理与测量液位使用同样的测量浮力变化方式，当油水分界面有一定厚度的蠕化层时，测量水位误差很大。 　　为了解决这个问题，我们研制出新型的多参数伺服式液位计，该液位计可以测量液位、水位、平均温度、单点温度、平均密度、分层密度等储罐综合参数，替代手工计量管理，减轻计量人员的劳动强度。该液位计根据伺服式原理测量液位，依靠浮子内的水位测量模块测量水位，该模块以测量液体电导的方式直接测量水位，蠕化层部分的电导可以被精确测量，进而根据设定好的临界值找到油水分界点，解决了由于存在蠕化层造成油水界面测量不准问题，同时在浮子内安装有高精度压力传感器，高精度温度传感器，进行温度与压力的测量，从而得到液体的单点温度、平均温度、分层密度、平均密度等参数。液位计可以通过数字通讯将液体内10个不同高度处的温度、压力传递到计算机，通过该手段也可以对储罐内的液体的物理特性进行更进一步的分析。 2 伺服式液位计的主要有以下几部分组成： 　　防爆壳体，机械传动部件，距离采集部件，高精度测量尺，多功能浮子，步进电机，力传感器，控制电路部分等组成。 如下图所示： 3 伺服式液位计的原理为： 　　浮子与高精度测量尺连接，高精度测量尺的另一端缠绕在轮毂槽内。轮毂在防爆壳体内可以自由转动，轮毂通过磁铁与防爆壳体另一端腔体内的磁离合器进行耦合。磁离合器通过轴与步进电机支撑连接，通过齿轮传动，电机带动磁离合器转动，磁离合器通过磁耦合，带动轮毂转动，轮毂带动浮子上下运动。 　　电机支撑“U”型支架，通过如图的两面的轴承连接在轴上。由于电机及电机支撑的重心偏离轴心的垂直线，因此电机及电机支撑给整个转动系带来一个顺时针力矩F1，浮子的重量以及高精度测量尺的重量会对转动系带来一个顺时针力矩F2，由拉力杆，拉力丝连接到力传感器，通过力传感器给转动系提供一个逆时针力矩F，由力矩平衡原理可以得到F=F1-F2。由于F1是定值， F的大小仅决定与F2的大小。而浮子在空气中以及液体内受的浮力不相同，因此产生的F2的大小不同，通过测量F大小，可以计算出F2的大小，从而判断浮子是在空气中、液体内或浮在液体表面上。 　　与浮子相连接的高精度测量尺带有规则的孔，通过光电组件采集孔的编码，可以计算浮子的高度，从而得到浮子从液位计的标定点到液体表面的空高H空，液位计的标定点到罐底的高度可以通过实际测量得到，理论上讲是一个固定值H标，因此液体的高度可以通过如下公式计算：H=H标-H空。 　　根据需要在浮子内装入压力传感器、温度传感器、水位检测器、超大规模集成电路、电容元件等，可以测量液体的多点温度、平均温度、多点密度、平均密度、以及高精度的油水分界面。测量结束后低功耗电子线路进入休眠模式，节约电能。本浮子采用电容充电方式为检测电路提供能量，每次通讯时由液位计对电容进行充电，充电一次可以根据使用情况工作1-3天，浮子的充电寿命周期大于40万次。 4 伺服式液位计的电子线路原理 4.1主要框图： 4.2电路部分工作原理主要介绍： 　　电路部分主要包括CPU核心电路、实时时钟电路、外围电路、显示电路、光电采集电路、通讯电路、电源及保护电路、步进电机控制电路、力传感器调理电路等部分组成。 　　电源及保护电路为整个电路板提供各种电源，同时设计有防静电防雷击的电路，为整个电路部分提供保护措施。 　　步进电机控制电路主要控制步进电机运动，步进电机采用两相四线制，步进电机每走一步为1.8°,步进电机采用专用步进电机控制集成电路，此电路可以控制两相四线制实现整步运动或每一整步实现256细分，具有正转和反转控制功能，对步进电机具有过热或短路保护功能。步进电机控制电路通过SPI与CPU核心电路进行通讯，接受CPU核心电路的指令，进行相应的操作。 　　力传感器调理电路主要将传感器测量信号放大，滤波，通过A/D转换成CPU核心电路能够接受的数字信号。 　　通讯电路主要为液位计与外设交换信息的接口，此通讯采用RS485标准。 　　实时时钟电路为系统提供时间基准，并同步其他设备，或达到一个长时间定时目的。 　　光电采集电路将红外接受管的信号进行滤波，放大整形，产生标准数字波形，通过中断方式传输到CPU核心电路。 　　显示电路主要显示所测量的中间值以及最终值，同时显示在运行过程中出现的各种错误信息，方便故障查找和检修。 　　外围电路主要包括存储器，环境温度传感器等，环境温度传感器主要实现对高度，力传感器的温度补偿。 　　