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1、吹气式液位测量系统在浮船坞的应用广东造船2007年第4期(总第99期)吹气式液位测量系统在浮船坞的应用罗志伟莫里曹亚堂(中海工业有限公司菠萝庙船厂广州510730)摘要:本文对吹气式液位测量系统原理和在浮船坞中的应用进行全面的分析,并与其它方式的液位测量作对比分析.关键词:吹气液位测量单片机A/D转换ApplicationofBlowAirDepthMeasuringSysteminFloatingDockLIIOZhiweiM0LeiCaoYatang(BoluomiaoShipyardofCICGuangzhou510730)Abstract:Thispaperanalyzestheapp
2、licationforthefloatdockoftheblowairdepthmeasuringsystemandcomparesitwithotherdepthmeasuringsystems.Keywords:Blowair,Depthmeasuresystem,Onechipcomputer,A/Dconverter目前液位测量主要有液位信号器和连续液位测量两种.液位信号器是对几个固定位置的液位进行测量,用于液位的上,下限报警等.连续液位测量是对液位连续地进行测量,它广泛地应用于石油,化工,船舶等诸多领域,具有非常重要的意义.连续液位测量方法现有吹气法,压差法,浮子法,电阻法,电容法,
3、超声波法,微波法等1O多种,各种测量方法原理不同精度不同应用范围和产品价格均有很大的差异,本文将对吹气式液位测量展开详细论述.1系统结构液位测量系统主要包括数据采集单元(测量元件),数据处理单元,终端显示单元三部分组成.系统框图见图1.图1系统框图数据采集单元作为测量的源头,在系统中承担着重要的角色,测量元件的选择将对测量的数据精度产生影响,数据处理单元担负着对模拟量数据的转换和处理编码最后在终端显示单元中显示出来,终端显示单元的任务是把测量的数据直观地用数字展示出来.作者简介罗志伟(1955一),男,工程师.收稿日期200709062数据采集单元吹气式液位钡4量适用于测量腐蚀性强,有悬浊物的
4、液体,主要应用在测量精度要求不高的场合(O.5%左右),如船舶和浮船坞压载舱的液位报警系统.其原理如图2.清洗管图2原理图吹气式液位测量如上图2所示,0.50.8MPa的压缩空气经过滤器后到减压阀,经减压阀调整后空气压力为0.3MPa,节流器调节空气流量吹到插入液体中的测量管(船舶,浮坞一般选用紫铜管),当所吹人空气压力与测量管口处液体压力相等时,压缩空气便可吹出,此时压力传感器处的空气压力为测量管口处的压力P=PgH,43罗志伟莫里曹亚堂:吹气式液位测量系统在浮船坞的应用P为液体密度,H管口距水面的高度,压力传感器经处理后测得的高度HN管口距舱底的安装高度H1,即为要测量的液体总高度.压力传
5、感器选用国内外较为成熟的电容式压力变送器,它是一种新型的压力变送器,广泛应用于石油,化工,纺织,电力,食品,船舶等行业的过程检测控制系统.此传感器可以精确地测量流量,液位,低表压,真空和比重.采用完全密封的8室作为感测元件,从而消除了机械方式传递力时具有的冲击和振动问题,感测器壳体全焊接隔离机构消除了外应力和扭矩误差,同时减少了静压误差.电容式压力变送器的原理如图3.片图3电容式压力变送器的原理介质压力通过隔离膜片.灌充油传至8室中间的测量膜片,测量膜片是一种张紧的弹性元件,测量膜片的位移与差压成正比,最大位移0.1mm.测量膜片的位置由它两侧电容固定极板检测出来.测量膜片和两电容固定极板之间
6、的差动电容被换成二线制420mADc信号,再传输给数据处理单元处理,根据实际应用5万吨级浮船坞最大吃水在20ITI左右,由公式P=PgH可以算出20m深处的水压强200kpa,因此选择量程为0200kpa的压力传感器.3数据处理单元数据的处理方式多种多样,不同的芯片组成的系统造价差异较大.在众多的数据处理芯片中我采用51系列单片机,因为它开发简易,价格低,符合浮船坞的精度要求.3.1数据选择电路.在实际的现场测量中往往并非只测量一个舱室的液位值,而是多个舱室同时测量,为降低成44本和节省硬件资源,我们采用一个AT89s52单片机处理8路数据,用一个CD4051芯片作为通道选择,逐一对8路数据进
