船舶壓載水快速測量儀的設計與應用研究

王 洋， 郭寶誠， 劉進濤

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

0 引 言

水尺計重是當前國內外大宗商品交易中貨物重量計量及貿易結算的主要方式之一，在貿易活動中發揮著越來越重要的作用。在水尺計重過程中，船舶壓載水的測量環節至關重要，是確保計重結果準確的前提和基礎[1]。目前，普遍采用的壓載水測量方法主要是以手工測得方式獲取液深數據。在該測量模式下，測量結果受測量者主觀因素影響較大，測量準確性差且效率低下。為此，設計了一種壓載水快速測量裝置，該裝置以微處理器和傳感器為主要部件，能夠自動完成測量操作和計算，進而有效減輕測量操作人員勞動強度，大幅減少人為主觀誤差，提高測量準確度和工作效率。

1 設計思路及測量原理

傳統的壓載水測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，觀測尺帶上水痕位置確定水位深度。若尺帶上水痕不清晰時，需要擦干并抹上巧粉或試水膏再次觀測。在確認尺錘觸底的過程中，上下拉動尺帶容易造成水位的上下波動[2]，致使水痕虛高。水痕不清晰時多次測量結果不一，會導致測量準確性差，工作效率低下。

本文設計的測量儀采用差距測量法，即先測量出壓載水液面到測量基準點的距離a，然后測量出壓載艙底部到測量基準點的距離b，計算差值則為壓載艙中壓載水的深度c，即c=b-a。差距測量法消減了測量尺帶在測量管下降過程中所排開的壓載水波動而造成的水痕虛高，有效減小了測量誤差，其測量原理如圖1所示。

2 設計方案

液位深度測量一般有接觸式和非接觸式測量等方法，由于壓載水測量管道的結構特殊性，使用超聲波等非接觸式測量方法可能導致測量信號的誤觸發進而造成較大的測量誤差，且測量管道總高往往并不能準確預知，因而非接觸式測量方法存在很大的應用局限性[3-4]。本文中設計的壓載水測量儀，針對傳統壓載水測量方法存在的問題，采用可編程單片機控制電機[5]，帶動測量尺及含傳感器的尺錘完成自動測量，其測量精度可以滿足相關標準要求[6]。

圖1 差距測量法原理圖

2.1 測量儀實體結構

壓載水測量儀實體結構如圖2所示。其中，滑環將圓周運動的線纜與軸向運動線纜相連，將電信號無損傳送到后續電路中；電氣箱內部封裝控制電路板、剎車步進電機、電池等裝置；光柵孔及測速傳感器用于測量尺帶下降的即時速度[7-8]以計算液位深度。

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

圖2 壓載水測量儀實體結構圖

Fig. 2 Entity structure diagram of ballast water instrument

傳感器系統結構由銅套結構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械聯動的模式，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生錯誤觸發信號。尺錘傳感器結構如圖3所示。

1-電極傳感器; 2-距離傳感器(含機械聯動); 3-尺錘銅套; 4-裝配件

2.2 儀器硬件設計

壓載水測量儀的電氣硬件系統主要由可編程單片機、剎車步進電機、各類傳感器及其附屬電路組成。其中，單片機是整個儀器的控制中心，所有人機交互的動作、命令收集與處理都是由其完成，本設計采用的是STC12C5A60S2系列單片機芯片。該單片機是集高速、低功耗、超強抗干擾于一體的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051,但速度快8～12倍，內部集成MAX810專用復位電路、2路PWM、8路高速10位A/D轉換，針對電機控制、強干擾場合,在智能控制和檢測等領域有著廣泛的應用[9-10]。系統硬件電氣結構如圖4所示。

圖4 系統硬件電氣結構圖

2.2.1 控制電路

控制電路是系統的核心部分，由單片機及外圍電路組成，用于完成整個系統的指令處理、信號生成和數據計算。單片機及溫度傳感器DS18B20引腳電路如圖5所示。

2.2.2 穩壓檢測電路

穩壓檢測電路用于將蓄電池的電能轉換，給系統各部分提供穩定的輸入電源，并對電池電量實施監測。穩壓檢測電路如圖6所示。

2.2.3 驅動電路

驅動電路用于根據單片機的控制信號提供電機所需的驅動信號，以完成電機的轉動和調速，進而控制尺帶運動以實現測量功能。驅動電路如圖7所示。

圖5 單片機主控制電路

圖6 穩壓檢測電路

圖7 驅動電路

2.2.4 按鍵電路

按鍵電路用于完成測量儀的人機交互，包括控制尺帶升降、停止等功能的控制按鍵，和實現計算功能的計算單元按鍵。單片機通過P0和P2兩套I/O端口，完成對按鍵的掃描。按鍵電路如圖8所示。

2.2.5 測深電路

液深測量所用傳感器集成在尺錘中，包含一個電極傳感器和一個距離傳感器，是整個儀器的觸覺神經，分別用于對尺錘觸及水面和觸及艙底瞬間進行觸發，進而獲得空距高度a和測量水艙總高度b。測深電路如圖9所示。

圖8 按鍵電路

圖9 測深電路

2.2.6 測速電路

測速電路通過光電測速傳感器與光柵孔的配合，對尺帶運行速度進行測量，然后通過設定相應算法自動求得所需計量的液位深度，測速電路如圖10所示。

圖10 測速電路

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、狀態指示燈電路、報警電路、及外界時鐘電路。12864顯示屏用于直觀顯示測量數據和系統參數，狀態指示燈電路用于顯示系統運行狀態，報警電路用于提示測量事件觸發，外界時鐘電路用以提供系統所需的時鐘頻率。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

本系統所設計程序采用Keil軟件開發并寫入單片機ROM,配合系統硬件實現儀器測量功能，其程序整體結構框架如圖12所示。

圖12 系統軟件結構圖

由圖12分析可知，控制模塊是系統程序的核心部分，主要用于儀器主體功能的實現，如電機的正反向轉動、調速和鎖止，系統狀態的設置、顯示、提醒和報警，以完成儀器的整體測量流程；數據采集模塊用于實現對所需測量數據的采集和處理，以完成后續的存儲和計算；運算模塊用于設置算法和數據規則，根據各傳感器傳送的數據對液位深度進行計算；顯示模塊用于完成對顯示屏的設置和讀寫操作，以實現在LCD顯示屏上顯示測量所得的各項信息和數據；輸入模塊用于完成系統對按鍵的掃描，以完成外界指令輸入，實現人機互動功能。系統運行簡要流程如圖13所示。

圖13 系統測量流程圖

3 儀器應用評價

通過在水尺計重工作中進行對比試驗顯示，壓載水測量儀的測量結果與人工多次測量后的平均值差異均在2 cm之內，同時在測量效率上相比傳統測量方式具有較大優勢，縮短作業時長均達到一半以上，試驗效果良好。表1為壓載水測量儀與傳統人工測量的時效性試驗對比數據。

4 結束語

本文設計的便攜式壓載水快速測量儀采用機電自主測量的方式對船舶壓載水液深實施計量，實現了從測量到計算的全程自動化，避免了人工和環境干擾，其測量方法科學，測量過程高效便利。多次模擬和實地對比試驗結果表明，該壓載水測量儀的運用切實提高了壓載水計量工作的準確性和工作效率，能夠大大提高水尺計重的智能化水平，有效提升工作效能，進而可以減少裝卸貨船舶滯港時間，加快碼頭作業流轉，促進口岸貿易便利化發展，為企業、船方和港口創造可觀的經濟效益。