专利名称：磁致伸缩液位仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种利用磁致伸缩效应原理设 计的应用于接触式液位测量的磁致伸缩液位仪。
背景技术：
国内油品储运系统中的液位检测目前大部分还靠人工检尺、记录，现场显示也多用磁翻板或平衡指示装置，其指示精度和可靠性均差，无输出信号。以前应用较广的钢带液位计技术已经落后，检测精度、可靠性、功能等方面均不能完全满足目前对液位检测和罐区自动化管理需求，而且其安装维护技术复杂。近年来出现的磁致伸缩液位仪是高技术的液位检测替代升级产品，已引起了广泛关注。它基于磁致伸缩效应的最新原理，并利用微电子和通讯技术，做到了高精度、多参数、高可靠性和低成本、安装维护简单方便，是目前公认的精度最高、稳定性最好的接触式液位测量技术和应用面最宽的产品。美国MTS和V-R公司的同类产品近几年已开始进入中国市场，但因没有本地化，存在价格昂贵，供货周期长，服务和零部件支持跟不上等问题。国内有几家单位也正在试制，但目前还没有达到对应水平的成熟产品，其应用很少。
实用新型内容本实用新型的目的是应用磁致伸缩效应原理设计出一种用于接触式液位测量的磁致伸缩液位仪，以解决同类仪表在应用中遇到的以下问题1)、现场没有显示，不方便巡检记录、监控和操作；2)、机械结构一体化，不便于安装和维护；3)、仪表电路不符合安全防爆规范；4)、液位检测精度差等，代替人工检尺，利用二次表和上位监控系统，可进行罐区液位的集中监控管理。
本实用新型的设计方案是由表头计算显示单元、液位检测传感和信号放大单元、双层套管测量杆部件、移动安装接头组件、浮球组件几部分组成。
表头计算显示单元是位于仪器的最上头，表壳为防爆壳，前面板为玻璃盖，后为端子盖，两侧有电缆线接口，表头内设置有CPU主控电路板、显示电路板和电源/输出板，分别完成计算、存储、数据显示、信号输出、电源变换等功能；液位检测传感和信号放大单元是在表头计算显示单元下面，套管内安装有液位检测放大电路板，其上装有检测线圈、镍片和波导丝紧固件，连接测量内管中的波导丝，包含了液位/温度信号检测、脉冲收发、波导丝回路、小信号比较放大单元电路；双层套管测量杆是在内管顶部装有液位信号检测电路板，底部装有温度检测板，内管中穿有波导丝，外管套在内管外面，其上安装移动接头组件和浮球组件；移动安装接头组件通过螺纹连接现场法兰，可在测量杆外管上任意位置抱紧测量杆，调节液位仪安装高度；浮球组件是由不锈钢浮球外壳和壳内的永久磁环套在测量杆上，可随夜面上下浮动。
其感应电路是由CPU主控电路板触发的“询问”脉冲产生的受激扭转声波，向上传至检测板上的横穿在线圈(JSR、JSL)中的镍片上，扭转声波压缩和拉伸镍片内晶格，产生磁致伸缩的逆效应，伸缩导致磁场变化，产生感应电压。
放大比较电路是将感应电路产生毫伏级感应电压信号，由高速低功耗视频运放U1、U2、U3(LM6365)组成的差动高通放大电路进行放大。
比较电路是将放大电路放大的信号通过U4(LM311)高速电压比较器与参考偏置电位值进行比较运算，幅度高于参考偏置电位时，高速比较器U4产生停计时窄脉冲PSI信号。
温度测量电路的介质温度测量是将测温电阻PT1000安装在测量管内通过导线引至检测电路中，环境温度测量则直接将测温电阻PT1000安装在检测电路板上，测温铂电阻RT0和RT1由LM317稳压器IR1和IR2与R7和R8提供2.4mA的恒流激励，铂电阻上的电压信号经RC滤波保护后由AT0和AT1进入PIC873的2、3端，按4V1基准电压进行A/D转换测温。
CPU主控电路板完成检测信号的发送、放大，返回脉冲信号的计时，各种按键设置的运算处理，温度信号的转换等功能。
