儲罐液位監(jiān)測系統要點

1、罐液位檢測系統專業(yè):*班級:*學號:*姓名:*超聲波液位測量是一種非接觸式的測量方式，它是利用超聲波在同種介質中傳播速度相對恒定以及碰到障礙物能反射的原理研制而成的。與其它方法相比（如電磁的或光學的方法）,它不受光線、被測對象顏色的影響，對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應能力。因此,研究超聲波在高精度測距系統中的應用具有重要的現實意義。試設計儲油罐（圓柱體型）液位、溫度的實時監(jiān)測系統。對現采用的油罐測量技術作對比，選用合適的測量技術，保證原油儲罐的安全，降低勞動強度，取得良好的經濟效益。關鍵詞：儲油罐；液位測量；儀表；現狀儲油罐液位檢測系統設計一、設計要

2、求我國石油資源豐富，采油煉油企業(yè)眾多，儲油罐是儲存油品的重要設備，儲油罐液位的精確計量對生產廠庫存管理及經濟運行影響很大。但國內許多反應罐、大型儲油罐的液位計量仍采用人工檢尺和分析化驗的方法，其他參數的測定也沒有實行實時動態(tài)測量，這樣易引發(fā)安全事故，無法為生產操作和管理決策提供準確的依據。采用計算機自動監(jiān)測技術，實時監(jiān)測儲油罐液位、溫度等參數，可以方便了解生產狀況，及時監(jiān)視、控制容器液位及溫度等，保障安全平穩(wěn)生產。試設計儲油罐（圓柱體型）液位的實時監(jiān)測系統。二、方案設計目前國內外工業(yè)生產中普遍采用間接的液位測量方法，如浮子式、液壓式、電容法、超聲波法、磁致伸縮式、光纖等。1、萬案一在光通信研究

3、中發(fā)現，光纖受外界環(huán)境因素的影響，如壓力、溫度、電場、磁場等環(huán)境條件變化時，將引起光纖傳輸的光波量，如光強、相位、頻率、偏振態(tài)等改變。如果能測量出光波變化的信息，就可以知道導致這些光波量變化的壓力、溫度、電場、磁場等物理量的大小，于是就出現了光纖傳感器技術。光纖傳感器的信號載體是在光纖中傳輸的光，而光纖本身是一種介質材料，這就賦予了光纖傳感器具有一些常規(guī)傳感器無可比擬的優(yōu)點，如靈敏度高、響應速度快、動態(tài)范圍大、防電磁干擾、超高壓絕緣、無源性、防燃防爆、適用于遠距離遙測、多路系統無地回路“用音”千擾、體積小、機械強度大、可靈活柔性撓曲、材料資源豐富、成本低等。被測對象(a)功能型(b)傳導型圖1

4、方案一原理框圖2、方案二差壓法測液位廣泛地應用于生產過程，但在當被測液的密度隨環(huán)境變化而變化的情況下，差壓法測液位的誤差很大，針對上述問題有人提出采用溫度補償法，但由于石油原油的組成成分復雜，各煉油廠提供的石油組分差異很大，甚至同廠不同批次的石油物性參數也不一致，因此采用溫度補償法有一定的難度。圖2方案二原理框圖3、力總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波,一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等;機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。

5、聲學式物位檢測方法就是利用超聲波的性質，通過測量聲波從發(fā)射至接收到被測物位界面所反射的回波的時間問隔來確定物也帕低超聲波發(fā)射器被置于2容器底部，當它向液面發(fā)射短促的脈沖時，在液面處產生反射，回波被超聲接收器接收。若超聲發(fā)射器和接收器到液面的距離為H,聲波在液體中的傳播速度為v,則有如下簡單關系：圖3方案三原理框圖通過方案比較，由于方案三的抗干擾能力較強，不與介質接觸無可動部件，工作十分可靠，故障率低，適應范圍廣。尤其適告高粘度、高腐蝕性介質的液位測量；壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率

