联合站安全监测系统传感器设计方案九(超声波液位传感器方面)(共21页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上目录1绪论11.1油田联合站11.1.1油田联合站的定义及组成11.1.2联合站主要岗位及任务11.1.3联合站的工艺流程21.2联合站的安全问题分析及对策21.2.1联合站的危险性分析21.2.2安全管理方法和制度 231.2.3安全防范措施 2-442超声波液位传感器72.1液位计的现状72.1.1接触型液位仪表72.1.2非接触型液位计82.2超声波测距的基本原理82.2.1超声波传感器82.2.2超声波的测距原理102.3超声波液位传感器系统的硬件设计112.3.1硬件电路的总体设计112.3.2液位信息采集电路112.4硬件抗干扰设计及 PCB 布线132.4.1硬件抗干扰133其他传感器选型153.1温度传感器153.1.1温度传感器的原理153.1.2温度传感器的分类153.1.3温度传感器的选型153.2压力传感器153.2.1压力传感器的原理163.2.2压力传感器的选型163.3液位传感器163.3.1液位传感器的结构163.3.2液位传感器的工作原理163.3.3液位传感器的选型174结论18参考文献19附录20专心-专注-专业1绪论1.1油田联合站1.1.1油田联合站的定义及组成油田联合站是原油生产过程中重要的环节之一,是集原油脱水、原油稳定、污水处理、高压注水、油井掺水拌热、原油储运等工艺于一体综合生产厂点,是”一级防火,甲级防爆”连续生产的要害单位。联合站一般包括原油脱水转油系统、污水处理系统、卸油系统、天然气净化系统及其它配套设施。1.1.2联合站主要岗位及任务1,脱水岗<沉降岗）脱水<沉降）岗主要任务是将高含水原油，通过热化学脱水<即游离水预处理），沉降脱水和电脱水处理，并将脱水后的净化油转输到输油岗，把含油污水转输到污水处理岗2，输油岗输油岗将脱水岗的净化油输送到缓冲罐<或大罐），再经输油泵加压，经流量计计量外输后外输到油库或长输管道3，污水岗污水岗把一段，二段，电脱水器和站内的其他污水收集起来进行处理，达到回注水质量标准后，送往注水站进行回注。4，注水岗注水岗把本站经净化处理和外来质量合格的水，根据地址的需要经注水泵加压输送到配水间，通过注水井注入到油层5，集气岗集气岗主要任务是将中转站来气，经增压机加压，经流量计<微机显示）计量后输送到供输油站或气处理厂。6，变电岗变电岗把35Kv,110Kv,220Kv高压电，经变压器及其他设备降压，向联合站<库）各用电设备配电。7，仪表岗仪表岗对本站各岗位使用的一，二次仪表，流量计进行投产运行时的调试和正常生产时的维护保养，调试，标定。8，化验岗化验岗一般设三个岗<1）原油化验岗负责本站进站原油含水，外输原油含水以及原油脱水过程中的质量监护化验和原油密度的测定。<2）污水化验岗负责本站进站原油含水，外输原油含水以及原油脱水过程中的质量监护化验和原油密度的测定。<3）锅炉化验岗负责锅炉用水水质的化验。9，锅炉钢，维修岗等岗位。1.1.3联合站的工艺流程由各中转站来的油井采出液进游离水脱除器进行油水分离, 含水原油经电脱水器进一步脱水、稳定后外输, 污水经过污水处理站除油后外输或回注。站内压力容器密布, 油气管道纵横, 易燃易爆。一旦联合站发生重大事故, 整个工作区内的生产将完全停止。开采出的油气混合物无法进行初步处理和加工, 经过加工的也无法通过输油管道送入炼油厂、石化厂再进行加工。1.2联合站的安全问题分析及对策1.2.1联合站的危险性分析1，工作场所的危险性 1,2( 1>原油集输中的油气分离。油气分离一般采用多级分离工艺, 运行的关键是控制分离器的压力和液面。控制分离器压力的目的, 一是为了保证分离质量。 二是为了克服液体压力和管道摩擦阻力。 三是为了安全。控制液面主要是为了防止原油进入天然气管道, 或油气进入油管道。在油气分离中最易发生的事故是分离器跑油。( 2>集输中的原油加热。在联合站中, 为了提高油温, 降低油粘度, 需要将原油加热。一般有两种方法: 一是直接加热, 即热量通过火管( 或辐射管> 和烟管( 或对流管> 直接传给炉内( 或管内> 的原油。 二是间接加热, 即以水或其他流体作为传热介质, 间接地将热量传给炉内的原油。完成对原油加热任务的加热炉是承受高温的密闭设备, 由于长期在不同的压力和温度下工作, 具有发生火灾和爆炸的危险性。