UM1为Microchip公司生产的PIC16F873产品，是一种片内带4KB Flash存储器，有24个可独立编程的双向I/0接口，脉冲信号的产生与接受、对接受到的信号进行处理、与温度传感器进行接口、各种按键的控制、通过通讯接口与上位机通讯。
激励电路是将单片机PIC-23端定时发出的激励脉冲控制信号FKP经UM2C、UM2D、UM2B与非门，经过三极管T1驱动放大，通过高速三极管T2给电容C13、C14和C12、C18瞬时泄放电流，使波导丝测量回路产生大电流激励脉冲信号，该脉冲信号由PUL、PUH端途经检测电路板传至波导丝测量回路。
计数电路的触发电路由U5(74HC74)双D触发器及外围电路组成，TFK(PIC-23)的脉冲控制信号分两路，一路至激励电路，另一路经C15延时后，与U5触发器SD、CD端连接，TFK＝0，使得U5A-4(SD)产生置位，此时U5A-5为上升沿计时开始，当激励脉冲经磁致伸缩丝返回至检测电路放大比较电路，放大比较电路输出PSI脉冲信号，PSI脉冲作为D触发器U5A和U5B的时钟信号端(CLK)，将D＝0的值送至Q和Q反端，使激励信号TFK置位，D触发器输出端Q和Q均发生反转，即U5-5(Q)为下降沿，计时停止，当TN5(UM4D-13)与触发电路的UM5A-5端相连，TN6为单/双浮子端子，TN6＝SFL(与U5A-6连接时)，为单浮子测量，当CFW＝1，TN6＝SFL时，TN6无效，TN6＝DFL(与U5A-9连接时)，为双浮子测量，CFW为单/双浮子测量界面控制信号，当CFW＝1，TN6＝DFL时，仪表为测量液面状态，当CFW＝0，TN6＝DFL时，仪表为测量界面状态，INT为计时控制信号，INT＝1，开始计时，INT＝0，停止计时，当单片机发出的激励脉冲信号FKP使触发电路TN5、计时开始信号INT翻转，计时开始，通过计数器UM3A将计数脉冲由FD0、FD1、FD2、FD3传送至单片机，当检测线圈检测到返回信号后，产生PSI脉冲，使TN5产生翻转，同时停止计时，液位的空高与返回时间S成正比例关系，单片机通过对计数器信号进行运算可得知液位高度，测量界面时，TN5不直接控制计数，TN6控制计数，当第一个浮子的液面测量完成时，PSI使TN5变成0，此时DFL＝TN6＝1时，开始计时，第二个浮子的界面产生PSI信号，PSI＝0时，使触发电路U5B-9(TN6＝DFL＝0)0，停止计时，即而测得两个浮子的间距，经运算处理得出界面。
输出电路设计成RS485通讯接口、4-20mA输出、PWM脉冲宽度输出三种方式，PIC单片机RS485输出采用串行异步通讯方式，将采集到的有效液位信号和温度信号通过PIC-17、18、26端，与U1(MAX485)的TXD、RXD、SCN端相连接，经CMA、CMB端将信号传送给上位机，在波特率为9600时，传送距离可达1200m，PWM脉冲宽度输出由PIC-13经高速驱动三极管T1将信号传送，4-20mA输出是将PWM输出信号经C14上积分，由LM358的U2A缓冲，R4和R13分压1/2后，U2B与R9、R10、R11、R12共4个高度匹配1M电阻和R14补偿电阻差分放大，由R8的低温漂电阻转为4-20mA输出。
本磁致伸缩液位测量仪设计合理，机械结构简单，成本低，利用磁致伸缩传感原理和单片机结合设计，使测量精度达±1mm，可完全代替人工检尺，采集介质温度、环境温度等参数，电路按照安全防爆规范设计，适用于加油站等爆炸危险区域，LCD显示表头现场显示液位、温度、界面等测量数据，并利用14段条柱趋势显示输出4-20mA信号——即液面与量程(或罐高)的百分比，通过表头操作，可设置仪表工作状态和参数，液位仪可方便的从现场安装套管中抽出，而不需要拆卸套管及浮球等部件，便于安装和维护，可与显示仪表或计算机组成液位安全监测系统，利用管理软件，实现液位、界面和温度的检测、密度修正、上下限报警、容积计算、图形显示、统计报表打印等功能。
