储罐液位检测系统

储罐液位检测系统

姓名：王行智

学号:B13043622 日期：2014.11.18

储油罐液位检测系统设计

一 、设计要求

我国石油资源丰富,采油炼油企业众多,储油罐是储存油品的重要设备,储油罐液位的精确计量对生产厂库存管理及经济运行影响很大。但国内许多反应罐、大型储油罐的液位计量仍采用人工检尺和分析化验的方法,其他参数的测定也没有实行实时动态测量,这样易引发安全事故,无法为生产操作和管理决策提供准确的依据。采用计算机自动监测技术,实时监测储油罐液位、温度等参数,可以方便了解生产状况,及时监视、控制容器液位及温度等,保障安全平稳生产。试设计储油罐（圆柱体型）液位的实时监测系统。 二、方案设计

超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。

声学式物位检测方法就是利用超声波的性质，通过测量声波从发射至接收到被测物位界面所反射的回波的时间间隔来确定物位的高低超声波发射器被置于容器底部，当它向液面发射短促的脉冲时，在液面处产生反射，回波被超声接收器接收。若超声发射器和接收器到液面的距离为H，声波在液体中的传播速度为v，则有如下简单关系： （1）

超声波接收 超声波发射 40KHZ震荡频率 单片机 放大 整形、滤波 门控电路

图1 原理框图

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三、传感器工作原理

超声波测距原理是超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，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(s)，即：s=340t/2。超声波的接收和发射是基于压电效应和逆压电效应。具有压电效应的压电晶体在受到声波声压的作用时，晶体两端将会产生与声压变化同步的电荷，从而把声波（机械能）转换成电能；反之，如果将交变电压加在晶体两个端面的极上，沿着晶体厚度方向将产生与所加交变电压同频率的机械振动，向外发射声波，实现了电能与机械能的转换。因此，用作超声发射和接收的压电晶体也称换能器。（a）液介式，探头固定安装在液体中最低液位之下。（b）气介式，探头安装在最高液位之上的空气或其它气体中。（c）固介式，把一根传声固体棒插入液体中，上端要高出最高液位之上，探头安装在传声固体棒的上端。

图2超声波测距原理图

四、程序设计 程序流程图

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开始 1 1 DEBUF赋初始值 P1←A A←@DPTR 取结果A←B 结果送发光二极管P1←A DPTR←#FEF3H 保护现场B←A A←#0 @DPTR←A A的内容高4位清零 P3.3←$ ? ANL A,#0FH A←@DPTR 否 SWAP A 结果低4位送DEBUF4 ACAAL DISP1 A\\D转换结果送DEBUF3 是 1 1 ACALL DELAY 返回开始

五、 超声波测液位的电路图

图3超声波测液位电路图

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1、发射装置

超声波发射单元包括振荡电路和驱动电路．振荡电路是由2块555集成电路组成， IC1（555）组成超声波脉冲信号发生器它产生40 kHz的方波脉冲电路如图4（a）所示．电路图5中第二级反相器输出的电压由RA（3K电阻和滑动变阻器）的调节，可以改变输入到第一级反相器输入端的相位．当相位达到同相时，实现正反馈，就成了稳定的振荡器．振荡周期公式为T=2.2×RA×C．当RB足够大时，第一级反相器的输入电流可忽略不计．由于超声波换能器中心频率都有偏差，所以RB采用电位计，可以调节到最佳谐振点，这也是不用单片机产生方波的原因．电路中IC1和IC2同时得到相位相反的2路控制脉冲，提供给驱动电路驱动控制采用了L293型直流电机PWM调速芯片，它内部的H桥电路可以产生相位相反的两路脉冲．驱动电路的直流电源电压可以改变，以适应不同传感器对电压的要求．振荡电路中产生方波的两端，分别接到驱动电路3OUTA、3OUTBB端．控制输出电路中输出使能端，由单片机产生控制信号对其控制。

图4超声波测液位发射装置电路图

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图5超声波测液位发射装置电路图

2、接收装置

超声波接收单元中包括：模拟放大、滤波电路、电平转换电路，如图6所示．模拟放大器选用高精度仪用放大器LM318作为信号放大与滤波之用，它的单位增益带宽为15 MHz，超出音频范围能够满足40 kHz的要求。在放大电路的负反馈回路中接入电容C1构成低通滤波器．电容的选择可由公式。求出f为采用的超声波频率．因为多谐振荡器中有高频分量噪声，所以通过低通滤波器将高频噪声滤掉．经过2极放大后，通过电容耦合，信号与参考电压比较产生高低电平，经过控制部分由单片产生7-8个周期的高电平，经过放大器驱动后，经GaAs发光二极管(LED)把信号发射出去，在信号控制端I/V转换后，控制L293来产生40KHz的超声波。