CPU核心电路为液位计的核心控制单元，负责液位计所有功能的实现，包括计算、显示、通讯、错误检查等 5 关键部分的具体实现： 多参数伺服式液位计的设计需要解决如下几部分的问题： 1． 距离测量问题 2． 高精度力的测量问题 3． 多功能浮子的设计 为了解决这3方面的难题，我们经过论证，最后每个方面提出独特的解决方案，获得3项国家使用新型专利. 　　5.1 关于距离测量问题，传统的伺服式液位计的距离测量采用编码器或统计步进电机步数的方法解决浮子位移问题，要求轮毂上的钢丝必须保证在每一编码或步进电机的单步内所走的距离完全一致，否则将产生累积误差，因此对轮毂的加工，步进电机传动部分的加工或编码器的选择，都提出了要求非常严格，因此加工成本很高。我们采用带有规则的孔细小钢带，规则孔具有长度信息，通过测量规则孔的变化，得到浮子位移；只要钢带打孔时保证精度，便可以解决距离测量精度问题，而对步进电机及传动部分的要求很低，因此在测量距离上，通过该原理保证了测量精度。为了解决钢带打孔精度，我们通过开钢带冲孔模具，模具达到精度要求范围，一次冲压一米，累积误差通过测量得到，将累计误差存在液位计的参数区内，在测量液位时进行距离补偿。由于钢带孔本身的分辨率为1mm,依赖步进电机的步距细分，液位测量分辨率可以达到0.2mm，基于这种方式在传统的伺服式液位计上应用，我们获得国家的实用新型专利。 　　5.2如何解决力矩测量问题也是设计伺服式液位计的关键环节。 　　有厂家采用磁力耦合传感器，通过力矩改变磁通的方式进行测量力矩，也有厂家采用其他的方式测量力矩，我们采用我公司的专利技术的高精度力传感器，该力传感器测量精度高，灵敏度高，受环境温度影响小，同时结构简单，使用寿命长等特点，应用在该仪器上已经表现出了优异的性能 　　5.3多功能浮子，传统的伺服式液位计的浮子内没有任何元件，浮子的作用仅限于感知浮力。而新型伺服式液位计赋予浮子更多的作用。随着大规模 　　集成电路的发展，已经解决了数据采集元件的低能耗问题，从而使在浮子内放置传感器和数据采集电路成为可能。采用在浮子内放置传感器和数据采集电路的方案已经被中国专利局认可并授予实用新型专利。 6 伺服式液位计的工作过程： 6.1 测量液位过程： 　　在液位计上电后，液位计提升浮子复位点进行复位，复位点在液位上面的空气中，复位结束后浮子下降，当浮子下降到液位内时，给力传感器一个很大的浮力变化信号。控制CPU接收到该信号后接着让浮子下降一直到浮子完全进入液体。记录此时的浮子力矩F油，然后上提浮子致完全在空气中，记录浮子在空气中的力矩F空，然后下降液位到力矩为（F空-F油）/2处，此时钢带的长度代表液位的高度。从上面的过程可以看出，浮子的体积变化，黏附物的增加造成的重量变化，以及传感器的漂移对液位的测量结果没有任何的影响，所以在液位计的长期运行中不需要对其进行标定调整，精度的调整液位计由液位计每次测量时自动完成。 6.2 液位计伺服过程 　　当测到液位后，液位计进入伺服过程，有液位变化时，力的平衡将被打破，液位计根据浮力的变化决定浮子的上升和下降，达到（F空-F油）/2处，为找到变动的液位点。液位的变化同样由钢带的变化长度得到。 6.3 液位计测量多参数过程： 　　液位计将浮子从液位提到复位点，通过触点与浮子连接，液位计判断浮子内的电容是否需要充电，不需要充电时直接发命令给浮子，需要充电时，充电完毕后再发命令给浮子，浮子接收到读综合参数的命令后向液位计发送校验正确命令，同时进行对时，液位计根据预先约定在确定的时间内浮子下降到固定高度，当约定的时间到后，浮子内CPU读取一次压力和温度的数据并保存在内存中，当一次定时结束后浮子继续下降到另一个位置，浮子内CPU在预定的时间读取第二个位置处的压力和温度数据，依次类推直到10个数据采集完毕。当压力和温度的10个位置采集完毕后，液位计进入读水位的操作，工作过程同读温度和压力一致。读完200个水位点的值后，浮子进入高度休眠此时功耗<1uA,因此浮子内的数据可以保存很长的时间。当液位计到达测量完毕的时间后，提升浮子到复位点，开始读取浮子内的数据，根据预存在液位计内的10个点的位置以及从浮子读出的对应位置的温度和压力可以计算出平均温度和平均密度，同时相应的10组数据可以发送给计算机，由计算机进行更细致的数据分析。根据200组浮子位置对应的电导值，液位计分析出界面所在的位置。也可以通过计算机对水位的蠕化层厚度进行更详细的分析。当液位计与浮子数据交换<