( 3>原油储存。原油一般由大罐储存, 由于工艺和管理的原因, 目前较多采用开式流程, 而由此产生的蒸发损耗, 既增加了环境污染, 又加大了原油的挥发, 而且由于操作不当易引起冒顶和憋压。( 4>原油外输。原油外输涉及的主要设施是输油泵、容器、加热炉和工艺管线等。一般输油泵设置在泵房内, 所输送的原油属易燃、易爆、易挥发物质。由于设备的原因, 输油泵端面密封装置不能保证完全密封, 加上泵房的结构特点, 房内会有一定浓度的可燃蒸气, 有可能形成爆炸和火灾事故的隐患。输油系统大多属连续运行的压力系统, 操作不当易引起憋压、跑油、抽空等安全事故。( 5>污水处理。污水处理工艺虽大部分物料为污水, 但还有一定量的油气。污油罐顶油气浓度较大, 若违章穿钉鞋、化纤衣服, 罐顶阻火器失效, 电筒及静电引起放电打火等, 将造成污油罐爆炸、着火, 污油罐上层污油燃烧将热传导至水层,引起体积膨胀, 带油冲出罐顶发生喷溅, 造成火势蔓延。另外, 回收水池上部为污油, 油气浓度大,若遇火源会发生火灾。2，介质的危险性联合站的工作介质主要是原油和天然气, 这两种物质均具有危险性。( 1>原油闪点小于28 e , 属甲B 类易燃、易爆物。原油的易燃易爆性, 极易发生火灾爆炸事故。原油蒸气和空气混合到一定浓度时, 遇明火、高热能引起火灾、爆炸。 原油, 蒸发出的油蒸气在低洼处积聚污染环境, 对人体造成伤害。 容易产生静电且导电性较差。 容易受热膨胀、沸溢。( 2>天然气主要成分是以C1 为主的烷烃混合物, 属甲B 类易燃气体。其与空气混合形成爆炸性混合物, 遇明火极易燃烧爆炸。如果出现泄漏能无限制的扩散, 易与空气形成爆炸性混合物, 而且顺风飘动, 形成着火爆炸和蔓延扩散的重要条件, 遇明火回燃。在天然气中含有一定量的硫化氢和有机硫化物等, 长时间工作在含有天然气的作业场所, 容易对员工的健康造成一定影响, 对环境造成污染。1.2.2安全管理方法和制度 21，建立安全设施档案安全设施档案是正确使用、操作、管理的主要依据。设施档案应该包括安全设施的所有详细资料以及安全设施的技术资料、适用范围、设施使用情况记录、设施检验和修理更换记录等。2，建立安全管理组织要建立由站领导、技术干部和有关人员参加的安全领导小组, 领导开展安全工作, 确保安全生产。根据联合站规模的大小和消防设施的设置情况, 建立义务消防队, 定期进行演练, 能够在日常管理和突发事件中发挥作用。3，规范安全设施管理与操作岗位责任制联合站应根据本单位的实际情况, 设专、兼职安全员, 负责安全技术管理工作。安全员应熟悉安全设施、有关安全法规和技术规定的内容, 掌握所管设施的技术状况及其使用条件, 能对设施进行一般性的技术检验, 了解容器安全泄压装置和其他安全附件的技术性能。安全员的职责就是对联合站的安全负责, 监督检查安全设施的运行、维护工作, 负责建立安全设施档案及技术资料的管理和统计上报工作, 对员工进行安全技术培训和考核等。加强岗位人员的技能培训, 严格操作岗位责任制度, 减少由于操作失误造成的各类安全事故。4，对安全设施和器材实行定期检验对安全设施、消防器材等进行定期、专门的防火安全检查, 可及时发现问题并对问题及时进行整改, 保证装置平稳、安全、正常运行。5，建立健全安全用火制度应包括安全责任制度、用火审批制度、防火防爆制度、安全检查制度和其他安全制度。1.2.3安全防范措施2-41，防火防爆( 1>控制可燃物。联合站火灾爆炸事故的发生主要是由于着火源和点火源同时存在, 控制原则首先要消除着火源, 避免油气泄漏。油气等可燃物主要因开式流程自然释放和腐蚀、超压破裂、人为破坏及自然灾害等原因造成泄漏。防止可燃物溢散所采取的安全防范措施有:采用密闭工艺。油气生产系统采用密闭集输工艺, 可防止可燃介质在生产过程中扩散。 在容器、机泵、阀门及法兰等处, 以及甲类火灾危险性的作业场所一定要做好密封工作。可燃物密闭回收。将经三相分离器、油气分离器、除油器等设施处理后的天然气凝液和天然气密闭回收。满足设计压力。站内油气设备、管道等选择能满足强度要求的材质, 管道设计压力大于最大工作压力, 油气设备的设计压力高于最高工作压力0. 1 0. 2MPa。安全泄压和放空。对存在超压物理爆炸的设备、装置设置必要的安全泄放设施, 如事故罐、沉降罐等常压储罐均设置呼吸阀、阻火器和液压安全阀等安全附件, 以确保设备压力不超过设计条件。