罐內(nèi)液體重量測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn)課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　現(xiàn)代傳感器與檢測(cè)技術(shù)</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　題目： 罐內(nèi)液體重量測(cè)量系統(tǒng)的改進(jìn) </p><p>　　2017年 1月 6日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>

2、;　　第1章 設(shè)計(jì)背景1</p><p>　　第2章 理論依據(jù)2</p><p>　　2.1電位器式傳感器2</p><p>　　2.2 電阻應(yīng)變式傳感器2</p><p>　　2.2.1電橋電路3</p><p>　　2.3罐內(nèi)液體重量的測(cè)量原理與改進(jìn)4</p><p>　　2.3

3、.1傳統(tǒng)罐內(nèi)液體測(cè)量原理4</p><p>　　2.3.2方案改進(jìn)5</p><p>　　第3章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理7</p><p>　　3.1信號(hào)獲取單元7</p><p>　　3.2一次差動(dòng)處理單元7</p><p>　　3.3二次差動(dòng)處理單元8</p><p>　　3.4信號(hào)放大處

4、理單元8</p><p>　　3.5A/D轉(zhuǎn)換單元8</p><p>　　3.6信號(hào)分析處理單元8</p><p><b>　　3.7輸出單元8</b></p><p>　　第4章 系統(tǒng)工作原理9</p><p>　　第5章 可行性分析10</p><p>　　

5、5.1功能可行性分析10</p><p>　　5.2技術(shù)可行性分析10</p><p>　　5.3經(jīng)濟(jì)可行性分析10</p><p>　　5.4風(fēng)險(xiǎn)分析10</p><p>　　5.4.1液壓強(qiáng)度10</p><p>　　5.4.2差動(dòng)連接電路10</p><p><b>

6、　　5.5結(jié)論11</b></p><p>　　第6章 設(shè)計(jì)不足12</p><p>　　6.1非柱體儲(chǔ)存罐對(duì)測(cè)量的影響12</p><p>　　6.2液體深度對(duì)測(cè)量的影響12</p><p>　　6.3差動(dòng)電路連接對(duì)測(cè)量的影響12</p><p>　　第7章 參考文獻(xiàn)13</p>

7、<p><b>　　第1章 設(shè)計(jì)背景</b></p><p>　　近年來(lái)，隨著石油工業(yè)的發(fā)展，石化部門(mén)對(duì)油罐自動(dòng)計(jì)量技術(shù)也越來(lái)越重視。油罐液位監(jiān)控計(jì)量系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)庫(kù)區(qū)油罐存儲(chǔ)油品和民用提提無(wú)聊狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，提供實(shí)時(shí)存儲(chǔ)油品的狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油罐存儲(chǔ)環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)。將計(jì)量油品收發(fā)及存儲(chǔ)中的產(chǎn)品數(shù)量，作為油罐作業(yè)中計(jì)量和帳務(wù)管理的依據(jù)，為產(chǎn)品決策提供及時(shí)、準(zhǔn)確的信息，杜絕庫(kù)區(qū)跑

8、、冒、滴、漏情況的出現(xiàn)。</p><p>　　除石油外，液化氣、汽油等液體物料與我們生活息息相關(guān)，但因罐裝的緣故，無(wú)法確切完成對(duì)液體剩余量的計(jì)量監(jiān)測(cè)。盡管液高測(cè)量具備一定的監(jiān)測(cè)意義，但因刻度標(biāo)定復(fù)雜且不易讀數(shù)等原因，很少用作罐裝液體的監(jiān)測(cè)計(jì)量。對(duì)于液體使用使用情況的分析，監(jiān)測(cè)液體的重量或質(zhì)量，更具現(xiàn)直觀意義。</p><p>　　從自動(dòng)化計(jì)量方法看，目前國(guó)外主要采用以下三種方法：檢尺法、靜

9、壓法和液位法。檢尺法是全球通用的測(cè)量方法；靜壓法是利用壓力傳感器（變送器）測(cè)量罐內(nèi)液體的靜壓力，根據(jù)儲(chǔ)罐幾何參數(shù)計(jì)算出容量和重量；液位法是通過(guò)測(cè)量罐內(nèi)液體的液位高度及密度等參數(shù)，來(lái)獲得罐內(nèi)儲(chǔ)液的容量及重量。</p><p>　　檢尺法和液位法都須要進(jìn)行液體高度的測(cè)量，對(duì)于密閉罐裝液體，該方法并不適用；對(duì)于普通罐裝液體，如果想要得到儲(chǔ)罐內(nèi)余料的重量，需要引入大量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，相對(duì)與測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，無(wú)疑增加了操作復(fù)雜性