图1磁致伸缩液位仪整机结构示意图1.表头计算显示单元2.检测、传感、信号放大单元3.测量杆部件4.移动接头部件5.浮球组件图2表头计算显示单元结构示意图6、面板盖 7、电源板 8、端子盖 9、036型壳体 10、CPU主控板 11、显示板图3测量杆内保护管结构示意图12、液位测量板 13、安装螺钉 14、内管接头 15、内管 16、温度测量板图4测量杆外保护管结构示意图17、外管接头 18、外管 19、堵头图5移动安装接头组件结构示意图20、锁紧螺母 21、弹性环 22、涨紧环 23、法兰接头图6浮球组件结构示意图24、波导丝 25、不锈钢浮球外壳 26、永久磁环图7激励电路单元线路图图8计数电路单元线路图图9放大比较电路单元线路图图10温度测量电路单元线路图图11输出电路单元线路图具体实施方式
下面根据附图1表示的磁致伸缩液位仪整机结构中各部分组成与装配关系，对本实用新型所述的磁致伸缩液位仪的结构进行简要说明表头计算显示单元(1)见附图2所示，表头外壳(9)选用036型铸铝防爆表壳，前后分别为玻璃盖面板(6)和端子盖(8)，两侧有电缆出线接口。表头内集成了PIC单片机系统，装有包括CPU主控电路板(10)、显示电路板和电源/输出板(11)，分别完成计算、存储、数据显示、信号输出、电源变换等功能。
检测、传感、信号放大单元(2)表头下面的检测器套管内安装有液位检测放大电路板，其上装有检测线圈(JSR、JSL)、镍片、波导丝紧固件，连接测量内管中的波导丝，这部分包含了脉冲收发、波导丝回路、感应信号检出、小信号比较放大等单元电路。
测量杆部件(3)由不锈钢内、外套管(见附图3、4所示)组成。内管(15)顶部装有液位信号检测电路板(12)，底部装有温度检测板(16)，内管中穿有波导丝(24)。外管(18)套在内管外面，其上安装移动接头(17)和浮球组件(5)。
移动接头部件(4)见附图5所示，它由锁紧螺母(20)、弹性环(21)、涨紧环(22)、法兰接头(23)构成，移动接头部件在现场连接安装法兰，可在测量杆外管上任意位置抱紧测量杆，从而可调节液位仪安装高度。
浮球组件(5)见附图6所示，他的不锈钢浮球外壳(25)和永久磁环(26)套在测量杆上，随液位上下浮动，在测量杆底部装有防脱堵头(19)。
磁致伸缩液位仪的电路部分主要为控制电路、检测电路、输出电路几部分组。
控制电路由单片机、激励源电路、计数电路组成；激励电路是由PIC-23端信号FKP一路经电容C10后连接TFK输出端，一路经电容C15后连接到与非门UM2C的9端，再经电阻R11连到VCC。与非门UM2D的11端与UM2C的10端相接，UM2D的12、13端连到一起后，一路经电阻R13接地，一路经电容C17接到UM2C的8端和UM2B的4、5端。UM2B与非门的6端经电阻R10接到三极管T1的基极，T1的发射极经二极管D1后接到VCC，T1集电极经并联的电阻R5和电容C7后连到三极管T2的基极，T2的发射极一路经并联的电容C12、C18后接地，一路经电阻R14、R9反馈接回T2基极，电阻R14、R9的中间点一路由电容C11接地，一路经电阻R12接到N10端，脉冲信号PUL一路与T2集电极连接，脉冲信号PUH经R6与T2集电极连接，另一路经R2与10V电源连接，通过电容C13、C14接地。(见附图7所示)计数电路是由触发电路、计数器电路组成，触发电路中双D触发器U5A的5端经电容C8与U5B的10端接到一起，并经电阻R23接到VCC。触发器U5A的1、14端接到VCC，U5A的2端与U5B的12端连到一起后接地，并经电容C7接到VCC。U5A的3端与触发器U5B的11端连到一起后经电阻R21接地。触发器U5A的7端直接接地，4端接入TFK端信号，6端输出SFL信号，5端接TN5输出端。