儲油罐液位、溫度實時檢測(2005)

1、設(shè)計小組名單:任光輝 張晨睿 王資凱 徐夢然 韓冬芳 朱晨姓名班級學(xué)號具體負(fù)責(zé)的工作任光輝F04035025040309537原理設(shè)計和小組工作安排張晨睿F04035025030309677資料搜集整理與報告撰寫王資凱F04035025040309756報告撰寫與整體方案修改徐夢然F04035025040309548圖表制作和方案討論韓冬芳F04035015040309094PPT制作與報告撰寫朱晨F04035015040309066傳感器原理分析1. 系統(tǒng)總體說明1 課題任務(wù)規(guī)定的設(shè)計要求1 設(shè)計方法比較1 設(shè)計特色12. 總體解決方案概述23. 所用傳感器簡介4 53 光纖傳感器3 超聲波

2、傳感器4 半導(dǎo)體熱敏電阻54. 系統(tǒng)描述6 溫度傳感器PPM電路1 66 超聲波測距237 傳感器PPM電路89 復(fù)合及脈沖光發(fā)射電路10 脈沖甄別電路810 單片機(jī)數(shù)據(jù)處理78115. 光推動系統(tǒng)的功率與信號通道設(shè)計91013 光推動系統(tǒng)簡介13 光推動通道136. 附錄14 存在的問題14 解決的辦法147. 致謝158. 參考資料161. 系統(tǒng)總體說明1.1 課題任務(wù)規(guī)定的設(shè)計要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(shè)備,儲油罐液位的精確計量對生產(chǎn)廠庫存管理及經(jīng)濟(jì)運行影響很大。但國內(nèi)許多反應(yīng)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(shù)的測定也沒有

3、實行實時動態(tài)測量,這樣易引發(fā)安全事故,無法為生產(chǎn)操作和管理決策提供準(zhǔn)確的依據(jù)。采用計算機(jī)自動監(jiān)測技術(shù),實時監(jiān)測儲油罐液位、溫度等參數(shù),可以方便了解生產(chǎn)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(chǎn)。試設(shè)計儲油罐（圓柱體型）液位、溫度的實時監(jiān)測系統(tǒng)。1.2 設(shè)計方法比較液位測量方法溫度測量方法直接測量法間接測量法接觸測量非接觸測量目測式液位測量法接觸測量非接觸測量膨脹式溫度計輻射式溫度計電容式超聲波式電阻式亮度溫度計電阻式紅外式熱電耦式比色溫度計靜壓式激光式壓力式光導(dǎo)纖維溫度計電感式光電式熱感式微波式表1 現(xiàn)有方法總結(jié)1.3 設(shè)計特色采用光纖傳輸，實現(xiàn)測量無電回路，避免電信號引起的危險，

4、動態(tài)效應(yīng)好，可以遠(yuǎn)端控制，實現(xiàn)數(shù)字脈沖的傳輸，避免干擾。2. 總體解決方案概述本次設(shè)計，我們采用光纖傳輸光推動油罐多參數(shù)側(cè)量，系統(tǒng)的總體方案如圖2.1所示。它由三部分組成:(1)測量現(xiàn)場的超聲波液位傳感器及其控制電路以及脈沖位置調(diào)制(PPM)電路，三只半導(dǎo)體熱敏電阻以及脈沖位置調(diào)制(PPM)電路，多個不同寬度窄脈沖信號復(fù)用電路，PPM信號發(fā)射電路和光電轉(zhuǎn)換供電電路。(2)二次儀表的脈寬鑒別、信號解調(diào)、信號處理以及LD光源驅(qū)動電路。(3)探頭與二次儀表之間功率和信號雙向光纖傳輸通道部分。圖2.1 系統(tǒng)的總體方案圖2.2 系統(tǒng)中傳感器安裝位置3. 所用傳感器簡介4 53.1 光纖傳感器在光通信研究

5、中發(fā)現(xiàn)，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?shù)墓獠?，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(dǎo)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(xiàn)了光纖傳感器技術(shù)。時至今日，光纖傳感器己成為現(xiàn)代傳感器技術(shù)發(fā)展方向之一，各國在光纖傳感理論和應(yīng)用上進(jìn)行了大量的研究工作。尤其是近幾年，它的發(fā)展異常迅速，呈現(xiàn)出巨大的開發(fā)潛力，受到一些工業(yè)先進(jìn)國家研究單位的高度重視 光纖傳感器的信號載體是在光纖中傳輸?shù)墓?，而光纖本身是一種介質(zhì)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(yīng)速度快、動

