摘 要：在實際中，液位測量系統(tǒng)是船舶燃油供給監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，液位的準確測量也是系統(tǒng)穩(wěn)定準確工作的必要前提。本文介紹了安裝兩個磁性浮子液位計在每一個容器內，測量油艙液位高度的方式，并以某大型船舶油艙為例，進行數學建模，建立動態(tài)液位的數據模型，探討基于動態(tài)數據的液位高度測量方法，解決了實際生產中液位監(jiān)控的需求。

 

    近年來，由于計算機技術在測量標準裝置上的廣泛應用，我國對動態(tài)容器液位測量的自動化水平在不斷地提高，在靜態(tài)過程中準確地實現了對使用過程的實時監(jiān)控和測算，但在動態(tài)和傾斜狀態(tài)下測量的準確性在實際應用中都存在一定的局限性。為此我們采用了數學建模，通過對空間動態(tài)模型的數據分析計算，盡量地減少測算中的誤差，提供實時液位測算的準確性，現做簡單的介紹。

 

    1 磁性浮子液位計測量原理及安裝

    磁性浮子液位計是磁質中磁化方向的改變引起介質晶格間距的改變，從而使得鐵磁質的長度發(fā)生改變感知液位的高度；它由磁性浮子液位計、變送器和裝有磁致線的不銹鋼測量管組成。

 

    當變送器接通電源后,脈沖發(fā)送器和接收器開始工作,發(fā)送器定時向下端發(fā)送低電流詢問脈沖信號，脈沖及其磁場順著磁致伸縮線向下運行，當脈沖信號的磁場與浮球相遇時，產生扭應力脈沖，這個扭應力脈沖向磁致線兩端傳送，向下傳達的扭應力脈沖被阻尼吸收，向上傳達的扭應力脈沖被接收器接收并檢測出來，根據從出發(fā)詢問脈沖到接收返回扭應力脈沖的時間差，就可計算出液位的高度并轉換成4~20mA的輸出信號。

 

    2 船舶油艙建模及油艙液位測量算法

    2.1 船舶油艙建模

    船舶油艙往往是不盡相同的。為了滿足各式各樣油艙液位的測量我們需對油艙進行建模。

 

    對油艙規(guī)格提出基本假設：油艙不規(guī)則，根據油艙液位曲線，可以歸類為以下三類：(1)液位曲線為直線，即體積與高度成正比，證明油艙截面不變，即為柱面，至多底部有極小的曲面，可以忽略。(2)液位曲線為折線，證明油箱為分兩段的柱面，下面小，上面大。(3)液位曲線為曲線，中間段為直線，證明油艙底部為橢圓或圓形、錐形體，中部為主體，上部為橢圓或圓形。

 

    坐標系按照船舶通用坐標系建立如下：

    定義縱傾角度為 α 1 ，正方向為船艏提升方向，即 i → k ；橫傾角度為 α 2 ，正方向為左側抬起方向，即 j → k 。

 

    垂向、 i - j 平面、各方向蕩、搖所在產生的運動為正弦波合成，通過周期內相加求平均值即可消除。因此，只需考慮，縱傾和橫傾的合成。合成時，按照矢量合成規(guī)則進行加法運算，等于先旋轉 α 1 ，再旋轉 α 2 。

 

    縱傾面 i → k 旋轉矩陣為 A 1 ：

 

 

 

    k ’與 k 的角度即為合成傾斜角度，為了計算的方便，算法公式中直接用本推導的原始數據進行計算。

 

    為了計算的方便，建立的坐標系原點在液面高度 H =0處，此時根據坐標系選擇應方便計算的基本原則，選擇底部平面為水平面，坐標原點（0，0）規(guī)定為對稱點。

 

    2.2 油艙液位測量算法

    輸入條件

    1#磁性浮子液位計安裝位置（X 1 ，Y 1 ），測量高度為H 1 ；

 

    2#磁性浮子液位計安裝位置（X 2 ，Y 2 ），測量高度為H 2 ；

 

    外部輸入的陀螺儀測量船舶狀態(tài)，縱傾角為α 1 ，橫傾角為α 2 。

 

     算法推導

     根據空間幾何公式建立液位平面點法式方程為：

 

 

    將1#和2#傳感器的三維坐標（ X ， Y ， Z ）帶入

    可以求得

    1#傳感器測量的中心點液位高度為

 

 

    誤差分析及高度合成

    因為傳感器安裝位置，以及油艙水平截面的不確定性。因此兩者高度不能簡單相加求平均值，必須根據影響的權重進行分析。

 

    根據拉格朗日插值條件，當存在 n 個點時，可以建立 n -1次多項式，其誤差絕對值滿足

 

 

 

    其中 c 為 n 個點區(qū)間內， n 階導數zui大值處。

 

    在本文中， n =2，因此可以構造1次函數 Y = aX + b 進行計算，為使得誤差zui小，需要對信息進行處理。如前文所述，液面高、低分界線通過坐標原點（0，0，0），其矢量為k'軸在原水平面i-j投影的平面內垂線。考慮到拉格朗日插值計算公式中，當坐標點落在測量點之間時誤差zui小，因此采用傳感器到高低液位分界線距離作為參數，強化遠距離點的信息權重所得到的歸一化解為非常好的解。

 

 

 

    如果兩個傳感器測量點的連線與中心軸k不相交，則采用任何形式的線性組合計算合成高度，都不能避免系統(tǒng)誤差。顯示結果：

 

    采樣周期采用函數賦值的形式給出，下位機每1s送一次數據到上位機，濾除外界正弦波的影響。結果以2s的刷新頻率在顯示器上顯示。

 

    對于磁性浮子液位計直接采樣值求平均值的濾波處理，由電路板芯片中固化程序完成。

 

    3 油艙液位測量常見的問題

    油艙形狀是千姿百態(tài)的，安裝磁性浮子液位計位置也不固定，船舶航行過程中傾斜角度和橫縱幅度也是不同的。因此油艙液位測量有些常見的問題。

 

    (1)磁性浮子液位計安裝位置不同測量出來的值會有細微不同。

 

    (2)磁性浮子液位計安裝時必須拉直，不然會有測量不準情況。

 

    4 結語

    對船舶各艙室液位的精確測量具有廣泛的應用市場，隨著港口、航道、海上大型橋梁船舶的發(fā)展，大量各式船舶應運而生，在各種船舶完成任務的過程中，運用計算機技術實時監(jiān)測船舶的吃水、壓載艙、燃油艙的液位，測量的數據對船舶穩(wěn)性、船體安全和施工安全具有舉足輕重的意義。