CN212275029U - 一种新型网络化电容式波高测量装置 - Google Patents

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杜海
孟娟
李木国
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Abstract

本实用新型属于传感测量技术领域,提供了一种新型网络化电容式波高测量装置,主要由壳体、金属杆支架、带绝缘外层的金属导线、弹簧、采集板、EtherCAT‑P‑M84Pin接插端子以及水平仪所组成。本实用新型采用EtherCAT P技术进行测量系统设计,同时采用模拟比较测电容的原理来减少波高物理量与电信号之间转换的环节,从而提高波高测量的精度。除此之外,采用单杆三导丝的冗余结构进行波高测量装置的设计,通过信息冗余校验来鉴别数据的有效性。本实用新型不仅具有网络传输的布线优势,还具有EtherCAT的分布时钟同步能力和波高测量数据校验能力,可大幅度提高波浪水池实验大数据的质量。

Description

一种新型网络化电容式波高测量装置
技术领域
本实用新型属于传感测量技术领域,涉及到海洋工程模型试验波高测量问题,特别涉及基于EtheCATP技术的结构冗余型电容式波高测量装置的设计方法。
背景技术
波高测量是海洋工程物理模型试验中的一项重要内容。通过波高仪实时测量水位变化不仅可以给造波机提供反馈进行波谱修正,而且还可以对实验模型周围波浪场分布情况进行信息获取,从而准确地研究波浪对实验水池或水槽中物理模型的作用,因此对波浪测量的精准程度将直接影响模型试验分析结构的有效性和准确性,所以研制一种高可靠、高精度、高灵敏且方便实用的波高测量仪器是十分重要的。
波高测量方法实际上是一种液位动态检测技术,而液位检测技术一直被国内外相关领域研究人员视为工业应用研究的重点之一。目前,在各个行业中有许多种测量液位的方法:如电容式液位传感器、电阻式液位传感器、光电式液位传感器、压力式液位传感器、超声波液位传感器等,其中电容式液位传感器以其成本低、结构简单、动态特性良好、测量精度高的特点,已成为海工实验室波浪测量时最为常用的方法。然而,该类型传感器多数情况下无法直接使用,还需配有数据采集仪才可以进行波高测量(尤其是多个传感器一同使用时),这无疑增加了现场布置的复杂度。为了解决这个问题,文献“基于WiFi的无线浪高数据采集系统的设计(计算机测量与控制2018)”与文献“一种模型试验用自容式无线浪高仪(国家实用新型专利CN110967089A)”采用无线通信和自容式供电方式进行数据直传,从而有效地解决了数据采集外置的问题,降低了现场布置的难度,但却存在波高数据的同步问题;而文献“基于EtherCAT总线的串联型分布式数据采集系统设计(计算机测量与控制2016)”采用了EtherCAT工业以太网来构建波高采集系统,同样精简了波高测量系统的结构,然而缺少具体的现场供电方案和校验过程。除此之外,海洋工程实验室大多数电容式液位传感器是通过将传感器电容值转化为电压信号(经过A/D转换器将信号送入微处理器)进行波高测量的,这种方式会因放大电路(放大有效信号的同时也放大干扰信号)和A/D采集电路(量化噪声和电路噪声)而降低信号的稳定性和数据的精度。与此同时,测量系统仅通过前后时刻之间的相关性进行波高数据的校验,而缺少对当前时刻数据有效性的判断过程,因此数据质量方面有待提高。
综上所述,在电容式波高测量技术发展过程中,尽管波高测量装置设计方面已得到较大地改进,但是仍然存在瞬态测量有效性辨别的问题、测量精度提升的问题、现场使用不方便的问题等。因此,设计一种新型的电容式波高测量方法与装置是具有非常重要的意义和应用价值的。
本实用新型将电容式波高仪进行结构冗余,通过相互校验辨别测量结果的有效性,并通过片上模拟比较器直接计算电容变化,同时结合EtherCAT P技术简化系统结构,解决电源供给问题和测量系统间的同步问题。本文所提的方法与装置可大幅度提高波高测量的有效性和精度,也方便了测量实验现场的布置。
实用新型内容
针对海洋工程模型试验中波高测量的准确度、稳定性、可靠性、易用性的提升问题,本实用新型将电容充放电与模拟比较、EtherCAT P网络技术以及结构冗余校验方法相结合,提出了一种新型网络化电容式波高测量方法及其装置。
本实用新型的技术方案:
