CN103776522B - 一种矩形软质储液包装的储液质量测量装置及计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种矩形软质储液包装的储液质量测量装置及计算方法，包括压力传感器和接收处理压力传感器信号的单片机，所述压力传感器有多个且按阵列方式间隔排列，所述单片机接收各压力传感器的信号后经过计算将储液质量通过显示屏输出。本发明能够在户外快速准确的测量矩形软质储液包装中的储液质量，通过阵列排列的压力传感器可以实时反映被测软质储液包装与地面接触的面积及压力变化情况，从而通过单片机对发生数值变化的各压力传感器值进行计算，然后实时获取待测软质储液包装内的液体质量，整个测量过程速度快且不需要人工介入。采用本发明的计算方法能够精确获取待测矩形软质储液包装内的储液质量。

Description

一种矩形软质储液包装的储液质量测量装置及计算方法

技术领域

本发明涉及移动测量领域，具体涉及一种能够随时测量盛装液体的软质储液包装中储液质量的测量装置。

背景技术

软质储液包装是一种以合成纤维为骨架材料、内外涂覆耐油性能良好的高分子弹性体材料制成的储液容器，具有质量轻、可折叠、运输体积小、装卸、展开及撤收方便等优点，是临时应急储存大量液体的理想装备，得到了广泛应用。

然而软质储液包装的实时储液量测量问题一直未能得到很好的解决，一是此类软质储液包装的面积较大，一般超过上百平方米；二是由于软质储液包装充液后形状不规则，无法进行规律计算；三是受放置地面环境影响较大。目前国内外针对这种情况主要有两种测量方法：一种测量方法是容积法，采用在软质储液包装的进、出液体口处安装流量计来计量体积，这种方式需要内部液体流空才能得到最终值，因此存在累积误差的问题，导致体积测量误差较大、精度低。另一种测量方法是量高法，采用人工或压力传感器测量液位高度的方法，结合几何经验公式来计算软质储液包装体积，但人工测量耗时费力，压力传感器测量尽管能做到实时测量，但储液量的计算仍通过经验公式，没有考虑软质储液包装为弹性变形体，储液高度因外界条件变化而变化的问题，导致储液量的测量误差较大。

发明内容

为解决现有技术中实时测量软质储液包装精度低的问题，本发明提供一种能够适应不同地形且测量结果准确的静压式软质储液包装测量装置。具体方案如下：一种矩形软质储液包装的储液质量测量装置，包括压力传感器和接收压力传感器信号的单片机，其特征在于，所述压力传感器有多个且按阵列方式排列，所述单片机接收各压力传感器的信号后后经过计算将储液质量通过显示屏输出。

为方便操作压力传感器阵列：所述阵列内的压力传感器固定在一个柔性衬垫上，各压力传感器的信号线通过偏平排线缆与单片机连接。

为保护压力传感器：所述柔性衬垫有两层，所述压力传感器安装固定在两层柔性衬垫之间。

为简化压力传感器的摆放：所述阵列内的压力传感器安装在绳索构成的网格的节点处。

为精确获取测量结果：所述阵列中各压力传感器之间距离相同或压力传感器之间距离由阵列的四个角向中心逐渐扩大。

为提高测量结果：所述压力传感器之间距离由阵列的四个角向中心逐渐扩大的设置方法如下：

(1)、按矩形对称关系建立XOY直角坐标系；

(2)、按等比数列a＝a₁q^k-1的关系由坐标系的四个顶角向原点O布置压力传感器，其中a为压力传感器的长度或宽度，q＞1，k为压力传感器在纵轴或横轴上的行数或列数。

所述储液质量测量装置的计算方法，首先获取软质储液包装的初始质量M₀和当前重力加速度g，其特征在于，其中软质储液包装的重量值M通过下式得到：

$M=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_{ij}{S}_{ij}/g-M_0$

其中n为Y轴方向上压力传感器总的数量，m为X轴方向上压力传感器总的数量，P_ij为阵列中第i行第j列压力传感器的压力值；S_ij为阵列中第i行第j列压力传感器所控制测量面积。

