CN204479139U - 一种磁致伸缩液位计用的液位测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种磁致伸缩液位计用的液位测量系统，包括用于产生激励脉冲信号的脉冲激励模块，用于放大波导丝应变脉冲信号的信号放大模块，用于实时获取待测液体温度信息的测温模块，中央处理单元和电源模块；所述脉冲激励模块的第一输入端连接所述中央处理单元的PWM波输出端，所述脉冲激励模块的第二输入端连接脉冲发生器的输出端，磁致伸缩液位计的波导丝一端经所述信号放大模块的应变脉冲检测单元与所述脉冲激励模块的输出端相连，所述信号放大模块的信号输出端连接所述中央处理单元的信号输入端，所述测温模块的信号输出端连接所述中央处理单元的信号输入端，所述电源模块为整个液位测量系统供电。本实用新型具有测量精度高等优点。

Description

一种磁致伸缩液位计用的液位测量系统

技术领域

本实用新型涉及测量领域，尤其涉及一种磁致伸缩液位计用的液位测量系统。

背景技术

磁致伸缩液位计主要由内部装有波导丝的侧杆、电子仓、磁环和浮球组成。工作时，由电子仓内的液位测量系统发出起始脉冲，此脉冲沿波导丝传输的过程中，产生了沿脉冲传输方向前进的旋转磁场，当这个旋转磁场与浮球产生的永久磁场相遇时，产生磁致伸缩效应（物理学中称之为威德曼效应），使波导丝发生扭动并产生一个应变信号，这个应变信号被液位测量系统中的应变信号检测单元所接收并转换成相应的电压信号，液位测量系统根据发出起始脉冲和接收电压信号间的时间差，即可测出被测液体的液面高度。

目前，磁致伸缩液位计被广泛应用于液位测量领域，在我国的石油化工及电厂等行业中，企业的生产管理部门需要对大型油罐内储存的燃油进行严格的监控，以掌握其液位、温度、储量等重要信息，以便进行有效的管理。国内生产磁致伸缩液位计的厂家有很多，但所生产的液位计与国际领先水平还有一定的差距，具体体现在液位测量的精度上，随着人们的生产生活对液位精度的要求越来越高，如何提高磁致伸缩液位计的测量精度显得迫在眉睫。

实用新型内容

 本实用新型的目的是提供一种磁致伸缩液位计用的液位测量系统，通过优化液位测量系统各组成部分的电路设计，以减小各组成部分在实际测量过程中所存在的误差，从而达到提高磁致伸缩液位计测量精度的目的。

 为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种磁致伸缩液位计用的液位测量系统，包括用于产生激励信号的脉冲激励模块，用于放大电压信号且带有拾能线圈输入端的信号放大模块，用于实时获取待测液体温度信息的测温模块，中央处理单元和电源模块；所述脉冲激励模块的第一输入端连接所述中央处理单元的PWM波输出端，脉冲激励模块的第二输入端连接脉冲发生器的输出端，脉冲激励模块的信号输出端连接磁致伸缩液位计的波导丝一端；所述信号放大模块的拾能线圈套设在磁致伸缩液位计的波导丝上，信号放大模块的信号输出端连接所述中央处理单元的信号输入端；所述测温模块的信号输出端连接所述中央处理单元的温度信号输入端，所述电源模块为整个液位测量系统供电。

上述系统，优选的，所述的脉冲激励模块包括启动单元、电压调节单元和脉冲产生单元；

所述启动单元包括第一限流电阻、第一分压电阻和第一三极管，所述第一三极管的基极经第一限流电阻与所述中央处理单元的PWM波输出端相连，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管集电极经第一分压电阻与电源模块的供电端相连；

所述电压调节单元包括升压电路和稳压电路，所述升压电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容和第二电容，所述第一二极管、第二二极管和第一电容依次串联，所述第一二极管的正极通过第二限流电阻连接电源模块的供电端，所述第一电容的另一端接地，所述第一二极管的负极通过第二电容连接第三二极管的正极，所述第三二极管的负极连接脉冲产生单元的输出端，所述第一二极管的负极还通过耦合电容连接第一三极管的集电极，所述第四二极管的正极连接第二二极管的负极，所述第四二极管的负极连接第三二极管的正极；所述稳压电路包括第一稳压管、第二稳压管、第三电容和第四电容，四者并联接于所述脉冲产生单元的输出端与地之间；

