基于动态数据的船舶油舱液位测量方法的研究
发布时间：2019-06-22 发布作者：
摘 要：在实际中，液位测量系统是船舶燃油供给监控系统的重要组成部分，液位的准确测量也是系统稳定准确工作的必要前提。本文介绍了安装两个磁致伸缩液位计在每一个容器内，测量油舱液位高度的方式，并以某大型船舶油舱为例，进行数学建模，建立动态液位的数据模型，探讨基于动态数据的液位高度测量方法，解决了实际生产中液位监控的需求。
近年来，由于计算机技术在测量标准装置上的广泛应用，我国对动态容器液位测量的自动化水平在不断地提高，在静态过程中准确地实现了对使用过程的实时监控和测算，但在动态和倾斜状态下测量的准确性在实际应用中都存在一定的局限性。为此我们采用了数学建模，通过对空间动态模型的数据分析计算，尽量地减少测算中的误差，提供实时液位测算的准确性，现做简单的介绍。
1 磁致伸缩液位计测量原理及安装
磁致伸缩液位计是磁质中磁化方向的改变引起介质晶格间距的改变，从而使得铁磁质的长度发生改变感知液位的高度；它由磁性浮子、变送器和装有磁致线的不锈钢测量管组成。
当变送器接通电源后,脉冲发送器和接收器开始工作,发送器定时向下端发送低电流询问脉冲信号，脉冲及其磁场顺着磁致伸缩线向下运行，当脉冲信号的磁场与浮球相遇时，产生扭应力脉冲，这个扭应力脉冲向磁致线两端传送，向下传达的扭应力脉冲被阻尼吸收，向上传达的扭应力脉冲被接收器接收并检测出来，根据从出发询问脉冲到接收返回扭应力脉冲的时间差，就可计算出液位的高度并转换成4~20mA的输出信号。
2 船舶油舱建模及油舱液位测量算法
2.1 船舶油舱建模
船舶油舱往往是不尽相同的。为了满足各式各样油舱液位的测量我们需对油舱进行建模。
对油舱规格提出基本假设：油舱不规则，根据油舱液位曲线，可以归类为以下三类：(1)液位曲线为直线，即体积与高度成正比，证明油舱截面不变，即为柱面，至多底部有极小的曲面，可以忽略。(2)液位曲线为折线，证明油箱为分两段的柱面，下面小，上面大。(3)液位曲线为曲线，中间
段为直线，证明油舱底部为椭圆或圆形、锥形体，中部为主体，上部为椭圆或圆形。
坐标系按照船舶通用坐标系建立如下：
定义纵倾角度为 α 1 ，正方向为船艏提升方向，即 i → k ；横倾角度为 α 2 ，正方向为左侧抬起方向，即 j → k 。
垂向、 i - j 平面、各方向荡、摇所在产生的运动为正弦波合成，通过周期内相加求平均值即可消除。因此，只需考虑，纵倾和横倾的合成。合成时，按照矢量合成规则进行加法运算，等于先旋转 α 1 ，再旋转 α 2 。
k ’与 k 的角度即为合成倾斜角度，为了计算的方便，算法公式中直接用本推导的原始数据进行计算。
为了计算的方便，建立的坐标系原点在液面高度 H =0处，此时根据坐标系选择应方便计算的基本原则，选择底部平面为水平面，坐标原点（0，0）规定为对称点。
2.2 油舱液位测量算法
输入条件
1#磁致伸缩液位计安装位置（X 1 ，Y 1 ），测量高度为H 1 ；
2#磁致伸缩液位计安装位置（X 2 ，Y 2 ），测量高度为H 2 ；
外部输入的陀螺仪测量船舶状态，纵倾角为α 1 ，横倾角为α 2 。
算法推导
误差分析及高度合成
因为传感器安装位置，以及油舱水平截面的不确定性。因此两者高度不能简单相加求平均值，必须根据影响的权重进行分析。
根据拉格朗日插值条件，当存在 n 个点时，可以建立 n -1次多项式，其误差绝对值满足
其中 c 为 n 个点区间内， n 阶导数较大值处。在本文中， n =2，因此可以构造1次函数 Y = aX + b 进行计算，为使得误差较小，需要对信息进行处理。
如前文所述，液面高、低分界线通过坐标原点（0，0，0），其矢量为k'轴在原水平面i-j投影的平面内垂线。考虑到拉格朗日插值计算公式中，当坐标点落在测量点之间时误差较小，因此采用传感器到高低液位分界线距离作为参数，强化远距离点的信息权重所得到的归一化解为较优解。
如果两个传感器测量点的连线与中心轴k不相交，则采用任何形式的线性组合计算合成高度，都不能避免系统误差。
显示结果：
采样周期采用函数赋值的形式给出，下位机每1s送一次数据到上位机，滤除外界正弦波的影响。结果以2s的刷新频率在显示器上显示。
对于磁致伸缩液位计直接采样值求平均值的滤波处理，由电路板芯片中固化程序完成。
3 油舱液位测量常见的问题
油舱形状是千姿百态的，安装磁致伸缩液位计位置也不固定，船舶航行过程中倾斜角度和横纵幅度也是不同的。因此油舱液位测量有些常见的问题。
(1)磁致伸缩液位计安装位置不同测量出来的值会有细微不同。
(2)磁致伸缩液位计安装时必须拉直，不然会有测量不准情况。
4 结语
对船舶各舱室液位的精确测量具有广泛的应用市场，随着港口、航道、海上大型桥梁船舶的发展，大量各式船舶应运而生，在各种船舶完成任务的过程中，运用计算机技术实时监测船舶的吃水、压载舱、燃油舱的液位，测量的数据对船舶稳性、船体安全和施工安全具有举足轻重的意义。
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