傳感器儲(chǔ)油罐液位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)課程傳感器課程設(shè)計(jì)題目儲(chǔ)油罐液位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)班級(jí)學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師2013年7月16日任務(wù)書課程傳感器課程設(shè)計(jì)儲(chǔ)油罐液位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)題目學(xué)號(hào)專業(yè)姓名主要內(nèi)容：在考慮了各種液位測(cè)量方本文主要是針對(duì)類似油罐等封閉式液體的 液位的測(cè)量，式后，根據(jù)前文所述，決定要超聲波作為主要手段，采用脈沖回波 測(cè)量法。綜合運(yùn)用繪出硬件電路設(shè)計(jì)控制電路。傳感器的基本原理繪出裝配草圖， 選擇合適的傳感器，對(duì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確認(rèn)元器件的工作電流、電壓、頻率和 功耗等參數(shù)能滿足電 圖 路指標(biāo)的要求，最終完成對(duì)儲(chǔ)油罐液位的測(cè)量?；疽螅?利用已學(xué)不同種類傳感器，設(shè)計(jì)儲(chǔ)油罐液位測(cè)量電路。2、最終完

2、成對(duì)儲(chǔ)油罐液位的測(cè)量。主要參考資料：.2004黃賢武，鄭筱霞傳感器原理與應(yīng)用M.成都：電子科技大學(xué)出版社,1 2005.8楊洋.電子制作一電子電路設(shè)計(jì) 與制作M.北京：科學(xué)出版社，2 M.北京：高等教育出版社，1957.8.圖書館目 錄3劉國鈞，陳紹業(yè)，王鳳翥.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,.20104施文康，余曉 芬.檢測(cè)技術(shù)M2013.7.16 完成期限 2013.7.12指導(dǎo)教師專業(yè)負(fù)責(zé)人2013年7 16月曰傳感器課程設(shè)計(jì)超聲波液位測(cè)量是一種非接觸式的測(cè)量方式，它是利用超聲波在同種介質(zhì)中傳播 速度相對(duì)恒定以及碰到障礙物能反射的原理研制而成的。與其它方法相比（如電磁的或光學(xué)的方法）,它不受光線、

3、被測(cè)對(duì)象顏色的影響，對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、 有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此，研究 超聲波在高精度測(cè)距系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。試設(shè)計(jì)儲(chǔ)油罐（圓柱體型）液位、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)現(xiàn)采用的油罐測(cè)量技術(shù)作對(duì)比，選用合適的測(cè)量技術(shù)，保證原油儲(chǔ)罐的安全， 降低勞動(dòng)強(qiáng)度，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。儲(chǔ)油罐；液位測(cè)量；儀表；現(xiàn)狀關(guān)鍵詞:傳感器課程設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)要求1二、:方案設(shè)計(jì) 11、方案一 12、方案二23、方案三2三、傳感器工作原理 3四、超聲波測(cè)液位電路圖 錯(cuò)誤！未定義書簽1、 發(fā)射裝置52、 接收裝置6五、超聲波測(cè)液位參數(shù)選擇 61、總體描述62、參數(shù)計(jì)算73、器件選

4、擇 74、 系統(tǒng)需要的元器件清單7六、總結(jié)傳感器課程設(shè)計(jì)儲(chǔ)油罐液位檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)要求一儲(chǔ)油罐儲(chǔ)油罐是儲(chǔ)存油品的重要設(shè)備，采油煉油企業(yè)眾多，我國石油資源豐富液位的精確計(jì)量對(duì)生產(chǎn)廠庫 存管理及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響很大。但國內(nèi)許多反應(yīng)罐、大其他參數(shù)的測(cè)定也沒有實(shí),型儲(chǔ)油罐的液位計(jì)量仍采用人工檢尺和分析化驗(yàn)的方法無法為生產(chǎn)操作和管理 決策提供準(zhǔn)確的依，行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量,這樣易引發(fā)安全事故可以方便了解生，實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè)儲(chǔ)油罐液位、溫度等參數(shù)據(jù)。采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)保障安全平穩(wěn)生產(chǎn)。 試設(shè)計(jì)儲(chǔ)油罐（圓及時(shí)監(jiān)視、控制容器液位及溫度等 ，產(chǎn)狀況。柱體型）液位 的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 二、方案設(shè)計(jì) 目前國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用

