储油罐液位温度实时检测Word文件下载.docx
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资料搜集整理与报告撰写
王资凯
5040309756
报告撰写与整体方案修改
徐梦然
5040309548
图表制作和方案讨论
韩冬芳
F0403501
5040309094
PPT制作与报告撰写
朱晨
5040309066
传感器原理分析
1.系统总体说明1
1.1课题任务规定的设计要求1
1.2设计方法比较1
1.3设计特色1
2.总体解决方案概述2
3.所用传感器简介[4][5]3
3.1光纤传感器3
3.2超声波传感器4
3.3半导体热敏电阻5
4.系统描述6
4.1温度传感器PPM电路[1][6]6
4.2超声波测距[2][3]7
4.3传感器PPM电路[8]9
4.4复合及脉冲光发射电路10
4.5脉冲甄别电路[8]10
4.6单片机数据处理[7][8]11
5.光推动系统的功率与信号通道设计[9][10]13
5.1光推动系统简介13
5.2光推动通道13
6.附录14
6.1存在的问题14
6.2解决的办法14
7.致谢15
8.参考资料16
1.系统总体说明
1.1课题任务规定的设计要求
我国石油资源丰富,采油炼油企业众多,储油罐是储存油品的重要设备,储油罐液位的精确计量对生产厂库存管理及经济运行影响很大。
但国内许多反应罐、大型储油罐的液位计量仍采用人工检尺和分析化验的方法,其他参数的测定也没有实行实时动态测量,这样易引发安全事故,无法为生产操作和管理决策提供准确的依据。
采用计算机自动监测技术,实时监测储油罐液位、温度等参数,可以方便了解生产状况,及时监视、控制容器液位及温度等,保障安全平稳生产。
试设计储油罐（圆柱体型）液位、温度的实时监测系统。
1.2设计方法比较
液位测量方法
温度测量方法
直接测量法
间接测量法
接触测量
非接触测量
目测式液位测量法
膨胀式温度计
辐射式温度计
电容式
超声波式
电阻式
亮度温度计
电阻式
红外式
热电耦式
比色温度计
静压式
激光式
压力式
光导纤维温度计
电感式
光电式
热感式
微波式
表1现有方法总结
1.3设计特色
采用光纤传输，实现测量无电回路，避免电信号引起的危险，动态效应好，可以远端控制，实现数字脉冲的传输，避免干扰。
2.总体解决方案概述
本次设计，我们采用光纤传输光推动油罐多参数侧量，系统的总体方案如图2.1所示。
它由三部分组成:
（1）测量现场的超声波液位传感器及其控制电路以及脉冲位置调制（PPM）电路，三只半导体热敏电阻以及脉冲位置调制（PPM）电路，多个不同宽度窄脉冲信号复用电路，PPM信号发射电路和光电转换供电电路。
（2）二次仪表的脉宽鉴别、信号解调、信号处理以及LD光源驱动电路。
（3）探头与二次仪表之间功率和信号双向光纤传输通道部分。
图2.1系统的总体方案
图2.2系统中传感器安装位置
3.所用传感器简介[4][5]
3.1光纤传感器
在光通信研究中发现，光纤受外界环境因素的影响，如压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等改变。
如果能测量出光波变化的信息，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小，于是就出现了光纤传感器技术。
时至今日，光纤传感器己成为现代传感器技术发展方向之一，各国在光纤传感理论和应用上进行了大量的研究工作。
尤其是近几年，它的发展异常迅速，呈现出巨大的开发潜力，受到一些工业先进国家研究单位的高度重视
光纤传感器的信号载体是在光纤中传输的光，而光纤本身是一种介质材料，这就赋予了光纤传感器具有一些常规传感器无可比拟的优点，如灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防电磁干扰、超高压绝缘、无源性、防燃防爆、适用于远距离遥测、多路系统无地回路“串音”千扰、体积小、机械强度大、可灵活柔性挠曲、材料资源丰富、成本低等。
由光纤、光源和光探测器组成的典型光纤传感器如图3.1.1
图3.1.1光纤传感器结构简介
光纤波导原理：
光纤由折射率n1（光密介质）较大的纤芯，和折射率n2（光疏介质）较小的包层构成。
当光线以较小的入射角θ1由光密介质1射向光疏介质2（n1>
n2）时,根据Snell定律有：
图3.1.2光纤基本结构
当＝90º
时，，此时有：
，称为临界角。
由图可见，当时，光纤再介质内产生连续向前的全反射。
同理，由图和Snell定律可导出光线由折射率为n0的外界介质（空气n0＝1）射入纤芯时实现全反射的临界角为：
NA定义为“数值孔径”。
一般：
NA=0.2~0.4对应张角11.5º
~23.6º
3.2超声波传感器
总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：
一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；
机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。
它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。
目前较为常用的是压电式超声波发生器。
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。