防腐蚀泄漏。依据原油、天然气、水等介质的腐蚀性, 以及水文地质和气象资料, 对站内容器、设备及管道进行内防腐、外防腐及保温设计。电源可靠, 保证连续生产。采用双电源供电方式, 保证供电系统的安全可靠性, 避免因供电造成的事故。建( 构> 筑物达到抗震等级, 降低灾害损失。联合站的建( 构> 筑物主要包括控制室、配电室、一二段操作间、阀组间、泵房、加药间、化药间、库房和罐前阀室, 以及各类设备、装置的基础等, 按6b抗震设防, 耐火等级均按二级设计。设置生产监控检测报警设施, 预防系统出现超压、超温及可燃物外溢等超设计范围的情况发生。( 2> 隔绝助燃物。助燃物形成的原因是空气( 氧气> 介质的存在。隔绝助燃物的措施主要是采用密闭流程, 设置污油回收系统、天然气回收系统等。 在无法彻底隔绝空气的情况下, 通过设置通风设施, 来降低空间内可燃物的浓度, 避免形成爆炸性混合物。在来油阀组、一二段操作间、外输泵房及流量计间等有爆炸危险的区域和加药间等有害气体存在的厂房按规范要求设置通风设施。 锅炉房设置事故通风口, 并将可燃气体报警装置和通风系统实现连锁。( 3> 消除点火源。点火源形成的原因主要是有明火、电气火花、静电、雷电、撞击火花、摩擦火花等的存在。因此, 必须采取措施预防或消除电气火花、静电、雷电及高热能等点火源的产生。防雷防静电。消除雷电、静电的措施: 泵房等防爆场所采用沿屋顶面设置避雷带或避雷网的防雷措施, 避雷网( 带> 沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设, 组成不大于10 m 10 m或12 m 8m 的网格, 接地引下线间距不大于18m。工艺装置区内露天布置的工艺设备、容器等壁厚均应大于4 mm, 其防直击雷措施采用直接接地方式, 接地点不少于两处, 按罐周长接地点间距不大于30 m。 石油天然气管线始端、末端、分支处及直线段设防静电、防感应雷接地。电气防爆。爆炸危险区域内电气设备全部采用防爆电气设备: 来油阀组间、一二段操作间等防爆厂房电缆采用铜芯电缆。 配电室、仪表值班室等非防爆场所采用电缆沟敷设。 爆炸危险厂房内采用电缆桥架敷设及局部穿钢管保护埋地敷设, 避免形成电气火花。防撞击火花产生。为岗位配备防爆工具, 甲、乙类生产厂房的地面采用不发生火花的地面。( 4> 阻止火势蔓延。为将联合站内万一发生火灾爆炸事故的影响降到最低还需采取下列措施:必要的防火间距。联合站的区域布置首先考虑与周围居民区、相邻企业、设备管线的安全距离。 其次, 考虑总平面布局的综合地形、风向等因素, 统筹安排站内设施与设施间、设施与建构筑物间的防火间距, 确保站内甲、乙类生产厂房和生产设备、储罐、明火设备及辅助生产设施间的防火间距满足规范要求。联合站内所有值班室和配电室均设置固定火灾报警电话。使用移动灭火器具扑灭初期火灾。联合站外输房、来油阀组间、一二段操作间、加药间、化验室、配电室、锅炉房及罐区按规范要求设置灭火器材, 便于扑灭初期零星火灾。利用消防设施, 控制灾害损失。按照规范要求, 在联合站设置消防给水, 供水压力、消防用水量满足规范要求。 事故油罐、含油污水沉降罐设固定或半固定泡沫灭火系统。 站内设消防道路, 罐区设环形消防通道, 利于火灾扑救。 联合站没有固定消防设施时, 依托邻近消防站, 消防站能在30 min内到达现场。设置配套设施降低事故影响: 储罐区设有防火堤, 一旦发生原油泄漏, 可避免原油四处漫流,防火堤的有效容积应满足规范要求。 锅炉房值班室与锅炉间分开设置, 燃气总控制阀与锅炉间分开设置, 便于事故发生时及时切断气源, 阻止火势蔓延。 甲、乙类厂房泄压面积与体积比不应小于0. 05。 设置安全疏散通道减少人员伤亡。2，防油品蒸发和泄漏油品泄漏事故大多数是人为因素造成的, 其中包括管理不善、操作失误、维修不及时等, 但也有一些是由于自然灾害或其他事故引发的。蒸发则是由于生产装置及系统不密闭造成的。泄漏, 可通过加强思想教育及技术培训、改善管理工作、健全岗位责任制、勤检查勤维修、增设安全报警装置及实现生产自动化等措施来预防。蒸发, 则只能通过设备及整个生产系统的密闭化来解决。3，防中毒与腐蚀原油蒸气和天然气具有一定的毒性, 吸入后能引起急性或慢性中毒。 排放后会给周围生态环境造成危害。主要的防中毒措施有:( 1> 严格控制排放量( 包括防止泄露> , 对于生产流程及主要设备进行密封, 对含油污水进行处理等。