储油罐液位实时检测与C#编程系统教学内容Word文档下载推荐.docx
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热敏电阻（ds18b20温度传感器）
红外测距传感器如图2-1所示。
图2-1
红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。
热敏电阻（ds18b20温度传感器）如图2-2所示:
图2-2
该款温度传感器可以防水防油，在油罐中使用可防止油与导线接口的接触，可以防止电流而引起的一些事故。
2.2方案二
超声波式（KS103超声波测距）
TS118-3非接触式红外温度传感器
超声波式（KS103超声波测距模块）如图2-3所示：
图2-3
TS118-3非接触式红外温度传感器如图2-4所示:
图2-4
2.3选择方案
以下是功能相同的模块的性能对比：
精度高，但测距范围小，不满足储油罐的高度。
精度高，测距范围相对大，测长距离的价格也相对高些。
备注:
储油罐的一般高度在8米到15米之间。
需要与被测物体接触，增加布置难度。
感温范围:
-55℃～+125℃
价格：
便宜
不需要与被测物质相接触，精度：
<
2%FS
工作温度：
-20～100℃
价格:
有以上的性能决定使用方案二。
在对原油进行温度检测时，由于储油罐的体积比较大，除了使用非接触式的红外温度传感器外，本方案还增加使用接触式的温度传感器来进行测量，在油罐的内部的适当的位置均匀地分布一些传感器，以便更加精度地实时监控内部的温度。
2.4储油罐装置设计
在向储油罐中添加和输出油时，往往会造成液面波动，此时会对液位测量造成较大的误差，因此设计如图2-5所，图2-6是长圆柱体液位测量装置，该装置低端有源口，与外面的油罐形成连通器，即便油罐内的油面波动幅度很大，而连通器里面的油面几乎不会有明显的晃动，模块1是一个浮标，能漂浮在油面上，是用来反射红外测距传感器的光源，模块1设计如图2-7所示，该浮标放置在长圆柱体内，位置由油面的高度决定，设置为该形状，能防止浮标滚动，从而减少反射面与油之间的接触而影响测距。
模块2是测距传感器，该传感器放置在圆柱体的最上面，与浮标成垂直线。
接触式温度传感器将在储油罐的底部如图2-8所示分布，这样可以均匀地测量出石油的温度，做到更加精确。
对于非接触式的温度传感器将安装在储油罐的顶上。
图2-5图2-6图2-7
图2-8
三．解决方案实施
3.1方案描述
本方案根据现有的传感器模块和技术，对储油罐的液位和温度的实时检测提出可行性的解决方案，从实际出发，并为储油罐的整个系统进行设计，如图2-6中所示设计出连通器的测量液位的装置，在最上端安装KS103超声波测距传感器，将发射信号在管道中传输，减少信号的损失，在到达浮标时返回，根据公式来计算出油液位的高度，该装置能有有效降低测量中由于添加油的过程中的波动而造成的误差。
ds18b20温度传感器和TS118-3非接触式红外温度传感器结合来对储油罐的温度进行系统的实时检测，是用分布式的温度测量能够更加准确和实时地检测出储油罐内的不同位置的温度。
接触式的温度传感器使用防水防油的密封式工艺，杜绝线路与油的接触，防止因电信号而有可能带来的安全隐患。
各个模块输出的模拟信号将通过单片机的处理转发到电脑的监控程序，由程序计算出储油罐的液位高度，方差，平均温度和温度的实时监控曲线图。
3.2系统的模型结构
系统模型结构图如3-1所示：
图3-1
3.3方案模拟
方案将模拟在ArduinoUno开发板上（如图3-3-1）。
Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。
图3-3-1
传感器搭建如图3-3-2所示:
图3-3-2温度传感器
储油罐中的连通器测距模块如图3-3-3所示：
图3-3-3
数据处理实时检测PC软件如图3-3-4所示：
图3-3-4
四．传感器简述
4.1超声波式（KS103超声波测距）
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。
KS103超声波模块性能：
。
1.包含实时温度补偿的距离探测，高探测精度
2.采用专利技术的探测模式，探测范围1cm～1000cm（10米）
3.探测频率可达500Hz，即每秒可探测500次
4.使用I2C/串口接口与主机通信，自动响应主机的I2C/串口控制指令
5.使用工业级配置，工作温度
（-30℃~+85℃），宽工作电压范围
（3.0V~5.5V）。
6.采用独特的可调可调可调滤波降噪技术，电源电压受干扰或噪音较大时，仍可正常工作。
4.2热敏电阻（ds18b20温度传感器）
热敏电阻（ds18b20温度传感器）储油罐的温度敏感元件采用半导体热敏电阻。
半导体热敏电阻的优点有：
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。
ds18b20温度传感器相关参数:
作电压3～5V。
9～12位分辨率可设。
测温范围：
-55℃～125℃。
精度：
-10℃～85℃范围内±
0.5℃。
每个芯片唯一编码，支持联网寻址，零功耗等待。
多种不锈钢防水封装结构可选，适用范围广泛。
4.3TS118-3非接触式红外温度传感器
德国HLP公司TS118-3红外温度传感器采用热电堆红外非接触测温技术，可快速方便的测量热的、危险的或难以接触的物体，不会污染或损坏被测物体。
测温范围从-40℃---3000℃，加上光路后测量距离从0---10米均可准确测量；
广泛应用于耳温枪，高温计，二氧化碳检测仪，气候调节，产品质量控制和监测等领域的温度测量。
技术指标：
1.精确度：
80V/W。
2.滤波范围：
8～14um。
3.输出：
4.4±
1.1mV。
4.工作温度：
20～100℃。
5.电气连接：
PC板安装。
6.量程：
跟处理电路相关（普通-20～300℃）。
六．课程总结
经过一周的课程设计实践，让我收获很多，不仅在知识上，也在与人合作的能力上等等。
关于储油罐的课程设计的资料很多，在众多的资料中，我们找出它们的优点并总结现有的技术来提出自己的方案和想法。
在拟定方案中也遇到不少的难题，例如在选定传感器上，我们不仅考虑传感器的性能还有它的成本，在经过和组员的讨论和网上查阅后才做了决定。
在对当前的储油罐的形状，我们还设计出一个长的连通器来测量它的液位，该设计可以提高测量数据的准确性，尤其浮标的设计，能够有效地防止浮标因为滚动的原因而导致反射面被石油粘到影响测量信号的反射。
在温度的测量的问题上我们也是从储油罐的体积比较大，为了减少温度区域化而导致的温度偏差大，我们设计出多方面的温度测量，不但有接触式的温度传感器，同时也对储油罐的上部空间的温度也进行了测量，在多种温度的数据中来求平均值得出储油罐的平均温度，当然也可以根据不同的温度传感器来分别反馈数据给计算机，让监控人员可以看到更多的区域的温度，最好是把石油的温度和石油上空部分的温度分别经行实时检测。
针对实际的储油罐的情况，我们还做出个模型，模型是居于arduino平台上的，并在PC机上设计出上位机来实际性地模拟整个系统。
总得来说，这个课程实践真的很有意义。
让我学到了很多。
七．参考资料
7.1参考资料
[1]《大型浮顶油罐测温系统的研发》于达
[2]《传感器技术》修订版贾伯年俞朴等东南大学出版社
[3]《检测技术》第二版施文康余晓芬主编机械工业出版社
[4]《油库油罐自动计量系统》张海刚
[5]《传感器与检测技术》徐科军马修水李晓林电子工业出版社
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