罐內液體重量測量系統(tǒng)的改進課程設計

1、<p>　　現(xiàn)代傳感器與檢測技術</p><p><b>　　課程設計</b></p><p>　　題目： 罐內液體重量測量系統(tǒng)的改進 </p><p>　　2017年 1月 6日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>

2、;　　第1章 設計背景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 電阻應變式傳感器2</p><p>　　2.2.1電橋電路3</p><p>　　2.3罐內液體重量的測量原理與改進4</p><p>　　2.3

3、.1傳統(tǒng)罐內液體測量原理4</p><p>　　2.3.2方案改進5</p><p>　　第3章 系統(tǒng)結構原理7</p><p>　　3.1信號獲取單元7</p><p>　　3.2一次差動處理單元7</p><p>　　3.3二次差動處理單元8</p><p>　　3.4信號放大處

4、理單元8</p><p>　　3.5A/D轉換單元8</p><p>　　3.6信號分析處理單元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技術可行性分析10</p><p>　　5.3經濟可行性分析10</p><p>　　5.4風險分析10</p><p>　　5.4.1液壓強度10</p><p>　　5.4.2差動連接電路10</p><p><b>

6、　　5.5結論11</b></p><p>　　第6章 設計不足12</p><p>　　6.1非柱體儲存罐對測量的影響12</p><p>　　6.2液體深度對測量的影響12</p><p>　　6.3差動電路連接對測量的影響12</p><p>　　第7章 參考文獻13</p>

7、<p><b>　　第1章 設計背景</b></p><p>　　近年來，隨著石油工業(yè)的發(fā)展，石化部門對油罐自動計量技術也越來越重視。油罐液位監(jiān)控計量系統(tǒng)主要實現(xiàn)對庫區(qū)油罐存儲油品和民用提提無聊狀態(tài)的監(jiān)測，提供實時存儲油品的狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)對油罐存儲環(huán)境狀態(tài)進行安全監(jiān)測。將計量油品收發(fā)及存儲中的產品數(shù)量，作為油罐作業(yè)中計量和帳務管理的依據(jù)，為產品決策提供及時、準確的信息，杜絕庫區(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，但因罐裝的緣故，無法確切完成對液體剩余量的計量監(jiān)測。盡管液高測量具備一定的監(jiān)測意義，但因刻度標定復雜且不易讀數(shù)等原因，很少用作罐裝液體的監(jiān)測計量。對于液體使用使用情況的分析，監(jiān)測液體的重量或質量，更具現(xiàn)直觀意義。</p><p>　　從自動化計量方法看，目前國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量方法；靜壓法是利用壓力傳感器（變送器）測量罐內液體的靜壓力，根據(jù)儲罐幾何參數(shù)計算出容量和重量；液位法是通過測量罐內液體的液位高度及密度等參數(shù)，來獲得罐內儲液的容量及重量。</p><p>　　檢尺法和液位法都須要進行液體高度的測量，對于密閉罐裝液體，該方法并不適用；對于普通罐裝液體，如果想要得到儲罐內余料的重量，需要引入大量參數(shù)進行計算，相對與測量現(xiàn)場來說，無疑增加了操作復雜性

10、。</p><p>　　基于原理討論，雖然靜壓法也須要要測量物料液高，擔由于內置傳感器的穩(wěn)定測量屬性，使得液體深度與某些測量參數(shù)，比如液體壓強呈現(xiàn)穩(wěn)定的函數(shù)關系。將物理信號轉化成電信號，處理單元做質量或重量換算，輸出端完成數(shù)值輸出，簡單易行[1][2]。</p><p>　　由于灌裝液體的生產和使用，經常需要長途運輸，不同的氣壓條件對罐內液體重量的測量產生一定的異常影響。尤其針對敞口的罐裝

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，導致基于壓力傳感測量的靜壓法存在一定的測量風險。本文在基于靜壓法的基礎上，對傳統(tǒng)罐裝液體重量測量方案進行了一定改進——獲取、分析、處理氣壓差動信號，消除了因外界氣壓或罐內氣壓導致的測量誤差。</p><p><b>　　第2章 理論依據(jù)</b></p><p>　　本文介紹利用應變電阻傳感器，將壓力信號、

