船舶壓載水快速測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

王 洋， 郭寶誠， 劉進(jìn)濤

(1 中華人民共和國連云港海關(guān)， 江蘇 連云港 222000； 2 中華人民共和國 高欄海關(guān)， 廣東 珠海 519050)

0 引 言

水尺計(jì)重是當(dāng)前國內(nèi)外大宗商品交易中貨物重量計(jì)量及貿(mào)易結(jié)算的主要方式之一，在貿(mào)易活動(dòng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。在水尺計(jì)重過程中，船舶壓載水的測(cè)量環(huán)節(jié)至關(guān)重要，是確保計(jì)重結(jié)果準(zhǔn)確的前提和基礎(chǔ)[1]。目前，普遍采用的壓載水測(cè)量方法主要是以手工測(cè)得方式獲取液深數(shù)據(jù)。在該測(cè)量模式下，測(cè)量結(jié)果受測(cè)量者主觀因素影響較大，測(cè)量準(zhǔn)確性差且效率低下。為此，設(shè)計(jì)了一種壓載水快速測(cè)量裝置，該裝置以微處理器和傳感器為主要部件，能夠自動(dòng)完成測(cè)量操作和計(jì)算，進(jìn)而有效減輕測(cè)量操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，大幅減少人為主觀誤差，提高測(cè)量準(zhǔn)確度和工作效率。

1 設(shè)計(jì)思路及測(cè)量原理

傳統(tǒng)的壓載水測(cè)量方法是以操作者人工下尺，憑觸覺或聽覺判斷尺錘觸底后拉出尺帶，觀測(cè)尺帶上水痕位置確定水位深度。若尺帶上水痕不清晰時(shí)，需要擦干并抹上巧粉或試水膏再次觀測(cè)。在確認(rèn)尺錘觸底的過程中，上下拉動(dòng)尺帶容易造成水位的上下波動(dòng)[2]，致使水痕虛高。水痕不清晰時(shí)多次測(cè)量結(jié)果不一，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確性差，工作效率低下。

本文設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x采用差距測(cè)量法，即先測(cè)量出壓載水液面到測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的距離a，然后測(cè)量出壓載艙底部到測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)的距離b，計(jì)算差值則為壓載艙中壓載水的深度c，即c=b-a。差距測(cè)量法消減了測(cè)量尺帶在測(cè)量管下降過程中所排開的壓載水波動(dòng)而造成的水痕虛高，有效減小了測(cè)量誤差，其測(cè)量原理如圖1所示。

2 設(shè)計(jì)方案

液位深度測(cè)量一般有接觸式和非接觸式測(cè)量等方法，由于壓載水測(cè)量管道的結(jié)構(gòu)特殊性，使用超聲波等非接觸式測(cè)量方法可能導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)的誤觸發(fā)進(jìn)而造成較大的測(cè)量誤差，且測(cè)量管道總高往往并不能準(zhǔn)確預(yù)知，因而非接觸式測(cè)量方法存在很大的應(yīng)用局限性[3-4]。本文中設(shè)計(jì)的壓載水測(cè)量?jī)x，針對(duì)傳統(tǒng)壓載水測(cè)量方法存在的問題，采用可編程單片機(jī)控制電機(jī)[5]，帶動(dòng)測(cè)量尺及含傳感器的尺錘完成自動(dòng)測(cè)量，其測(cè)量精度可以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。

圖1 差距測(cè)量法原理圖

2.1 測(cè)量?jī)x實(shí)體結(jié)構(gòu)

壓載水測(cè)量?jī)x實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，滑環(huán)將圓周運(yùn)動(dòng)的線纜與軸向運(yùn)動(dòng)線纜相連，將電信號(hào)無損傳送到后續(xù)電路中；電氣箱內(nèi)部封裝控制電路板、剎車步進(jìn)電機(jī)、電池等裝置；光柵孔及測(cè)速傳感器用于測(cè)量尺帶下降的即時(shí)速度[7-8]以計(jì)算液位深度。

1-傳感器尺錘; 2-鋼尺電纜; 3-過孔滑環(huán); 4-尺盤; 5-測(cè)速傳感器; 6-光柵孔; 7-儀表盤; 8-電氣箱

圖2 壓載水測(cè)量?jī)x實(shí)體結(jié)構(gòu)圖

Fig. 2 Entity structure diagram of ballast water instrument

傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由銅套結(jié)構(gòu)件配合傳感器裝配件組成，電極傳感器嵌套在裝配件外部，裝配件內(nèi)部則包裹距離傳感器及線束接線端子，距離傳感器采用了傳感器元件配合機(jī)械聯(lián)動(dòng)的模式，以防止傳感器下降過程中水浮力將金屬端子推向距離傳感探頭而產(chǎn)生錯(cuò)誤觸發(fā)信號(hào)。尺錘傳感器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1-電極傳感器; 2-距離傳感器(含機(jī)械聯(lián)動(dòng)); 3-尺錘銅套; 4-裝配件

2.2 儀器硬件設(shè)計(jì)

壓載水測(cè)量?jī)x的電氣硬件系統(tǒng)主要由可編程單片機(jī)、剎車步進(jìn)電機(jī)、各類傳感器及其附屬電路組成。其中，單片機(jī)是整個(gè)儀器的控制中心，所有人機(jī)交互的動(dòng)作、命令收集與處理都是由其完成，本設(shè)計(jì)采用的是STC12C5A60S2系列單片機(jī)芯片。該單片機(jī)是集高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾于一體的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8～12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、2路PWM、8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制、強(qiáng)干擾場(chǎng)合,在智能控制和檢測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[9-10]。系統(tǒng)硬件電氣結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件電氣結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 控制電路