6、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(yuǎn)距離遙測、多路系統(tǒng)無地回路“串音”千擾、體積小、機(jī)械強度大、可靈活柔性撓曲、材料資源豐富、成本低等。由光纖、光源和光探測器組成的典型光纖傳感器如圖圖 光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡介光纖波導(dǎo)原理：光纖由折射率n1（光密介質(zhì)）較大的纖芯，和折射率n2（光疏介質(zhì)）較小的包層構(gòu)成。當(dāng)光線以較小的入射角1由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2（n1>n2）時,根據(jù)Snell定律有：圖 光纖基本結(jié)構(gòu)當(dāng)90º時，此時有：，稱為臨界角。由圖可見，當(dāng)時，光纖再介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向前的全反射。同理，由圖和Snell定律可導(dǎo)出光線由折射率為n0的外界介質(zhì)（空氣n01）

7、射入纖芯時實現(xiàn)全反射的臨界角為：NA定義為“數(shù)值孔徑”。一般： NA = 0.20.4 對應(yīng)張角3.2 超聲波傳感器總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)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。 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(dāng)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時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。

8、反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 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(jù)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。每個傳感器的中心頻率都存在一定的誤差，在40KHz左右波動，而且超聲波傳感器發(fā)射波束時存在很大的發(fā)散角，從而導(dǎo)致方向性較差，而且隨著傳播距離的增加，在不同的發(fā)射角上信號衰減的程度也有變

9、化。在空氣中的發(fā)散角及耗散性如圖 SHIRLEY P A. An introduction to ultrasonic sensingJ.END,1989(11)。圖超聲波在空氣中的發(fā)散角及耗散性3.3 半導(dǎo)體熱敏電阻信號通道探頭中的溫度敏感元件采用半導(dǎo)體熱敏電阻。選用半導(dǎo)體熱敏電阻做一次測溫元件的主要原因，一是半導(dǎo)體熱敏電阻阻值大，在實現(xiàn)電阻到脈寬的轉(zhuǎn)換時，可減少RC轉(zhuǎn)換電路的動態(tài)功耗;二是具有T-PWM變換的高靈敏度，響應(yīng)速度快(時間常數(shù)小)和小體積等優(yōu)點。但半導(dǎo)體熱敏電阻存在特性參數(shù)分散性大，互換性差，電阻一溫度 為非線性關(guān)系等缺點。近年來由于材料及工藝的不斷改進(jìn)，其溫度敏感特性得到改善

10、，在溫度測量與控制中得到廣泛應(yīng)用。 系統(tǒng)中采用高精度(誤差<0. 05 0C)的熱敏電阻，其阻值與溫度的關(guān)系為式中：被測溫度為T時的電阻值，參考溫度為T0時的電阻值，B熱敏電阻的材料系數(shù)。 系數(shù)B除與材料有關(guān)之外，還與材料所處溫度有關(guān)。材料確定之后，近似為一常數(shù)。合理選擇B值對溫度值的靈敏度、測量范圍、線性處理精度有直接影響，B值在近似常規(guī)條件下，熱敏電阻一溫度為指數(shù)函數(shù)關(guān)系。4. 系統(tǒng)描述4.1 溫度傳感器PPM電路1 6溫度傳感器的測量電路如圖.1所示。由移位寄存器CC4015和或非門CD4002構(gòu)成的分時電路控制開關(guān)CD4066，分別把三只半導(dǎo)體熱敏電阻和一只參考電阻接入振蕩器CD

11、4047，使各電阻值轉(zhuǎn)換為多諧振蕩器的脈寬信號t1 t4，脈寬與電阻的關(guān)系為式中 x = 1、2、3、4，C=0.1uF。當(dāng)時，此脈寬信號通過上升沿觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，用4uS脈沖位置信號來表征，如圖4.1.2所示。圖溫度傳感器PPM電路圖.2電路時序4.2 超聲波測距23超聲波發(fā)射單元包括振蕩電路和驅(qū)動電路振蕩電路是由反相器CD4069組成的非對稱式多諧振蕩器，它產(chǎn)生40 kHz的方波脈沖電路如圖所示電路中第二級反相器輸出的電壓由Rf（3K電阻和滑動變阻器）的調(diào)節(jié)，可以改變輸入到第一級反相器輸入端的相位當(dāng)相位達(dá)到同相時，實現(xiàn)正反饋，就成了穩(wěn)定的振蕩器振蕩周期公式為T=22×Rf

