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CPLD在磁致伸縮液位傳感器中的應用

文章出處:網(wǎng)責任編輯:作者:人氣:-發(fā)表時(shí)間:2013-12-04 09:09:00【

 

磁致伸縮技術(shù)應用于長(cháng)度計量,已有幾十年的歷史,在液位檢測方面則是近十年開(kāi)始的。磁致伸縮位移傳感器具有可靠性高、精度高、可以同時(shí)測量產(chǎn)品的液位、界面(雙浮子)、不用定期標定和維修、安全性好、安裝容易等優(yōu)點(diǎn),因此在國外已廣泛應用于石油、化工、紡織、輕工、電力、醫藥、食品、國防等部門(mén),特別已被廣泛用于易燃、易爆、易揮發(fā)、有腐蝕的物料液面測量。然而磁致伸縮液位傳感器進(jìn)入我國較晚,目前我國處于引進(jìn)國外產(chǎn)品進(jìn)行使用、研究及國產(chǎn)化開(kāi)發(fā)階段。
隨著(zhù)大規模集成電路和單片機的迅速發(fā)展,儀器儀表的更新?lián)Q代速度日益加快。復雜可編程邏輯器件(CPLD)具有使用靈活、可靠性高、功能強大的優(yōu)點(diǎn),在電子產(chǎn)品設計中得到了廣泛的應用。CPLD可實(shí)現在系統編程,而且能重復多次,而且還兼容IEEE1149.1(JTAG)標準的測試激勵端和邊界掃描能力,使用CPLD器件進(jìn)行開(kāi)發(fā),不僅可以提高系統的集成化程度、可靠性和可擴充性,而且還可大大縮短產(chǎn)品的設計周期。單片機、CPLD的應用,使磁致伸縮液位傳感器朝著(zhù)高精度、高可靠性、小型化、智能化和網(wǎng)絡(luò )化的方向發(fā)展。
本文在簡(jiǎn)述磁致伸縮液位傳感器工作原理的基礎上,分析討論了磁致伸縮液位傳感器實(shí)現高精度的關(guān)鍵技術(shù)——高分辨力的時(shí)間量檢測電路的設計方法,介紹采用可編程邏輯器件CPLD進(jìn)行時(shí)間量檢測的設計方案,該方案大大簡(jiǎn)化了整個(gè)電路的設計,提高了系統的抗干擾能力。

1.磁致伸縮液位傳感器的組成及工作原理
磁致伸縮液位傳感器基于磁致伸縮和逆磁致伸縮效應。磁致伸縮效應是指磁化使鐵磁材料產(chǎn)生機械應變的效應。反過(guò)來(lái),鐵磁材料受到機械應力之后,其磁化狀態(tài)也會(huì )發(fā)生改變,稱(chēng)之為逆磁致伸縮效應。
磁致伸縮液位傳感器結構如圖1所示,主要由外管、波導管、磁性浮子和測量頭組成。
其中測量頭內裝電子部件,波導管安裝在不銹鋼外管內,磁性浮子套在外管上可隨液位沿波導管滑動(dòng)。



儀表工作時(shí),測量頭中的脈沖發(fā)射電路不斷向波導管發(fā)射詢(xún)問(wèn)電流脈沖,該電流產(chǎn)生周向磁場(chǎng)并沿波導管傳播,與磁浮子形成的軸向磁場(chǎng)相交時(shí)矢量疊加,形成螺旋磁場(chǎng)。在該磁場(chǎng)作用下,波導管發(fā)生磁致伸縮效應而產(chǎn)生波導扭曲,該應變波以超聲波速沿波導管向兩端傳播,當傳回測量頭一端時(shí),基于逆磁致伸縮效應,通過(guò)回波接收線(xiàn)圈轉換為電脈沖[2]。
由于電流以光速傳遞,從發(fā)射端到磁浮子之間電流傳遞時(shí)間可忽略不計,因此只要測出發(fā)射電脈沖與返回應變脈沖之間的時(shí)間間隔,即可得到浮子距檢測零點(diǎn)的距離h,實(shí)現液位檢測。這個(gè)過(guò)程是連續不斷的,所以,每當磁浮子隨液位移動(dòng)時(shí),新的液位就被檢測出來(lái),如下式:
h = TV   ?。?)
H = L – TV (2)
式中H為液位;L為罐高;T為時(shí)差;V為應變波傳播速度。
測量頭內含單片機控制系統,可以探測到同一詢(xún)問(wèn)脈沖所產(chǎn)生的連續返回脈沖,所以可以在同一傳感器上安裝兩個(gè)浮子,同時(shí)進(jìn)行液位、界面的測量。若在波導管底部(罐底)也固定一個(gè)磁環(huán),還可完成自校準功能,消除溫度對波速V的影響。[4] 如圖2所示。