6、時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。三、傳感器工作原理超聲波測距原理是超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據計時器記錄的時間t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離（s）,即：s=340t/2。超聲波的接收和發(fā)射是基于壓電效應和逆壓電效應。具有壓電效應的壓電晶體在受到聲波聲壓的作用時，晶體兩端將會產生與

7、聲壓變化同步的電荷，從而把聲波（機械能）轉換成電能；反之，如果將交變電壓加在晶體兩個端面的極上，沿著晶體厚度方向將產生與所加交變電壓同頻率的機械振動，向外發(fā)射聲波，實現了電能與機械能的轉換。因此，用作超聲發(fā)射和接收的壓電晶體也稱換能器。（a）液介式，探頭固定安裝在液體中最低液位之下。（b）氣介式，探頭安裝在最高液位之上的空氣或其它氣體中。（c）固介式，把一根傳聲固體棒插入液體中，上端要高出最高液位之上，探頭安裝在傳聲固體棒的上端。(a)(b)(c)圖4超聲波測距原理圖四、程序設計1程序流程圖超聲波測液位的電路圖圖5超聲波測液位電路圖1、發(fā)射裝置超聲波發(fā)射單元包括振蕩電路和驅動電路.振蕩電路是由

8、2塊555集成電路組成，IC1(555)組成超聲波脈沖彳S號發(fā)生器它產生40kHz的方波脈沖電路如圖6(a)所示.電路圖7中第二級反相器輸出的電壓由RA(3K電阻和滑動變阻器)的調節(jié),可以改變輸入到第一級反相器輸入端的相位.當相位達到同相時，實現正反饋，就成了穩(wěn)定的振蕩器.振蕩周期公式為T=2.2XRAXC.當RE夠大時，第一級反相器的輸入電流可忽略不計.由于超聲波換能器中心頻率都有偏差，所以R杯用電位計，可以調節(jié)到最佳諧振點，這也是不用單片機產生方波的原因.電路中IC1和IC2同時得到相位相反的2路控制脈沖，提供給驅動電路驅動控制采用了L293型直流電機PWM速芯片，它內部的H轎電路可以產生

9、相位相反的兩路脈沖.驅動電路的直流電源電壓可以改變，以適應不同傳感器對電壓的要求.振蕩電路中產生方波的兩端，分別接到驅動電路3OUTA3OUTB.控制輸出電路中輸出使能端，由單片機產生控制信號對其控制。ABRRC255/77777777圖6超聲波測液位發(fā)射裝置電路圖圖7超聲波測液位發(fā)射裝置電路圖2、接收裝置超聲波接收單元中包括：模擬放大、濾波電路、電平轉換電路，如圖8所示.模擬放大器選用高精度儀用放大器LM318作為信號放大與濾波之用，它的單位增益帶寬為15MHz超出音頻范圍能夠滿足40kHz的要求。在放大電路的負反饋回路中接入電容C1構成低通濾波器.電容的選擇可由公式。求出f為采用的超聲波頻

10、率.因為多諧振蕩器中有高頻分量噪聲，所以通過低通濾波器將高頻噪聲濾掉.經過2極放大后，通過電容耦合，信號與參考電壓比較產生高低電平，經過控制部分由單片產生7-8個周期的高電平，經過放大器驅動后，經GaAs發(fā)光二極管(LED)把信號發(fā)射出去，在信號控制端I/V轉換后，控制L293來產生40KHz的超聲波。圖8超聲波測液位接收裝置電路圖六、超聲波測液位參數選擇1、總體描述超聲波發(fā)生電路為超聲波發(fā)生電路。雙定時器IC1555組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器低電平變成正負尖頂脈沖，經過3AOUT1到負尖頂脈沖，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉。單穩(wěn)態(tài)翻轉輸出的高電平持續(xù)約1ms即tw=1.1R5cg1ms。IC2555組成多諧振