所述脉冲产生单元包括执行电路和稳幅电路，所述执行电路包括第三限流电阻、第二分压电阻和第二三极管，所述第二三极管的基极通过第三限流电阻连接脉冲发生器的输出端，所述第二三极管的发射极接地，所述第二三极管的集电极通过第二分压电阻连接电源模块的供电端；所述稳幅电路包括场效应管、保护电容、第四限流电阻和稳压管，所述场效应管的柵极连接第二三极管的集电极，所述场效应管的源极接地，所述稳压管的负极连接所述脉冲产生单元的输出端，所述稳压管的正极通过第四限流电阻连接场效应管的漏极，所述保护电容并联在场效应管的漏极与源极之间。

上述系统，优选的，所述的信号放大电路包括拾能线圈、仪表放大单元和滤波单元；

所述拾能线圈的中间引线端连接第一偏置电阻的一端，所述第一偏置电阻的另一端通过第五限流电阻连接电源模块的供电端，所述第一偏置电阻的另一端还通过由调节电阻和调节电容并联所构成的调节电路接地，所述拾能线圈的一端经第六限流电阻连接仪表放大单元第一集成运放的同相输入端，所述拾能线圈的另一端经第七限流电阻连接仪表放大单元第二集成运放的同相输入端；

所述仪表放大单元包括第一集成运放、第二集成运放、第三集成运放、第一RC并联电路、第二RC并联电路、第三RC并联电路和第四RC并联电路，所述第一集成运放的同相输入端连接第二偏置电阻的一端，所述第二偏置电阻的另一端通过第三偏置电阻连接所述第二集成运放的同相输入端，所述第二偏置电阻的另一端还通过第四偏置电阻连接所述第一偏置电阻的另一端；所述第一集成运放的反相输入端与输出端之间并联由第一电阻和第五电容构成的第一RC并联电路，所述第二集成运放U2的反相输入端与输出端之间并联由第二电阻R2和第六电容构成的第二RC并联电路；所述第二集成运放的反相输入端连接第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端通过第七电容连接所述第一集成运放的反相输入端，所述第一集成运放的输出端经第四电阻连接第三集成运放的同相输入端，所述第二集成运放的输出端经第五电阻连接第三集成运放的反相输入端；所述第三集成运放的同相输入端连接由第六电阻和第八电容构成的第三RC并联电路的一端，所述第三RC并联电路的另一端连接所述第一偏置电阻的另一端，所述第三集成运放的反相输入端与输出端之间并联由第七电阻和第九电容构成的第四RC并联电路；所述第三集成运放的输出端连接滤波单元的输入端；

所述滤波单元包括高通滤波电路、低通滤波电路和斩波器，所述高通滤波电路包括第十电容和第八电阻，所述第十电容的一端连接所述第三集成运放的输出端，所述第十电容的另一端通过第八电阻接地；所述低通滤波器包括第九电阻和第十一电容，所述第九电阻的一端通过第十一电容接地，另一端接于第十电容和第八电阻之间；所述斩波器可以但不限于采用二极管，所述二极管的正极接于第九电阻和第十一电容之间，所述二极管的负极连接中央处理单元的脉冲信号输入端，所述二极管的负极还通过第十电阻接地。