为计算不同的面积：所述S_ij的计算方法如下：

$S_{ij}=\frac{|x_{i+1,j}-x_{i-1,j}|}{2}\×\frac{|y_{i,j+1}-y_{i,j-1}|}{2};$

其中：当i＝1，j≠1和i＝n，j≠m时，

当i≠1，j＝1和i≠n，j＝m时，

$S_{ij}=\frac{|x_{i+1,1}-x_{i-1,1}|}{2}\×|y_{i+1,2}-y_{i-1,1}|;$

当i＝1，j＝1和i＝n，j＝m时，

S_ij＝|x_2，1-x_1，1|×|y_1，2-y_1，1|；

式中x_ij、y_ij分别表示第i行第j列的压力传感器的中心位置坐标。

本发明能够在户外快速准确的测量矩形软质储液包装中的储液质量，适应不同的地形，而且测量结果精确，通过阵列排列的压力传感器可以实时反应被测软质储液包装与地面接触的面积及压力变化情况，从而通过单片机对发生数值变化的各压力传感器值进行计算，然后实时获取待测软质储液包装内的液体质量，整个测量过程速度快且不需要人工介入。利用柔性衬垫作为压力传感器的载体，方便移动和布置，同时也方便收起。采用本发明的计算方法能够精确获取待测矩形软质储液包装内的储液质量。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2本发明中压力传感器的阵列排列示意图；

图3本发明中压力传感器之间间距变化的布置示意图；

附图中标号说明：1-压力传感器、2-单片机、3-信号线、4-柔性衬垫、5-软质储液包装。

具体实施方式

如图1所示，本发明的矩形软质储液包装的储液质量测量装置，包括压力传感器1和接收压力传感器信号的单片机2，所述压力传感器1有多个且按阵列方式排列，即多个压力传感器间隔一定距离形成一个测量面，所述单片机2接收各压力传感器1的信号后经过计算将储液质量通过显示屏输出。本发明利用待测软质储液包装5对地面压强值的连续性以及微分近似的思想，采用按阵列排列的多个压力传感器1对其进行测量，在阵列中的各压力传感器1相互之间独立并分别向单片机发送测量结果，同时单个压力传感器1占用的面积小，可以适应任意形状的地面而且摆放也不受地形限制，因此可以适应软质储液包装5依地形变形的特性。利用单片机2采集上述压力传感器1的测量值，根据相应的计算公式即可以实时得到当前待测软质储液包装5及其储液的重量值。本发明可以随时展开测量工作，且能够克服地形及待测物变形等问题，实时且精确的获取待测物的重量值，方便快捷。

测量时将柔性衬垫平铺在地上，将待称重的软质储液包装的中心与柔性衬垫的中心对准，软质储液包装X、Y方向分别与柔性衬垫行、列方向对齐，所有压力传感器的值是通过各自的通道传输到单片机，单片机根据感受到压力变化的压力传感器的值对当前待测软质储液包装进行计算，从而得到相应的储液质量结果。

本发明给出的方案思路是能够测量不同形状的软质储液包装，基本计算公式如下：

$M=\underset{S}{\∫}PdS/g-M_0=\mathrm{\Σ}PS/g-M_0;$

其中，M为软质储液罐中储液量的质量数值；M₀为软质储液罐体及附件的初始质量；S为软质储液罐与地面的接触面积；g为重力加速度。在正面的举例时，本发明仅以矩形的软质储液包装为例，其它形状的软质储液包装可以结合后面给出的公式，用相应的计算参数代替即可，如圆形、椭圆形、不规则形等。

如图2、3所示，为获取不同的测量效果，本发明所述阵列中各压力传感器1之间距离相同或压力传感器1之间距离由阵列四个顶角向中心逐渐扩大。压力传感器1构成的阵列相互之间的间隔相等时的方案，适合软质储液包装5四周整齐且整体形状对称的结构。而采用由坐标系的四个顶角向中心逐渐扩大的方式能够针对软质储液包装5的形状不对称或局部不均匀的时候，在综合考虑成本及测量精度的前提下，后者能够对软质储液包装5的边沿重量变化作出更精确的测量，因为排列较开的话，在边沿的压力传感器1与软质储液包装5的边沿可能离开较远，导致未处于测量位置。本发明中所述压力传感器1之间距离由阵列的四个顶角向中心逐渐扩大的设置方法如下：

