一種新型的油庫(kù)液位測(cè)量系統(tǒng)
對(duì)油庫(kù)油量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄是油庫(kù)系統(tǒng)的一項(xiàng)經(jīng)常性的工作。出于安全性的考慮,油庫(kù)內(nèi)不允許使用電力設(shè)備,也嚴(yán)禁煙、火。傳統(tǒng)的油庫(kù)液位測(cè)量是靠人工操作,每個(gè)油罐內(nèi)、外都有尺碼標(biāo)記,需要測(cè)量油位時(shí)就派人爬到油罐頂端,打開頂蓋,用目測(cè)法確定油面所處的位置,記錄油量的變化。該法較麻煩,測(cè)量誤差也較大,但油罐上不允許用電,這給自動(dòng)化測(cè)量帶來(lái)很大困難。筆者曾配合某研究所研制了使用光電隔離系統(tǒng)來(lái)測(cè)量油庫(kù)液位的系統(tǒng),很好地解決了這個(gè)問(wèn)題:在油罐頂端使用平衡傳動(dòng)設(shè)備,用光源測(cè)量油位的變化,然后將這種隨油量而變化的光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)奖O(jiān)控中心,這樣,監(jiān)控中心就能對(duì)油庫(kù)油量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,既保證了油庫(kù)的安全,又達(dá)到了對(duì)油庫(kù)自動(dòng)化管理的目的,同時(shí)還大大提高了進(jìn)出油量的測(cè)量精度,可顯著提高油庫(kù)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。這種方法可以推廣到對(duì)油的密度和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),市場(chǎng)前景非常廣闊。圖1是該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖1中,浮標(biāo)和吊錐起平衡作用,當(dāng)油面靜止時(shí),吊錐維持不動(dòng),光源發(fā)出的光通過(guò)齒輪保持不變。當(dāng)油面上下浮動(dòng)時(shí),齒輪隨著轉(zhuǎn)動(dòng),這時(shí),通過(guò)齒輪孔的光線會(huì)按一定的速率變化,將這種變化的光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸?shù)胶罄m(xù)設(shè)備進(jìn)行處理。油面是上升還是下降,可以根據(jù)光線通過(guò)齒輪孔正反向?qū)实牟煌瑏?lái)確定。
為判斷油罐是進(jìn)油還是出油,需要產(chǎn)生兩路光信號(hào):基準(zhǔn)和比較信號(hào)。兩路光電轉(zhuǎn)換及放大電路完全一樣,但光信號(hào)的延時(shí)不一樣,光信號(hào)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器變?yōu)殡娦盘?hào),經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大與校準(zhǔn)變成TTL電平送到數(shù)據(jù)處理設(shè)備。圖3是進(jìn)出油時(shí)所觀察到的波形圖。隨著齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng),電路會(huì)輸出一連串脈沖信號(hào),齒輪轉(zhuǎn)得越快,脈沖頻率越高,油量變化就越快。也就是說(shuō),齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)一格,電路就會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào),即表示油庫(kù)油量上升或下降一格所代表的距離。下面要介紹的數(shù)據(jù)處理電路的作用主要是精 確統(tǒng)計(jì)放大電路輸出的脈沖個(gè)數(shù),然后通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換為油庫(kù)對(duì)應(yīng)的高度。
2 數(shù)據(jù)處理電路的硬件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)處理電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分,全部電路集成在一片可編程邏輯器件 EPLD內(nèi),器件使用Altera公司生產(chǎn)的EPM7000系列。該芯片主要特點(diǎn)是體積小,價(jià)格便宜,引腳選擇靈活,內(nèi)部包含3000個(gè)有效門,特別適合中小規(guī)模電路的設(shè)計(jì)。在具體設(shè)計(jì)過(guò)程中,用Altera公司的開發(fā)軟件MAX+PLUSII將待設(shè)計(jì)的電路用VHDL語(yǔ)言或電路圖方式進(jìn)行描述并輸入,由軟件自動(dòng)編譯、布局和布線,生成可編程POF文件和SNF仿真文件,待仿真結(jié)果正確以后就可以通過(guò)編程器將編程文件加載到EPLD內(nèi)。