上述系统，优选的，还包括用于向控制中心发送液位测量结果的通讯模块，且所述通讯模块与中央处理单元相连。

本实用新型通过脉冲激励模块中的稳幅电路，对用于产生旋转磁场的激励信号进行抗干扰处理，避免了脉冲激励模块受尖峰信号的干扰，保证了激励信号的稳定，使其产生的旋转磁场更好地在波导丝上传输；本实用新型还通过信号放大模块中的滤波单元，对经仪表放大电路放大的电压信号进行滤波处理，减小了噪声信号对信号放大模块的干扰，从而保证了电压信号的稳定，使得中央处理单元更好地确定经信号放大模块处理的电压信号接收时间；本实用新型还通过测量多点温度以作为确定此时待测液体温度的基础，从而避免了对待测液体温度测量的偶然性，保证了对待测液体温度测量的准确性，进而提高整个液位测量系统的精度。此外，采用通讯模块将测量的结果实时反馈给控制中心，便于控制中心的工作人员实时掌握待测液体的液位变化情况。

附图说明

图1为本实用新型的电路原理框图；

图2为本实用新型中脉冲激励模块的原理图；

图3为本实用新型中信号放大模块的原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括用于产生激励信号的脉冲激励模块，用于放大电压信号且带有拾能线圈输入端的信号放大模块，用于实时获取待测液体温度信息的测温模块，中央处理单元和电源模块；所述脉冲激励模块的第一输入端连接所述中央处理单元的PWM波输出端，脉冲激励模块的第二输入端连接脉冲发生器的输出端，脉冲激励模块的输出端连接磁致伸缩液位计的波导丝一端；所述信号放大模块的拾能线圈套设在磁致伸缩液位计的波导丝上，信号放大模块的信号输出端连接所述中央处理单元的信号输入端；所述测温模块的信号输出端连接所述中央处理单元的温度信号输入端，测温模块可以采用芯片DS18B20；所述电源模块为整个液位测量系统供电。本实用新型还包括用于向控制中心发送液位测量结果的通讯模块，通讯模块的通信端连接中央处理单元的串口端，所述通讯模块可以采用芯片SP3485ESA。

针对以往磁致伸缩液位计因中央处理单元的配置较低而影响测量的实时性和准确性问题，本实用新型采用STM32系列的ARM芯片STM32F303CCT6作为中央处理单元,该系列芯片采用时钟频率较高的定时电路，为整个液位测量系统提供时基信号，保证系统的稳定性，同时，ARM芯片STM32F303CCT6在较高的时钟频率下工作，具有反应迅速的优点，能够实时地对液位进行测量，进一步提高测量结果的准确性。

现有的磁致伸缩液位计采用的激励模块发出的激励信号由于存在干扰，波动较大，对沿激励信号传输方向前进的旋转磁场有较大的影响，进而影响波导丝所产生的应变信号，从而导致经拾能线圈处理的应变信号存在较大误差，不能准确地反映液面的变化。本实用新型通过采用中央处理单元所产生的PWM波作为脉冲激励模块的启动信号，现有脉冲发生器发出的控制脉冲作为脉冲激励模块的控制信号，使得脉冲激励模块产生稳定性好、抗干扰能力强的激励信号，使得波导丝在该激励信号所产生的旋转磁场和浮球所产生的永久磁场相互作用下，产生的应变信号能够反映待测液面的微小变化，从而提高整个液位测量系统的精度。

如图2所示，所述的脉冲激励模块包括启动单元、电压调节单元和脉冲产生单元；

所述启动单元包括第一限流电阻Ri1、第一分压电阻Rv1和第一三极管Q1，所述第一三极管Q1的基极经第一限流电阻Ri1与所述中央处理单元的PWM波输出端相连，采用中央处理单元所产生的PWM波作为启动信号，使得脉冲激励模块与整个测量系统相协调，保证测量系统稳定工作，所述第一三极管Q1的发射极接地，所述第一三极管Q1集电极经第一分压电阻Rv1与电源模块的供电端相连；

所述电压调节单元包括升压电路和稳压电路，所述升压电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一电容C1和第二电容C2，所述第一二极管D1、第二二极管D2和第一电容C1依次串联，所述第一二极管D1的正极通过第二限流电阻Ri2连接电源模块的供电端，所述第一电容C1的另一端接地，所述第一二极管D1的负极通过第二电容C2连接第三二极管D3的正极，所述第三二极管D3的负极连接脉冲产生单元的输出端，所述第一二极管D1的负极还通过耦合电容C连接第一三极管Q1的集电极，所述第四二极管D4的正极连接第二二极管D2的负极，所述第四二极管D4的负极连接第三二极管D3的正极；所述稳压电路包括第一稳压管DZ1、第二稳压管DZ2、第三电容C3和第四电容C4，四者并联接于所述脉冲产生单元的输出端A与地之间；