(1)以待测软质储液包装底面积的中心为原点建立XOY坐标系，压力传感器阵列对称轴为X、Y轴；

(2)从软质储液包装的四个顶角沿XOY坐标系的X、Y轴向原点O方向布置压力传感器，其中传感器阵列之间的间距按等比数列规律a＝a₁q^k-1分布，其中a为压力传感器的长度或宽度，具体是取压力取传感器的宽度还是长度，需要根据采用的压力传感器的形状决定，以有利于测量为目的，原则是以此压力传感器控制的面积确定摆放方向，q＞1，k为压力传感器在纵轴或横轴上的行数或列数，在每个位置都需要考虑行数和列数的关系。当软质储液包装的四周不规则时，则以坐标系四个区的中心线所对位置作为压力传感器的布置起点。

根据上述方式设置的阵列能够在周边分布更多的压力传感器1，用于针对软质储液包装5的边沿变化。如图3所示，以软质储液包装5为矩形对称结构为例：对称轴为x，y轴，对称中心o在软质储液包装的中心，压力传感器阵列之间的间距按等比数列规律a＝a₁q^k-1分布，这里仅以x轴正方向为例进行描述，假设压力传感器尺寸为a×b，软质储液包装尺寸为c×d，c和d的值＞＞a和b的值，从软质储液包装左上角沿X轴开始布置第1个压力传感器，第2个压力传感器与第1个压力传感器间距为a，第3个压力传感器与第2个压力传感器间距2a，第4个和第3个间距为4a，以此类推，第k个和k-1个传感器间距a*-2，直到中心对称轴为止，同理布置Y轴方向的传感器。

为方便压力传感器的摆放和运输，本发明所述阵列内的压力传感器1固定在一个柔性衬垫4中，各压力传感器的信号线3通过线缆与单片机2连接。为避免线缆影响软质储液包装的重量分布，线缆最好采用扁平的结构。具体的柔性衬垫4可以是帆布、塑料布一类耐磨、防潮的材料制作，将压力传感器1按规定的位置胶合固定在上面构成相应的阵列形状，使用时将整个柔性衬垫直接展平铺设在测量地面上即可。为保护压力传感器，可以采用双层柔性材料将压力传感器夹在中间的方式设置。此外也可以采用直接利用绳网来做为压力传感器固定结构，以简化安装，具体的绳网可以是由绳索编制成的网格状结构，而压力传感器则固定在网格上的节点处，压力传感器的信号线固定在网格绳索上再与单片机连接，压力传感器的固定可以通过捆扎的方式固定在节点处，也可以在节点处设置相应的安装座，以放置压力传感器。

具体的压力传感器1数量根据需要待测的软质储液包装5大小确定，但是相对面积大的阵列来说，面积较小的软质储液包装5同样能够测量，未检测到压力的压力传感器信号为零，相反时则需要扩大压力传感器1的阵列。利用具有分析、处理和显示功能的单片机2，可以实现待测物的实时测量，各压力传感器1通过信号线3与单片机2连接，单片机2对压力传感器1的电压信号进行A/D转换后，根据不同压力传感器1的数值通过微分方式计算整个软质储液包装5的重量，方便快捷。

为方便固定和保护压力传感器，所述压力传感器1安装在独立的固定座上，所述固定座包括一个底板，在底板的四周向上设置有突起的卡块，所述压力传感器通过具有一定弹性的卡块固定在底板上，各固定座之间通过等长度的固定绳连接。具体的固定座材料可以采用金属或硬质塑料制成，以防止地面硬物划坏压力传感器，同时固定座还可作为压力传感器稳定的测量基座，利用卡块的方式固定压力传感器，便于压力传感器的安装和拆卸。为方便压力传感器信号线的归纳，所述固定座之间设置有橡胶凹槽管，各压力传感器的信号线卡在凹槽管内与单片机连接。通过上述方式能够简化整个压力传感器的阵列结构，达到快速铺设的目的，同时也能够保护信号线。此外还可以采用直接将压力传感器用胶粘在衬垫上的方式，或利用绳、线直接缝制在衬垫上。