圖2中T1、T2和T3 分別代表扭轉彈性波從液位磁浮子、界面磁浮子和校準磁環(huán)返回的時(shí)間,則H1= L(1-T1/ T3),H2= L(1-T2/ T3)式中H1表示液位,H2表示界面高度,通過(guò)T1/ T3和T2/ T3項,可消除溫度對彈性波傳播速度的影響。[2]

2.磁致伸縮液位傳感器時(shí)間量檢測電路設計
2.1提高時(shí)間量檢測電路分辨率的意義與方法
由磁致伸縮傳感器工作原理可知,傳感器是通過(guò)測量應變脈沖傳播時(shí)間來(lái)確定液位的,從式h = T V 可知,液位測量誤差Δh = TΔV + VΔT 其中應變波速V = ,式中G、ρ分別為波導管材料的彈性模量和密度。對于具體的波導管來(lái)說(shuō),在一定的溫度范圍之內,G和ρ都是恒定的,因此V可以認為是恒定的,那么液位測量誤差主要由時(shí)間量檢測的誤差所決定,Δh = V ΔT,時(shí)間分辨力越高,液位測量誤差越小。所以高分辨力的時(shí)間量檢測是傳感器實(shí)現高精度測量的關(guān)鍵。
要提高時(shí)間分辨力,提高計數器脈沖源的頻率是有效的方法。如圖3所示,在發(fā)射脈沖電流的同時(shí),觸發(fā)計數器開(kāi)始對計數器脈沖源計數,產(chǎn)生的回波脈沖經(jīng)整形放大后對計數器復位,使其停止計數,則時(shí)間間隔T為計數器的計數值N與計數脈沖源的頻率F倒數的乘積。
時(shí)間分辨力ΔT =T / N =1/ F(3)
所對應的當量距離為
ΔH = V ΔT = V / F (4)
從(3)、(4)式可以看出,時(shí)間量檢測的分辨力取決于計數器輸入脈沖源頻率F,計數器脈沖源的頻率越高,單位計數脈沖所對應的當量距離越小,時(shí)間分辨力越高。
以常用幾種規范頻率的時(shí)鐘晶振作為計數脈沖源,所對應的時(shí)間量分辨力及當量距離列出見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),要使時(shí)間量檢測電路給液位測量帶來(lái)的誤差ΔH限定在0.1mm,那么計數源頻率要在30MHz以上。

2.2時(shí)間量檢測的特點(diǎn)及要求
磁致伸縮液位傳感器的量程越大,則應變波在波導管中的傳播時(shí)間越長(cháng)。以20m量程為例,V按3000m/s 計算,應變波長(cháng)的傳播時(shí)間可達6.67ms。對該時(shí)間量進(jìn)行檢測,所要求計數器的位數C與量程R、計數源頻率F及應變波傳播速度V的關(guān)系應滿(mǎn)足:
(2 c / F) > ( R / V) (5)
如計數脈沖源頻率F采用30MHz,則不同量程R所要求計數器的位數C不同,如表2所示。
從表2中可以看出,對于大量程(20m)的磁致伸縮液位傳感器,采用的計數器位數至少要18位。而要實(shí)現磁致伸縮傳感器的多參數(同時(shí)測量液位、界面)及自校準,時(shí)間量檢測電路中需具備3個(gè)18位的計數器,從而滿(mǎn)足對相繼的3個(gè)時(shí)間量進(jìn)行檢測。




