CPLD在磁致伸缩液位传感器中的应用
     关键词: CPLD在磁致伸缩液位传感器中的应用液位检测;磁致伸缩;传感器;时间间隔; CPLD||| 齐荣¹ 摘要:简述了磁致伸缩液位传感器的工作原理,分析讨论了磁致伸缩液位传感器实现高精度的关键技术——高分辨力的时间量检测问题,介绍采用可编程逻辑器件CPLD进行时间量检测的设计方案,该方案大大简化了整个电路的设计,提高了系统的抗干扰能力。 引 言
  磁致伸缩技术应用于长度计量,已有几十年的历史,在液位检测方面则是近十年开始的。磁致伸缩液位传感器具有可靠性高、精度高、可以同时测量产品的液位、界面(双浮子)、不用定期标定和维修、安全性好、安装容易等优点,因此在国外已广泛应用于石油、化工、纺织、轻工、电力、医药、食品、国防等部门,特别已被广泛用于易燃、易爆、易挥发、有腐蚀的物料液面测量。然而磁致伸缩液位传感器进入我国较晚,目前我国处于引进国外产品进行使用、研究及国产化开发阶段。
  随着大规模集成电路和单片机的迅速发展,仪器仪表的更新换代速度日益加快。复杂可编程逻辑器件(CPLD)具有使用灵活、可靠性高、功能强大的优点,在电子产品设计中得到了广泛的应用。CPLD可实现在系统编程,而且能重复多次,而且还兼容IEEE1149.1(JTAG)标准的测试激励端和边界扫描能力,使用CPLD器件进行开发,不仅可以提高系统的集成化程度、可靠性和可扩充性,而且还可大大缩短产品的设计周期。单片机、CPLD的应用,使磁致伸缩液位传感器朝着高精度、高可靠性、小型化、智能化和网络化的方向发展。
  本文在简述磁致伸缩液位传感器工作原理的基础上,分析讨论了磁致伸缩液位传感器实现高精度的关键技术——高分辨力的时间量检测电路的设计方法,介绍采用可编程逻辑器件CPLD进行时间量检测的设计方案,该方案大大简化了整个电路的设计,提高了系统的抗干扰能力。

1.磁致伸缩液位传感器的组成及工作原理
  磁致伸缩液位传感器基于磁致伸缩和逆磁致伸缩效应。磁致伸缩效应是指磁化使铁磁材料产生机械应变的效应。反过来,铁磁材料受到机械应力之后,其磁化状态也会发生改变,称之为逆磁致伸缩效应。
  磁致伸缩液位传感器结构如图1所示,主要由外管、波导管、磁性浮子和测量头组成。
其中测量头内装电子部件,波导管安装在不锈钢外管内,磁性浮子套在外管上可随液位沿波导管滑动。


  仪表工作时,测量头中的脉冲发射电路不断向波导管发射询问电流脉冲,该电流产生周向磁场并沿波导管传播,与磁浮子形成的轴向磁场相交时矢量叠加,形成螺旋磁场。在该磁场作用下,波导管发生磁致伸缩效应而产生波导扭曲,该应变波以超声波速沿波导管向两端传播,当传回测量头一端时,基于逆磁致伸缩效应,通过回波接收线圈转换为电脉冲[2]。
  由于电流以光速传递,从发射端到磁浮子之间电流传递时间可忽略不计,因此只要测出发射电脉冲与返回应变脉冲之间的时间间隔,即可得到浮子距检测零点的距离h,实现液位检测。这个过程是连续不断的,所以,每当磁浮子随液位移动时,新的液位就被检测出来,如下式:
 h = TV    (1)
 H = L – TV (2)
式中H为液位;L为罐高;T为时差;V为应变波传播速度。
  测量头内含单片机控制系统,可以探测到同一询问脉冲所产生的连续返回脉冲,所以可以在同一传感器上安装两个浮子,同时进行液位、界面的测量。若在波导管底部(罐底)也固定一个磁环,还可完成自校准功能,消除温度对波速V的影响。[4] 如图2所示。


  图2中T1、T2和T3 分别代表扭转弹性波从液位磁浮子、界面磁浮子和校准磁环返回的时间,则H1= L(1-T1/ T3),H2= L(1-T2/ T3)式中H1表示液位,H2表示界面高度,通过T1/ T3和T2/ T3项,可消除温度对弹性波传播速度的影响。[2]

2.磁致伸缩液位传感器时间量检测电路设计
2.1提高时间量检测电路分辨率的意义与方法
  由磁致伸缩传感器工作原理可知,传感器是通过测量应变脉冲传播时间来确定液位的,从式h = T V 可知,液位测量误差Δh = TΔV + VΔT 其中应变波速V = ,式中G、ρ分别为波导管材料的弹性模量和密度。对于具体的波导管来说,在一定的温度范围之内,G和ρ都是恒定的,因此V可以认为是恒定的,那么液位测量误差主要由时间量检测的误差所决定,Δh = V ΔT,时间分辨力越高,液位测量误差越小。所以高分辨力的时间量检测是传感器实现高精度测量的关键。
  要提高时间分辨力,提高计数器脉冲源的频率是有效的方法。如图3所示,在发射脉冲电流的同时,触发计数器开始对计数器脉冲源计数,产生的回波脉冲经整形放大后对计数器复位,使其停止计数,则时间间隔T为计数器的计数值N与计数脉冲源的频率F倒数的乘积。
时间分辨力ΔT =T / N =1/ F(3)
所对应的当量距离为
ΔH = V ΔT = V / F (4)
从(3)、(4)式可以看出,时间量检测的分辨力取决于计数器输入脉冲源频率F,计数器脉冲源的频率越高,单位计数脉冲所对应的当量距离越小,时间分辨力越高。
  以常用几种规范频率的时钟晶振作为计数脉冲源,所对应的时间量分辨力及当量距离列出见表1。由表1可见,要使时间量检测电路给液位测量带来的误差ΔH限定在0.1mm,那么计数源频率要在30MHz以上。