5、間接的液位 測(cè)量方法，如浮子式、液壓式、電容法、超聲波法、磁致伸縮式、光纖等。1、方案一在光通信研究中發(fā)現(xiàn)，光纖受外界環(huán)境因素的影響，如壓力、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng) 等環(huán)境條件變化時(shí)，將引起光纖傳輸?shù)墓獠浚绻鈴?qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)等 改變。如果能測(cè)量出光波變化的信息，就可以知道導(dǎo)致這些光波量變化的壓力、 溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等物理量的大小，于是就出現(xiàn)了光纖傳感器技術(shù)。光纖傳感器 的信號(hào)載體是在光纖中傳輸?shù)墓?，而光纖本身是一種介質(zhì)材料，這就賦予了光纖 傳感器具有一些常規(guī)傳感器無可比擬的優(yōu)點(diǎn)， 如靈敏度高、響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)范 圍大、防電磁干擾、超高壓絕緣、無源性、防燃防爆、適用于遠(yuǎn)距離遙測(cè)、多路 系統(tǒng)無

6、地回路“串音”千擾、體積小、機(jī)械強(qiáng)度大、可靈活柔性撓曲、材料資源 豐富、成本低等。1傳感器課程設(shè)計(jì)被測(cè)對(duì)象光光導(dǎo)纖敏感元被測(cè)對(duì)象1方案一原理框圖圖2、方案二差壓法測(cè)液位廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)過程，但在當(dāng)被測(cè)液的密度隨環(huán)境變化而變化的情況下，差壓法測(cè)液位的誤差很大，針對(duì)上述問題有人提出采用溫 度補(bǔ)償法，但由于石油原油的組成成分復(fù)雜，各煉油廠提供的石油組分差異很大， 甚至同廠2不同批次的石油物性參數(shù)也不一致，因此采用溫度補(bǔ)償法有一定的 難度。UP U2x0X2法除液AD631液位H差壓傳感器 P/V轉(zhuǎn)換PU x定液位H0器1U0位 顯 示Ulxh P/V 轉(zhuǎn)2差壓傳感器AD63換圖2方案二原理框圖3、方

7、案三2傳感器課程設(shè)計(jì)總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類 是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械 方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波 特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。聲學(xué)式物位檢測(cè)方法就是利用超聲波的性質(zhì)，通過測(cè)量聲波從發(fā)射至接收到被測(cè) 物位界面所反射的回波的時(shí)間間隔來確定物位的高低超聲波發(fā)射器被置于容器 底部，當(dāng)它向液面發(fā)射短促的脈沖時(shí)，在液面處產(chǎn)生反射，回波被超聲接收器接 收。若超聲發(fā)射器和接收器到液面的距離為 H，聲波在液體中的傳播速度為 v， 則有

8、如下簡單關(guān)系：ivtH(1)2門控電路整形、濾波放大40KHZ震蕩頻率超聲波接收超聲波發(fā)射單片機(jī)3圖方案三原理框圖通過方案比較，由于方案三的抗干擾能力較強(qiáng)，不與介質(zhì)接觸無可動(dòng)部件，工作 十分可靠，故障率低，適應(yīng)范圍廣。尤其適告高粘度、高腐蝕性介質(zhì)的液位測(cè)量； 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波有兩個(gè)壓電 晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩 頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如 果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振。動(dòng), 將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了三、

9、傳感器工作原理超聲波測(cè)距原理是超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波， 在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始 計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器 3 傳感器課程設(shè)計(jì)收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（s）,即：s=340t/2。超聲波 的接收和發(fā)射是基于壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。 具有壓電效應(yīng)的壓電晶體在受到聲 波聲壓的作用時(shí)，晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生與聲壓變化同步的電荷，從而把聲波（機(jī)械能）轉(zhuǎn)換成電能；反之，如果將交變電壓加在晶體兩個(gè)端面的極上，沿著晶體厚 度方向?qū)a(chǎn)生與所加交變電壓同頻率的機(jī)械振動(dòng)，向外發(fā)

10、射聲波，實(shí)現(xiàn)了電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。因此，用作超聲發(fā)射和接收的壓電晶體也稱換能器。（a液介式， 探頭固定安裝在液體中最低液位之下。（b）氣介式，探頭安裝在最高液位之上的 空氣或其它氣體中。（c）固介式，把一根傳聲固體棒插入液體中，上端要高出最 高。液位之上，探頭安裝在傳聲固體棒的上端(b )( c)(a)(b)(c )圖4超聲波測(cè)距原理圖 四、超聲波測(cè)液位的電路圖UM IISRl INLJ?KK)R2Y1 UM2葉接收n455KcR4 WJ RS"1 T輸 TLR>NOT-C2丄i 4 3 2 O P CO才圖5超聲波測(cè)液位電路圖4傳感器課程設(shè)計(jì)1、發(fā)射裝置超聲波發(fā)射單元包括振蕩