3.時(shí)間量檢測電路邏輯功能的CPLD實(shí)現
對時(shí)間量檢測電路進(jìn)行設計,不僅要考慮其功能要求,還要考慮電路的小型化和可靠性。
設計初期曾嘗試采用單片機內部計數器和74LS393計數器或8253可編程計數器配合的方法,結果都不近人意。一是這兩種方案所用器件都較多,占空間大。二是穩定性差,單片8253不能滿(mǎn)足所要求的計數器位數,需將8253級連或在8253 前面另外擴展一片74LS393才行,實(shí)驗時(shí)常常出現計數誤差。
CPLD器件具有使用靈活、可靠性高、功能強大的優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現在系統編程, 時(shí)間量檢測電路所需要的三個(gè)18位的計數器可在其內部由編程來(lái)實(shí)現。
本電路選用了Altera公司生產(chǎn)的型號為EPM7064SLC44-5的CPLD器件,在MAX+PLUSⅡ軟件環(huán)境下,采取圖形輸入和AHDL文本輸入相結合的方法進(jìn)行設計,設計輸入完成后,進(jìn)行整體的編譯和邏輯仿真,然后進(jìn)行轉換、布局、布線(xiàn),完成了時(shí)間量測量的功能。[3]由MAX+PLUSⅡ開(kāi)發(fā)出來(lái)的時(shí)間量檢測單元形式簡(jiǎn)單,具有一個(gè)起始端口START,停止計數端口STOP,清零端CLR和時(shí)鐘端CLK,數據選擇端口A(yíng)、B、C,以及數據輸出端A{7..0}。
在CPLD內部主要開(kāi)發(fā)出3個(gè)計數器單元、譯碼電路、計數器啟閉閘門(mén),見(jiàn)圖4。



圖4中3個(gè)計數器分別用于液位、界面和校正磁環(huán)所對應的時(shí)間量的計數。譯碼電路在單片機的控制下通過(guò)A、B、C、D端口選擇對計數器的數據進(jìn)行讀入,使每個(gè)計數器的數據分低8位、中8位、高2位依次被單片機讀入。單片機發(fā)射詢(xún)問(wèn)脈沖的同時(shí)通過(guò)P1口使START端口出現高電平,打開(kāi)計數啟閉閘門(mén),使三個(gè)計數器都開(kāi)始計數;返回脈沖使STOP端口依次出現三個(gè)由低到高的跳變,通過(guò)計數啟閉閘門(mén),分別使三個(gè)計數器依次停止計數,并觸發(fā)單片機中斷,通過(guò)單片機換算得到對應的油位、水位等信號輸出。3個(gè)計數器都可實(shí)現18位計數功能,其功能是由AHDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行描述的,采用的是文本輸入方式,然后將這個(gè)AHDL設計文件創(chuàng )建成MAX+PLUSⅡ軟件系統默認的符號(.sym),加入圖形設計文件(.gdf)中。具體的AHDL設計文件如下所示:


4.結束語(yǔ)
磁致伸縮液位傳感器是能同時(shí)測量液位和界面、精度高、無(wú)須定期校驗的儀表,本文提出的采用 CPLD進(jìn)行時(shí)間量測量的設計方案,滿(mǎn)足大量程、多參數磁致伸縮液位傳感器的時(shí)間量檢測高精度和高可靠性的要求。該方案簡(jiǎn)化了整個(gè)電路的設計,提高了系統的抗干擾能力,可供業(yè)內國產(chǎn)化開(kāi)發(fā)研制的技術(shù)人員參考。
作者簡(jiǎn)介:
  齊榮 (1966~ ) 女,講師,現在北京理工大學(xué)就讀碩士研究生,研究方向:檢測與自動(dòng)化裝置。
姜波 (1953~ ) 女,副教授,研究方向:檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置。
陳祥光 (1953~ ) 男,教授,博士生導師,研究方向:傳感與智能檢測技術(shù)。

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