控制電路是系統(tǒng)的核心部分，由單片機(jī)及外圍電路組成，用于完成整個(gè)系統(tǒng)的指令處理、信號(hào)生成和數(shù)據(jù)計(jì)算。單片機(jī)及溫度傳感器DS18B20引腳電路如圖5所示。

2.2.2 穩(wěn)壓檢測(cè)電路

穩(wěn)壓檢測(cè)電路用于將蓄電池的電能轉(zhuǎn)換，給系統(tǒng)各部分提供穩(wěn)定的輸入電源，并對(duì)電池電量實(shí)施監(jiān)測(cè)。穩(wěn)壓檢測(cè)電路如圖6所示。

2.2.3 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路用于根據(jù)單片機(jī)的控制信號(hào)提供電機(jī)所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以完成電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和調(diào)速，進(jìn)而控制尺帶運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)測(cè)量功能。驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。

圖5 單片機(jī)主控制電路

圖6 穩(wěn)壓檢測(cè)電路

圖7 驅(qū)動(dòng)電路

2.2.4 按鍵電路

按鍵電路用于完成測(cè)量?jī)x的人機(jī)交互，包括控制尺帶升降、停止等功能的控制按鍵，和實(shí)現(xiàn)計(jì)算功能的計(jì)算單元按鍵。單片機(jī)通過P0和P2兩套I/O端口，完成對(duì)按鍵的掃描。按鍵電路如圖8所示。

2.2.5 測(cè)深電路

液深測(cè)量所用傳感器集成在尺錘中，包含一個(gè)電極傳感器和一個(gè)距離傳感器，是整個(gè)儀器的觸覺神經(jīng)，分別用于對(duì)尺錘觸及水面和觸及艙底瞬間進(jìn)行觸發(fā)，進(jìn)而獲得空距高度a和測(cè)量水艙總高度b。測(cè)深電路如圖9所示。

圖8 按鍵電路

圖9 測(cè)深電路

2.2.6 測(cè)速電路

測(cè)速電路通過光電測(cè)速傳感器與光柵孔的配合，對(duì)尺帶運(yùn)行速度進(jìn)行測(cè)量，然后通過設(shè)定相應(yīng)算法自動(dòng)求得所需計(jì)量的液位深度，測(cè)速電路如圖10所示。

圖10 測(cè)速電路

2.2.7 其他外圍電路

其他主要外圍電路還包含LCD顯示屏電路、狀態(tài)指示燈電路、報(bào)警電路、及外界時(shí)鐘電路。12864顯示屏用于直觀顯示測(cè)量數(shù)據(jù)和系統(tǒng)參數(shù)，狀態(tài)指示燈電路用于顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，報(bào)警電路用于提示測(cè)量事件觸發(fā)，外界時(shí)鐘電路用以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。主要外圍電路如圖11所示。

圖11 主要外圍電路

2.3 儀器軟件框架

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)程序采用Keil軟件開發(fā)并寫入單片機(jī)ROM,配合系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)儀器測(cè)量功能，其程序整體結(jié)構(gòu)框架如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

由圖12分析可知，控制模塊是系統(tǒng)程序的核心部分，主要用于儀器主體功能的實(shí)現(xiàn)，如電機(jī)的正反向轉(zhuǎn)動(dòng)、調(diào)速和鎖止，系統(tǒng)狀態(tài)的設(shè)置、顯示、提醒和報(bào)警，以完成儀器的整體測(cè)量流程；數(shù)據(jù)采集模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)所需測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和處理，以完成后續(xù)的存儲(chǔ)和計(jì)算；運(yùn)算模塊用于設(shè)置算法和數(shù)據(jù)規(guī)則，根據(jù)各傳感器傳送的數(shù)據(jù)對(duì)液位深度進(jìn)行計(jì)算；顯示模塊用于完成對(duì)顯示屏的設(shè)置和讀寫操作，以實(shí)現(xiàn)在LCD顯示屏上顯示測(cè)量所得的各項(xiàng)信息和數(shù)據(jù)；輸入模塊用于完成系統(tǒng)對(duì)按鍵的掃描，以完成外界指令輸入，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)功能。系統(tǒng)運(yùn)行簡(jiǎn)要流程如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)測(cè)量流程圖

3 儀器應(yīng)用評(píng)價(jià)

通過在水尺計(jì)重工作中進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)顯示，壓載水測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果與人工多次測(cè)量后的平均值差異均在2 cm之內(nèi)，同時(shí)在測(cè)量效率上相比傳統(tǒng)測(cè)量方式具有較大優(yōu)勢(shì)，縮短作業(yè)時(shí)長均達(dá)到一半以上，試驗(yàn)效果良好。表1為壓載水測(cè)量?jī)x與傳統(tǒng)人工測(cè)量的時(shí)效性試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的便攜式壓載水快速測(cè)量?jī)x采用機(jī)電自主測(cè)量的方式對(duì)船舶壓載水液深實(shí)施計(jì)量，實(shí)現(xiàn)了從測(cè)量到計(jì)算的全程自動(dòng)化，避免了人工和環(huán)境干擾，其測(cè)量方法科學(xué)，測(cè)量過程高效便利。多次模擬和實(shí)地對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，該壓載水測(cè)量?jī)x的運(yùn)用切實(shí)提高了壓載水計(jì)量工作的準(zhǔn)確性和工作效率，能夠大大提高水尺計(jì)重的智能化水平，有效提升工作效能，進(jìn)而可以減少裝卸貨船舶滯港時(shí)間，加快碼頭作業(yè)流轉(zhuǎn)，促進(jìn)口岸貿(mào)易便利化發(fā)展，為企業(yè)、船方和港口創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。