12、重力信號轉換為電阻變化、電壓變化的原理和其測量方法，在此基礎上設計了一個基于應變結構進而測量罐內液體重量的測量系統(tǒng)。</p><p>　　基于應變結構的電橋電路中，將應變電阻包裝感壓膜，通過感壓膜感受液體的壓力。當容器中溶液增多時，感壓膜感受的壓力就增大。電橋輸出電壓與柱式容器內感壓膜上溶液的重量成線性關系，因此可以測量容器內液體重量。</p><p>　　2.1電位器式傳感器</p

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

14、量（如應變、力、位移、加速度、扭矩等）轉換為電阻變化的傳感器，當被測物理量作用在彈性元件上時，彈性元件的變形引起應變敏感元件的阻值變化，通過轉換電路轉變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小[4]。電阻應變片的結構如圖2.1所示：</p><p>　　由于電阻應變式傳感器具有結構簡單、體積小、使用方便、動態(tài)響應快、測量精確度高等優(yōu)點，被廣泛應用與航天、機械、電力、化工、建筑、醫(yī)學等領域，成為目前應用最廣

15、泛的傳感器之一。由變電阻器的表達公式知，當電阻絲受到拉力F作用時，將伸長dl，橫截面積相應減小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量電路叫電橋[5]。人們常把四條邊稱為橋臂。作為測量電路，在四邊形的一條對角線兩端接上電源，另一條對角線兩端接指零儀器。調節(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，此時電橋達到平衡。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>　　當橋臂應變片受到壓力作用，其電阻發(fā)生變化，只是輸出端電壓也發(fā)生變化。當電橋輸出端接有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以認為電橋的負載電阻無窮大，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路電壓，其表達式為：</p><p>　　大量實驗和推理證明，當△R遠小于R時，電橋的輸出電壓與應變程度成線性關系，這一屬性量在工程上被稱為傳輸系數(shù)A，即：</

18、p><p>　　2.2.2單臂測量電路與雙臂測量電路</p><p>　　單臂工作：電橋只有一個臂接入被測量，其他三個臂采用固定電阻。</p><p>　　雙臂工作：又稱半橋形式,電橋兩個臂接入被測量，另外兩個臂采用固定電阻。由于半橋電路在含有信號放大原件的的電路中具有抑制零點漂移的作用，因此也常被用于工程電路設計。實質為輸入端的差動電路。</p><

19、;p>　　2.3罐內液體重量的測量原理與改進</p><p>　　2.3.1傳統(tǒng)罐內液體測量原理</p><p>　　罐內底部安裝雙臂電橋應變傳感器。電橋中，R1為應變電阻并置于液體，用于測量壓力信號；R2為應變電阻并置于電路內部，用于測量溫度、結構內部變化造成的零點偏移噪聲信號；R3和R4為固定電阻，置于電路內部。在罐內無液體的初始狀態(tài)下，電橋平衡，無輸出電壓。</p>

20、<p>　　當罐內倒入液體，由于壓力變化，R1阻值發(fā)生改變，有電壓信號輸出。得出輸出電壓：</p><p>　　式中，A為電橋應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。對于等截面的的柱體容器，有：</p><p>　　式中，G為容器內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，得到容器內感壓膜上的液

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

22、而消除了信號輸入端由于溫度、內部結構變化造成的信號漂移誤差?？紤]到不同天氣、氣候、地域、海拔中氣壓，級罐內氣壓對罐內底部傳感器的影響，仍需要進一步改進測量結構。</p><p>　　使用相同的電橋測量電路，將其置于液體以上的氣體環(huán)境中，用于與罐底相同的測量方法得出由氣壓引起的電壓輸出信號[5]，通過二次差動以消除氣壓對測量結果的影響，完成輸入端的結構改進。</p><p>　　由氣壓引起的

23、電橋輸出電壓：</p><p>　　真實的電橋差動輸出電壓：</p><p>　　得到液重的數(shù)學表達式:</p><p>　　上式表明，在知曉柱形容器底面積的情況下，通過一系列信號分析、處理步驟，可以消除電路內部干擾信號和氣壓干擾信號，得到罐內液體的重量，實現(xiàn)對罐內液體物料使用情況的實時監(jiān)控。物理模型如圖2.4所示：</p><p>　　第3