7、行处理.所以每八个测量点组成一个小系统,像船舶浮坞可连接上位机实现显示,打印,超限报警等控制.3.2数据的模数转换电路.因为液位传感器反馈回来的信号是420Ilia的模拟信号,我们首先应对它进行模数转换才能输入给AT89S52单片机进行处理.模数处理的芯片我们选用精度高,抗干扰性能好,价格低,双斜积分式4位半单片A/D转换器ICL7135.ICL7135的主要性能特点是:输入阻抗达109Q以上,对被测电路几乎没有影响;自动校零;有精确的差分输入电路;自动判别信号极性;有超,欠压输出信号;采用位扫描与BcD码输出.传感器输出信号为420mA电流信号,需要对其进行取样,取最大测量值时读人电压为2V
8、,则取样电阻为1o0Q,零位时输入电压为0.4V.如图4中画有两条线段AB和CD,线段AB任一点在横坐标上的值为从取样电阻上的读人电压值,简称为读人值;线段CD任一点在横坐标上的值为转换后的电压值,简称为转换值;现在的关键问题是如何找出转换值与读人值之间存在的关系.tgZ1:二:一一读入值一V4mA2=h转换值图4读入值与转换值将V4mA=0.2V2omA带人式中,再经变换,可以得到新的等式:广东造船2007年第4期(总第99期)转换值=0读入值麓0V20一.22020一.220为了证明上述关系的正确性,可举例进行证明.设定Vaomn=2.0V,则所选电阻为100,V4mA=0.4V.当电流为
9、中间值12mnfl,对应的读出值是12ma100=1.2V.根据上述公式可以得到转换值为:转换值:l1.2一:l420.4根据2v(20mnfl压降)表示200kpa的线性关系,1.2v(12mnfl压降)表示100kpa,与计算出的真实压力值相符.同样根据4mA产生的0.4V压降计算出的真实压力值为0pa.根据我们具体选定的200kpa压力传感器及取样电阻,V2omn=2V,经进一步简化该公式,可以得出:转换值=1读入值一0.5(公式1)在程序中,将读人值通过数据右移2次的方式进行运算,再进行1次加法和1次减法就可以将转换值计算出来,再通过与实际压力值线性关系的处理转换,将0200kpa的压
10、力值变换为吃水深在屏幕上显示出来.由此可见,通过软件程序进行计算也是比较简单的.3.3终端显示电路单元终端显示采用共5个带点共阴极LED发光二极光组成,利用动态扫描8路测量点轮流显示工作方式,每个测量点数据显示时间为333ms.用74LS138译码器作为数码管选择电路.ICL7135变换后的数据,单片机按上述公式l处理后,在第三位加上小数点显示位,显示的便是测量到的液位数值.3.4硬件总体电路输入信号的测量电压为0.42V,所以参考电压为1V,利用MC1403得到1V的稳定电压.7135的时钟信号频率选定为125kHz,此7135每秒转换数据3次,所以显示屏每路测量数据显示时间为约为300ms
11、.7135B1一B4输出一个BCD数字,用DlD5指示当前输出的数字是那一位(个/十/百/千/万).DlD5每2o0个CLK会轮流变化.每当一次转换完成,在一个数字输出后100个CLK,会给出一个STR负脉冲信号,此信号触发P3.2的外中断,程序转入中断处理程序,读取转换后的数据,储存并通过LED显示出来.3.5程序设计程序设计采用模块化结构,分为主程序,显示程序,A/D转换程序等模块组成.程序流程图如图5,图6.4结束语本文描述的是主要针对的浮船坞应用的一种液位测量数据采集处理系统,它具有可靠的稳定性,抗干扰能力强,分辨率高连接上位机后人机界面好,操作维护方便等特点.缺点是此系统要求一个稳定的气源系统,给测量管系供气,所以测量点数少的情况下造价相对较高.参考文献【1】余永权.FLASH单片机原理及应用【M】.北京:电子工业出版社,199722万福君,潘松峰.单片微机原理系统设计与应用【M】.合肥:中国科学技术大学出版社,2003【3】王幸之,钟爱琴,王雷,王闪.At89系列单片机原理与接口技术【M】.北京:北京航空航天大学出版社,20044余锡存,曹国华.单片机原理及接口技术【M】.西安电子科技出版社,200045
