现代传感器与检测技术课程设计--罐内液体重量测量系统的改进.docx

现代传感器与检测设计课程设计现代传感器与检测技术课程设计题目： 罐内液体重量测量系统的改进 目 录第1章 设计背景1第2章 理论依据22.1电位器式传感器22.2 电阻应变式传感器22.2.1电桥电路32.3罐内液体重量的测量原理与改进42.3.1传统罐内液体测量原理42.3.2方案改进5第3章 系统结构原理73.1信号获取单元73.2一次差动处理单元73.3二次差动处理单元83.4信号放大处理单元83.5A/D转换单元83.6信号分析处理单元83.7输出单元8第4章 系统工作原理9第5章 可行性分析105.1功能可行性分析105.2技术可行性分析105.3经济可行性分析105.4风险分析105.4.1液压强度105.4.2差动连接电路105.5结论11第6章 设计不足126.1非柱体储存罐对测量的影响126.2液体深度对测量的影响126.3差动电路连接对测量的影响12第7章 参考文献13第1章 设计背景近年来，随着石油工业的发展，石化部门对油罐自动计量技术也越来越重视。油罐液位监控计量系统主要实现对库区油罐存储油品和民用提提无聊状态的监测，提供实时存储油品的状态参数，实现对油罐存储环境状态进行安全监测。将计量油品收发及存储中的产品数量，作为油罐作业中计量和帐务管理的依据，为产品决策提供及时、准确的信息，杜绝库区跑、冒、滴、漏情况的出现。除石油外，液化气、汽油等液体物料与我们生活息息相关，但因罐装的缘故，无法确切完成对液体剩余量的计量监测。尽管液高测量具备一定的监测意义，但因刻度标定复杂且不易读数等原因，很少用作罐装液体的监测计量。对于液体使用使用情况的分析，监测液体的重量或质量，更具现直观意义。从自动化计量方法看，目前国外主要采用以下三种方法：检尺法、静压法和液位法。检尺法是全球通用的测量方法；静压法是利用压力传感器（变送器）测量罐内液体的静压力，根据储罐几何参数计算出容量和重量；液位法是通过测量罐内液体的液位高度及密度等参数，来获得罐内储液的容量及重量。检尺法和液位法都须要进行液体高度的测量，对于密闭罐装液体，该方法并不适用；对于普通罐装液体，如果想要得到储罐内余料的重量，需要引入大量参数进行计算，相对与测量现场来说，无疑增加了操作复杂性。基于原理讨论，虽然静压法也须要要测量物料液高，担由于内置传感器的稳定测量属性，使得液体深度与某些测量参数，比如液体压强呈现稳定的函数关系。将物理信号转化成电信号，处理单元做质量或重量换算，输出端完成数值输出，简单易行12。由于灌装液体的生产和使用，经常需要长途运输，不同的气压条件对罐内液体重量的测量产生一定的异常影响。尤其针对敞口的罐装液体物料，由于不同海拔、不同天气、不同气候下的大气压力不尽相同，导致基于压力传感测量的静压法存在一定的测量风险。本文在基于静压法的基础上，对传统罐装液体重量测量方案进行了一定改进获取、分析、处理气压差动信号，消除了因外界气压或罐内气压导致的测量误差。第2章 理论依据本文介绍利用应变电阻传感器，将压力信号、重力信号转换为电阻变化、电压变化的原理和其测量方法，在此基础上设计了一个基于应变结构进而测量罐内液体重量的测量系统。基于应变结构的电桥电路中，将应变电阻包装感压膜，通过感压膜感受液体的压力。当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。电桥输出电压与柱式容器内感压膜上溶液的重量成线性关系，因此可以测量容器内液体重量。2.1电位器式传感器电位器式传感器又称变阻器传感器，他其工作原理可以表示为均匀截面导体的电阻计算公式3。由物理学可知，其电阻为：式中：为电阻率，·mm2/m；l为电阻丝长度，m；A为电阻丝截面积，mm2.2.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器是利用电阻应变片将被测物理量（如应变、力、位移、加速度、扭矩等）转换为电阻变化的传感器，当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小4。