储罐液位监测系统要点

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1、位 检 测 系 统专业：班级：*学号：姓名：*超声波液位测量是一种非接触式的测量方式，它是利用超声波在同种介质中传播 速度相对恒定以及碰到障碍物能反射的原理研制而成的。与其它方法相比（如电磁的或光学的方法）,它不受光线、被测对象颜色的影响，对于被测物处于黑暗、 有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此，研究 超声波在高精度测距系统中的应用具有重要的现实意义。试设计储油罐（圆柱体型）液位、温度的实时监测系统。对现采用的油罐测量技术作对比，选用合适的测量技术，保证原油储罐的安全， 降低劳动强度，取得良好的经济效益。关键词：储油罐；液位测量；仪表；现状储油罐液位检测系统设计

2、、设计要求一储油储油罐是储存油品的重要设备， 我国石油资源丰富，采油炼油企业众多，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、其他参数的测定也没大型储油罐的液位 计量仍采用人工检尺和分析化验的方法，无法为生产操作和管理决策提供准,有 实行实时动态测量这样易引发安全事故可以方,实时监测储油罐液位、温度等参 数确的依据。采用计算机自动监测技术试设计保障安全平稳生产。控制容器液位及温度等,便了解生产状况，及时监视、 储油罐（圆柱体型）液位的实时监测系 统。二、方案设计目前国内外工业生产中普遍采用间接的液位测量方法，如浮 子式、液压式、电容法、超声波法、磁致伸缩式、光纤等。

3、1、方案一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。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。

4、被测对象光光导纤敏感元被测对象光敏元光导纤光测得信息被测对象T光敏元件敏感元件光导纤维光敏元件发光元件测得信息测得信息功能型（a）传导型（b）方案一原理框图图12、方案二但在当被测液的密度随环境变化而变化的差压法测液位广泛地应用于 生产过程，但针对上述问题有人提出采用温度补偿法， 情况下，差压法测液位的 误差很大，甚至同厂不各炼油厂提供的石油组分差异很大，由于石油原油的组成 成分复杂，同批次的石油物性参数也不一致，因此采用温度补偿法有一定的难 度。UP UX2AD63 H液位 P/V转换1差压传感器02XPU定液位H0 X除 法 器1U07U转P/V 的差压传感器2AD63 7换图2方案二原理

5、框图3、方案二总体上讲，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。声学式物位检测方法就是利用超声波的性质，通过测量声波从发射至接收到1被 测物位界面所反射的回波的时间间隔来确定物位的高低超声波发射器被置于Hvt _ 2回波被超声接收在液面处产生反射，容器底部，当它向液面发射短促 的脉冲时，声波在液体中的传播速度为 H器接收。若超声发射器和接收器到液 面的距离为，则

6、有如下简单关系：v超声波接收门控电路整形、滤波放大 单片机震荡频率40KHZ超声波发射3图方案三原理框图 通过方案比较，由于方案三的抗干扰能力较强，不与介质接触无可动部件，工作 十分可靠，故障率低，适应范围广。尤其适告高粘度、高腐蚀性介质的液位超声 波有两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。测量；其频率等于压电晶片的固当它的两极外加脉冲信号，个压电晶片和一个共振板。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。反将压 迫压电晶片作振如果两电极间未外加电压， 之，当共振板接收到超声波时， 动， 将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。三、传感器工

7、作原理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。超 声波的接收和发射是基于压电效应和逆压电效应。具有压电效应的压电晶体在受到声波声压的作用时，晶体两端将会产生与声压变化同步的电荷，从而把声波（机 械能）转换成电能；反之，如果将交变电压加在晶体两个端面的极上，沿着晶体 厚度方向将产生与所加交变电压同频率的机械振动，向外发射声波，实现了电能与机械能的

8、转换。因此，用作超声发射和接收的压电晶体也称换能器。（a）液介式，探头固定安装在液体中最低液位之下。（b）气介式，探头安装在最高液位之 上的空气或其它气体中。（c）固介式，把一根传声固体棒插入液体中，上端要高 出最高液位之上，探头安装在传声固体棒的上端。(a超声波测距原理图图4四、程序设计程序流程图1.11开始 A DPTR取结果A B DEBUF值结果送发光二极管 P1ANL A,#OFH DPTRA P1A DPTR 否结果低 4 位送DPTRACAAL DISP1 AP3.3$ ADACALL DELAY返始赋初#FEF3H保护现场BSWAP A的内容高DEBUF4五、超声波测液位的电路

9、图#0 A J4位清零是1转换结果送DEBUF31回 开图5超声波测液位电路图1、发射装置超声波发射单元包括振荡电路和驱动电路.振荡电路是由2块555集成电路组成， IC1（ 555）组成超声波脉冲信号发生器它产生 40 kHz的方波脉冲电路如图6（ a） 所示电路图7中第二级反相器输出的电压由RA（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 X RA C.当RB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 RB采用电位计，可以调节到最佳谐振点，这也

10、是不用单片机产生方波的原因.电 路中IC1和IC2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PW碉速芯片，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3OUTA3OUTB端.控制输出电路中输出使能端，由单片机产生控制信号对其控制VccC 士S 1 Tl ThZ77 777/77图6超声波测液位发射装置电路图7图超声波测液位发射装置电路图2、接收装置模8所示模拟放大、滤波电路、电平转换电路，如图超声波接收 单元中包括：它的单位增益LM318作为信号放