触发器U5B的13端接入TFK端信号，并经电阻R22接到VCC，其8端不用，9端接DFL输出端；计数器电路中与非门UM4D的13端接入TN5端信号，其12端与与非门UM2A的1、2端连到一起，其11端接到与非门UM4C的9端。与非门UM4A的1端接入TN6端信号，其2端接到与非门UM2A的3端，其3端接到与非门UM4C的10端。与非门UM4C的8端接到与非门UM4B的4端。与非门UM4B的5端经XTR晶振后接到地，其6端接到计数器UM3A的1端。计数器UM3A的2端接入FCR信号，其3/4/5/6端分别接到FD0/1/2/3输出端。(见附图8所示)检测电路——由感应线圈、放大比较电路、温度电路等组成。
放大比较电路感应线圈JSR并联上电阻R1后，一端接入高速运算放大器U1的输入端3，另一端接地。感应线圈JSL并联上电阻R2后，一端接入高速运算放大器U2的输入端3，另一端接地。运放U1、U2的输入端2经电阻R5、电容C1后接到一起，并分别经电阻R3、R4、接到2V5基准电源。运放U1的输入端2经电阻R6接到输出端6，输出端6再经电阻R9和并联的电阻R11、C3连到运放U3的输入端3。运放U2的输入端2经电阻R7接到输出端6，输出端6再经电阻R10和并联的电阻R12、C4连到运放U3的输入端2。
二级运放U3的输入端3经电阻R14接数字地VSS，输入端2经电阻R13接到2V5基准电源，输入端2经反馈电阻R15接到输出端6，输出端6经电阻R18接到比较器U4的输入端3。运放U1、U2、U3的7端均接到电源8V2，4端均接到负电源N5V。
比较器U4的输入端2经电阻R17接到2V5基准电源，经并联的电阻R16、电容C6接到N2V基准负电源，其输出端1接到PSI信号端，其5、6、7、8端连到一起后接VCC，并经电容C5后接地，其4端经电容C2后接地。(见附图9所示)温度测量电路的恒流器件IR1、IR2的3端均接到8V电源端，IR1的1、2端接调整电阻R7，IR2的1、2端接调整电阻R8。IR1的1端接到温度电阻Pt1000的高端RH0，IR2的1端接到温度电阻Pt1000的高端RH1，端子AT0一路经电阻R4接到温度电阻Pt1000的高端RH0，一路经电容C8接地，Pt1000的低端RL0接地。端子AT1一路经电阻R3接到温度电阻Pt1000的高端RH1，一路经电容C9接地。Pt1000的低端RL1接地。(见附图10所示)输出电路由RS485通讯接口、4-20mA输出、PWM脉冲输出电路三部分，RS485通讯接口器件U1的1、4端分别与通讯控制信号端RXD、TXD相连，2、3端接到一起后与通讯控制信号端SCN相连，其输出端6经电阻R3接到CMA端子，其输出端7经电阻R2接到CMB端子，其5端接地，其8端接VCC，来自单片机PIC-13端的PWI信号经电阻R5接到三极管T1的基极，T1的集电极接到脉冲宽度输出端PWM，并经电阻R6接到VCC，TI的发射极接地。同时PWI信号接到运放U2A的输入端3，并经电容C14后接地。运放U2A的输入端2接到其输出端1后，再经串连的电阻R4、R9接到运放U2B的输入端5。并联的电阻R13、C9一端接地，另一端接到电阻R4、R9之间。运放U2B的输入端6一路经串连的电阻R12、R14后接地，另一路经电阻R10接到其输出端7。运放U2B的输出端7经电阻R8后一路输出到IOU端子，一路经反馈电阻R11接到其输入端5。(见附图11所示)