12、15;C因為CD4069為CMOS結(jié)構(gòu)，所以邏輯門前的電阻Rp（100M）為第一級反相器的保護(hù)電阻當(dāng)Rp足夠大時，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RP采用電位計，可以調(diào)節(jié)到最佳諧振點，這也是不用單片機(jī)產(chǎn)生方波的原因電路中IN1和IN2同時得到相位相反的2路控制脈沖，提供給驅(qū)動電路驅(qū)動控制采用了L293型直流電機(jī)PWM調(diào)速芯片，它內(nèi)部的H橋電路可以產(chǎn)生相位相反的兩路脈沖驅(qū)動電路的直流電源電壓可以改變，以適應(yīng)不同傳感器對電壓的要求振蕩電路中產(chǎn)生方波的兩端，分別接到驅(qū)動電路1A、4A端控制輸出電路中EN端為輸出使能端，它由CON1端口控制，由單片機(jī)產(chǎn)生控制信號，

13、通過光纖傳輸完成對其控制。圖超聲波發(fā)射單元圖4. L293 結(jié)構(gòu) 超聲波接收單元中包括：模擬放大、濾波電路、電平轉(zhuǎn)換電路，如圖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15 MHz，超出音頻范圍能夠滿足40 kHz的要求。在放大電路的負(fù)反饋回路中接入電容C1構(gòu)成低通濾波器電容的選擇可由公式f=1（2piR1*C）求出，式中f為采用的超聲波頻率，R1為第一級的反饋電阻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(jīng)過2極放大后，通過電容耦合，信號與參考電壓比較產(chǎn)生高低電平，經(jīng)過圖超聲波接收單元控制部分由單片產(chǎn)生7-8個周期的高電平，經(jīng)

14、過放大器驅(qū)動后，經(jīng)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(zhuǎn)換后，控制L293來產(chǎn)生40KHz的超聲波。圖單片機(jī)控制電路超聲波的發(fā)生電路4.3 傳感器PPM電路8圖為傳感器PPM電路，分別把輸出的超聲信號和溫度信號調(diào)制成1us和4us的脈沖。圖傳感器PPM電路圖 CD4098管腳分布圖其中周期T= RC，調(diào)節(jié)1、2和14、15腳上的電阻和電容使得產(chǎn)生4us和2us的脈沖4.4 復(fù)合及脈沖光發(fā)射電路為了實現(xiàn)單光纖傳輸所有脈沖位置信號，用或門把表征超聲波2uS脈位信號和表征溫度傳感器的4uS脈位信號進(jìn)行電復(fù)合，經(jīng)GaAs發(fā)光二極管(LED)把信號發(fā)射出去，圖示出了電復(fù)合及脈沖

15、光發(fā)射電路。圖電復(fù)合及脈沖光發(fā)射電路4.5 脈沖甄別電路8圖出2uS脈寬的PPM-PWM信號解調(diào)電路，其它幾路結(jié)構(gòu)與其相同，只是設(shè)定的參數(shù)不同。表示超聲波與溫度信號的2uS, 4uS光脈沖位置信號，通過硅光電二極管(PD)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。脈寬甄別器只通過2uS脈寬的信號，再由D觸發(fā)器恢復(fù)表征電容C1和C2的脈寬信號。圖4.5.1 PPM-PWM信號解調(diào)電路脈沖甄別電路由單穩(wěn)電路CD4047和與非門CD4093構(gòu)成。脈沖寬度的甄別上限Tu=TA + TB，甄別下限Ti=TA。TA為單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(OSB)工作于上升沿觸發(fā)方式的定時周期，TB為單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(OSB)下降沿觸發(fā)方式的定時周期

16、，它們分別由時間常數(shù)RA, CA，和RB、CB確定。輸入脈沖寬度tM低于TA時，與非門G3的兩個輸入不可能同時為高電平，故D3輸出一直處于高電平，此時電路無脈沖輸出。如果輸入脈沖寬度tM是在上、下甄別閾內(nèi)，則/Qa回到高態(tài)瞬間，G3輸出為低電平，并觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(OSB)，于是/Qa輸出為高電平，與非門G4輸出一個負(fù)脈沖，這說明輸入脈沖寬度落在電路的甄別閾之內(nèi)。當(dāng)輸入脈沖寬度tM大于Tu時，由于TB結(jié)束之后G1，的輸出仍為低態(tài)，故G2無負(fù)脈沖輸出。輸入和G1之間的兩個與非門(G3，G4)用來對輸入脈沖延時，以防輸入脈沖在單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器OSA。觸發(fā)以前去觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器OSB。脈沖甄