本发明中的所述压力传感器优选采用片状的传感器，如Motorola公司的X型硅压力传感器MPX2100，其转换精度高，测量灵敏度高，具有极好的线性度，可以保证系统具有很高的数据采集精度和很强的抗干扰能力，耐压耐高温。单片机可以采用Atmel公司的AT89S52芯片，其能够实现信号转换、处理和显示的功能，在AT89S52的控制下，放大调理后的测量值通过高精度、高性能芯片ICL7135进行A/D转换，再进行相应的计算，AT89S52具有液晶显示屏和PS/2键盘接口，实现了良好的人机交换，其自身支持PLD技术的应用，节省了硬件电路的开销。AT89S52还具有以下特点：

①采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器(NV-SRAM)技术；

②其片内具有256字节RAM，8KB的可在线编程(ISP)FLASH存储器；

③有2种低功耗节电工作方式：空闲模式和掉电模式；

④片内含有一个看门狗定时器(WDT)，WDT包含一个14位计数器和看门狗定时器复位寄存器(WDTRST)，只要对WDTRST按顺序先写入01EH，后写入0E1H，WDT便启动，当CPU由于扰动而使程序陷入死循环或“跑飞”状态时，WDT即可有效地使系统复位，提高了系统的抗干扰性能。

压力信号经高精度压力传感器MPX2100变为电信号，通过CMOS型8选1多路开关CD4051选择之后，再送入放大电路，进行调理后输出到A/D模块ICL7135进行高精度模数转换。MPX2100的供电电压取为8V，放大器采用MC33274四运算放大器，它组成一个仪表放大电路，具有高差模增益和高共模抑制比，输入阻抗高，可调节偏置电路。差模放大主要由U1A完成，U1B为电压跟随器，用来防止运放的反馈电流流入传感器的负端。零压力时，传感器的2和4端之间的电压差为零。设2端和4端的共模电压各为4V(传感器电源电压的一半)，则U1A的端电压也是4V，该电压经U1C和U1D电路使其输出为零。输出端的零压力偏置由R4和RP1引入。R7值的选择从13端看过去的阻抗约为1kW，放大器的增益选择125的增益使传感器满量程输出摆幅32mV可放大到125×0.032＝4V(为电源电压的一半)。

接口电路的片选信号由74LS138对高位地址线P2.0(A8)、P2.1(A9)、P2.2(A10)译码后生成，主要有8155可编程接口电路片选信号CS_8155(Y0)、键盘接口片选信号CS_KEY(Y1)及液晶模块片选信号CS_LCD(Y2)等。LCD选用OCULAR公司生产的字符点阵液晶显示模块GD1602S，该模块能显示20×2的5×7点阵字符，功能强，与8位MCU接口方便；键盘接口设计为通用PC机接口(PS/2)，是因为通用PC机键盘具有价格低廉、可靠性高、通用性好及操作方便等优点，而且维护方便。A13、A14、A15组成多路模拟开关4051的编码地址线，Vxi即为4051按照键盘输入的地址选出的一路模拟信号，它将被送往信号调理模块进行放大调理。本发明选用的RS-485接口芯片SN75LBC184不但能抗雷电的冲击而且能承受高达8kV的静电放电冲击，最大传输距离约1219m，最大传输速率为10Mb/s；可以保证与上位机进行通信时稳定可靠。

ICL7135是美国MAXIN公司生产的一个双积分式A/D转换集成电路，该芯片抗干扰能方强、分辩率高。它的分辩率相当于14位二进制数，转换误差为±1LSB，转换输出为0～19999；当测量量程为0kN～2000kN时，这样的精度使得仪表的分辩率达到0.1kN；模拟输入可以保证0点在常温下的长期稳定性。

本发明的测量装置采用的计算方法为，首先获取软质储液包装的初始质量M₀(即未盛装液体时的软质储液包装重量)，当前重力加速度g，其中软质储液包装的重量值M通过下式得到：

$M=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_{ij}{S}_{ij}/g-M_0$

其中n为纵向上压力传感器的数量，m为横向上压力传感器的数量，P_ij为阵列中第i行第j列压力传感器的压力值；S_ij为阵列中第i行第j列压力传感器所控制测量面积。通过上式利用纵向所有压力传感器的测量值的和与横向所有压力传感器的测量值的和相加，再减去此软质储液包装初始重量，即可得到此软质储液包装的储液量。

