現(xiàn)代傳感器與檢測技術課程設計

1、基于應變傳感器的罐內(nèi)液體基于應變傳感器的罐內(nèi)液體重量測量系統(tǒng)的改進重量測量系統(tǒng)的改進 課程：現(xiàn)代傳感器與檢測技術 時間 ：2017.1.6 報告人 ：Linsanity 學號 ： 17設計背景設計背景010203050604 Content 目錄理論依據(jù)理論依據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理可行性分析可行性分析設計不足設計不足ontent設計背景設計背景1 設計背景 近年來，隨著石油工業(yè)的發(fā)展，石化部門對油罐自動計量技術也越來越重視。油罐液位監(jiān)控計量系統(tǒng)主要實現(xiàn)對庫區(qū)油罐存儲油品和民用提提無聊狀態(tài)的監(jiān)測，提供實時存儲油品的狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)對油罐存儲環(huán)境狀態(tài)進行安全監(jiān)測。將計量

2、油品收發(fā)及存儲中的產(chǎn)品數(shù)量，作為油罐作業(yè)中計量和帳務管理的依據(jù)，為產(chǎn)品決策提供及時、準確的信息，杜絕庫區(qū)跑、冒、滴、漏情況的出現(xiàn)。 除石油外，液化氣、汽油等液體物料與我們生活息息相關，但因罐裝的緣故，無法確切完成對液體剩余量的計量監(jiān)測。盡管液高測量具備一定的監(jiān)測意義，但因刻度標定復雜且不易讀數(shù)等原因，很少用作罐裝液體的監(jiān)測計量。對于液體使用使用情況的分析，監(jiān)測液體的重量或質(zhì)量，更具現(xiàn)直觀意義。 設計背景 從自動化計量方法看，目前國外主要采用以下三種方法： 檢尺法 檢尺法和液位法都須要進行液體高度的測量，對于密閉罐裝液體，該方法并不適用 靜壓法 靜壓法是利用壓力傳感器（變送器）測量罐內(nèi)液體的靜壓

3、力，根據(jù)儲罐幾何參數(shù)計算出容量 和重量 液位法 液位法是通過測量罐內(nèi)液體的液位高度及密度等參數(shù)，來獲得罐內(nèi)儲液的容量及重量 設計背景 基于原理討論，雖然靜壓法也須要要測量物料液高，擔由于內(nèi)置傳感器的穩(wěn)定測量屬性，使得液體深度與某些測量參數(shù)，比如液體壓強呈現(xiàn)穩(wěn)定的函數(shù)關系。將物理信號轉(zhuǎn)化成電信號，處理單元做質(zhì)量或重量換算，輸出端完成數(shù)值輸出，簡單易行 針對敞口的罐裝液體物料，由于不同海拔、不同天氣、不同氣候下的大氣壓力不盡相同，導致基于壓力傳感測量的靜壓法存在一定的測量風險。本文在基于靜壓法的基礎上，對傳統(tǒng)罐裝液體重量測量方案進行了一定改進獲取、分析、處理氣壓差動信號，消除了因外界氣壓或罐內(nèi)氣壓

4、導致的測量誤差ontent理論依據(jù)理論依據(jù)2 理論依據(jù) 電位器式傳感器 電位器式傳感器又稱變阻器傳感器，他其工作原理可以表示為均勻截面導體的電阻計算公式 由物理學可知，其電阻為： 電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器是利用電阻應變片將被測物理量（如應變、力、位移、加速度、扭矩等）轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器， 當電阻絲受到拉力F作用時：AlRdRdAARdllRdR)2(drdrldlRdRdrdrldlRdR2 理論依據(jù) 電橋電路 調(diào)節(jié)橋臂上某些元件的參數(shù)值，使指零儀器的兩端電壓為零，此時電橋達到平衡。利用電橋平衡方 程R1R3=R2R4，即可根據(jù)橋臂中已知元件的數(shù)值求得被測元件的參量 (如電阻、電

5、感和電容)。 當橋臂應變片受到壓力作用，其電阻發(fā)生變化，只是輸出端電壓也發(fā)生變化。當電橋輸出端接有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以認為電橋的負載電阻無窮大，這是電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達式為： 大量實驗和推理證明，當R遠小于R時，電橋的輸出電壓與應變 程度成線性關系，這一屬性量在工程上被稱為傳輸系數(shù)A，即：ioURRRRRRRRU)(43214231APU 理論依據(jù) 當罐內(nèi)倒入液體，由于壓力變化，R1阻值發(fā)生改變，有電壓信號輸出。得出輸出電壓： 對于等截面的的柱體容器，有： 聯(lián)立上式，得到容器內(nèi)感壓膜上的液體重量與電橋的輸出電壓之間的關系： 上式表明