24、章 系統(tǒng)結構原理</p><p>　　罐內液重的系統(tǒng)結構包含以下幾個部分：信號獲取單元，一次差動處理單元，二次差動處理單元，信號放大處理單元，A/D轉換單元，信號分析處理單元，輸出單元。系統(tǒng)結構原理如圖3.1所示：</p><p><b>　　3.1信號獲取單元</b></p><p>　　信號獲取單元功能在于獲取液壓和氣壓初始數(shù)據(jù)。由兩個具有

25、應變電阻結構的雙臂電橋組成。</p><p>　　電橋A置于罐底，將液壓信號轉變?yōu)殡娦盘柌⑵漭敵觥冸娮鑑置于液體物料，外側包裝感壓膜；應變電阻b置于電路內部；剩余兩個定值電阻置于電路內部。</p><p>　　電橋B置于液面上的氣體中，將氣壓信號轉變?yōu)殡娦盘柌⑵漭敵?。應變電阻a置于氣體中，外側包裝感壓膜；應變電阻b置于電路內部；剩余兩個定值電阻置于電路內部。</p>

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

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

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

29、機及外圍電路構成，通過內置算法還原氣壓值并計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成，將微處理器計算的液重值轉換成光信號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>　　罐內液體重量測量系統(tǒng)主要分為信號輸入模塊、信號處理模塊和信號輸出模塊。各模塊工作過程分別為：</p><p>　　1)信號輸入模塊：采集液壓和氣壓信號，進行反相相去噪處理后，為信號處理單元提供可靠輸入；</p><p>　　2)信號處理模塊：模擬-數(shù)字信號轉換，微處理器靠內置算法和程序完成液重計算和信號輸出；<

31、;/p><p>　　3)信號輸出模塊：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>　　本設計在基于傳統(tǒng)靜壓法測量罐內液體物料重量的基礎上，增加了氣壓測量模塊，加以分析、計算、處理，消除了氣壓對測量液重的不確定影響。保留了原系統(tǒng)的框架結構

32、，因此增加差動處理的部分更有益于對實際量值的測量，仍具備液重測量的功能。</p><p>　　5.2技術可行性分析</p><p>　　電橋電路是基于應變結構的電阻式傳感器，在建筑、醫(yī)療、航空、電力、機械等領域有著廣泛而成熟的應用，因此作為設計主體部分的電橋傳感部分不存在技術難題。</p><p>　　5.3經濟可行性分析</p><p>　

33、　本設計在傳統(tǒng)測量方案的基礎上重新設計和增加了電橋電路及外圍差動模塊，成本低廉，不存在經濟問題。</p><p><b>　　5.4風險分析</b></p><p><b>　　5.4.1液壓強度</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。當罐內液體到達一定高度，底部傳感器存在因壓強過大

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

35、<p>　　本設計具備一定的可行性，但對于部分液面極高的罐裝液體的重力測量，仍存在一定的風險。</p><p><b>　　設計不足</b></p><p>　　6.1非柱體儲存罐對測量的影響</p><p>　　由于應變電橋的傳遞系數(shù)是基于柱狀罐體容器的數(shù)據(jù)擬合而成，所以對于圓臺等非柱體儲存罐貯存的液體物料，不具備測量意義。<

36、;/p><p>　　6.2液體深度對測量的影響</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。當罐內液體到達一定高度，底部傳感器存在因壓強過大而損壞的風險；</p><p>　　6.3差動電路連接對測量的影響</p><p>　　由于兩電橋電路被裝備于完全不同的測量環(huán)境，需要外圍電路將兩者連接才能實現(xiàn)后續(xù)的信號輸出。因此在

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

38、算方法[J]. 油田地面工程,</p><p>　　1992,01:49-53+4.</p><p>　　[3]喬學光,李婷,王宏亮,賈振安,劉欽朋,王向宇. 電阻應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. 電阻應變片與測力/稱重傳感器——紀念電阻應變