11、大与滤波之用，拟放大器选用高精 度仪用放大器的要求。在放大电路的负反馈回 40 kHz带宽为15 MHz超出音频 范围能够满足为采用的超声f路中接入电容C1构成低通滤波器电容的选择可 由公式。求出所以通过低通滤波器将高频噪声滤因为多谐振荡器中有高频分量噪 声，波频率极放大后，通过电容耦合，信号与参考电压比较产生高低电平，经 过2掉经过发光二个周期的高电平，经过放大器驱动后，经GaAs控制部分由单片产生7-840KHZ来产生I/V转换后，控制L293(LED)极管把信号发射出去, 在信号控制端的超声波。超声波测液位接收装置电路图图8六、超声波测液位参数选择、总体描述1组成单稳态触发器。IC155

12、5超声波 发生电路为超声波发生电路。双定时器.低电平变成正负尖顶脉冲，经过3AOUT#到负尖顶脉冲，触发单稳态触发器翻转。 单稳态翻转输出的高电平持续约 1ms即tw1. 1R5C炭1 mso IC2555组成多 谐振荡器，接地电阻振荡频率f140 kHz。该振荡器振荡受单稳态触发器输出 电平控制。当单稳态触发器输出高电平时，多谐振荡器产生振荡，IC2555的引脚3输出约40个频率为40 kHz、占空比约50%勺矩形脉冲。考虑到多谐振荡器 起振阶段不稳定，因此设计输m脉冲数较多。若输出脉冲数太少，则发射强度小， 测量距离短。但脉冲数过多，发射持续时间长，在距离被测物较近时，脉冲串尚 未发射完，

13、这样导致先发射出的脉冲产生的回波将到达接收端，影响测距结果， 造成测距盲区增大。超声波脉冲驱动电路，可提高驱动超声波发送传感器的脉冲 电压幅值，有效进行电/声转换，增强发射超声波的能力，增大测量距离。40 kHz 脉冲串的一路经反相器，再经由并联的反相器反相；其另一路经南并联的反相器 反相。2、参数计算发射装置由两块555集成电路组成。IC1 (555)组成超声波脉冲信号发生器，工 作周期计算公式如下，实际电路中由于元器件等误差，会有一些差别。条件：RA=9.1MQ、删？?屋 Q、 C=卩 FTL = = 1 msec(2) C 0.6RB TH=64 msec(3) CRA RB)0.6 (

14、频1msIC1输出的脉冲信号控制，输出IC2组成超声波载波信号发生器。由Q、 的脉冲，停止64ms计算公式如下：条件：RA=1.5K率40kHz，占空比50 ?尽？屋 Q ) (4 卩=10 TL =secC RB 0.6TH = 11 卩 secCRB) (0.6 RA(5)1 f = 46.0 KHz(6) TH TL3、器件选择R1,R3,R4选用普通电阻，起限流的作用。R2选用1000K滑动变阻器，调节接收 端信号。C1和C2选用100PF电解电容，作为晶振起电路电容。ICI和IC2均选 用NE555型时基集成电路。TCT40-10T和TCT40-10R分别为发送和接收装置头。 超声波

15、接收头和IC4组成超 声波信号的检测和放大。反射回来的超声波信号经IC4的2级放大1000倍（60dB）， 第1级放大100倍（40dB）,第2级放大10倍（20dB）。由于一般的运算放大器 需要正、负对称电源，而该装置电源用的是单电源（9V）供电，为保证其可靠工 作，这里用R1和R2进行分压，这时在IC4的同相端有4.5V的中点电压，这样 可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。倍压检波电路取出反射 回来的检测脉冲信号送至单片机进行处理。信号比较、测量、计数和显示电路， 即比较和测量从发出的检测脉冲和该脉冲被反射回来的时间差。4、系统需要的元器件清单表1兀器件清单序号元器件类型元器

16、件规格数量备 注1C1, C2100pF2晶 振 电 容2Q1, Q290124PNP3UN1TCT40-10T1发 送 头4UN2TCT40-10R1接 收 头5R1,R3,R41M3电 阻6L1LED1指 示 灯7U5CX20106A1红 外 接 收8LR74LS045非 门9B11.5V3电 源10R21000K1滑 动 变 阻七、总结物位仪的工业用途迅速扩大。 这个一度成本高昂却不甚可|现在，超声 波液位计靠的技术现在变得简单易用， 价格低廉。 超声波物位仪现已常规用于液 位测量、这些传感器还能确定有无以及其它方面。 检测缺陷、 流程监控以提高产 品质量、该项从而提高生产率。 以及由此

17、引起的停工时间， 减少由损坏部件产生 的废品，技术还沿着这个方向继续研发新产品。 物位检测的精度主要取决于超声脉冲的传 播时间和超声波在介质中的传播速度。 前者可用适当的电路进行精确测量， 后者9 。易受介质温度、成分等变化的影响，因此，需要采取有效的补偿措施 通过本次传感器课程设计对之前学过的各种传感器原理与应用有了进一步深 刻的认识， 了解到了传感器在人们日常生活中的作用， 而且还对超声波测液位测 量电路进行的深入的学习与研究。 提高了搜集资料， 动手动能力以及主动独立的 学习能力。由于测量液位时采用了超声波传感器， 这部分需要消耗较大的功率在， 光推动部分不一定能产生足够大的功率使得传感器电路正常工作， 从而影响测量 精度。采用差压传感器用来测温的， 这部分可以用来借鉴， 采用差压传感器测温 后可以有效的减小电路中功率的消耗。 或者采用多个光电探测器采用多个硅光电 池串联阵列的方式，这样可以产生较大的功率来推动整个系统。