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      CPLD在磁致伸縮液位傳感器中的應用

      文章出處:網責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2013-12-04 09:09:00【

       

      磁致伸縮技術應用于長度計量,已有幾十年的歷史,在液位檢測方面則是近十年開始的。磁致伸縮位移傳感器具有可靠性高、精度高、可以同時測量產品的液位、界面(雙浮子)、不用定期標定和維修、安全性好、安裝容易等優點,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,特別已被廣泛用于易燃、易爆、易揮發、有腐蝕的物料液面測量。然而磁致伸縮液位傳感器進入我國較晚,目前我國處于引進國外產品進行使用、研究及國產化開發階段。
      隨著大規模集成電路和單片機的迅速發展,儀器儀表的更新換代速度日益加快。復雜可編程邏輯器件(CPLD)具有使用靈活、可靠性高、功能強大的優點,在電子產品設計中得到了廣泛的應用。CPLD可實現在系統編程,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器件進行開發,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高精度、高可靠性、小型化、智能化和網絡化的方向發展。
      本文在簡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現高精度的關鍵技術——高分辨力的時間量檢測電路的設計方法,介紹采用可編程邏輯器件CPLD進行時間量檢測的設計方案,該方案大大簡化了整個電路的設計,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生機械應變的效應。反過來,鐵磁材料受到機械應力之后,其磁化狀態也會發生改變,稱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。



      儀表工作時,測量頭中的脈沖發射電路不斷向波導管發射詢問電流脈沖,該電流產生周向磁場并沿波導管傳播,與磁浮子形成的軸向磁場相交時矢量疊加,形成螺旋磁場。在該磁場作用下,波導管發生磁致伸縮效應而產生波導扭曲,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,基于逆磁致伸縮效應,通過回波接收線圈轉換為電脈沖[2]。
      由于電流以光速傳遞,從發射端到磁浮子之間電流傳遞時間可忽略不計,因此只要測出發射電脈沖與返回應變脈沖之間的時間間隔,即可得到浮子距檢測零點的距離h,實現液位檢測。這個過程是連續不斷的,所以,每當磁浮子隨液位移動時,新的液位就被檢測出來,如下式:
      h = TV   ?。?)
      H = L – TV (2)
      式中H為液位;L為罐高;T為時差;V為應變波傳播速度。
      測量頭內含單片機控制系統,可以探測到同一詢問脈沖所產生的連續返回脈沖,所以可以在同一傳感器上安裝兩個浮子,同時進行液位、界面的測量。若在波導管底部(罐底)也固定一個磁環,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返回的時間,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間量檢測電路設計
      2.1提高時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,傳感器是通過測量應變脈沖傳播時間來確定液位的,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說,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間量檢測的誤差所決定,Δh = V ΔT,時間分辨力越高,液位測量誤差越小。所以高分辨力的時間量檢測是傳感器實現高精度測量的關鍵。
      要提高時間分辨力,提高計數器脈沖源的頻率是有效的方法。如圖3所示,在發射脈沖電流的同時,觸發計數器開始對計數器脈沖源計數,產生的回波脈沖經整形放大后對計數器復位,使其停止計數,則時間間隔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。
      時間分辨力&Delta;T =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,時間分辨力越高。
      以常用幾種規范頻率的時鐘晶振作為計數脈沖源,所對應的時間量分辨力及當量距離列出見表1。由表1可見,要使時間量檢測電路給液位測量帶來的誤差ΔH限定在0.1mm,那么計數源頻率要在30MHz以上。

      2.2時間量檢測的特點及要求
      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間越長。以20m量程為例,V按3000m/s 計算,應變波長的傳播時間可達6.67ms。對該時間量進行檢測,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的關系應滿足:
      (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。而要實現磁致伸縮傳感器的多參數(同時測量液位、界面)及自校準,時間量檢測電路中需具備3個18位的計數器,從而滿足對相繼的3個時間量進行檢測。




      3.時間量檢測電路邏輯功能的CPLD實現
      對時間量檢測電路進行設計,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,實驗時常常出現計數誤差。
      CPLD器件具有使用靈活、可靠性高、功能強大的優點,可實現在系統編程, 時間量檢測電路所需要的三個18位的計數器可在其內部由編程來實現。
      本電路選用了Altera公司生產的型號為EPM7064SLC44-5的CPLD器件,在MAX+PLUSⅡ軟件環境下,采取圖形輸入和AHDL文本輸入相結合的方法進行設計,設計輸入完成后,進行整體的編譯和邏輯仿真,然后進行轉換、布局、布線,完成了時間量測量的功能。[3]由MAX+PLUSⅡ開發出來的時間量檢測單元形式簡單,具有一個起始端口START,停止計數端口STOP,清零端CLR和時鐘端CLK,數據選擇端口A、B、C,以及數據輸出端A{7..0}。
      在CPLD內部主要開發出3個計數器單元、譯碼電路、計數器啟閉閘門,見圖4。



      圖4中3個計數器分別用于液位、界面和校正磁環所對應的時間量的計數。譯碼電路在單片機的控制下通過A、B、C、D端口選擇對計數器的數據進行讀入,使每個計數器的數據分低8位、中8位、高2位依次被單片機讀入。單片機發射詢問脈沖的同時通過P1口使START端口出現高電平,打開計數啟閉閘門,使三個計數器都開始計數;返回脈沖使STOP端口依次出現三個由低到高的跳變,通過計數啟閉閘門,分別使三個計數器依次停止計數,并觸發單片機中斷,通過單片機換算得到對應的油位、水位等信號輸出。3個計數器都可實現18位計數功能,其功能是由AHDL硬件描述語言進行描述的,采用的是文本輸入方式,然后將這個AHDL設計文件創建成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
      磁致伸縮液位傳感器是能同時測量液位和界面、精度高、無須定期校驗的儀表,本文提出的采用 CPLD進行時間量測量的設計方案,滿足大量程、多參數磁致伸縮液位傳感器的時間量檢測高精度和高可靠性的要求。該方案簡化了整個電路的設計,提高了系統的抗干擾能力,可供業內國產化開發研制的技術人員參考。
      作者簡介:
        齊榮 (1966~ ) 女,講師,現在北京理工大學就讀碩士研究生,研究方向:檢測與自動化裝置。
      姜波 (1953~ ) 女,副教授,研究方向:檢測技術與自動化裝置。
      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。

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