一種新型的油庫(kù)液位測(cè)量系統(tǒng)
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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(kāi)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(mén)，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(kāi)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。考慮到毛刺多出現(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