2.2时间量检测的特点及要求
  磁致伸缩液位传感器的量程越大,则应变波在波导管中的传播时间越长。以20m量程为例,V按3000m/s 计算,应变波最长的传播时间可达6.67ms。对该时间量进行检测,所要求计数器的位数C与量程R、计数源频率F及应变波传播速度V的关系应满足:
(2 c / F) > ( R / V) (5)
  如计数脉冲源频率F采用30MHz,则不同量程R所要求计数器的位数C不同,如表2所示。
  从表2中可以看出,对于大量程(20m)的磁致伸缩液位传感器,采用的计数器位数至少要18位。而要实现磁致伸缩传感器的多参数(同时测量液位、界面)及自校准,时间量检测电路中需具备3个18位的计数器,从而满足对相继的3个时间量进行检测。



3.时间量检测电路逻辑功能的CPLD实现
  对时间量检测电路进行设计,不仅要考虑其功能要求,还要考虑电路的小型化和可靠性。
  设计初期曾尝试采用单片机内部计数器和74LS393计数器或8253可编程计数器配合的方法,结果都不近人意。一是这两种方案所用器件都较多,占空间大。二是稳定性差,单片8253不能满足所要求的计数器位数,需将8253级连或在8253 前面另外扩展一片74LS393才行,实验时常常出现计数误差。
  CPLD器件具有使用灵活、可靠性高、功能强大的优点,可实现在系统编程, 时间量检测电路所需要的三个18位的计数器可在其内部由编程来实现。
  本电路选用了Altera公司生产的型号为EPM7064SLC44-5的CPLD器件,在MAX+PLUSⅡ软件环境下,采取图形输入和AHDL文本输入相结合的方法进行设计,设计输入完成后,进行整体的编译和逻辑仿真,然后进行转换、布局、布线,完成了时间量测量的功能。[3]由MAX+PLUSⅡ开发出来的时间量检测单元形式简单,具有一个起始端口START,停止计数端口STOP,清零端CLR和时钟端CLK,数据选择端口A、B、C,以及数据输出端A{7..0}。
在CPLD内部主要开发出3个计数器单元、译码电路、计数器启闭闸门,见图4。


  图4中3个计数器分别用于液位、界面和校正磁环所对应的时间量的计数。译码电路在单片机的控制下通过A、B、C、D端口选择对计数器的数据进行读入,使每个计数器的数据分低8位、中8位、高2位依次被单片机读入。单片机发射询问脉冲的同时通过P1口使START端口出现高电平,打开计数启闭闸门,使三个计数器都开始计数;返回脉冲使STOP端口依次出现三个由低到高的跳变,通过计数启闭闸门,分别使三个计数器依次停止计数,并触发单片机中断,通过单片机换算得到对应的油位、水位等信号输出。3个计数器都可实现18位计数功能,其功能是由AHDL硬件描述语言进行描述的,采用的是文本输入方式,然后将这个AHDL设计文件创建成MAX+PLUSⅡ软件系统默认的符号(.sym),加入图形设计文件(.gdf)中。具体的AHDL设计文件如下所示:

SUBDESIGN count18
(
clk, ena, clr: INPUT;
q[17..0]: OUTPUT;
)
VARIABLE
count[17..0]: DFF;
BEGIN
count[].clk = clk;
count[].clrn =!clr;
IF ena THEN
count[].d = count[].q + 1;
ELSE
count[].d = count[].q;
END IF;
q[] = count[];
END;

4.结束语
  磁致伸缩液位传感器是能同时测量液位和界面、精度高、无须定期校验的仪表,本文提出的采用 CPLD进行时间量测量的设计方案,满足大量程、多参数磁致伸缩液位传感器的时间量检测高精度和高可靠性的要求。该方案简化了整个电路的设计,提高了系统的抗干扰能力,可供业内国产化开发研制的技术人员参考。


参考文献
[1]美国MTS系统公司 . 磁致伸缩位移传感器的技术与创新. 传感器世界(J) 1997,11:15~23。
[2]于亚非.应用磁致伸缩现象的液压(气)缸位移传感器. 液压与气动.(J) 1994,3:35~37。
[3]赵曙光,郭万有,杨颂华 .可编程逻辑器件原理、开发与应用.(M) 西安电子科技大学出版社,2001年。

作者简介:
  齐荣 (1966~ ) 女,讲师,现在北京理工大学就读硕士研究生,研究方向:检测与自动化装置。
  姜波 (1953~ ) 女,副教授,研究方向:检测技术与自动化装置。
  陈祥光 (1953~ ) 男,教授,博士生导师,研究方向:传感与智能检
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    收录时间:2015年10月20日 21:24:39 来源:中国工控网 作者:匿名
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