一种新型网络化电容式波高测量装置,主要由壳体、金属杆支架、带绝缘外层的金属导线、弹簧、采集板、EtherCAT-P-M8 4Pin接插端子以及水平仪所组成;采集板安装在圆柱形或矩形壳体内,壳体一端安装水平仪并开有两个孔洞,两个孔洞内分别安装相同的EtherCAT-P-M8 4Pin接插端子,一个为IN,另一个为OUT;采集板另一端则在中心处安装带有三根支腿的金属杆支架,同时距离该中心相同距离且等角度(120度)固定三支弹簧,并将三根带绝缘外层的金属导线(采用漆包线)挂载并固定在金属支架与弹簧之间;采集板的一端分别与两个EtherCAT-P-M8 4Pin接插端子相连,IN端口与IN端口相连,OUT端口与OUT端口相连;采集板的另一端分别与三根带绝缘外层的金属导线相连,采集板由EtherCAT-P-M8线缆提供24V电源;波高测量过程中,单片机(采用STM32F303)通过片内模拟比较器和定时计数器获取三根金属导线与金属杆支架间的电容变化,并通过EtherCAT协议进行数据传输,之后根据空间的相关性来判断当前波高测量的正确性。
一种新型网络化电容式波高测量方法,步骤如下:
步骤A:初次使用时,需要进行系统定标,首先通过网线与网卡将主机(PC机)与波高测量装置的EtherCAT-P-M8 4Pin接插端子的IN端连接,同时依据水平仪将波高测量装置垂直放置在量筒内,上电,此时波高测量装置所形成的三个电容开始充放电;
步骤B:在采集板中的单片机中,当模拟比较器正向输入端的电压大于反向输入端参考电压时,产生中断并将定时计数器数据寄存器的值写入到输入捕获寄存器中,令三根金属导线所形成的电容充放电得到的定时器计数值分别为
Figure BDA0002668991390000031
Figure BDA0002668991390000032
同时记录三根金属导线入水的长度分别为
Figure BDA0002668991390000033
Figure BDA0002668991390000034
由于波高测量装置垂直放置,且为静水面,所以
Figure BDA0002668991390000041
步骤C:改变波高测量装置入水深度H2,执行步骤B后,得
Figure BDA0002668991390000042
Figure BDA0002668991390000043
之后,反复执行此过程,得到N个入水深度Hi,i=1,2,3...N下的电容变化计数值
Figure BDA0002668991390000044
步骤D:基于最小二乘法分别对每根金属导线的
Figure BDA0002668991390000045
进行直线拟合,得到三条直线hj=Kj·mj+Tj,j=1,2,3,其中(Kj,Tj)作为标定系数进行记录,系统定标工作完成;
步骤E:开始进行波高测量,首先将一支波高测量装置通过网线与主机相连,与步骤A相同;其次,根据实验需求将此波高测量装置与多个波高测量装置彼此级联在一起,每支波高测量装置上端的EtherCAT-P-M8 4Pin接插端子IN端口与下一支波高测量装置的OUT端口相连,并垂直布置在实验水槽/水池的测量点位;与此同时,为了将各个波高测量装置进行数据采集同步,在主机中设置EtherCAT为DC同步模式;
步骤F:如同步骤B,波高测量装置按照设定的周期通过EtherCAT协议向主机传送计数值Mj,j=1,2,3;当主机得到Mj后按照各自的标定系数,通过公式Hj=Kj·Mj+Tj,j=1,2,3计算得到三个波高值;
步骤G:当主机每次获得三个波高值Hj后,将根据实验需求进行数据分析,如波浪方向计算(适用于三条金属导线距离中心较远时)、数据选择(适用于三条金属导线距离中心较近时)等。本方法以这三个波高值Hj进行数据筛选,根据近邻相似准则,当两个波高值或三个波高值彼此相差不大于设定阈值时,认为此波高测量有效,将平均值作为波高的测量值;而当三个波高值彼此均相差较大时,选择与前一时刻波高最为相近的波高测量作为有效值;
步骤H:反复执行步骤E-步骤G,直到测量停止。
综上所述,测量前首先在量筒内进行系统定标,获取相应的定标参数;然后开始进行测量,测量时通过采集板模拟比较模块和定时计数器来获取三根金属导线的电容变化;接下来主机周期性地通过EtherCAT获得此三个计数值;之后结合标定参数将计数值转为水深值;最后通过空间相关性辨别波高测量数据的有效性。
本实用新型的有益效果:造波机运动测量时充分考虑了波高测量数据的有效性辨别问题以及实验现场布线的问题和电源供给问题。采用EtherCAT P技术进行测量系统设计,同时采用模拟比较测电容的原理来减少波高物理量与电信号之间转换的环节,从而提高波高测量的精度。除此之外,采用单杆三导丝的冗余结构进行波高测量装置的设计,通过信息冗余校验来鉴别数据的有效性。本实用新型不仅具有网络传输的布线优势,还具有EtherCAT的分布时钟同步能力和波高测量数据校验能力,可大幅度提高波浪水池实验大数据的质量。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是采集板的结构示意图。