权利要求1.一种磁致伸缩液位仪，由表头计算显示单元、液位检测传感和信号放大单元、双层套管测量杆部件、移动安装接头组件、浮球组件几部分组成，其特征在于表头计算显示单元是位于仪器的最上头，表壳为防爆，前面板为玻璃盖，后为端子盖，两侧有电缆线接口，表头内设置有CPU主控电路板、显示电路板和电源/输出板；液位检测传感和信号放大单元是在表头计算显示单元下面，套管内安装有液位检测放大电路板，其上装有检测线圈、镍片和波导丝紧固件，连接测量内管中的波导丝，包含了液位/温度信号检测、脉冲收发、波导丝回路、小信号比较放大单元电路；双层套管测量杆是在内管顶部装有液位信号检测电路板，底部装有温度检测板，内管中穿有波导丝，外管套在内管外面，其上安装移动接头和浮球组件；移动安装接头通过螺纹连接现场法兰，可在测量杆外管上任意位置抱紧测量杆，调节液位仪安装高度；浮球组件是由不锈钢浮球外壳和壳内的永久磁环套在测量杆上。
2.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位仪，其特征在于控制电路的激励电路是由单片机PIC的23端定时发出激励脉冲控制信号FKP，一路经电容C10后连接触发器U5B的输出端TFK，一路经电容C15后连接到与非门UM2C的9端，再经电阻R11，与非门UM2D的11端和与非门UM2C的10端相接，与非门UM2D的12、13端连到一起后，一路经电阻R13接地，一路经电容C17接到与非门UM2C的8端和与非门UM2B的4、5端，与非门UM2B的6端经电阻R10接到三极管T1的基极，T1的发射极经二极管D1后连到电源VCC端，集电极T1经并联的电阻R5和电容C7后连到三极管T2的基极，T2的发射极一路经并联的电容C12、C18后接地，一路经电阻R14、R9反馈接回T2基极，电阻R14、R9的中间点一路由电容C11接地，一路经电阻R12接到负电源N10端，脉冲信号PUL一端与T2集电极连接，脉冲信号PUH一路经R6与T2集电极连接，另一路经R2与10V电源连接，通过电容C13、C14接地。
3.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位仪，其特征在于控制电路的计数电路是由触发电路、计数器电路组成，触发电路中双D触发器U5A的5端经电容C8与触发器U5B的10端接到一起，并经电阻R23连到电源VCC端，触发器U5A的1、14端连到电源VCC端，触发器U5A的2端与触发器U5B的12端连到一起后接地，并经电容C7连到电源VCC端，触发器U5A的3端与触发器U5B的11端连到一起后经电阻R21接地，触发器U5A的7端直接接地，4端接入触发器U5B的输出端TFK，6端输出与单浮子控制信号SFL连接，5端与触发器控制端TN5连接，触发器U5B的13端接入触发器U5B的输出端TFK，并经电阻R22连到电源VCC端，其8端不用，9端接双浮子控制信号DFL输出端，计数器电路中与非门UM4D的13端接入触发器控制端TN5，其12端与与非门UM2A的1、2端连到一起，其11端接到与非门UM4C的9端，与非门UM4A的1端接入单/双浮子控制端TN6，其2端接到与非门UM2A的3端，其3端接到与非门UM4C的10端，与非门UM4C的8端接到与非门UM4B的4端，与非门UM4B的5端经晶振XTR后接到地，其6端接到计数器UM3A的1端，计数器UM3A的2端接入单片机PIC的信号FCR输入端，其3/4/5/6端分别接到单片机PIC的输出端FD0/1/2/3。
4.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位仪，其特征在于液位检测放大电路的感应线圈JSR并联上电阻R1后，一端接入高速运算放大器U1的输入端3，另一端接地，感应线圈JSL并联上电阻R2后，一端接入高速运算放大器U2的输入端3，另一端接地，运算放大器U1、U2的输入端2经电阻R5、电容C1后接到一起，并分别经电阻R3、R4、与基准电源2V5连接，运算放大器U1的输入端2经电阻R6接到输出端6，输出端6再经电阻R9和并联的电阻R11