所述脉冲产生单元包括执行电路和稳幅电路，所述执行电路包括第三限流电阻Ri3、第二分压电阻Rv2和第二三极管Q2，所述第二三极管Q2的基极通过第三限流电阻Ri3连接脉冲发生器的输出端，所述第二三极管Q2的发射极接地，所述第二三极管Q2的集电极通过第二分压电阻Rv2连接电源模块的供电端；所述稳幅电路包括场效应管M、保护电容Ce、第四限流电阻Ri4和稳压管DZ，所述场效应管M的柵极连接第二三极管Q2的集电极，所述场效应管M的源极接地，所述稳压管DZ的负极连接所述脉冲产生单元的输出端A，所述稳压管DZ的正极通过第四限流电阻Ri4连接场效应管M的漏极，所述保护电容Ce并联在场效应管M的漏极与源极之间，使得在场效应管M处于截止的状态下，保护电容Ce能为稳幅电路提供续流通路，同时，由于保护电容Ce和场效应管M的容抗效应，剔除了激励信号中的尖峰干扰信号，提高了脉冲激励模块的抗干扰性，从而保证了激励信号的稳定性。

现有磁致伸缩液位计的放大模块也采用拾能线圈L，利用电磁感应原理将波导丝产生的应变信号转化为相应的电压信号，经放大处理后作为液位测量的基础信号，但由于在进行放大的过程中，存在较多的噪声干扰，使得中央处理单元对电压信号接收时间的判断存在较大误差，进而影响液位测量的准确性。针对现有放大模块所存在的缺陷，本实用新型做了相应的改进。

如图3所示，本实用新型的信号放大模块包括拾能线圈L、仪表放大单元和滤波单元；

采用拾能线圈L将波导丝产生的应变信号转化为相应的电压信号，作为液位测量的基础信号，具有可靠性高，实时性强等优点；所述拾能线圈L的中间引线端P2连接第一偏置电阻Rb1的一端，所述第一偏置电阻Rb1的另一端N通过第五限流电阻Ri5连接电源模块的供电端，所述第一偏置电阻Rb1的另一端N还通过由调节电阻Rq和调节电容Cq并联所构成的调节电路接地，所述拾能线圈L的一端P1经第六限流电阻Ri6连接仪表放大单元第一集成运放U1的同相输入端，所述拾能线圈L的另一端P3经第七限流电阻Ri7连接仪表放大单元第二集成运放U2的同相输入端；

采用有RC并联电路作为反馈回路的集成运放所构成的仪表放大电路，对拾能线圈L两端感生出来的电压信号进行放大，具有稳定性好，准确度高等优点；所述仪表放大单元包括第一集成运放U1、第二集成运放U2、第三集成运放U3、第一RC并联电路、第二RC并联电路、第三RC并联电路和第四RC并联电路，所述第一集成运放U1的同相输入端连接第二偏置电阻Rb2的一端，所述第二偏置电阻Rb2的另一端通过第三偏置电阻Rb3连接所述第二集成运放U2的同相输入端，所述第二偏置电阻Rb2的另一端还通过第四偏置电阻Rb4连接所述第一偏置电阻Rb1的另一端N；所述第一集成运放U1的反相输入端与输出端之间并联由第一电阻R1和第五电容C5构成的第一RC并联电路，所述第二集成运放U2的反相输入端与输出端之间并联由第二电阻R2和第六电容C6构成的第二RC并联电路；所述第二集成运放U1的反相输入端连接第三电阻R3的一端，所述第三电阻R3的另一端通过第七电容C7连接所述第一集成运放U1的反相输入端，所述第一集成运放U1的输出端经第四电阻R4连接第三集成运放U3的同相输入端，所述第二集成运放U2的输出端经第五电阻R5连接第三集成运放U3的反相输入端；所述第三集成运放U3的同相输入端连接由第六电阻R6和第八电容C8构成的第三RC并联电路的一端，所述第三RC并联电路的另一端连接所述第一偏置电阻Rb1的另一端N，所述第三集成运放U3的反相输入端与输出端之间并联由第七电阻R7和第九电容C9构成的第四RC并联电路；所述第三集成运放U3的输出端B连接滤波单元的输入端；