为计算阵列间隔不相同的压力传感器的控制面积，本发明中所述S_ij的计算方法如下：

$S_{ij}=\frac{|x_{i+1,j}-x_{i-1,j}|}{2}\×\frac{|y_{i,j+1}-y_{i,j-1}|}{2};$

其中，当i＝1，j≠1和i＝n，j≠m时，

$S_{ij}=|x_{2,j}-x_{1,j}|\×\frac{|y_{1,j+1}-y_{1,j-1}|}{2};$

当i≠1，j＝1和i≠n，j＝m时，

$S_{ij}=\frac{|x_{i+1,1}-x_{i-1,1}|}{2}\×|y_{i+1,2}-y_{i-1,1}|;$

当i＝1，j＝1和i＝n，j＝m时，

$S_{ij}=|x_{2,1}-x_{1,1}|\×|y_{1,2}-y_{1,1}|;$

式中x_ij、y_ij分别表示第i行第j列压力传感器中心位置的坐标。上式是获取一个压力传感器x方向和y方向相邻的压力传感器之间距离的一半，分别作为中间压力传感器的长和宽，再将两者相乘即得到此压力传感器的控制面积，这种计算方式能够体现压力传感器之间的距离变化，从而得到更精确的计算结果。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (7)

1.一种矩形软质储液包装的储液质量测量装置，包括压力传感器(1)和接收压力传感器信号的单片机(2)，其特征在于，所述压力传感器(1)有多个且按一定阵列规律排列，所述单片机(2)接收各压力传感器(1)的信号后经过计算将储液质量通过显示屏输出；所述阵列中各压力传感器之间距离由阵列的四个角向中心逐渐扩大。

2.如权利要求1所述的储液质量测量装置，其特征在于，所述阵列内的压力传感器(1)固定在一个柔性衬垫(4)上，各压力传感器(1)的信号线(3)通过偏平排线缆与单片机(2)连接。

3.如权利要求2所述的储液质量测量装置，其特征在于，所述柔性衬垫(4)有两层，所述压力传感器(1)安装固定在两层柔性衬垫之间。

4.如权利要求1所述的储液质量测量装置，其特征在于，所述阵列内的压力传感器安装在绳索构成的网格的节点处。

5.如权利要求1所述的储液质量测量装置，其特征在于，所述压力传感器(1)之间距离由阵列的四个角向中心逐渐扩大的设置方法如下：

(1)、按矩形对称关系建立XOY直角坐标系；

(2)、按等比数列a＝a₁q^k-1的关系由坐标系的四个顶角向原点O布置压力传感器，其中a为压力传感器的长度或宽度，q＞1，k为压力传感器在纵轴或横轴上的行数或列数。

6.一种如权利要求5所述储液质量测量装置的计算方法，首先获取软质储液包装(5)的初始质量M₀和当前重力加速度g，其特征在于，其中软质储液包装(5)中储液重量的重量值M通过下式得到：

$M=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_{ij}{S}_{ij}/g-M_0$

其中n为Y轴方向上压力传感器总的数量，m为X轴方向上压力传感器总的数量，P_ij为阵列中第i行第j列压力传感器的压力值；S_ij为阵列中第i行第j列压力传感器所控制测量面积。

7.如权利要求6所述的计算方法，其特征在于，所述S_ij的计算方法如下：

$S_{ij}=\frac{|x_{i+1,j}-x_{i-1,j}|}{2}\×\frac{|y_{i,j+1}-y_{i,j-1}|}{2};$

其中：当i＝1，j≠1和i＝n，j≠m时，

$S_{ij}=|x_{2,j}-x_{1,j}|\×\frac{|y_{1,j+1}-y_{1,j-1}|}{2};$

当i≠1，j＝1和i≠n，j＝m时，

$S_{ij}=\frac{|x_{i+1,1}-x_{i-1,1}|}{2}\×|y_{i+1,2}-y_{i-1,1}|;$

当i＝1，j＝1和i＝n，j＝m时，

S_ij＝|x_2，1-x_1，1|×|y_1，2-y_1，1|；

式中x_ij、y_ij分别表示第i行第j列的压力传感器的中心位置坐标。