( 2> 及时排除聚集于工作场所的油气,主要是采取通风措施。因油气比空气重, 常积存于地面上及低洼处, 故通风设备应设置于低处。( 3> 对工作人员加强防毒知识教育, 健全劳保制度, 强调使用防毒用具等。( 4> 定期对从事有毒有害作业人员进行体检,防止和减少职业病发生。2超声波液位传感器Ultrasonic Level Sensor2.1液位计的现状2.1.1接触型液位仪表液位法是通过测量罐内液位高度,结合油罐容积表,求得储油体积,再通过测量油品温度和密度,换算出储油质量。按测量方式分接触式和非接触式。接触式液位计测量部件直接接触被测介质, 主要有人工检尺法、浮子测量装置、伺服式液位计、电容式液位计以及磁致伸缩式液位计。钢带浮子液位计,采用浮子、钢带等部件来检测液位。伺服式液位计,采用低压伺服电动机驱动浮子连续探测液位,是对钢带浮子液位计的改进,能有效消除因钢带摩擦引起的测量误差,提高了灵敏度和重复性。电容式液位计,是将一测量探头插在罐内,与罐壁形成一个电容,利用液位变化引起电容量的变化来测量液位。1， 人工检尺法：利用浸入式刻度钢尺测量液位，取样测量液体温度和密度，通过计算得到液体的体积和重量，这是迄今为止依然在全世界范围内广泛使用的液位测量方法，也可以把它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。该方法分为实高测量和空高测量两种。人工检尺法一般精度为±2mm，通常至少测量两次，两次结果相差不得超过±lmm。人工检尺法具有测量简单、直观、成本低等优点，但需要检测人员动手测量，不适合恶劣环境下的操作。另外，需要较长的测量时间，难以实现在线实时测量，即实时性较差且需手工处理数据，不利于数据的计算机管理。2， 浮子测量装置：浮子式测量装置采用大而重的浮子作为液位测量元件，驱动编码盘或编码带等显示装置，或连接电子变送器以便远距离传输测量信号。由于机械装置的使用，这类装置的测量误差一般约为±(410>mm，误差较大。浮子式液位测量装置具有结构简单、价格便宜等优点，但是浮子随着液面的波动而波动，从而造成读数误差。该装置传动部件较多，容易造成系统的机械磨损，因而增加了系统维护开销。浮子测量装置的适用范围为非腐蚀性液体的测量。3， 伺服式液位计：伺服式液位计与浮子式液位测量装置相比，提高了测量精度和可靠性。它采用波动积分电路，消除了抖动，延长了使用寿命。现代伺服式液位计的测量精度已达到 40m 范围内小于±1mm。但是，由于伺服式液位计仍属于机械测量装置，存在机械磨损，影响了测量的精度，因此需要定期维修和重新定标且安装困难。4， 电容式液位计：电容式液位计的核心是电容液位传感器。该传感器一般由标准电容、测量电容和比较电容等组成。其中，比较电容用来测量液体的介电常数，测量电容用来检测液位的变化，由液体的介电常数和测量电容的容量计算出液位。电容式液位计的价格较低、安装容易且可以应用于高温、高压的测量场合。5， 磁致伸缩式液位计：磁致伸缩式液位计采用磁致伸缩技术来测盘大罐的油水界面和油气界面。通常情况下，磁致伸缩液位计安装有两个浮子，其中一个浮子的密度小于油品的密度，另一个浮子的密度大于油品的密度而小于水的密度，它们分别用来检测油气界面和油水界面。磁致伸缩液位计安装容易，不需要定期维修和重新定标，工作寿命较长。其测量精度较高，测量的重复精度也较高，是比较理想的接触型液位计。但是磁致伸缩液位计与被测液体接触，仪器容易受到腐蚀，且液体的密度变化会带来测量误差。此外，浮子装置沿着波导管的护导管上下移动，容易被卡死，从而影响液位的正确测量。2.1.2非接触型液位计非接触式液位计是利用声、光、射线检测液位高度。如雷达液位测量仪表,利用发射波和回波的频率差与雷达天线和液面之间的距离成正比的原理来测量液位,其手提式遥测读数计可在罐区任何地方显示液位、温度和报警。超声波液位计,利用声波从发射到接收回波的时间间隔与液位高度成正比的原理来测量液位。非接触式液位计在罐内无检测部件,检测液位不受被测介质影响,也不影响被测介质,适应范围广泛,能满足特殊场合(如高粘度、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质>使用需要。非接触型液位测量仪表主要包括超声波液位计、雷达液位计、射线液位计以及激光液位计等。1，超声波液位计：超声波液位计是非接触式液位计中发展最快的一种。