立式金属油罐标定装置的设计

    引言

    立式金属油罐是国际间石油化工产品贸易结算的主要计量器具之一，也是我国国内贸易结算的重要计量器具。对它的容量进行准确的计量，编制油罐容量计量表，具有重大经济意义和实用价值。目前国内主要采用径向偏差法、围尺法和液体标定法等对立式金属油罐进行标定，这些传统的测量手段费时费力、误差大、准确度低，而且需要高空作业，存在安全隐患，对大型油罐难以采用[1]。为此本文对油罐标定装置进行研究设计，将计算机技术、电子自动化技术和物理技术综合应用于油罐标定，不仅测量误差小，准确度高，而且省时省力，安全可靠，同时有助于提高油罐区管理的现代化水平。

    1 系统总体构成

    本文设计的油罐标定装置主要有三大模块组成：激光测距模块、激光测距仪移动/转动模块和数据处理模块。系统组成框图如图1所示。在对油罐进行标定时，将装置置于油罐中央（尽可能在中心）一垂直于水平面的导轨上，装置通过程序控制电机可以上下自由移动和水平转动。装置每上移一个单位距离（程序设定），测距模块按照设定程序在该水平面对油罐圈板测量一周，测量结果和位置信息通过单片机运算后进行存储。当测量完毕时，将测量的数据导入油罐标定数据处理系统，自动生成油罐容积表和鉴定证书。

    2 激光测距模块设计

    激光测距模块由单片机电路、激光驱动发射电路、内外光接收电路以及复杂可编程逻辑器件（CPLD）单元电路等部分组成。激光测距模块组成如图2所示。该模块主要功能是在单片机的控制下对目标点进行测量，将测量的数据传给单片机进行处理。结合测程和准确度的要求，我们采用相位法激光测距。相位法激光测距是利用发射的调制光和被目标反射的接收光之间光的相位差包含的距离信息来实现对被测目标距离的测量。由于采用调制和差频测相等技术，具有测量准确度高的优点，可达到毫米级[2]。相位法测距的一般公式如下：

式中l为待测距离；c/f为调制波波长，以 λ 表示；Φ等于调制波的N个整周期加上不足一个周期的尾数△φ，所以

上式说明，要测的距离 l 等于调制波波长的一半乘以整波数和余波数之和。而调制波往返于测程上的整数波我们是无法知道的。仪器只能测定距离l<λ/2 的距离，即只能测定小于 2π 的余角 △φ。因此本模块采用双频（15M和1.5M）相位式激光测距，以同时满足准确度和测程的要求，差频信号频率为10KHZ，填充脉冲频率为 100MHZ。设计测量范围为100米，同时该模块采用基于复杂可编程逻辑器件（CPLD）的数字鉴相器，大大提高了测量准确度，测量准确度达到±1毫米。数字鉴相的原理如图3所示。它主要用来对内光路产生的参考信号和外光路产生的测距信号之间的相位差（距离信息）进行测量。参考信号和测距信号经过整形放大变为较为标准的方波。参考信号的上升沿先到，作为计数器的触发信号，此时CPLD 中的计数器开始对填充脉冲计数；测距信号的上升沿后到，作为计数器的计数终止信号，在一个信号周期内，计数器中的计数值代表了填充脉冲的个数，也就是对应参考信号和测距信号之间的相位差。