17、別器各點的波形如圖所示。圖脈沖甄別器各點波形從選通的PPM信號到PWM變換為解調(diào)過程，各選通的窄脈沖位置信號通過CD4013觸發(fā)器即變成脈寬調(diào)制信號。4.6 單片機(jī)數(shù)據(jù)處理78本系統(tǒng)采用單片機(jī)對脈寬信號進(jìn)行測量和處理。通過接受到的超聲波的信號與發(fā)射控制信號的時間差值計算液位，通過測量溫度信號（4us的脈沖）脈沖的時間差值，來計算熱敏電阻溫度傳感器測量的溫度值。由于單片機(jī)內(nèi)部的定時器精度較低，MCS-51系列單片機(jī)在選用12MHz晶振時，定時精度僅達(dá)到1uS，不能滿足本系統(tǒng)的測量要求。為實現(xiàn)脈沖寬度的精確測量，采用了由高速數(shù)字電路構(gòu)成的定時器和單片機(jī)組成脈寬測量系統(tǒng)。脈寬測量系統(tǒng)的硬件組成如圖所

18、示。圖脈寬測量系統(tǒng)的硬件組成為滿足測量精度要求，測量電路選用50MHz的高速時鐘電路作為定時用計數(shù)器的時鐘基準(zhǔn)。高速計數(shù)器由兩片4位二進(jìn)制計數(shù)器(74F197)組成的8位計數(shù)器。用兩路計數(shù)器分別實現(xiàn)對正脈沖和負(fù)脈沖的測量。計數(shù)器的溢出周期為5.12uS，單片機(jī)對其計數(shù)，以實現(xiàn)較大范圍的測量。（單片機(jī)是對接受到的脈沖之間的時間間隔進(jìn)行計時，在答辯中老師認(rèn)為不需要高精度計數(shù)器是有所誤解的）5. 光推動系統(tǒng)的功率與信號通道設(shè)計9105.1 光推動系統(tǒng)簡介實現(xiàn)溫度，液位等參數(shù)的高精度檢側(cè)，必須解決如下關(guān)鍵技術(shù):光推動通道完成的高效率光/電變換，使之推動探頭的電功率有一定裕度;RC轉(zhuǎn)換探頭的微功耗;被測

19、參數(shù)的R. C-PWM-PPM變換，PPM信號的遠(yuǎn)距離光纖傳輸;二次儀表端PPM信號的辯識，PPM-PWM恢復(fù)，系統(tǒng)性能指標(biāo)的調(diào)整與改善。 為解決光推動功率不穩(wěn)定造成的測量誤差，除了采用制冷與光反饋技術(shù)外，R,C轉(zhuǎn)換電路設(shè)計成熱敏電阻R與固定電阻互為參考，兩被測差動電容互為參考工作方式，使系統(tǒng)的溫漂、時漂大為減少，抗機(jī)械和抗電磁干擾性得到改善，提高了探頭及整個系統(tǒng)的測量精度與工作穩(wěn)定性。 測量與傳輸信號采用R, C-PVYM-PPM調(diào)制技術(shù)且全CMOS電路實現(xiàn)，不僅減少了探頭的動態(tài)和靜態(tài)功耗，而且抑制了信號傳輸系統(tǒng)中的光纖長度、光源、光探測器和光禍合器等的特性參數(shù)變化對信號檢測精度的影響。 實

20、用化功率與信號雙光纖傳輸油罐多參數(shù)檢測系統(tǒng)的設(shè)計，成功地解決了電傳感與光傳輸?shù)南嗳菪?，擴(kuò)展了差動電容式敏感元件在強電磁干擾、易燃易爆場合的應(yīng)用，實現(xiàn)了常規(guī)傳感器難以勝任的特殊環(huán)境下的油罐多參數(shù)測量。5.2 光推動通道二次儀表端的LD驅(qū)動電路調(diào)制LD使其發(fā)光，光能耦合入功率光纖傳輸?shù)教筋^端，經(jīng)硅光電池再轉(zhuǎn)換成電能。用硅光電池獲得電壓主要有兩種方式，一是采用多個硅光電池串聯(lián)陣列的方式，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但它存在電流不匹配的問題，即串聯(lián)陣列中，任一硅光電池的轉(zhuǎn)換效率低，在回路中的總電流就受到了限制。本文采用另一種方式，即利用一個硅光電池，將其輸出幅值為0. 7V脈沖電壓，由變壓器升壓產(chǎn)生轉(zhuǎn)換探頭的工作電源，其原理如圖所示。它包括方波驅(qū)動電路、LD-光纖-PD耦合傳輸部分和光至直流電壓轉(zhuǎn)換部分。此方法提供給測量端工作的電源有