傳感器儲油罐液位檢測系統(tǒng)設(shè)計

-.z.東北石油大學課程設(shè)計課程課程傳感器課程設(shè)計題目儲油罐液位檢測系統(tǒng)設(shè)計院系專業(yè)班級學生**學生**指導教師2013年7月16日任務(wù)書課程傳感器課程設(shè)計題目儲油罐液位檢測系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)**主要容：本文主要是針對類似油罐等封閉式液體的液位的測量，在考慮了各種液位測量方式后，根據(jù)前文所述，決定要超聲波作為主要手段，采用脈沖回波測量法。綜合運用傳感器的根本原理繪出裝配草圖，選擇適宜的傳感器，設(shè)計控制電路。繪出硬件電路圖，對參數(shù)進展計算，確認元器件的工作電流、電壓、頻率和功耗等參數(shù)能滿足電路指標的要求，最終完成對儲油罐液位的測量。根本要求：1、利用已學不同種類傳感器，設(shè)計儲油罐液位測量電路。2、最終完成對儲油罐液位的測量。主要參考資料：[1]黃賢武，筱霞.傳感器原理與應(yīng)用[M].：電子科技大學,2004.[2]洋.電子制作—電子電路設(shè)計與制作[M].：科學,2005.8.[3]國鈞，紹業(yè)，王鳳翥.圖書館目錄[M].：高等教育,1957.8.[4]施文康，余曉芬.檢測技術(shù)[M].：機械工業(yè),2010.完成期限—2013.7.16指導教師專業(yè)負責人2013年7月16日-.z.摘要超聲波液位測量是一種非接觸式的測量方式,它是利用超聲波在同種介質(zhì)中傳播速度相對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(如電磁的或光學的方法),它不受光線、被測對象顏色的影響，對于被測物處于黑暗、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距系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。試設(shè)計儲油罐〔圓柱體型〕液位、溫度的實時監(jiān)測系統(tǒng)。對現(xiàn)采用的油罐測量技術(shù)作比照，選用適宜的測量技術(shù)，保證原油儲罐的平安，降低勞動強度，取得良好的經(jīng)濟效益。關(guān)鍵詞：儲油罐；液位測量；儀表；現(xiàn)狀目錄TOC\o"1-3"\h\u2168一、設(shè)計要求11617二、方案設(shè)計1132701、方案一 1175422、方案二 2234063、方案三215807三、傳感器工作原理323520四、超聲波測液位電路圖4173251、發(fā)射裝置 5208392、接收裝置 630146五、超聲波測液位參數(shù)選擇623751、總體描述6208372、參數(shù)計算 791413、器件選擇7216904、系統(tǒng)需要的元器件清單 74608六、總結(jié)8-.z.儲油罐液位檢測系統(tǒng)設(shè)計一、設(shè)計要求我國石油資源豐富,采油煉油企業(yè)眾多,儲油罐是儲存油品的重要設(shè)備,儲油罐液位的準確計量對生產(chǎn)廠庫存管理及經(jīng)濟運行影響很大。但國許多反響罐、大型儲油罐的液位計量仍采用人工檢尺和分析化驗的方法,其他參數(shù)的測定也沒有實行實時動態(tài)測量,這樣易引發(fā)平安事故,無法為生產(chǎn)操作和管理決策提供準確的依據(jù)。采用計算機自動監(jiān)測技術(shù),實時監(jiān)測儲油罐液位、溫度等參數(shù),可以方便了解生產(chǎn)狀況,及時監(jiān)視、控制容器液位及溫度等,保障平安平穩(wěn)生產(chǎn)。試設(shè)計儲油罐〔圓柱體型〕液位的實時監(jiān)測系統(tǒng)[1]。二、方案設(shè)計目前國外工業(yè)生產(chǎn)中普遍采用間接的液位測量方法，如浮子式、液壓式、電容法、超聲波法、磁致伸縮式、光纖等。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、磁場等環(huán)境條件變化時，將引起光纖傳輸?shù)墓獠?，如光強、相位、頻率、偏振態(tài)等改變。如果能測量出光波變化的信息，就可以知道導致這些光波量變化的壓力、溫度、電場、磁場等物理量的大小，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)傳感器無可比較的優(yōu)點，如靈敏度高、響應(yīng)速度快、動態(tài)圍大、防電磁干擾、超高壓絕緣、無源性、防燃防爆、適用于遠距離遙測、多路系統(tǒng)無地回路“串音〞千擾、體積小、機械強度大、可靈活柔性撓曲、材料資源豐富、本錢低等。圖1方案一原理框圖2、方案二差壓法測液位廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)過程，但在當被測液的密度隨環(huán)境變化而變化的情況下，差壓法測液位的誤差很大，針對上述問題有人提出采用溫度補償法，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，甚至同廠不同批次的石油物性參數(shù)也不一致，因此采用溫度補償法有一定的難度[2]。