超声波在同一种介质中传播速度相对恒定，遇到被测物体表面时会产生反射，基于此原理研制出超声波液位计。目前，智能化的超声波液位计能够对接收信号做精确的处理和分析：可以将各种干扰信号过滤出来；识别多重回波；分析信号强度和环境温度等有关信息，这样即便在有外界干扰的情况下也能够进行精确的测量。超声波液位计不仅能定点和连续测量，而且能方便地提供遥测和遥控所需的信号。同时，超声波液位计不存在可动部件，所以在安装和维护上比较方便。超声波测位技术适用于气体、液体或固体等多种测量介质，因而具有较大的适应性且价格较为便宜。2，雷达液位计：雷达液位计发明于 20 世纪 60 年代，通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，将微波发射器和接收器安装在液面以上，向液面发射频率调制的微波信号。当接收到回波信号时，由于来回传播时间的延迟，发射频率发生了改变，将两种信号混合处理，所得信号的差频正比于发射器到液面之间的距离，雷达液位测量特别适用于高粘度或高污染的产品。雷达液位计的测量精度较高，而且无需定期维修和重新定标，但是安装比较复杂且价格不菲。3，射线液位计：核辐射放出的射线<如射线等）具有较强的穿透能力，且穿过不同厚度的介质有不同的衰减特性，核辐射式液位计正是利用这一原理来测量液位的。核辐射式液位计的核辐射源用点式或狭长型结构安装在液面以上，狡长型核辐射源检测元件也安装在液面以上，可实现对液位动态变化的检测。除利用核辐射射线来测量之外，还可采用中子射线来测量液位。射线液位计安装非常方便，测量精度较高，因为它没有任何部件与被测物体直接接触，特别适用于传统测量液位仪表不能解决的测量问题。4，其测量原理类似于超声波液位计，只是采用光波代替了超声波。发射传感器发射出激光，照射到被测液面，在液面处发生反射，接收传感器接收反射光，将从发射至接收的时间换算成液位距离。激光的光束很窄，在液位测量中通过光学系统转换成约 20mm 宽的光束，这样即使被测物面很粗糙，漫反射光也能被传感器接收。激光液位计非常适用于开口很狭窄的容器以及高温、高粘度的测量对象。而缺点是对液面的波动很敏感，油汽、水气等微粒对测量不利，且光学镜头必须定期保持清洁。2.2超声波测距的基本原理2.2.1超声波传感器以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收到的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。本系统采用压电式超声波传感器5。1， 压电式超声波传感器压电式超声波传感器主要由超声波发射器(或称发射探头>和超声波接收器(或称接收探头>两部分组成。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。超声波发生器内部结构如图 2.2.1所示，将两个压电元件粘合在一起，称为双压电晶片(由一个压电元件构成的称单压电晶片>，这里介绍的超声波发生器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。在实际应用中，压电式超声波传感器的发射器和接收器合成为一体。由一个压电元件作为“发射”和“接收”兼用，其工作原理为：将脉冲交流电压加在压电元件上，使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波，并将反射波转换为电信号输出。因此，压电式超声波传感器实质上是一种压电式传感器6。图2.2.1 超声波发生器内部结构2，超声波传感器分类<1）通用型：超声波传感器频带宽一般可达数千赫，并有对频率的选择性。通用型超声波传感器频带窄，但灵敏度高，抗干扰性强。在多通道，且通道间频率较近的应用中最好采用窄频带型的超声波传感器。通用型超声波传感器一般分别各有接收传感器和发送传感器。因最大接收灵敏度和最大发送灵敏度的频率分别为 fT和 fa，若用一个传感器必然牺牲其一。(2）宽频带型：宽频带超声波传感器能在工作频率内有两个共振点，因而加宽了频带。该传感器兼作发送和接收传感器。<3）封闭型：适用于室外环境的封闭型超声波传感器有较好的耐风雨性能，可用于汽车后面的检测装置上。<4）高频型：这种超声波传感器的中心频率高达 200kHz，既可作接收也可作发送用，而且方向性相当强，可进行高分辨率的测量。 