、C3连到运算放大器U3的输入端3，运算放大器U2的输入端2经电阻R7接到输出端6，输出端6再经电阻R10和并联的电阻R12、C4连到运算放大器U3的输入端2，二级运算放大器U3的输入端3经电阻R14接地，输入端2经电阻R13与基准电源2V5连接，输入端2经反馈电阻R15接到输出端6，输出端6经电阻R18接到比较器U4的输入端3，运算放大器U1、U2、U3的7端均与电源8V2连接，4端均接到负电源N5V，比较器U4的输入端2经电阻R17与基准电源2V5连接，经并联的电阻R16、电容C6与基准负电源N2V连接，其输出端1接到计时控制信号PSI端，其5、6、7、8端连到一起后接电源VCC端，并经电容C5后接地，其4端经电容C2后接地。
5.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位仪，其特征在于温度测量电路的恒流器件IR1、IR2的3端均接到8V电源端，恒流器件IR1的1、2端接调整电阻R7；IR2的1、2端接调整电阻R8；恒流器件IR1的1端接到温度电阻Pt1000的高端RH0，恒流器件IR2的1端接到温度电阻Pt1000的高端RH1，单片机PIC端子AT0一路经电阻R4接到温度电阻Pt1000的高端RH0，一路经电容C8接地，Pt1000的低端RL0接地；单片机PIC端子AT1一路经电阻R3接到温度电阻Pt1000的高端RH1，一路经电容C9接地，Pt1000的低端RL1接地。
6.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位仪，其特征在于输出电路由RS485通讯接口、4-20mA输出、脉冲宽度输出电路PWM三部分组成，RS485通讯接口器件U1的1、4端分别与通讯控制信号RXD、TXD相连，2、3端接到一起后与通讯控制信号SCN相连，其输出端6经电阻R3与端子插件CMA连接，其输出端7经电阻R2与端子插件CMB连接，其5端接地，其8端与电源连接，来自单片机PIC的13端的输出信号经电阻R5接到三极管T1的基极，T1的集电极接到脉冲宽度输出电路PWM输出端，经电阻R6接电源VCC端，T1的发射极接地，同时单片机PIC的13端的输出信号PWI接到运算放大器U2A的输入端3，并经电容C14后接地，运算放大器U2A的输入端2接到其输出端1后，再经串连的电阻R4、R9接到运算放大器U2B的输入端5，并联的电阻R13、C9一端接地，另一端接到电阻R4、R9之间，运算放大器U2B的输入端6一路经串连的电阻R12、R14后接地，另一路经电阻R10接到其输出端7，运算放大器U2B的输出端7经电阻R8后一路输出到电流输出端10U，一路经反馈电阻R11接到其输入端5。
专利摘要本实用新型涉及一种利用磁致伸缩效应原理设计的应用于接触式液位测量的磁致伸缩液位仪，由表头计算显示单元、液位检测传感和信号放大单元、双层套管测量杆部件、移动安装接头组件、浮球组件几部分组成，电路部分主要为控制电路、检测电路、输出电路几部分组构成，设计合理，结构简单，测量精度达±1mm，安全防爆，现场显示液位、温度、界面等测量数据，液面与量程的百分比，可设置仪表工作状态和参数，方便在现场安装和维护，可与显示仪表或计算机组成液位安全监测系统，利用管理软件，实现液位、界面和温度的检测、密度修正、上下限报警、容积计算、图形显示、统计报表打印等功能。
文档编号G01D21/02GK2769861SQ20042009604
公开日2006年4月5日 申请日期2004年9月29日 优先权日2004年9月29日
发明者刘仁, 张国锋, 姜洁, 方岩, 王宏建, 许全科 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油兰州炼油化工总厂