11、電路和驅(qū)動(dòng)電路.振蕩電路是由2塊555集成電路組成， IC1（ 555）組成超聲波脈沖信號(hào)發(fā)生器它產(chǎn)生 40 kHz的方波脈沖電路如圖6（ a） 所示電路圖7中第二級(jí)反相器輸出的電壓由 RA （3K電阻和滑動(dòng)變阻器）的調(diào) 節(jié)，可以改變輸入到第一級(jí)反相器輸入端的相位.當(dāng)相位達(dá)到同相時(shí)，實(shí)現(xiàn)正反饋，就成了穩(wěn)定的振蕩器振蕩周期公式為 T=2.2X RA X C當(dāng)RB足夠大時(shí)， 第一級(jí)反相器的輸入電流可忽略不計(jì).由于超聲波換能器中心頻率都有偏差， 所 以RB采用電位計(jì)，可以調(diào)節(jié)到最佳諧振點(diǎn)，這也是不用單片機(jī)產(chǎn)生方波的原 因.電路中IC1和IC2同時(shí)得到相位相反的2路控制脈沖，提供給驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng) 控制采

12、用了 L293型直流電機(jī)PW碉速芯片，它內(nèi)部的H橋電路可以產(chǎn)生相位相 反的兩路脈沖.驅(qū)動(dòng)電路的直流電源電壓可以改變， 以適應(yīng)不同傳感器對(duì)電壓的 要求.振蕩電路中產(chǎn)生方波的兩端，分別接到驅(qū)動(dòng)電路3OUTA、3OUTBB 端.控 制輸出電路中輸出使能同。端，由單片機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)對(duì)其控制幣coz77 zTWTz圖6超聲波測(cè)液位發(fā)射裝置電路圖圖7超聲波測(cè)液位發(fā)射裝置電路圖5傳感器課程設(shè)計(jì)2、接收裝置超聲波接收單元中包括：模擬放大、濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路，如圖8所示.模擬放大器選用高精度儀用放大器 LM318作為信號(hào)放大與濾波之用，它的單位增益帶寬為15 MHz，超出音頻范圍能夠滿足40 kHz的要求。

13、在放大電路的負(fù)反饋 回路中接入電容C1構(gòu)成低通濾波器電容的選擇可由公式。求出f為采用的超聲波頻率.因?yàn)槎嘀C振蕩器中有高頻分量噪聲，所以通過低通濾波器將高頻噪聲 濾掉經(jīng)過2極放大后，通過電容耦合，信號(hào)與參考電壓比較產(chǎn)生高低電平，經(jīng) 過控制部分由單片產(chǎn)生7-8個(gè)周期的高電平，經(jīng)過放大器驅(qū)動(dòng)后，經(jīng) GaAs發(fā)光 二極管(LED)把信號(hào)發(fā)射出去，在信號(hào)控制端I/V轉(zhuǎn)換后，控制L293來產(chǎn)生40KHz 的。超聲波超聲波測(cè)液位接收裝置電路圖8圖五、超聲波測(cè)液位參數(shù)選擇、總體描述1組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。低IC1555超聲波發(fā)生電路為超聲波發(fā)生電 路。雙定時(shí)器得到負(fù)尖頂脈沖，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。3AOU電平變成

14、正負(fù)尖頂脈沖，經(jīng)過組成多諧。IC25551R5C5 1 ms.,即單穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)輸出的高電平持 續(xù)約1mstg 1。該振蕩器振蕩受單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電平 40 kHz振蕩器，接地電 阻振蕩頻率f1"輸3IC2555的引腳控制。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平時(shí)，多諧振 蕩器產(chǎn)生振蕩，的矩形脈沖?？紤]到多諧振蕩器起振階段50%個(gè)頻率為4040 kHz、 占空比約出約脈沖數(shù)較多。若輸出脈沖數(shù)太少，貝U發(fā)射強(qiáng)度小，測(cè)量距不穩(wěn)定， 因此設(shè)計(jì)輸m離短。但脈沖數(shù)過多，發(fā)射持續(xù)時(shí)間長，在距離被測(cè)物較近時(shí)，脈 沖串尚未發(fā)射完，這樣導(dǎo)致先發(fā)射出的脈沖產(chǎn)生的回波將到達(dá)接收端，影響測(cè)距結(jié)果，造成測(cè)距盲區(qū)增大。超聲波脈沖

15、驅(qū)動(dòng)電路，可提高驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送傳感器 的脈沖電壓幅6 傳感器課程設(shè)計(jì)值，有效進(jìn)行電/聲轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)發(fā)射超聲波的能力，增大測(cè)量距離。40 kHz脈沖串m。的一路經(jīng)反相器，再經(jīng)由并聯(lián)的反相器反相；其另一路經(jīng)南并聯(lián)的反相器反相2、參數(shù)計(jì)算:RA發(fā)射裝置由兩塊555集成電路組成。IC1 (555)組成超聲波脈沖信號(hào)發(fā)生器，工 作周期計(jì)算公式如下，實(shí)際電路中由于元器件等誤差，會(huì)有一些差別。條件=9.1M Q、 RB=0K Q、 C=0.6 RB C =1 msecTL =(2)0.6 (RA RB) C= 64 msecTH =(3)IC2組成超聲波載波信號(hào)發(fā)生器。由IC1輸出的脈沖信號(hào)控制，輸出1ms頻