由于超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时有相当的衰减，衰减程度与频率的高低成正比，而频率高则分辨率也高，故在短距离(小于 lm>测量时应选择频率高(100KHz 以上>的传感器，而长距离测量时要选择低频率的传感器。本系统采用的是 40KHz 的传感器。2.2.2超声波的测距原理在超声波测距电路中，发射端得到输出一系列脉冲方波信号，脉冲宽度为发射超声波的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下两种方法：1，取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 >与距离成正比，测量电压即可测得距离。2，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即被反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，原理如图 2.2.2 所示。超声波在空气中的传播速度为 C，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 L，即：L=Ct2 (2-1>这就是所谓的时间渡越法7。图 2.2.2 超声波测距原理图测量误差满足公式<2-2）：式中：L -距离误差；C -声速误差；t -时间误差由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。如果测量精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。本文就采用此种方法提高测量精度。声速与温度关系如表 2.1 所示：在空气中，常温下超声波的传播速度是 340 M秒，但其传播速度 C 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高1，声速增加约 0.607 M/秒。因此在测距精度要求很高的情况下，应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。已知现场环境温度 T 时，超声波传播速度 C的计算可近似如公式(2-3>所示：C=331.5+0.607T <2-3）2.3超声波液位传感器系统的硬件设计2.3.1硬件电路的总体设计根据设计要求并综合各方面因素，本系统主要采用 ATMEGA128 单片机为主要控制芯片，配合各种外围电路芯片来实现各个功能，系统结构如图 2.3.1所示。图2.3.1超声波液位传感器系统的硬件结构2.3.2液位信息采集电路液位信息采集电路主要由超声波发射电路、超声波接收电路和温度测量电路组成。1， 超声波发射电路超声波发射电路主要由单片机、脉冲升压电路和超声波发射探头组成。超声波发射电路如图 2.3.2<1） 所示。超声波发射探头采用 T40-16，其中心频率为 40kHz。图2.3.2<1）超声波发射电路（1） 超声波探头超声波探头是发射和接收超声波的仪器。本系统超声波发射探头采用T40-16，超声波接收探头采用 R40-16，外形如图 2.3.2<2）所示，参数如表2.2 所示。图2.3.2<2）超声波探头 表2.2超声波探头参数2，超声波接收电路超声波接收电路是用来将探测到的回波的声能转换为电信号, 实现超声波回波的接收。超声波接收电路如图2.3.2<2）所示。图2.3.2<2）超声波接收电路（1） LM358运算放大器图2.3.2<3）LM358运算放大器结构图特性:· 内部频率补偿；· 直流电压增益高(约 100dB>；· 单位增益频带宽(约 1MHz>；· 电源电压范围宽：单电源(330V>；双电源(±1.5±15V>；· 低功耗电流，适合于电池供电；· 低输入偏流；· 低输入失调电压和失调电流；· 共模输入电压范围宽，包括接地；· 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；· 输出电压摆幅大(01.5V>。 3，温度测量电路采用 DS18B20 温度传感器芯片检测环境温度表2.3DSl8B20 温度/数据对应表表2.4 DSl8B20 分辨率设置值2.4硬件抗干扰设计及 PCB 布线2.4.1硬件抗干扰超声波液位传感器系统是一个集弱电、数电、模电为一体的复杂电路，为了使系统稳定、可靠的工作，主要从以下几方面考虑。