10、。</p><p>　　基于原理討論，雖然靜壓法也須要要測(cè)量物料液高，擔(dān)由于內(nèi)置傳感器的穩(wěn)定測(cè)量屬性，使得液體深度與某些測(cè)量參數(shù)，比如液體壓強(qiáng)呈現(xiàn)穩(wěn)定的函數(shù)關(guān)系。將物理信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，處理單元做質(zhì)量或重量換算，輸出端完成數(shù)值輸出，簡(jiǎn)單易行[1][2]。</p><p>　　由于灌裝液體的生產(chǎn)和使用，經(jīng)常需要長(zhǎng)途運(yùn)輸，不同的氣壓條件對(duì)罐內(nèi)液體重量的測(cè)量產(chǎn)生一定的異常影響。尤其針對(duì)敞口的罐裝

11、液體物料，由于不同海拔、不同天氣、不同氣候下的大氣壓力不盡相同，導(dǎo)致基于壓力傳感測(cè)量的靜壓法存在一定的測(cè)量風(fēng)險(xiǎn)。本文在基于靜壓法的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)罐裝液體重量測(cè)量方案進(jìn)行了一定改進(jìn)——獲取、分析、處理氣壓差動(dòng)信號(hào)，消除了因外界氣壓或罐內(nèi)氣壓導(dǎo)致的測(cè)量誤差。</p><p><b>　　第2章 理論依據(jù)</b></p><p>　　本文介紹利用應(yīng)變電阻傳感器，將壓力信號(hào)、

12、重力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻變化、電壓變化的原理和其測(cè)量方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一個(gè)基于應(yīng)變結(jié)構(gòu)進(jìn)而測(cè)量罐內(nèi)液體重量的測(cè)量系統(tǒng)。</p><p>　　基于應(yīng)變結(jié)構(gòu)的電橋電路中，將應(yīng)變電阻包裝感壓膜，通過(guò)感壓膜感受液體的壓力。當(dāng)容器中溶液增多時(shí)，感壓膜感受的壓力就增大。電橋輸出電壓與柱式容器內(nèi)感壓膜上溶液的重量成線性關(guān)系，因此可以測(cè)量容器內(nèi)液體重量。</p><p>　　2.1電位器式傳感器</p

13、><p>　　電位器式傳感器又稱(chēng)變阻器傳感器，他其工作原理可以表示為均勻截面導(dǎo)體的電阻計(jì)算公式[3]。由物理學(xué)可知，其電阻為：</p><p>　　式中：ρ為電阻率，Ω·mm2/m；l為電阻絲長(zhǎng)度，m；A為電阻絲截面積，mm2.</p><p>　　2.2 電阻應(yīng)變式傳感器</p><p>　　電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將被測(cè)物理

14、量（如應(yīng)變、力、位移、加速度、扭矩等）轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上時(shí)，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小[4]。電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：</p><p>　　由于電阻應(yīng)變式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用方便、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量精確度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用與航天、機(jī)械、電力、化工、建筑、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，成為目前應(yīng)用最廣

15、泛的傳感器之一。由變電阻器的表達(dá)公式知，當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)dl，橫截面積相應(yīng)減小dA，電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了電阻率，從而引起電阻值的變化量為：</p><p>　　式中，A=πr2,r是電阻絲半徑。則上式為：</p><p><b>　　電阻的相對(duì)變化為：</b></p><p><b>　　2.2.

16、1電橋電路</b></p><p>　　由電阻、電容、電感等元件組成的四邊形測(cè)量電路叫電橋[5]。人們常把四條邊稱(chēng)為橋臂。作為測(cè)量電路，在四邊形的一條對(duì)角線兩端接上電源，另一條對(duì)角線兩端接指零儀器。調(diào)節(jié)橋臂上某些元件的參數(shù)值，使指零儀器的兩端電壓為零，此時(shí)電橋達(dá)到平衡。利用電橋平衡方程R1R3=R2R4，即可根據(jù)橋臂中已知元件的數(shù)值求得被測(cè)元件的參量 (如電阻、電感和電容)。電橋電路模型如圖2.2所示