本電路的主要功能為:估計(jì)輸入信號(hào)的時(shí)鐘頻率,選擇合適的時(shí)鐘分頻信號(hào),對(duì)兩路輸入信號(hào)進(jìn)行同步整形,消除邊緣效應(yīng)引起的毛刺,避免因毛刺而引起的對(duì)脈沖數(shù)統(tǒng)計(jì)的誤差。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行識(shí)別,根據(jù)比較信號(hào)對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)的延遲不同,判斷電路工作在1、2模式,還是1、3模式。如果工作在1、2模式,計(jì)數(shù)器正向計(jì)數(shù);如果工作在1、3模式,計(jì)數(shù)器反向計(jì)數(shù);如果輸入為一恒定電平,計(jì)數(shù)器處于保持狀態(tài)。最后,將計(jì)數(shù)器結(jié)果輸出到液晶顯示模塊或計(jì)算機(jī)中。圖4是數(shù)據(jù)處理框圖。
整形識(shí)別電路設(shè)計(jì)得好/壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)。在設(shè)計(jì)整形識(shí)別電路之前,我們對(duì)油庫(kù)工作情況進(jìn)行了分析。由于油罐體積一般比較大,所以進(jìn)油、出油的速度比較慢,我們?cè)?jīng)用水代替油做過(guò)模擬實(shí)驗(yàn),光信號(hào)變?yōu)槊}沖電信號(hào)的周期一般都在 500ms以上,在如此長(zhǎng)周期的信號(hào)中會(huì)伴隨著出現(xiàn)一些大毛刺,(實(shí)測(cè)最大的毛刺寬度為2ms),如果用此信號(hào)作為計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時(shí)鐘,會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)很大誤差??紤]到毛刺多出現(xiàn)在上升沿或下降沿階段,可以選擇用500μs時(shí)鐘對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行鎖存,這樣,一可起同步作用,二可以消除一些小的毛刺,剩下的毛刺就是大于500μs的毛刺,然后用此信號(hào)作為161計(jì)數(shù)器的清零信號(hào),用500μs時(shí)鐘作為161計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘,按圖5所連即可消除前沿和后沿2ms的干擾脈沖。將整形后的兩路信號(hào)送到識(shí)別電
路產(chǎn)生正反向控制信號(hào),其中,基準(zhǔn)信號(hào)送到正反向計(jì)數(shù)器電路作為計(jì)數(shù)脈沖。識(shí)別電路是根據(jù)基準(zhǔn)信號(hào)和比較信號(hào)上升沿的不同來(lái)判別的,進(jìn)油時(shí),基準(zhǔn)信號(hào)和比較信號(hào)上升沿近似對(duì)齊,出油時(shí),基準(zhǔn)信號(hào)和比較信號(hào)上升沿相差半個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍,通過(guò)比較正電平內(nèi)計(jì)數(shù)脈沖個(gè)數(shù)來(lái)確定進(jìn)出油,具體電路實(shí)現(xiàn)如圖5所示。
3 結(jié)束語(yǔ)
實(shí)踐證明,本系統(tǒng)較好地解決了油庫(kù)油量的測(cè)量問(wèn)題,模擬實(shí)驗(yàn)效果良好,測(cè)量誤差控制在2個(gè)脈沖信號(hào)內(nèi),能準(zhǔn)確及時(shí)地反映油量的變化,又易于與微機(jī)組成可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),為油庫(kù)管理系統(tǒng)自動(dòng)化提供了有益的嘗試。
參考文獻(xiàn)
1 劉寶琴,張芳蘭,田立生.Altera可編程邏輯器件的應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,1995
評(píng)論