1， 抑制干扰源8，10抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的 du/dt，di/dt。这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。减小干扰源的 du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现。减小干扰源的 di/dt 则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现。抑制干扰源采用如下措施：(1>在总电源接入处接一个二极管和并联电容。(2>电路板上每个 IC 要并接一个 0.01uF0.1uF 高频电容，以减小 IC 对电源的影响。注意高频电容的布线，连线应靠近电源端，并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。(3>布线时避免 90 度折线，减少高频噪声发射，本文一般是 45 度折线。2，切断干扰传播路径按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类。切断干扰源采用了如下措施：(1>将数字电路部分与模拟电路部分完全分开，电源接入处与地线接出处一点相接地。(2>为防止超声波接收器与发射器辐射干扰，将其相隔 8cm 的距离平行放置，因超声波的波束很小，如此相隔后，辐射传播路径可以切断。(3>注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。此措施可解决许多疑难问题。(4>用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后再汇合于电源地。3其他传感器选型3.1温度传感器3.1.1温度传感器的原理温度传感器是通过测量物体的某些参数随着温度的变化而间接测量温度的。一个好的温度传感器要有应具备很多条件，比如温度范围宽、精度高、响应快、可靠性好、价格低等。温度传感器有接触型和非接触型两类，接触型温度传感器价格低、响应速度慢、结构简单等特点，非接触型温度传感器响应速度快，还可以应该用测量高温、有腐蚀性的场合。3.1.2温度传感器的分类温度传感器按原理分为膨胀式温度计、电阻式温度传感器、热电偶温度传感器、集成温度传感器。3.1.3温度传感器的选型传感器  热电偶 温湿度传感器   电容式温度传感器 型号：HG04- AZ3531-AZ3541 AZ3531/AZ3541温湿度传感器详细说明输出:4-20mA (3531>输出:0-5V (3541>温度及湿度传输使用Roteonic电容式湿度传感器可接延长电缆作远端传输,避免干扰操作环境:温度:0-60度,湿度5-95%  · 测量范围温度:0-85 湿度:0%-100%准确度温度: ±1湿度:±3% 解读度温度:1,湿度:0.1%输出输出:4-20mA (3531>输出:0-5V (3541>尺寸103*73*31mm操作环境0-60度,湿度5-95%选件延长电缆配件电池,说明书,测棒3.2压力传感器3.2.1压力传感器的原理压力传感器是将压力转换为电信号输出的传感器，通常把压力测量仪表中的电测式仪表。压力传感器一般由弹性敏感元件和位移敏感元件<或应变计）组成。弹性敏感元件的作用是使被测压力作用于某个面积上并转换为位移或应变，然后由位移敏感元件或应变计转换为与压力成一定关系的电信号。有时把这两种元件的功能集于一体。压力传感器广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。3.2.2压力传感器的选型  GS3351-P系列压力变送器采用了HT系列硅压阻式隔离膜充油芯体压力传感器和仪表专用集成放大电路组成,具有测量精度高、稳定性好、寿命长、可靠性高等特点。广泛用于石油、化工、钢铁、电力、食品，造纸、纺织、医药、轻工、环保等工业领域。对各种气体、液体介质的压力、液位等物理量的测量、并与运算器、报警器、调节器等配套使用，以实现生产过程的自动监测和控制。