16、率 40kHz，占空比50%的脈沖，停止64ms。計(jì)算公式如下：條件：ra =1.5K q、rb=K Q0.6 RB C = 10 卩 secTL =(4)0.6 (RA RB) C= 11 卩 secTH =(5)1 f = 46.0 KHz(6)TH TL3、器件選擇R1,R3,R4選用普通電阻，起限流的作用。R2選用1000K滑動(dòng)變阻器，調(diào)節(jié)接收 端信號(hào)。C1和C2選用100PF電解電容，作為晶振起電路電容。ICI和IC2均選 用NE555型時(shí)基集成電路。TCT40-10T和TCT40-10R分別為發(fā)送和接收裝置頭。超聲波接收頭和IC4組成超聲波信號(hào)的檢測(cè)和放大。反射回來的超聲波信號(hào)經(jīng)I

17、C4的2級(jí)放大1000倍(60dB)，第1級(jí)放大100倍(40dB)，第2級(jí)放大10倍(20dB)。由于一般的 運(yùn)算放大器需要正、負(fù)對(duì)稱電源，而該裝置電源用的是單電源(9V)供電，為保證其可靠工作，這里用R1和R2進(jìn)行分壓，這時(shí)在IC4的同相端有4.5V的中 點(diǎn)電壓，這樣可以保證放大的交流信號(hào)的質(zhì)量，不至于產(chǎn)生信號(hào)失真。倍壓檢波電路取出反射回來的檢測(cè)脈沖信號(hào)送至單片機(jī)進(jìn)行處理。信號(hào)比較、測(cè)量、計(jì)數(shù)和顯示電.路，即比較和測(cè)量從發(fā)出的檢測(cè)脈沖和該脈沖被反射回來的時(shí)間差。4、系統(tǒng)需要的元器件清單7傳感器課程設(shè)計(jì)表1元器件清單序號(hào)元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注1C1, C2100pF2晶振電容2Q1,

18、Q290124PNP3UN1TCT40-10T1發(fā)送頭4UN2TCT40-10R1接收頭5R1,R3,R41M3電阻6L1LED1指示燈7U5CX20106A1紅外接收8LR74LS045非門9B11.5V3電源10R21000K1滑動(dòng)變阻總、結(jié) 六、現(xiàn)在，超聲波液位計(jì)I物位儀的工業(yè)用途迅速擴(kuò)大。這個(gè)一度成本高昂卻不甚可靠的技術(shù)現(xiàn)在變得簡單易用， 價(jià)格低廉。超聲波物位儀現(xiàn)已常規(guī)用 于液位測(cè)量、流程監(jiān)控以提高產(chǎn)品質(zhì)量、檢測(cè)缺陷、確定有無以及其它方面。這 些傳感器還能減少由損壞部件產(chǎn)生的廢品，以及由此引起的停工時(shí)間，從而提高生產(chǎn)率。該項(xiàng)技術(shù)還沿著這個(gè)方向繼續(xù)研發(fā)新產(chǎn)品物位檢測(cè)的精度主要取決于超 聲

19、脈沖的傳。播時(shí)間和超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。 前者可用適當(dāng)?shù)碾娐愤M(jìn)行精 確測(cè)量，后者9。易受介質(zhì)溫度、成分等變化的影響，因此，需要采取有效的補(bǔ) 償措施通過本次傳感器課程設(shè)計(jì)對(duì)之前學(xué)過的各種傳感器原理與應(yīng)用有了進(jìn)一步深 刻的認(rèn)識(shí)，了解到了傳感器在人們?nèi)粘Ｉ钪械淖饔茫?而且還對(duì)超聲波測(cè)液位測(cè) 量電路進(jìn)行的深入的學(xué)習(xí)與研究。 提高了搜集資料，動(dòng)手動(dòng)能力以及主動(dòng)獨(dú)立的 學(xué)習(xí)能力。由于測(cè)量液位時(shí)采用了超聲波傳感器，這部分需要消耗較大的功率在， 光推動(dòng)部分不一定能產(chǎn)生足夠大的功率使得傳感器電路正常工作，從而影響測(cè)量精度。采用差壓傳感器用來測(cè)溫的，這部分可以用來借鑒，采用差壓傳感器測(cè)溫 后可以有效的減小電路中功率的消