「汽包双色液位计」

       冲击振动料位计原理及实验研究1简介
对于物位测量，特别是对于固体材料，佳测量方法是非接触测量，因为被测物体具有特殊的物理性质，如灰尘、附着力、硬化等。与超声波和雷达等非接触方法相比，虽然它们不直接接触待测材料，但它们都需要接触材料上方的介质。材料上方的介质需要对超声波或微波透明。本发明非接触测量方法不与待测材料接触，包括材料上方的介质，适应性更广，可靠性更高。目前，只有两种非接触测量方法:径向测量和称重测量。由于放射性液位计需要高能伽马射线穿透被测容器，这种方法的应用受到放射源操作和储存中的安全保护的限制。称重式料位测量仪直接依赖于介质密度，需要已知且稳定的介质密度，这在液体测量中可能是容易满足的条件，而在固体介质测量中通常难以满足。由于需要测量整个集装箱的重量，集装箱只需要有限数量的钢结构支撑框架，这也限制了仪器的安装条件。通过理论分析和实验研究，研制了种新型冲击振动物位计。作为种新型的非接触式材料测量方法，它不使用高能辐射，不存在辐射污染，不依赖于被测介质的密度，对容器结构没有要求，所有仪器都安装在容器外部，不需要在被测界面上与上下介质接触，是种清洁、方便、廉价、应用广泛的新的料位测量方法。
测量原理
测量的基本原理是容器外部的激振器产生适当的能量波。传播之后，传感器携带并接收关于容器内边界处电容式液位计的表面状况的信息。界面信息是通过分析波的特性获得的。能量波可以是电磁波或机械波。只有当电磁波的频率足够高时，它才能有足够的能量穿透容器(特别是金属容器)，也就是说，在目前使用的辐射物位计中γ，但是在较高频率下机械波穿透能力差。例如，超声波液位计必须安装在容器内。虽然它被称为非接触测量，但它只是不与测试界面上的两种介质之接触。仪器需要在另种介质中发射和接收超声波，这就要求这种介质具有超声透明的特性。也许这种方法应该叫做半接触测量。为了能够进行的非接触测量，可以从容器外壁产生和接收低频机械波，这易于产生和检测，并且容器和待测量介质对波的衰减小，这在大范围内尤其重要。然而，低频机械波容易受到噪声的干扰，这给长波长测量精度的提高带来许多困难。这些都对信号处理提出了很高的要求。
在低频机械波传播过程中，容器壁可视为具有定单位面积质量、各向同性剪切弹性模量和各向同性均匀性的薄板介质。从总参数的角度来看介质，它可以被视为具有相同参数的无限数量质量——弹簧——阻尼二阶系统的联结构。传感器的激振器可视为无限链中截取的有限数量的二阶阻尼系统。对于容器中有测量介质的容器壁，容器壁的等效质量由于容器壁上测量介质的侧向压力而增加。容器壁的等效阻尼由于被测介质的波能传输而增加。然而，侧向压力对容器壁的等效剪切弹性模量几乎没有影响。在这里
激振器安装在容器外壁上。试验中使用了八个激振器来模拟被测容器很大(测量范围很大，单个激振器的激振力此时不能满足要求)的情况。激振器自上而下垂直均匀布置，间距为20厘米。传感器为加速度传感器，通过永磁体底座吸附在容器外壁上，共4个，从上到下垂直均匀排列。采用多个激振器和传感器的分布式布置方式，每个激振器和传感器形成冗余的多传感器结构，通过多传感器信息融合，不仅扩大了测量范围，而且实现了硬件容错能力，提高了系统可靠性。冗余信息也大大提高了仪器的测量精度、数据可靠性和抗干扰能力。
激励器连接到系统的控制总线，每个激励器都有自己的地址号。在控制总线的控制下，次只能选通个励磁机。波形发生卡安装在另台伺服计算机上，通过以太网与主控计算机通信，接收主控计算机发送的波形数据和控制信号。激励波形由波形发生卡产生后，由功率放大器放大，并由当前门控激励器转换成机械波激励容器壁。机械波通过桶壁传播，被传感器接收，转换成电信号，并连接到以下四个程控放大器。放大后的信号由隔离放大器隔离，然后发送到主控计算机进行数据采集，并量化成数字信号进行数字信号处理。伺服计算机不仅控制波形发生器产生所需的波形，还作为将主控计算机的指令转换到控制总线的任务，以控制激励器的选通和程控放大器的增益。
3.2励磁机设计