图中:1壳体;2金属杆支架;3带绝缘外层的金属导线;4弹簧;5采集板;6EtherCAT-P-M8 4Pin接插端子;7水平仪。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的实施方式作进一步描述。
一种新型网络化电容式波高测量方法及其装置,其结构示意如附图1所示:
由壳体1、金属杆支架2、带绝缘外层的金属导线3、弹簧4、采集板5、EtherCAT-P-M84Pin接插端子6以及水平仪7所组成。在本文所设计的波高测量装置中,采集板安装在圆柱形或矩形壳体1内,壳体1一端安装水平仪7并在两个孔洞内分别安装相同规格的两个EtherCAT-P-M8 4Pin接插端子6(定义两个接线端子一个为IN,另一个为OUT),而另一端则在中心处安装金属杆支架2,同时距离该中心相同距离且等角度(120度)固定三支弹簧4,并将三根带有绝缘外层的金属导线3(本文采用漆包线)挂载并固定在金属支架2与弹簧4之间。此外,采集板5的一端分别与两个EtherCAT-P-M8 4Pin接插端子6相连(IN端口与IN端口相连,OUT端口与OUT端口相连),而另一端则分别与三根带有绝缘外层的金属导线3相连,整个采集板5由EtherCAT-P-M8线缆提供24V电源。波高测量过程中,单片机(本文采用STM32F303)通过片内模拟比较器和定时计数器获取三根金属导线3与金属杆支架2间的电容变化,并通过EtherCAT协议进行数据传输,之后根据空间的相关性来判断当前波高测量的正确性。具体方法描述如下:
步骤A:初次使用时,需要进行系统定标,首先通过网线与网卡将主机(PC机)与波高测量装置EtherCAT-P-M8 4Pin接插端子6的IN端连在一起,同时依据水平仪7将波高测量装置垂直放置在量筒内,并上电,此时波高测量系统所形成的三个电容开始充放电。
步骤B:在采集板5中的单片机中,当模拟比较器正向输入端的电压大于反向输入端参考电压时,产生中断并将定时器数据寄存器的值写入到输入捕获寄存器中,这里可以令三根金属导线3所形成的电容充放电得到的定时器计数值分别为
Figure BDA0002668991390000061
Figure BDA0002668991390000062
同时记录三根金属导线3入水的长度分别为
Figure BDA0002668991390000063
Figure BDA0002668991390000064
由于测量装置垂直放置,且为静水面,所以
Figure BDA0002668991390000065
步骤C:改变波高测量装置入水深度H2,执行步骤B后,可得
Figure BDA0002668991390000071
Figure BDA0002668991390000072
之后,反复执行此过程,可以得到N个入水深度Hi,i=1,2,3...N下的电容变化计数值
Figure BDA0002668991390000073
步骤D:基于最小二乘法分别对每根金属导线3的
Figure BDA0002668991390000074
进行直线拟合,可以得到三条直线hj=Kj·mj+Tj,j=1,2,3,其中(Kj,Tj)作为标定系数进行记录,系统定标工作完成。
步骤E:开始进行波高测量。首先将一支波高测量装置通过网线与主机相连(与步骤A相同);其次,根据实验需求将此波高测量装置与一定数量的波高测量装置彼此级联在一起(每支波高测量装置上端的EtherCAT-P-M8 4Pin接插端子IN与下一支波高测量装置的OUT相连)并垂直布置在实验水槽/水池的测量点位。与此同时,为了将各个波高测量装置进行数据采集同步,在主机中设置EtherCAT为DC同步模式。
步骤F:如同步骤B,波高测量装置可以按照设定的周期通过EtherCAT协议向主机传送计数值Mj,j=1,2,3。当主机得到Mj后按照各自的标定系数,通过公式Hj=Kj·Mj+Tj,j=1,2,3可计算得到三个波高值。
步骤G:当主机每次获得三个波高值Hj后,将根据实验需求进行数据分析,如波浪方向计算(适用于三条金属导线距离中心较远时)、数据选择(适用于三条金属导线距离中心较近时)等。本文主要以这三个波高数据进行数据筛选,根据近邻相似准则,当两个波高值或三个波高值彼此相差不大时,认为此波高测量有效,将平均值作为波高的测量值;而当三个波高值彼此均相差较大时,选择与前一时刻波高最为相近的波高测量作为有效值。
步骤H:反复执行步骤E-步骤G,直到测量停止。
综上所述,测量前首先在量筒内进行系统定标,获取相应的定标参数;然后开始进行测量,测量时通过采集板5模拟比较模块和定时计数器来获取三根金属导线3的电容变化;接下来主机周期性地通过EtherCAT获得此三个计数值;之后结合标定参数将计数值转为水深值;最后通过空间相关性辨别波高测量数据的有效性。