图6超声波测液位发射装置电路图

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六、超声波测液位参数选择

1、总体描述

超声波发生电路为超声波发生电路。双定时器IC1555组成单稳态触发器。 低电平变成正负尖顶脉冲，经过3AOUT得到负尖顶脉冲，触发单稳态触发器翻转。单稳态翻转输出的高电平持续约1ms，即tw≈1．1R5C5≈1 ms。IC2555组成多谐振荡器，接地电阻振荡频率f1≈40 kHz。该振荡器振荡受单稳态触发器输出电平控制。当单稳态触发器输出高电平时，多谐振荡器产生振荡，IC2555的引脚3输出约40个频率为40 kHz、占空比约50%的矩形脉冲。考虑到多谐振荡器起振阶段不稳定，因此设计输m脉冲数较多。若输出脉冲数太少，则发射强度小，测量距离短。但脉冲数过多，发射持续时间长，在距离被测物较近时，脉冲串尚未发射完，这样导致先发射出的脉冲产生的回波将到达接收端，影响测距结果，造成测距盲区增大。超声波脉冲驱动电路，可提高驱动超声波发送传感器的脉冲电压幅值，有效进行电/声转换，增强发射超声波的能力，增大测量距离。40 kHz脉冲串的一路经反相器，再经由并联的反相器反相；其另一路经南并联的反相器反相。 2、参数计算

发射装置由两块555集成电路组成。IC1（555）组成超声波脉冲信号发生器，工作周期计算公式如下，实际电路中由于元器件等误差，会有一些差别。条件: RA =9.1MΩ、 RB=\"150K\"Ω、 C=\"0\".01μF

TL = 0.6RBC = 1 msec （2） TH = 0.6(RARB)C== 64 msec （3）

IC2组成超声波载波信号发生器。由IC1输出的脉冲信号控制，输出1ms频率40kHz，占空比50％的脉冲，停止64ms。计算公式如下：条件: RA =1.5KΩ、

RB=\"15K\"Ω

TL =0.6RBC = 10μsec （4）

TH =0.6(RARB)C= 11μsec

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（5）

f1 = 46.0 KHz （6）

THTL

3、器件选择

R1,R3,R4选用普通电阻，起限流的作用。R2选用1000K滑动变阻器，调节接收端信号。C1和C2选用100PF电解电容，作为晶振起电路电容。ICl和IC2均选用NE555型时基集成电路。

TCT40-10T和TCT40-10R分别为发送和接收装置头。超声波接收头和IC4组成超声波信号的检测和放大。反射回来的超声波信号经IC4的2级放大1000倍（60dB），第1级放大100倍（40dB），第2级放大10倍（20dB）。由于一般的运算放大器需要正、负对称电源，而该装置电源用的是单电源（9V）供电，为保证其可靠工作，这里用R1和R2进行分压，这时在IC4的同相端有4.5V的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至单片机进行处理。信号比较、测量、计数和显示电路，即比较和测量从发出的检测脉冲和该脉冲被反射回来的时间差。 4、系统需要的元器件清单

表1 元器件清单

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 七、总结

现在，超声波液位计|物位仪的工业用途迅速扩大。这个一度成本高昂却不甚

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元器件类型 C1, C2 Q1, Q2 UN1 UN2 R1,R3,R4 L1 U5 LR B1 R2 元器件规格 100pF 9012 TCT40-10T TCT40-10R 1M LED CX20106A 74LS04 1.5V 1000K 数量 2 4 1 1 3 1 1 5 3 1 备注 晶振电容 PNP 发送头 接收头 电阻 指示灯 红外接收 非门 电源 滑动变阻 可靠的技术现在变得简单易用，价格低廉。超声波物位仪现已常规用于液位测量、流程监控以提高产品质量、检测缺陷、确定有无以及其它方面。这些传感器还能减少由损坏部件产生的废品，以及由此引起的停工时间，从而提高生产率。该项 技术还沿着这个方向继续研发新产品。物位检测的精度主要取决于超声脉冲的传播时间和超声波在介质中的传播速度。前者可用适当的电路进行精确测量，后者易受介质温度、成分等变化的影响，因此，需要采取有效的补偿措施[9]。

通过本次传感器课程设计对之前学过的各种传感器原理与应用有了进一步深

刻的认识，了解到了传感器在人们日常生活中的作用，而且还对超声波测液位测量电路进行的深入的学习与研究。提高了搜集资料，动手动能力以及主动独立的学习能力。由于测量液位时采用了超声波传感器，这部分需要消耗较大的功率在，光推动部分不一定能产生足够大的功率使得传感器电路正常工作，从而影响测量精度。采用差压传感器用来测温的，这部分可以用来借鉴，采用差压传感器测温后可以有效的减小电路中功率的消耗。或者采用多个光电探测器采用多个硅光电池串联阵列的方式，这样可以产生较大的功率来推动整个系统。

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