电阻应变片的结构如图2.1所示：图2.1 电阻应变片结构由于电阻应变式传感器具有结构简单、体积小、使用方便、动态响应快、测量精确度高等优点，被广泛应用与航天、机械、电力、化工、建筑、医学等领域，成为目前应用最广泛的传感器之一。由变电阻器的表达公式知，当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长dl，横截面积相应减小dA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了电阻率，从而引起电阻值的变化量为：式中，A=r2,r是电阻丝半径。则上式为：电阻的相对变化为：2.2.1电桥电路由电阻、电容、电感等元件组成的四边形测量电路叫电桥5。人们常把四条边称为桥臂。作为测量电路，在四边形的一条对角线两端接上电源，另一条对角线两端接指零仪器。调节桥臂上某些元件的参数值，使指零仪器的两端电压为零，此时电桥达到平衡。利用电桥平衡方程R1R3=R2R4，即可根据桥臂中已知元件的数值求得被测元件的参量 (如电阻、电感和电容)。电桥电路模型如图2.2所示：图2.2 电桥电路当桥臂应变片受到压力作用，其电阻发生变化，只是输出端电压也发生变化。当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以认为电桥的负载电阻无穷大，这是电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达式为：大量实验和推理证明，当R远小于R时，电桥的输出电压与应变程度成线性关系，这一属性量在工程上被称为传输系数A，即：2.2.2单臂测量电路与双臂测量电路单臂工作：电桥只有一个臂接入被测量，其他三个臂采用固定电阻。双臂工作：又称半桥形式,电桥两个臂接入被测量，另外两个臂采用固定电阻。由于半桥电路在含有信号放大原件的的电路中具有抑制零点漂移的作用，因此也常被用于工程电路设计。实质为输入端的差动电路。2.3罐内液体重量的测量原理与改进2.3.1传统罐内液体测量原理 罐内底部安装双臂电桥应变传感器。电桥中，R1为应变电阻并置于液体，用于测量压力信号；R2为应变电阻并置于电路内部，用于测量温度、结构内部变化造成的零点偏移噪声信号；R3和R4为固定电阻，置于电路内部。在罐内无液体的初始状态下，电桥平衡，无输出电压。当罐内倒入液体，由于压力变化，R1阻值发生改变，有电压信号输出。得出输出电压：式中，A为电桥应变传感器的传输系数，gh表征了传感器表面感压膜的液体的压强。对于等截面的的柱体容器，有：式中，G为容器内感压膜上的液体的重量，S为柱形容器的截面积。联立上式，得到容器内感压膜上的液体重量与电桥的输出电压之间的关系：上式表明电桥输出电压与柱形容器内液重呈线性关系，因此可以测得容器内存储液体的重量，得到液重的数学表达式：物理模型如图2.3所示：图2.3 罐内液重测量模型2.3.2方案改进 传统液重测量方法中，使用了双臂电桥，因而消除了信号输入端由于温度、内部结构变化造成的信号漂移误差。考虑到不同天气、气候、地域、海拔中气压，级罐内气压对罐内底部传感器的影响，仍需要进一步改进测量结构。使用相同的电桥测量电路，将其置于液体以上的气体环境中，用于与罐底相同的测量方法得出由气压引起的电压输出信号5，通过二次差动以消除气压对测量结果的影响，完成输入端的结构改进。由气压引起的电桥输出电压：真实的电桥差动输出电压：得到液重的数学表达式:上式表明，在知晓柱形容器底面积的情况下，通过一系列信号分析、处理步骤，可以消除电路内部干扰信号和气压干扰信号，得到罐内液体的重量，实现对罐内液体物料使用情况的实时监控。物理模型如图2.4所示：图2.4 罐内液重差动测量模型第3章 系统结构原理罐内液重的系统结构包含以下几个部分：信号获取单元，一次差动处理单元，二次差动处理单元，信号放大处理单元，A/D转换单元，信号分析处理单元，输出单元。系统结构原理如图3.1所示：图3.1 系统结构3.1信号获取单元信号获取单元功能在于获取液压和气压初始数据。由两个具有应变电阻结构的双臂电桥组成。电桥A置于罐底，将液压信号转变为电信号并将其输出。应变电阻a置于液体物料，外侧包装感压膜；应变电阻b置于电路内部；剩余两个定值电阻置于电路内部。电桥B置于液面上的气体中，将气压信号转变为电信号并将其输出。