17、：</p><p>　　當(dāng)橋臂應(yīng)變片受到壓力作用，其電阻發(fā)生變化，只是輸出端電壓也發(fā)生變化。當(dāng)電橋輸出端接有放大器時(shí)，由于放大器的輸入阻抗很高，所以認(rèn)為電橋的負(fù)載電阻無(wú)窮大，這是電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開(kāi)路電壓，其表達(dá)式為：</p><p>　　大量實(shí)驗(yàn)和推理證明，當(dāng)△R遠(yuǎn)小于R時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變程度成線性關(guān)系，這一屬性量在工程上被稱(chēng)為傳輸系數(shù)A，即：</

18、p><p>　　2.2.2單臂測(cè)量電路與雙臂測(cè)量電路</p><p>　　單臂工作：電橋只有一個(gè)臂接入被測(cè)量，其他三個(gè)臂采用固定電阻。</p><p>　　雙臂工作：又稱(chēng)半橋形式,電橋兩個(gè)臂接入被測(cè)量，另外兩個(gè)臂采用固定電阻。由于半橋電路在含有信號(hào)放大原件的的電路中具有抑制零點(diǎn)漂移的作用，因此也常被用于工程電路設(shè)計(jì)。實(shí)質(zhì)為輸入端的差動(dòng)電路。</p><

19、;p>　　2.3罐內(nèi)液體重量的測(cè)量原理與改進(jìn)</p><p>　　2.3.1傳統(tǒng)罐內(nèi)液體測(cè)量原理</p><p>　　罐內(nèi)底部安裝雙臂電橋應(yīng)變傳感器。電橋中，R1為應(yīng)變電阻并置于液體，用于測(cè)量壓力信號(hào)；R2為應(yīng)變電阻并置于電路內(nèi)部，用于測(cè)量溫度、結(jié)構(gòu)內(nèi)部變化造成的零點(diǎn)偏移噪聲信號(hào)；R3和R4為固定電阻，置于電路內(nèi)部。在罐內(nèi)無(wú)液體的初始狀態(tài)下，電橋平衡，無(wú)輸出電壓。</p>

20、<p>　　當(dāng)罐內(nèi)倒入液體，由于壓力變化，R1阻值發(fā)生改變，有電壓信號(hào)輸出。得出輸出電壓：</p><p>　　式中，A為電橋應(yīng)變傳感器的傳輸系數(shù)，ρgh表征了傳感器表面感壓膜的液體的壓強(qiáng)。對(duì)于等截面的的柱體容器，有：</p><p>　　式中，G為容器內(nèi)感壓膜上的液體的重量，S為柱形容器的截面積。</p><p>　　聯(lián)立上式，得到容器內(nèi)感壓膜上的液

21、體重量與電橋的輸出電壓之間的關(guān)系：</p><p>　　上式表明電橋輸出電壓與柱形容器內(nèi)液重呈線性關(guān)系，因此可以測(cè)得容器內(nèi)存儲(chǔ)液體的重量，得到液重的數(shù)學(xué)表達(dá)式：</p><p>　　物理模型如圖2.3所示：</p><p><b>　　2.3.2方案改進(jìn)</b></p><p>　　傳統(tǒng)液重測(cè)量方法中，使用了雙臂電橋，因

22、而消除了信號(hào)輸入端由于溫度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化造成的信號(hào)漂移誤差?？紤]到不同天氣、氣候、地域、海拔中氣壓，級(jí)罐內(nèi)氣壓對(duì)罐內(nèi)底部傳感器的影響，仍需要進(jìn)一步改進(jìn)測(cè)量結(jié)構(gòu)。</p><p>　　使用相同的電橋測(cè)量電路，將其置于液體以上的氣體環(huán)境中，用于與罐底相同的測(cè)量方法得出由氣壓引起的電壓輸出信號(hào)[5]，通過(guò)二次差動(dòng)以消除氣壓對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，完成輸入端的結(jié)構(gòu)改進(jìn)。</p><p>　　由氣壓引起的

23、電橋輸出電壓：</p><p>　　真實(shí)的電橋差動(dòng)輸出電壓：</p><p>　　得到液重的數(shù)學(xué)表達(dá)式:</p><p>　　上式表明，在知曉柱形容器底面積的情況下，通過(guò)一系列信號(hào)分析、處理步驟，可以消除電路內(nèi)部干擾信號(hào)和氣壓干擾信號(hào)，得到罐內(nèi)液體的重量，實(shí)現(xiàn)對(duì)罐內(nèi)液體物料使用情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。物理模型如圖2.4所示：</p><p>　　第3

