传感器储油罐液位检测系统设计

东北石油大学

课 程 设 计

课 程 传感器课程设计

题 目 储油罐液位检测系统设计 院 系 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师

2013年7月 16日

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任务书

课程 传感器课程设计 题目 储油罐液位检测系统设计 专业 学号 主要容：

本文主要是针对类似油罐等封闭式液体的液位的测量，在考虑了各种液位测量方式后，根据前文所述，决定要超声波作为主要手段，采用脉冲回波测量法。综合运用传感器的基本原理绘出装配草图，选择合适的传感器，设计控制电路。绘出硬件电路图 ，对参数进行计算，确认元器件的工作电流、电压、频率和功耗等参数能满足电路指标的要求，最终完成对储油罐液位的测量。 基本要求：

1、利用已学不同种类传感器，设计储油罐液位测量电路。 2、最终完成对储油罐液位的测量。 主要参考资料：

[1]黄贤武，筱霞.传感器原理与应用[M].：电子科技大学,2004. [2]洋.电子制作—电子电路设计与制作[M].：科学,2005.8. [3]国钧，绍业，王凤翥.图书馆目录[M].：高等教育,1957.8. [4]施文康，余晓芬.检测技术[M].：机械工业,2010.

完成期限 2013.7.12—2013.7.16 指导教师 专业负责人

2013年 7 月 16 日

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摘 要

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

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目 录

一、设计要求 ......................................................... 1 二、方案设计 ......................................................... 1

1、方案一 ........................................................ 1 2、方案二 ........................................................ 2 3、方案三 ........................................................ 2 三、传感器工作原理 ................................................... 3 四、超声波测液位电路图 ............................... 错误!未定义书签。

1、发射装置 ...................................................... 5 2、接收装置 ...................................................... 6 五、超声波测液位参数选择 ............................................. 6

1、总体描述 ...................................................... 6 2、参数计算 ...................................................... 7 3、器件选择 ...................................................... 7 4、系统需要的元器件清单 .......................................... 7 六、总结 ............................................................. 8

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储油罐液位检测系统设计

一 、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）液位的实时监测系统[1]。

二、方案设计

目前国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。

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。

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被测对象光源被测对象光源光导纤维光敏元件测得信息被测对象光敏元件光敏元件测得信息测得信息光导纤维敏感元件发光元件光导纤维敏感元件(a) 功能型图1 方案一原理框图

(b) 传导型

2、方案二

差压法测液位广泛地应用于生产过程，但在当被测液的密度随环境变化而变化的情况下，差压法测液位的误差很大，针对上述问题有人提出采用温度补偿法，但由于石油原油的组成成分复杂，各炼油厂提供的石油组分差异很大，甚至同厂不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[2]。

液位H 差压传感器1 P0 ΔP/V转换 Ux2 AD63UX2 法器 除U0 液位显示 H0 定液位

图2 方案二原理框图

差压传感器2 Ph Ux1ΔP/V转换 AD63UX13、方案三

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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容器底部，当它向液面发射短促的脉冲时，在液面处产生反射，回波被超声接收器接收。若超声发射器和接收器到液面的距离为H，声波在液体中的传播速度为v，则有如下简单关系：

图3 方案三原理框图

超声波发射 40KHZ震荡频率 单片机 超声波接收 放大 整形、滤波 门控电路

H



1 vt 2

(1)

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，适应围广。尤其适告高粘度、高腐蚀性介质的液位测量；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[3]。

三、传感器工作原理

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

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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[4]。

图4 超声波测距原理图

四、超声波测液位的电路图

图5超声波测液位电路图

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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×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PWM调速芯片，它部的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3OUTA、3OUTBB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[5]。

(a) (b)

图6超声波测液位发射装置电路图

图7 超声波测液位发射装置电路图

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2、接收装置

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8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15 MHz，超出音频围能够满足40 kHz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。求出f为采用的超声波频率．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[6]。

图8 超声波测液位接收装置电路图

五、超声波测液位参数选择

1、总体描述

超声波发生电路为超声波发生电路。双定时器IC1555组成单稳态触发器。低电平变成正负尖顶脉冲，经过3AOUT得到负尖顶脉冲，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tw≈1．1R5C5≈1 ms。IC2555组成多谐振荡器，接地电阻振荡频率f1≈40 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%的矩形脉冲。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，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

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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[7]。

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

=9.1MΩ、 RB=\"150K\"Ω、 C=\"0\".01μF

TL = 0.6RBC = 1 msec （2） TH = 0.6(RARB)C== msec （3）

IC2组成超声波载波信号发生器。由IC1输出的脉冲信号控制，输出1ms频率40kHz，占空比50％的脉冲，停止ms。计算公式如下：条件: RA =1.5KΩ、 RB=\"15K\"Ω

TL =0.6RBC = 10μsec （4）

TH =0.6(RARB)C= 11μsec （5）

f1 = 46.0 KHz （6）

THTL

3、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。ICl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。

[8]

4、系统需要的元器件清单

表1 元器件清单

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序号 1 2 3元器件类型 C1, C2 Q1, Q2 UN1 UN2 R1,R3,R4 L1 U5 LR B1 R2 元器件规格 100pF 9012 TCT40-10T TCT40-10R 1M LED CX20106A 74LS04 1.5V 1000K 数量 2 4 1 1 3 1 1 5 3 1 备注 晶振电容 PNP 发送头 接收头 电阻 指示灯 红外接收 非门 电源 滑动变阻 4 56 7 8 9 10 六、总结

现在，超声波液位计|物位仪的工业用途迅速扩大。这个一度成本高昂却不甚可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、流程监控以提高产品质量、检测缺陷、确定有无以及其它方面。这些传感器还能减少由损坏部件产生的废品，以及由此引起的停工时间，从而提高生产率。该项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[9]。

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。

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参考文献

[1] 国钧，绍业，王凤翥.图书馆目录[M].：高等教育，1999.15-18. [2] 润华,立山.模拟电子技术[J].自动化仪表.2005(6):21-23. [3] 施文康，余晓芬.检测技术[M].3版.：机械工业，2010. [4] .过程检测技术[M].：机械工业，2004. [5] 广军.光电测试技术[M].：电子工业，2003.

[6] 王君，凌振宝.传感器原理及检测技术[M].：大学，2003. [7] 林德杰.电气测试技术[M].：机械工业，2005. [8] 蔡萍，辉.现代检测技术与系统[M].：高等教育，2002. [9] 黄贤武，筱霞.传感器原理与应用[M].电子科技大学,2004.

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东北石油大学课程设计成绩评价表

课程名称 题目名称 学生 序号 评价项目 传感器课程设计 储油罐液位检测系统设计 学号 指导教 师 职称 满分 评分 指 标 按期的完成了规定的任务，难易程度和工工作量、工作态1 度和出勤率 勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。 课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析2 课程设计质量 问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规，图表完备正确。 工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或3 创新 有一定应用价值。 4 总分 评语： 答辩 能正确回答指导教师所提出的问题。 30 5 45 作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出20 指导教师： 年 月 日

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