应变电阻a置于气体中，外侧包装感压膜；应变电阻b置于电路内部；剩余两个定值电阻置于电路内部。两个具备应变传感作用的电桥器件的制作工艺和内部结构完全相同。3.2一次差动处理单元由于两歌电桥器件均采用双臂结构，其中置于电路系统内部的应变电阻用于记录电路内部因温度、结构等因素造成的漂移噪声，并转换成电压信号反相相加于置于液体或气体环境中应变电阻记录的电压信号，消除因电路内部不良因素造成的异常信号。3.3二次差动处理单元置于气体中的电桥记录气压信号并转换输出为电压信号，反相相加于罐底电桥输出的电压信号。将两者的差值输出信号作为后续处理单元的输入信号，消除因气压因素造成的异常信号。系统输入端的差动处理电路如图3.2所示：图3.2 差动信号输入3.4信号放大处理单元由级联放大器及外围电路构成，将经过两次差动处理的电压信号，做同步或后置放大处理，使之满足A/D转换单元的基本输入要求。3.5A/D转换单元由A/D转换芯片及外围电路构成，将获取的电压激励模拟信号转换成数字信号，为微处器的信号分析处理提供基本波形数据。3.6信号分析处理单元由微处理器单片机及外围电路构成，通过内置算法还原气压值并计算出液体物料的重量值。3.7输出单元由液晶显示器及外围电路构成，将微处理器计算的液重值转换成光信号并将其输出显示在液晶屏幕上。第4章 系统工作原理系统工作流程如图4.1所示：图4.1 系统流程图 罐内液体重量测量系统主要分为信号输入模块、信号处理模块和信号输出模块。各模块工作过程分别为：1)信号输入模块：采集液压和气压信号，进行反相相去噪处理后，为信号处理单元提供可靠输入；2)信号处理模块：模拟-数字信号转换，微处理器靠内置算法和程序完成液重计算和信号输出；3)信号输出模块：输出并显示液重值。第5章 可行性分析5.1功能可行性分析本设计在基于传统静压法测量罐内液体物料重量的基础上，增加了气压测量模块，加以分析、计算、处理，消除了气压对测量液重的不确定影响。保留了原系统的框架结构，因此增加差动处理的部分更有益于对实际量值的测量，仍具备液重测量的功能。5.2技术可行性分析电桥电路是基于应变结构的电阻式传感器，在建筑、医疗、航空、电力、机械等领域有着广泛而成熟的应用，因此作为设计主体部分的电桥传感部分不存在技术难题。5.3经济可行性分析本设计在传统测量方案的基础上重新设计和增加了电桥电路及外围差动模块，成本低廉，不存在经济问题。5.4风险分析5.4.1液压强度由于电桥电路被装备于罐底，需要承受一定的液体压强。当罐内液体到达一定高度，底部传感器存在因压强过大而损坏的风险；5.4.2差动连接电路由于两电桥电路被装备于完全不同的测量环境，需要外围电路将两者连接才能实现后续的信号输出。因此在液体中或者悬置或者采用玻璃、塑料保护包装措施的连接电路，都存在因被内部液体物料浸入造成电路损坏的风险。5.5结论本设计具备一定的可行性，但对于部分液面极高的罐装液体的重力测量，仍存在一定的风险。第6章 设计不足6.1非柱体储存罐对测量的影响由于应变电桥的传递系数是基于柱状罐体容器的数据拟合而成，所以对于圆台等非柱体储存罐贮存的液体物料，不具备测量意义。6.2液体深度对测量的影响由于电桥电路被装备于罐底，需要承受一定的液体压强。当罐内液体到达一定高度，底部传感器存在因压强过大而损坏的风险；6.3差动电路连接对测量的影响由于两电桥电路被装备于完全不同的测量环境，需要外围电路将两者连接才能实现后续的信号输出。因此在液体中或者悬置或者采用玻璃、塑料保护包装措施的连接电路，都存在因被内部液体物料浸入造成电路损坏的风险。第7章 参考文献1石书喜,王建华. 储罐内液体的数量计量J. 计量技术,2000,08:29-31. 2章劲武. 装有玻璃管液面计的卧罐内液体体积的计算方法J. 油田地面工程, 1992,01:49-53+4.3乔学光,李婷,王宏亮,贾振安,刘钦朋,王向宇. 电阻应变式压力传感器的研究J. 传感器世 界,2006,11:11-13. 4尹福炎. 电阻应变片与测力/称重传感器纪念电阻应变片诞生70周年(1938-2008)J. 衡器,2010,11:42-48+51. 5郑鑫. 复合电桥的研究与设计D.电子科技大学,2015. 14