Claims (1)

1.一种新型网络化电容式波高测量装置,其特征在于,该新型网络化电容式波高测量装置主要由壳体、金属杆支架、带绝缘外层的金属导线、弹簧、采集板、EtherCAT-P-M8 4Pin接插端子以及水平仪所组成;采集板安装在圆柱形或矩形壳体内,壳体一端安装水平仪并开有两个孔洞,两个孔洞内分别安装相同的EtherCAT-P-M8 4Pin接插端子,一个为IN,另一个为OUT;采集板另一端则在中心处安装带有三根支腿的金属杆支架,同时距离该中心相同距离且等角度固定三支弹簧,并将三根带绝缘外层的金属导线挂载并固定在金属支架与弹簧之间;采集板的一端分别与两个EtherCAT-P-M8 4Pin接插端子相连,IN端口与IN端口相连,OUT端口与OUT端口相连;采集板的另一端分别与三根带绝缘外层的金属导线相连,采集板由EtherCAT-P-M8线缆提供24V电源;波高测量过程中,单片机通过片内模拟比较器和定时计数器获取三根金属导线与金属杆支架间的电容变化,并通过EtherCAT协议进行数据传输,之后根据空间的相关性来判断当前波高测量的正确性。
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CN112050899A (zh) * 2020-09-07 2020-12-08 大连理工大学 一种新型网络化电容式波高测量方法及其装置
CN113418584A (zh) * 2021-06-02 2021-09-21 上海交通大学 一种随船浪高仪可伸缩式套筒标定装置

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