24、章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理</p><p>　　罐內(nèi)液重的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包含以下幾個(gè)部分：信號(hào)獲取單元，一次差動(dòng)處理單元，二次差動(dòng)處理單元，信號(hào)放大處理單元，A/D轉(zhuǎn)換單元，信號(hào)分析處理單元，輸出單元。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖3.1所示：</p><p><b>　　3.1信號(hào)獲取單元</b></p><p>　　信號(hào)獲取單元功能在于獲取液壓和氣壓初始數(shù)據(jù)。由兩個(gè)具有

25、應(yīng)變電阻結(jié)構(gòu)的雙臂電橋組成。</p><p>　　電橋A置于罐底，將液壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其輸出。應(yīng)變電阻a置于液體物料，外側(cè)包裝感壓膜；應(yīng)變電阻b置于電路內(nèi)部；剩余兩個(gè)定值電阻置于電路內(nèi)部。</p><p>　　電橋B置于液面上的氣體中，將氣壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)并將其輸出。應(yīng)變電阻a置于氣體中，外側(cè)包裝感壓膜；應(yīng)變電阻b置于電路內(nèi)部；剩余兩個(gè)定值電阻置于電路內(nèi)部。</p>

26、<p>　　兩個(gè)具備應(yīng)變傳感作用的電橋器件的制作工藝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同。</p><p>　　3.2一次差動(dòng)處理單元</p><p>　　由于兩歌電橋器件均采用雙臂結(jié)構(gòu)，其中置于電路系統(tǒng)內(nèi)部的應(yīng)變電阻用于記錄電路內(nèi)部因溫度、結(jié)構(gòu)等因素造成的漂移噪聲，并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)反相相加于置于液體或氣體環(huán)境中應(yīng)變電阻記錄的電壓信號(hào)，消除因電路內(nèi)部不良因素造成的異常信號(hào)。</p>

27、<p>　　3.3二次差動(dòng)處理單元</p><p>　　置于氣體中的電橋記錄氣壓信號(hào)并轉(zhuǎn)換輸出為電壓信號(hào)，反相相加于罐底電橋輸出的電壓信號(hào)。將兩者的差值輸出信號(hào)作為后續(xù)處理單元的輸入信號(hào)，消除因氣壓因素造成的異常信號(hào)。系統(tǒng)輸入端的差動(dòng)處理電路如圖3.2所示：</p><p>　　3.4信號(hào)放大處理單元</p><p>　　由級(jí)聯(lián)放大器及外圍電路構(gòu)成，將經(jīng)過(guò)

28、兩次差動(dòng)處理的電壓信號(hào)，做同步或后置放大處理，使之滿足A/D轉(zhuǎn)換單元的基本輸入要求。</p><p>　　3.5A/D轉(zhuǎn)換單元</p><p>　　由A/D轉(zhuǎn)換芯片及外圍電路構(gòu)成，將獲取的電壓激勵(lì)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，為微處器的信號(hào)分析處理提供基本波形數(shù)據(jù)。</p><p>　　3.6信號(hào)分析處理單元</p><p>　　由微處理器——單片

29、機(jī)及外圍電路構(gòu)成，通過(guò)內(nèi)置算法還原氣壓值并計(jì)算出液體物料的重量值。</p><p><b>　　3.7輸出單元</b></p><p>　　由液晶顯示器及外圍電路構(gòu)成，將微處理器計(jì)算的液重值轉(zhuǎn)換成光信號(hào)并將其輸出顯示在液晶屏幕上。</p><p><b>　　系統(tǒng)工作原理</b></p><p>　

30、　系統(tǒng)工作流程如圖4.1所示：</p><p>　　罐內(nèi)液體重量測(cè)量系統(tǒng)主要分為信號(hào)輸入模塊、信號(hào)處理模塊和信號(hào)輸出模塊。各模塊工作過(guò)程分別為：</p><p>　　1)信號(hào)輸入模塊：采集液壓和氣壓信號(hào)，進(jìn)行反相相去噪處理后，為信號(hào)處理單元提供可靠輸入；</p><p>　　2)信號(hào)處理模塊：模擬-數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換，微處理器靠?jī)?nèi)置算法和程序完成液重計(jì)算和信號(hào)輸出；<