11、蕩器，接地電阻振蕩頻率f1-40kHz。該振蕩器振蕩受單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出電平控制。當單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出高電平時，多諧振蕩器產生振蕩，IC2555的引腳3輸出約40個頻率為40kHz、占空比約50%勺矩形脈沖?？紤]到多諧振蕩器起振階段不穩(wěn)定，因此設計輸m脈沖數較多。若輸出脈沖數太少，則發(fā)射強度小，測量距離短。但脈沖數過多，發(fā)射持續(xù)時間長，在距離被測物較近時，脈沖用尚未發(fā)射完，這樣導致先發(fā)射出的脈沖產生的回波將到達接收端，影響測距結果，造成測距盲區(qū)增大。超聲波脈沖驅動電路，可提高驅動超聲波發(fā)送傳感器的脈沖電壓幅值，有效進行電/聲轉換，增強發(fā)射超聲波的能力，增大測量距離。40kHz脈沖用的一路經反相器，

12、再經由并聯的反相器反相；其另一路經南并聯的反相器反相。2、參數計算發(fā)射裝置由兩塊555集成電路組成。IC1(555)組成超聲波脈沖信號發(fā)生器，工作周期計算公式如下，實際電路中由于元器件等誤差，會有一些差別。條件：RA=9.1MQ、RB=150KQ、C=0.01FTL=0.6xRBxC=1msec(2)TH=0.6(RARB)C=64msec(3)IC2組成超聲波載波信號發(fā)生器。由IC1輸出的脈沖信號控制，輸出1ms頻率40kHz,占空比50%的脈沖,停止64ms計算公式如下：條件：RA=1.5KQ、RB=15KQTL=0.6MRBMC=10psec(4)TH=0.6M(RA+RB)MC=11s

13、sec1THTL=46.0KHz(5)(6)3、器件選擇R1,R3,R4選用普通電阻，起限流的作用。R2選用1000K滑動變阻器，調節(jié)接收端信號。C1和C2選用100PF電解電容，作為晶振起電路電容。ICl和IC2均選用NE55州時基集成電路。TCT40-10T和TCT40-10R分別為發(fā)送和接收裝置頭。超聲波接收頭和IC4組成超聲波信號的檢測和放大。反射回來的超聲波信號經IC4的2級放大1000倍（60dB）,第1級放大100倍（40dB）,第2級放大10倍（20dB）。由于一般的運算放大器需要正、負對稱電源，而該裝置電源用的是單電源（9V）供電，為保證其可靠工作，這里用R1和R2進行分壓，

14、這時在IC4的同相端有4.5V的中點電壓，這樣可以保證放大的交流信號的質量，不至于產生信號失真。倍壓檢波電路取出反射回來的檢測脈沖信號送至單片機進行處理。信號比較、測量、計數和顯示電路，即比較和測量從發(fā)出的檢測脈沖和該脈沖被反射回來的時間差。4、系統需要的元器件清單表1元器件清單廳P元器件規(guī)格數量備注1C1,C2100pF2晶振電容2Q1,Q290124PNP3UN1TCT40-10T1發(fā)送頭4UN2TCT40-10R1接收頭5R1,R3,R41M3電阻6L1LED1指示燈7U5CX20106A1紅外接收8LR74LS045非門9B11.5V3電源10R21000K1滑動變阻七、總結現在，超聲波液位計|物位儀的工業(yè)用途迅速擴大。這個一度成本高昂卻不甚可靠的技術現在變得簡單易用，價格低廉。超聲波物位儀現已常規(guī)用于液位測量、流程監(jiān)控以提高產品質量、檢測缺陷、確定有無以及其它方面。這些傳感器還能減少由損壞部件產生的廢品，以及由此引起的停工時間，從而提高生產率。該項技術還沿著這個方向繼續(xù)研發(fā)新產品。物位檢測的精度主要取決于超聲脈沖的傳播時間和超聲波在介質中的傳播速度。前者可用適當的電路進行精確測量，后者易受介質溫度、成分等變化的影響，因此，需要采取有效的補償措施90通過本次傳感器課程設計對之前學過的各種傳感器原理與應用有了進一步深刻的認識