技术参数：1、被测介质：气体、液体、蒸汽2、测量范围：GS600G： 0-250Pa40MPaGS600A： 0-250Pa10MPa3、精度等级：0.2、0.5级4、输出信号：4-20mA<二线制）5、允许温度：使用环境温度：-20 +80测量介质温度：-40- +125储存温度：-40+856、工作电压：1236VDC，一般使用24VDC7、防爆等级： EXibBT48、电气连接：M 20*1.5内螺纹或NPT½9、允许过载压力：额定量程的两倍10、重量：1 .2kg(标准型>3.3液位传感器3.3.1液位传感器的结构液位传感器，它包括浮子(1>、磁铁(2>、支架(3>、线性输出的霍尔元件传感器(4>、放大电路，霍尔元件传感器(4>设置在支架(3>的上部，磁铁(2>设置在霍尔元件传感器(4>的下方，磁铁(2>与浮子(1>连接；霍尔元件传感器(4>的输出端通过放大电路与显示仪表的输入端连接。霍尔元件传感器为线性输出的霍尔元件传感器，因此，该液位传感器输出变化的线性度好，测量精度和分辨率高。3.3.2液位传感器的工作原理· 用静压测量原理：当液位变送器投入到被测液体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为： = .g.H + Po式中：P ：变送器迎液面所受压力：被测液体密度g ：当地重力加速度Po ：液面上大气压H ：变送器投入液体的深度同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 Po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 Po ，使传感器测得压力为： .g.H ，显然 , 通过测取压力 P ，可以得到液位深度。3.3.3液位传感器的选型EF8HD-2000系列超声波液位计是一种先进的非接触式物位测量仪器，用来取代原始的各种液位计，直接安装在被测介质的上方。产品特点：  非接触式测量，环保、安全、方便， 内置温度补偿，有效提高测量精度 现场数字化显示，并输出多种信号<任选）：420mA,RS485/RS232,上下限 有掉电保护功能，突然掉电信息不会丢失 16位D/A转换，提高电流输出的精度和分辨率主要技术参数：1.测量范围：2m, 3m, 4m, 5 m, 6m, 7m，8m, 10m,12m,15m, 20m2.频率：100KHZ-20KHZ3.分辨率：1-2mm4.显示：背光液晶显示/ 高亮度LED数码管显示5.输出信号：<1）420MA<2）RS232、RS485<3）上、下限两点报警；触点容量：220VAC/50mA6.盲区：0.250.5m7. 计测角度：1215°8.设定键：现场三位防水轻触键9.精度：常温常压下，基于标准平面±0.250.5%FS10.供电：24VDC80MA11.环境温度：-306012.外壳：标准型为ABS材质，防腐型：尼绒、聚四氟乙稀13. 防护等级：IP66，本安型设计14. 重量：350g；15.外形尺寸：200<高）×86<宽）×135<深）m 4结论通过阅读文献、资料，了解国内外超声波液位传感器的研究现状，理解各种测量原理，理解声波等相关知识。结合实际，研究了超声波液位传感器的测距原理。针对系统要求设计了硬件电路，并画出了其原理图。传感器是摄取信息的关键器件，它与通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集手段，也是采用微电子技术改造传统产业的重要方法，对提高经济效益、科学研究与生产技术的水平有着举足轻重的作用。由于目前的技术水平有限，我们对于各种传感器的利用并不完全，还有很大的发展空间。尤其是利用超声波的测量原理来应用于传感器的技术还有待提高。借鉴一些先进学者的理论知识来补充自己的后备力量，在不断的摸索中进一步探究超声波液位传感器的应用及发展前景。展望未来，超声波液位传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位、高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。在新的世纪里，面貌一新的传感器将发挥更大的作用。参考文献 1吴晓玲. 联合站火灾爆炸危险性分析 J . 油气田地面工程, 2007, 26( 2> : 31. 2 周民, 刘兴祥, 周金忠. 联合站安全管理浅析及对策 J . 安全、健康和环境, 2003, 3( 6> : 6- 8. 3杨伟. 联合站防火防爆安全措施的设