31、;/p><p>　　3)信號(hào)輸出模塊：輸出并顯示液重值。</p><p><b>　　第5章 可行性分析</b></p><p>　　5.1功能可行性分析</p><p>　　本設(shè)計(jì)在基于傳統(tǒng)靜壓法測(cè)量罐內(nèi)液體物料重量的基礎(chǔ)上，增加了氣壓測(cè)量模塊，加以分析、計(jì)算、處理，消除了氣壓對(duì)測(cè)量液重的不確定影響。保留了原系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

32、，因此增加差動(dòng)處理的部分更有益于對(duì)實(shí)際量值的測(cè)量，仍具備液重測(cè)量的功能。</p><p>　　5.2技術(shù)可行性分析</p><p>　　電橋電路是基于應(yīng)變結(jié)構(gòu)的電阻式傳感器，在建筑、醫(yī)療、航空、電力、機(jī)械等領(lǐng)域有著廣泛而成熟的應(yīng)用，因此作為設(shè)計(jì)主體部分的電橋傳感部分不存在技術(shù)難題。</p><p>　　5.3經(jīng)濟(jì)可行性分析</p><p>　

33、　本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)測(cè)量方案的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)和增加了電橋電路及外圍差動(dòng)模塊，成本低廉，不存在經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。</p><p><b>　　5.4風(fēng)險(xiǎn)分析</b></p><p><b>　　5.4.1液壓強(qiáng)度</b></p><p>　　由于電橋電路被裝備于罐底，需要承受一定的液體壓強(qiáng)。當(dāng)罐內(nèi)液體到達(dá)一定高度，底部傳感器存在因壓強(qiáng)過(guò)大

34、而損壞的風(fēng)險(xiǎn)；</p><p>　　5.4.2差動(dòng)連接電路</p><p>　　由于兩電橋電路被裝備于完全不同的測(cè)量環(huán)境，需要外圍電路將兩者連接才能實(shí)現(xiàn)后續(xù)的信號(hào)輸出。因此在液體中或者懸置或者采用玻璃、塑料保護(hù)包裝措施的連接電路，都存在因被內(nèi)部液體物料浸入造成電路損壞的風(fēng)險(xiǎn)。</p><p><b>　　5.5結(jié)論</b></p>

35、<p>　　本設(shè)計(jì)具備一定的可行性，但對(duì)于部分液面極高的罐裝液體的重力測(cè)量，仍存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)不足</b></p><p>　　6.1非柱體儲(chǔ)存罐對(duì)測(cè)量的影響</p><p>　　由于應(yīng)變電橋的傳遞系數(shù)是基于柱狀罐體容器的數(shù)據(jù)擬合而成，所以對(duì)于圓臺(tái)等非柱體儲(chǔ)存罐貯存的液體物料，不具備測(cè)量意義。<

36、;/p><p>　　6.2液體深度對(duì)測(cè)量的影響</p><p>　　由于電橋電路被裝備于罐底，需要承受一定的液體壓強(qiáng)。當(dāng)罐內(nèi)液體到達(dá)一定高度，底部傳感器存在因壓強(qiáng)過(guò)大而損壞的風(fēng)險(xiǎn)；</p><p>　　6.3差動(dòng)電路連接對(duì)測(cè)量的影響</p><p>　　由于兩電橋電路被裝備于完全不同的測(cè)量環(huán)境，需要外圍電路將兩者連接才能實(shí)現(xiàn)后續(xù)的信號(hào)輸出。因此在

37、液體中或者懸置或者采用玻璃、塑料保護(hù)包裝措施的連接電路，都存在因被內(nèi)部液體物料浸入造成電路損壞的風(fēng)險(xiǎn)。</p><p><b>　　第7章 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]石書(shū)喜,王建華. 儲(chǔ)罐內(nèi)液體的數(shù)量計(jì)量[J]. 計(jì)量技術(shù),2000,08:29-31. </p><p>　　[2]章勁武. 裝有玻璃管液面計(jì)的臥罐內(nèi)液體體積的計(jì)

38、算方法[J]. 油田地面工程,</p><p>　　1992,01:49-53+4.</p><p>　　[3]喬學(xué)光,李婷,王宏亮,賈振安,劉欽朋,王向宇. 電阻應(yīng)變式壓力傳感器的研究[J]. 傳感器世 </p><p>　　界,2006,11:11-13. </p><p>　　[4]尹福炎. 電阻應(yīng)變片與測(cè)力/稱(chēng)重傳感器——紀(jì)念電阻應(yīng)變