储油罐液位温度实时检测.docx

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储油罐液位温度实时检测

储油罐液位、温度实时检测

设计小组名单:

任光辉张晨睿王资凯

徐梦然韩冬芳朱晨

姓名

班级

学号

具体负责的工作

任光辉

F0403502

5040309537

原理设计和小组工作安排

张晨睿

F0403502

5030309677

资料搜集整理与报告撰写

王资凯

F0403502

5040309756

报告撰写与整体方案修改

徐梦然

F0403502

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

F0403501

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

接触测量

非接触测量

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