励磁机是种可开启的整体电磁结构，主要由铁芯、线圈、永磁体和控制电路四部分组成。激振力约为50 g/a，当功率放大器的大激振电流为10A(占空比1: 10)时，激振器的大输出力为500 g，激振器的有效通带为200~16000Hz。控制电路解码控制总线的地址信号。当总线地址信号与激振器的地址码致时，激振器被选通，使得激振器的线圈与总线中的信号线连接并进入选通待机状态。当信号线被功率放大器激励时，激励器的永磁体在线圈磁场的作用下受力，并且该激励力被施加到紧密粘附于其上的容器壁上，以激励容器壁上的机械振动波。
3.3振动传感器的选择
为了适应不同容器的情况，加速度传感器用于测量桶壁的振动。加速度传感器具有宽通带。
采用的传感器具有0 ~ 10000赫兹的3db平坦带宽和100毫伏/克的灵敏度。为了便于与钢制容器壁耦合，制作了特殊的磁体基座。它通过螺柱与传感器牢固连接，并通过磁力吸附在容器壁上。垂直剥离力为5公斤，满足加速度传感器的安装条件。
3.4波形发生器
为了便于测量信号的处理，对激励波形的频谱和持续时间有特殊要求。为了产生这种复杂的瞬态单脉冲，主控计算机通过数值计算获得信号波形，然后通过网络将波形数据传输到伺服计算机，并存储在波形发生卡的缓存中。主控计算机发出启动信号后，波形发生卡按照指令中规定的采样率参数对数据进行数模转换，并输出所需的激励信号。作者使用sai200波形发生卡，存储深度为32kbye，大采样率为20MHz，大输出波形电压为5 v
四通道程控放大器是该器件的重点。因为每个激励都是短脉冲，所以持续时间很短，并且每个激励响应的相对强度也是个重要参数。因此，自动增益控制方法不能满足不同信号对放大器增益的不同要求。作者通过计算机程序控制增益解决了这个问题。此外，加速度传感器与现场容器壁紧密相连，传感器之间相距较远。通过传感器的公共外壳，容器壁和多个传感器围绕大面积的闭合电路，这将在现场环境中引起大的环形干扰电流，并且不能通过屏蔽和其他方法来克服。这将对弱振动信号造成强干扰，并给后续信号处理带来许多困难。作者设计制造了4路隔离宽带低噪声程控增益放大器，独立程控放大4路信号。图3-2是放大器之。四个绝缘放大信号被隔离放大器隔离，形成公共接地信号，输出到计算机的模数数据采集卡进行模数转换。电路中，采用开关式光耦隔离器隔离计算机的数字控制信号，用DAC0832作为数模转换器，将计算机的控制字转换成增益控制模拟电压。可编程低噪声宽带集成放大器AD603用作主放大器，开关电容1: 1隔离放大器集成电路ISO124用作隔离放大器。放大器增益控制范围为0 ~ 80dB，线性可调，带宽为10 Hz ~ 5 MHz，通道间隔离度大于-80dB。实验中获得了满意的信噪比。
3.6软件结构
在硬件结构上，测试设备分为主从计算机设备，这是模拟仪器在群控下的工作结构。从控计算机在现场，成本低，运行能力弱。它主要用于控制硬件设备，如励磁机和放大器。主控计算机只有个区域，负责信号处理，计算能力强。这样，在软件中，系统也被分成多个进程，以便在多个处理器上分布和运行。
整体结构如图3-3所示。主控计算机运行四个过程，其中信号采集过程通过WM-CopyData消息与控制过程通信。其他信号处理等过程通过Matlab的数据引擎接口与VC编写的控制过程进行通信。主计算机通过套接字与从计算机通信，分别控制从计算机上运行的两个进程。测量时，主控过程先通过从控计算机的总线控制模块调整励磁机的地址号和程控放大器的增益，然后启动信号采集模块进入采集准备状态。接下来，信号产生模块开始产生理论激励波形，然后将理论激励波形传送到从控制计算机的波形产生卡控制模块以产生激励。激励发出后，信号采集模块接收信号，结束等待状态，并将接收到的数据发送给主控过程。主控过程调用信号有效性判断模块来判断信号质量，如果认为信号不合格，则调整参数并重新测量。如果判断为合格，则调用信号处理模块进行终信号处理，得到测量结果。
4实验结果
使用细黄沙作为待测介质进行了45次测量。结果如图4-1所示。4-2是误差统计表。可以看出，大多数误差发生在2 ~ 3厘米的范围内。但它不是正态分布的。这与样本数量不足有关。
结论
通过大量实验，可以认为这种非接触测量方法是有效可行的，是解决非接触测量问题的有效途径。未来的研究还可以测试液体介质的测量，并从提高测量精度入手。