所述滤波单元包括高通滤波电路、低通滤波电路和斩波器，采用高通滤波电路、低通滤波电路和斩波器，对经仪表放大电路放大的信号进行滤波处理，避免了噪声信号的干扰，进一步保证了测量的精度。所述高通滤波电路包括第十电容C10和第八电阻R8，所述第十电容C10的一端连接所述第三集成运放U3的输出端，所述第十电容C10的另一端通过第八电阻R8接地；所述低通滤波器包括第九电阻R9和第十一电容C11，所述第九电阻R9的一端通过第十一电容C11接地，另一端接于第十电容C10和第八电阻R8之间；所述斩波器可以但不限于采用二极管D，所述二极管D的正极接于第九电阻R9和第十一电容C11之间，所述二极管D的负极连接中央处理单元的脉冲信号输入端，所述二极管D的负极还通过第十电阻R10接地。

整个磁致伸缩液位计用的液位测量系统，在进行液位测量时，先由中央处理单元的PWM波输出端，向脉冲激励模块发出启动信号，使得脉冲激励模块中的脉冲产生单元，在脉冲发生器所发出的控制信号作用下，向波导丝发出稳定的激励信号，激励信号沿着波导丝传输，产生一个沿波导丝前进的旋转磁场，当这个旋转磁场与波导丝另一端的浮球所产生的永久磁场相遇后，就产生磁致伸缩效应，使波导丝发生机械扭动而产生应变信号，该应变信号按照一定的速度沿波导丝传输，套设在波导丝上的拾能线圈L利用电磁感应原理，将应变脉冲转化为电压信号，并经仪表放大单元和滤波单元进行放大、滤波处理后，将得到的稳定电压信号传递给中央处理单元，中央处理单元根据激励信号的发出时间与电压信号的接收时间以及应变信号的传播速度得出液面高度，与此同时，中央处理单元再结合测温模块测量的液体温度数据，并根据温度对液体膨胀或收缩的影响，得出在当前温度下精确的液位值。

Claims (4)

1.一种磁致伸缩液位计用的液位测量系统，其特征在于：包括用于产生激励信号的脉冲激励模块，用于放大电压信号且带有拾能线圈输入端的信号放大模块，用于实时获取待测液体温度信息的测温模块，中央处理单元和电源模块；所述脉冲激励模块的第一输入端连接所述中央处理单元的PWM波输出端，脉冲激励模块的第二输入端连接脉冲发生器的输出端，脉冲激励模块的信号输出端连接磁致伸缩液位计的波导丝一端；所述信号放大模块的拾能线圈套设在磁致伸缩液位计的波导丝上，信号放大模块的信号输出端连接所述中央处理单元的信号输入端；所述测温模块的信号输出端连接所述中央处理单元的温度信号输入端，所述电源模块为整个液位测量系统供电。

2.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位计用的液位测量系统，其特征在于：所述的脉冲激励模块包括启动单元、电压调节单元和脉冲产生单元；

所述启动单元包括第一限流电阻、第一分压电阻和第一三极管，所述第一三极管的基极经第一限流电阻与所述中央处理单元的PWM波输出端相连，所述第一三极管的发射极接地，所述第一三极管集电极经第一分压电阻与电源模块的供电端相连；