差壓傳感器2差壓傳感器2液位H定液位H0差壓傳感器1U*2AD637ΔP/V轉(zhuǎn)換ΔP/V轉(zhuǎn)換AD637除法器液位顯示圖2方案二原理框圖3、方案三總體上講，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、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(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一樣，因而用途也各不一樣。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。聲學式物位檢測方法就是利用超聲波的性質(zhì)，通過測量聲波從發(fā)射至接收到被測物位界面所反射的回波的時間間隔來確定物位的上下超聲波發(fā)射器被置于容器底部，當它向液面發(fā)射短促的脈沖時，在液面處產(chǎn)生反射，回波被超聲接收器接收。假設(shè)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，則有如下簡單關(guān)系： (1)超聲波接收超聲波接收放大整形、濾波門控電路單片機40KHZ震蕩頻率超聲波發(fā)射圖3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，不與介質(zhì)接觸無可動部件，工作十分可靠，故障率低，適應(yīng)圍廣。尤其適告高粘度、高腐蝕性介質(zhì)的液位測量；壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了[3]。三、傳感器工作原理超聲波測距原理是超聲波發(fā)射器向*一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開場計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停頓計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(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，晶體兩端將會產(chǎn)生與聲壓變化同步的電荷，從而把聲波〔機械能〕轉(zhuǎn)換成電能；反之，如果將交變電壓加在晶體兩個端面的極上，沿著晶體厚度方向?qū)a(chǎn)生與所加交變電壓同頻率的機械振動，向外發(fā)射聲波，實現(xiàn)了電能與機械能的轉(zhuǎn)換。因此，用作超聲發(fā)射和接收的壓電晶體也稱換能器?！瞐〕液介式，探頭固定安裝在液體中最低液位之下?！瞓〕氣介式，探頭安裝在最高液位之上的空氣或其它氣體中?！瞔〕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[4]。圖4超聲波測距原理圖四、超聲波測液位的電路圖圖5超聲波測液位電路圖1、發(fā)射裝置超聲波發(fā)射單元包括振蕩電路和驅(qū)動電路．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發(fā)生器它產(chǎn)生40kHz的方波脈沖電路如圖6〔a〕所示．電路圖7中第二級反相器輸出的電壓由RA〔3K電阻和滑動變阻器〕的調(diào)節(jié)，可以改變輸入到第一級反相器輸入端的相位．當相位到達同相時，實現(xiàn)正反響，就成了穩(wěn)定的振蕩器．振蕩周期公式為T=2.2×RA×C．當RB足夠大時，第一級反相器的輸入電流可忽略不計．由于超聲波換能器中心頻率都有偏差，所以RB采用電位計，可以調(diào)節(jié)到最正確諧振點，這也是不用單片機產(chǎn)生方波的原因．電路中IC1和IC2同時得到相位相反的2路控制脈沖，提供應(yīng)驅(qū)動電路驅(qū)動控制采用了L293型直流電機PWM調(diào)速芯片，它部的H橋電路可以產(chǎn)生相位相反的兩路脈沖．驅(qū)動電路的直流電源電壓可以改變，以適應(yīng)不同傳感器對電壓的要求．振蕩電路中產(chǎn)生方波的兩端，分別接到驅(qū)動電路3OUTA、3OUTBB端．控制輸出電路中輸出使能端，由單片機產(chǎn)生控制信號對其控制[5]。(a)(b)圖6超聲波測液位發(fā)射裝置電路圖圖7超聲波測液位發(fā)射裝置電路圖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作為信號放大與濾波之用，它的單位增益帶寬為15MHz，超出音頻圍能夠滿足40kHz的要求。在放大電路的負反響回路中接入電容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．因為多諧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，信號與參考電壓比較產(chǎn)生上下電平，經(jīng)過控制局部由單片產(chǎn)生7-8個周期的高電平，經(jīng)過放大器驅(qū)動后，經(jīng)GaAs發(fā)光二極管(LED)把信號發(fā)射出去，在信號控制端I/V轉(zhuǎn)換后，控制L293來產(chǎn)生40KHz的超聲波[6]。圖8超聲波測液位接收裝置電路圖五、超聲波測液位參數(shù)選擇1、總體描述超聲波發(fā)生電路為超聲波發(fā)生電路。雙定時器IC1555組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。