反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
超声波测距原理是超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：
s=340t/2。
每个传感器的中心频率都存在一定的误差，在40KHz左右波动，而且超声波传感器发射波束时存在很大的发散角，从而导致方向性较差，而且随着传播距离的增加，在不同的发射角上信号衰减的程度也有变化。
在空气中的发散角及耗散性如图3.2.1[SHIRLEYPA.Anintroductiontoultrasonicsensing[J].END,1989（11）]。
图3.2.1超声波在空气中的发散角及耗散性
3.3半导体热敏电阻
信号通道探头中的温度敏感元件采用半导体热敏电阻。
选用半导体热敏电阻做一次测温元件的主要原因，一是半导体热敏电阻阻值大，在实现电阻到脉宽的转换时，可减少RC转换电路的动态功耗;
二是具有T-PWM变换的高灵敏度，响应速度快（时间常数小）和小体积等优点。
但半导体热敏电阻存在特性参数分散性大，互换性差，电阻—一温度为非线性关系等缺点。
近年来由于材料及工艺的不断改进，其温度敏感特性得到改善，在温度测量与控制中得到广泛应用。
系统中采用高精度（误差<
0.050C）的热敏电阻，其阻值与温度的关系为
式中：
—被测温度为T时的电阻值，—参考温度为T0时的电阻值，B—热敏电阻的材料系数。
系数B除与材料有关之外，还与材料所处温度有关。
材料确定之后，近似为一常数。
合理选择B值对温度值的灵敏度、测量范围、线性处理精度有直接影响，B值在近似常规条件下，热敏电阻一温度为指数函数关系。
4.系统描述
4.1温度传感器PPM电路[1][6]
温度传感器的测量电路如图4.1.1所示。
由移位寄存器CC4015和或非门CD4002构成的分时电路控制开关CD4066，分别把三只半导体热敏电阻和一只参考电阻接入振荡器CD4047，使各电阻值转换为多谐振荡器的脉宽信号t1~t4，脉宽与电阻的关系为
式中x=1、2、3、4，C=0.1uF。
当=0.5时，
此脉宽信号通过上升沿触发单稳态触发器，用4uS脉冲位置信号来表征，如图4.1.2所示。
图4.1.1温度传感器PPM电路
图4.1.2电路时序
4.2超声波测距[2][3]
超声波发射单元包括振荡电路和驱动电路．振荡电路是由反相器CD4069组成的非对称式多谐振荡器，它产生40kHz的方波脉冲电路如图4.2.1所示．电路中第二级反相器输出的电压由Rf（3K电阻和滑动变阻器）的调节，可以改变输入到第一级反相器输入端的相位．当相位达到同相时，实现正反馈，就成了稳定的振荡器．振荡周期公式为T=2．2×
Rf×
C．因为CD4069为CMOS结构，所以逻辑门前的电阻Rp（100M）为第一级反相器的保护电阻．当Rp足够大时，第一级反相器的输入电流可忽略不计．由于超声波换能器中心频率都有偏差，所以RP采用电位计，可以调节到最佳谐振点，这也是不用单片机产生方波的原因．电路中IN1和IN2同时得到相位相反的2路控制脉冲，提供给驱动电路驱动控制采用了L293型直流电机PWM调速芯片，它内部的H桥电路可以产生相位相反的两路脉冲．驱动电路的直流电源电压可以改变，以适应不同传感器对电压的要求．振荡电路中产生方波的两端，分别接到驱动电路1A、4A端．控制输出电路中EN端为输出使能端，它由CON1端口控制，由单片机产生控制信号，通过光纤传输完成对其控制。
图4.2.1超声波发射单元
图4.2.2L293结构
超声波接收单元中包括：
模拟放大、滤波电路、电平转换电路，如图4.2.2所示．模拟放大器选用高精度仪用放大器LM318作为信号放大与滤波之用，它的单位增益带宽为15MHz，超出音频范围能够满足40kHz的要求。
在放大电路的负反馈回路中接入电容C1构成低通滤波器．电容的选择可由公式．f=1／（2piR1*C）求出，式中．f为采用的超声波频率，R1为第一级的反馈电阻．因为多谐振荡器中有高频分量噪声，所以通过低通滤波器将高频噪声滤掉．经过2极放大后，通过电容耦合，信号与参考电压比较产生高低电平，经过
图4.2.2超声波接收单元
控制部分由单片产生7-8个周期的高电平，经过放大器驱动后，经GaAs发光二极管（LED）把信号发射出去，在信号控制端I/V转换后，控制L293来产生40KHz的超声波。
图4.2.3单片机控制电路超声波的发生电路
4.3传感器PPM电路[8]
图4.3.1为传感器PPM电路，分别把输出的超声信号和温度信号调制成1us和4us的脉冲。
图4.3.1传感器PPM电路
图4.3.2CD4098管脚分布图
其中周期T=RC，调节1、2和14、15脚上的电阻和电容使得产生4us和2us的脉冲
4.4复合及脉冲光发射电路
为了实现单光纤传输所有脉冲位置信号，用或门把表征超声波2uS脉位信号和表征温度传感器的4uS脉位信号进行电复合，经GaAs发光二极管（LED）把信号发射出去，图4.4.1示出了电复合及脉冲光发射电路。
图4.4.1电复合及脉冲光发射电路
4.5脉冲甄别电路[8]
图4.5.1出2uS脉宽的PPM-PWM信号解调电路，其它几路结构与其相同，只是设定的参数不同。
表示超声波与温度信号的2uS,4uS光脉冲位置信号，通过硅光电二极管（（PD）转换为电脉冲信号。
脉宽甄别器只通过2uS脉宽的信号，再由D触发器恢复表征电容C1和C
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