所述电压调节单元包括升压电路和稳压电路，所述升压电路包括第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第一电容和第二电容，所述第一二极管、第二二极管和第一电容依次串联，所述第一二极管的正极通过第二限流电阻连接电源模块的供电端，所述第一电容的另一端接地，所述第一二极管的负极通过第二电容连接第三二极管的正极，所述第三二极管的负极连接脉冲产生单元的输出端，所述第一二极管的负极还通过耦合电容连接第一三极管的集电极，所述第四二极管的正极连接第二二极管的负极，所述第四二极管的负极连接第三二极管的正极；所述稳压电路包括第一稳压管、第二稳压管、第三电容和第四电容，四者并联接于所述脉冲产生单元的输出端与地之间；

所述脉冲产生单元包括执行电路和稳幅电路，所述执行电路包括第三限流电阻、第二分压电阻和第二三极管，所述第二三极管的基极通过第三限流电阻连接脉冲发生器的输出端，所述第二三极管的发射极接地，所述第二三极管的集电极通过第二分压电阻连接电源模块的供电端；所述稳幅电路包括场效应管、保护电容、第四限流电阻和稳压管，所述场效应管的柵极连接第二三极管的集电极，所述场效应管的源极接地，所述稳压管的负极连接所述脉冲产生单元的输出端，所述稳压管的正极通过第四限流电阻连接场效应管的漏极，所述保护电容并联在场效应管的漏极与源极之间。

3.根据权利要求1或2所述的磁致伸缩液位计用的液位测量系统，其特征在于：所述的信号放大电路包括拾能线圈、仪表放大单元和滤波单元；

所述拾能线圈的中间引线端连接第一偏置电阻的一端，所述第一偏置电阻的另一端通过第五限流电阻连接电源模块的供电端，所述第一偏置电阻的另一端还通过由调节电阻和调节电容并联所构成的调节电路接地，所述拾能线圈的一端经第六限流电阻连接仪表放大单元第一集成运放的同相输入端，所述拾能线圈的另一端经第七限流电阻连接仪表放大单元第二集成运放的同相输入端；

所述仪表放大单元包括第一集成运放、第二集成运放、第三集成运放、第一RC并联电路、第二RC并联电路、第三RC并联电路和第四RC并联电路，所述第一集成运放的同相输入端连接第二偏置电阻的一端，所述第二偏置电阻的另一端通过第三偏置电阻连接所述第二集成运放的同相输入端，所述第二偏置电阻的另一端还通过第四偏置电阻连接所述第一偏置电阻的另一端；所述第一集成运放的反相输入端与输出端之间并联由第一电阻和第五电容构成的第一RC并联电路，所述第二集成运放U2的反相输入端与输出端之间并联由第二电阻R2和第六电容构成的第二RC并联电路；所述第二集成运放的反相输入端连接第三电阻的一端，所述第三电阻的另一端通过第七电容连接所述第一集成运放的反相输入端，所述第一集成运放的输出端经第四电阻连接第三集成运放的同相输入端，所述第二集成运放的输出端经第五电阻连接第三集成运放的反相输入端；所述第三集成运放的同相输入端连接由第六电阻和第八电容构成的第三RC并联电路的一端，所述第三RC并联电路的另一端连接所述第一偏置电阻的另一端，所述第三集成运放的反相输入端与输出端之间并联由第七电阻和第九电容构成的第四RC并联电路；所述第三集成运放的输出端连接滤波单元的输入端；

所述滤波单元包括高通滤波电路、低通滤波电路和斩波器，所述高通滤波电路包括第十电容和第八电阻，所述第十电容的一端连接所述第三集成运放的输出端，所述第十电容的另一端通过第八电阻接地；所述低通滤波器包括第九电阻和第十一电容，所述第九电阻的一端通过第十一电容接地，另一端接于第十电容和第八电阻之间；所述斩波器可以但不限于采用二极管，所述二极管的正极接于第九电阻和第十一电容之间，所述二极管的负极连接中央处理单元的脉冲信号输入端，所述二极管的负极还通过第十电阻接地。

4.根据权利要求1所述的磁致伸缩液位计用的液位测量系统，其特征在于：还包括用于向控制中心发送液位测量结果的通讯模块，且所述通讯模块与中央处理单元相连。