低電平變成正負尖頂脈沖，經(jīng)過3AOUT得到負尖頂脈沖，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。單穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)輸出的高電平持續(xù)約1ms，即tw≈1．1R5C5≈1ms。IC2555組成多諧振蕩器，接地電阻振蕩頻率f1≈40kHz。該振蕩器振蕩受單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電平控制。當單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平時，多諧振蕩器產(chǎn)生振蕩，IC2555的引腳3輸出約40個頻率為40kHz、占空比約50%的矩形脈沖?？紤]到多諧振蕩器起振階段不穩(wěn)定，因此設(shè)計輸m脈沖數(shù)較多。假設(shè)輸出脈沖數(shù)太少，則發(fā)射強度小，測量距離短。但脈沖數(shù)過多，發(fā)射持續(xù)時間長，在距離被測物較近時，脈沖串尚未發(fā)射完，這樣導致先發(fā)射出的脈沖產(chǎn)生的回波將到達接收端，影響測距結(jié)果，造成測距盲區(qū)增大。超聲波脈沖驅(qū)動電路，可提高驅(qū)動超聲波發(fā)送傳感器的脈沖電壓幅值，有效進展電/聲轉(zhuǎn)換，增強發(fā)射超聲波的能力，增大測量距離。40kHz脈沖串的一路經(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[7]。2、參數(shù)計算發(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發(fā)生器，工作周期計算公式如下，實際電路中由于元器件等誤差，會有一些差異。條件:RA=9.1MΩ、RB="150K"Ω、C="0".01μF

TL==1msec〔2〕TH===64msec〔3〕IC2組成超聲波載波信號發(fā)生器。由IC1輸出的脈沖信號控制，輸出1ms頻率40kHz，占空比50％的脈沖，停頓64ms。計算公式如下：條件:RA=1.5KΩ、RB="15K"Ω

TL==10μsec〔4〕TH==11μsec〔5〕=46.0KHz〔6〕3、器件選擇R1,R3,R4選用普通電阻，起限流的作用。R2選用1000K滑動變阻器，調(diào)節(jié)接收端信號。C1和C2選用100PF電解電容，作為晶振起電路電容。ICl和IC2均選用NE555型時基集成電路。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組成超聲波信號的檢測和放大。反射回來的超聲波信號經(jīng)IC4的2級放大1000倍〔60dB〕，第1級放大100倍〔40dB〕，第2級放大10倍〔20dB〕。由于一般的運算放大器需要正、負對稱電源，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進展分壓，這時在IC4的同相端有4.5V的中點電壓，這樣可以保證放大的交流信號的質(zhì)量，不至于產(chǎn)生信號失真。倍壓檢波電路取出反射回來的檢測脈沖信號送至單片機進展處理。信號比較、測量、計數(shù)和顯示電路，即比較和測量從發(fā)出的檢測脈沖和該脈沖被反射回來的時間差[8]。

4、系統(tǒng)需要的元器件清單表1元器件清單序號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注1C1,C2100pF2晶振電容2Q1,Q290124PNP3UN1TCT40-10T1發(fā)送頭4UN2TCT40-10R1接收頭5R1,R3,R41M3電阻6L1LED1指示燈7U5C*20106A1紅外接收8LR74LS045非門9B11.5V3電源10R21000K1滑動變阻六、總結(jié)現(xiàn)在，超聲波液位計|物位儀的工業(yè)用途迅速擴大。這個一度本錢高昂卻不甚可靠的技術(shù)現(xiàn)在變得簡單易用，價格低廉。超聲波物位儀現(xiàn)已常規(guī)用于液位測量、流程監(jiān)控以提高產(chǎn)品質(zhì)量、檢測缺陷、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間，從而提高生產(chǎn)率。該項技術(shù)還沿著這個方向繼續(xù)研發(fā)新產(chǎn)品。物位檢測的精度主要取決于超聲脈沖的傳播時間和超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。前者可用適當?shù)碾娐愤M展準確測量，后者易受介質(zhì)溫度、成分等變化的影響，因此，需要采取有效的補償措施[9]。通過本次傳感器課程設(shè)計對之前學過的各種傳感器原理與應(yīng)用有了進一步深刻的認識，了解到了傳感器在人們?nèi)粘Ｉ钪械淖饔?，而且還對超聲波測液位測量電路進展的深入的學習與研究。提高了搜集資料，動手動能力以及主動獨立的學習能力。由于測量液位時采用了超聲波傳感器，這局部需要消耗較大的功率在，光推動局部不一定能產(chǎn)生足夠大的功率使得傳感器電路正常工作，從而影響測量精度。采用差壓傳感器用來測溫的，這局部可以用來借鑒，采用差壓傳感器測溫后可以有效的減小電路中功率的消耗?；蛘卟捎枚鄠€光電探測器采用多個硅光電池串聯(lián)陣列