6、電橋輸出電壓與柱形容器內(nèi)液重呈線性關系，因此可以測得容器內(nèi)存儲液體的重量，得到測量液重的數(shù)學表達式： ghAAPUOSGgh SAGUOASUGO 理論依據(jù) 使用相同的電橋測量電路，將其置于液體以上的氣體環(huán)境中，用于與罐底相同的測量方法得出由氣壓引起的電壓輸出信號，通過二次差動以消除氣壓對測量結(jié)果的影響，完成輸入端的結(jié)構(gòu)改進。 由氣壓引起的電橋輸出電壓： 真實的電橋差動輸出電壓： 得到液重的數(shù)學表達式： 氣APUOASUSPGO真氣氣差APSAGUUUOOOontent結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理3 結(jié)構(gòu)原理 結(jié)構(gòu)原理 信號獲取單元功能在于獲取液壓和氣壓初始數(shù)據(jù)。由兩個具有應變電阻結(jié)構(gòu)的雙臂電橋組成。 電

7、橋A置于罐底，將液壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵漭敵?。應變電阻a置于液體物料，外側(cè)包裝感壓膜；應變電阻b置于電路內(nèi)部；剩余兩個定值電阻置于電路內(nèi)部。 電橋B置于液面上的氣體中，將氣壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑵漭敵?。應變電阻a置于氣體中，外側(cè)包裝感壓膜；應變電阻b置于電路內(nèi)部；剩余兩個定值電阻置于電路內(nèi)部。 兩個具備應變傳感作用的電橋器件的制作工藝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同。ontent系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理3 系統(tǒng)工作原理罐內(nèi)液體重量測量系統(tǒng)主要分為信號輸入模塊、信號處理模塊和信號輸出模塊。各模塊工作過程分別為： 信號輸入模塊：采集液壓和氣壓信號，進行反相相去噪處理后，為信號處理單元提供可靠輸入； 信號處理模

8、塊：模擬-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，微處理器靠內(nèi)置算法和程序完成液重計算和信號輸出； 信號輸出模塊：輸出并顯示液重值。ontent可行性分析可行性分析5 可行性分析 功能可行性分析： 本設計在基于傳統(tǒng)靜壓法測量罐內(nèi)液體物料重量的基礎上，增加了氣壓測量模塊，加以分析、 計算、處理，消除了氣壓對測量液重的不確定影響。保留了原系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，因此增加差 動處理的部分更有益于對實際量值的測量，仍具備液重測量的功能。 技術可行性分析 電橋電路是基于應變結(jié)構(gòu)的電阻式傳感器，在建筑、醫(yī)療、航空、電力、機械等領域有著廣 泛而成熟的應用，因此作為設計主體部分的電橋傳感部分不存在技術難題。 經(jīng)濟可行性分析 本設計在傳統(tǒng)測量方

9、案的基礎上重新設計和增加了電橋電路及外圍差動模塊，成本低廉，不 存在經(jīng)濟問題。 外在屬性特征：便攜，時尚，可非接觸監(jiān)測 結(jié)論：產(chǎn)品具有競爭力，可以進行市場推廣 可行性分析風險分析： 液壓強度： 由于電橋電路被裝備于罐底，需要承受一定的液體壓強。當罐內(nèi)液體到達一定高度，底部傳感器存 在因壓強過大而損壞的風險； 差動連接電路 由于兩電橋電路被裝備于完全不同的測量環(huán)境，需要外圍電路將兩者連接才能實現(xiàn)后續(xù)的信號輸出。 因此在液體中或者懸置或者采用玻璃、塑料保護包裝措施的連接電路，都存在因被內(nèi)部液體物料浸 入造成電路損壞的風險。 結(jié)論： 本設計具備一定的可行性，但對于部分液面極高的罐裝液體的重力測量，仍

10、存在一定的風險。ontent設計不足設計不足6 設計不足 非柱體儲存罐對測量的影響 由于應變電橋的傳遞系數(shù)是基于柱狀罐體容器的數(shù)據(jù)擬合而成，所以對于圓臺等非柱體儲存罐貯存 的液體物料，不具備測量意義 液體深度對測量的影響 由于電橋電路被裝備于罐底，需要承受一定的液體壓強。當罐內(nèi)液體到達一定高度，底部傳感器存 在因壓強過大而損壞的風險； 差動電路連接對測量的影響 由于兩電橋電路被裝備于完全不同的測量環(huán)境，需要外圍電路將兩者連接才能實現(xiàn)后續(xù)的信號輸出。 因此在液體中或者懸置或者采用玻璃、塑料保護包裝措施的連接電路，都存在因被內(nèi)部液體物料浸 入造成電路損壞的風險。 參考文獻1石書喜,王建華. 儲罐內(nèi)液體的數(shù)量計量J. 計量技術,2000,08:29-31. 2章勁武. 裝有玻璃管液面計的臥罐內(nèi)液體體積的計算方法J. 油田地面工程,1992,01:49-53+4.3喬學光,李