储油罐液位、温度实时检测

完成时间：2007.6.18

储油罐液位、温度实时检测

设计小组名单:

任光辉张晨睿王资凯

徐梦然韩冬芳朱晨

1. 系统总体说明 (1)

1.1课题任务规定的设计要求 (1)

1.2设计方法比较 (1)

1.3设计特色 (1)

2. 总体解决方案概述 (2)

3. 所用传感器简介[4] [5] (3)

3.1光纤传感器 (3)

3.2超声波传感器 (4)

3.3半导体热敏电阻 (5)

4. 系统描述 (6)

4.1温度传感器PPM电路[1] [6] (6)

4.2超声波测距[2][3] (7)

4.3传感器PPM电路[8] (9)

4.4复合及脉冲光发射电路 (10)

4.5脉冲甄别电路[8] (10)

4.6单片机数据处理[7][8] (11)

5. 光推动系统的功率与信号通道设计[9][10] (13)

5.1光推动系统简介 (13)

5.2光推动通道 (13)

6. 附录 (14)

6.1存在的问题 (14)

6.2解决的办法 (14)

7. 致谢 (15)

8. 参考资料 (16)

1.系统总体说明

1.1课题任务规定的设计要求

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、温度的实时监测系统。

1.2设计方法比较

1.3设计特色

采用光纤传输，实现测量无电回路，避免电信号引起的危险，动态效应好，可以远端控制，实现数字脉冲的传输，避免干扰。

2.总体解决方案概述

本次设计，我们采用光纤传输光推动油罐多参数侧量，系统的总体方案如图 2.1所示。它由三部分组成:(1)测量现场的超声波液位传感器及其控制电路以及脉冲位置调制(PPM)电路，三只半导体热敏电阻以及脉冲位置调制(PPM)电路，多个不同宽度窄脉冲信号复用电路，PPM信号发射电路和光电转换供电电路。(2)二次仪表的脉宽鉴别、信号解调、信号处理以及LD光源驱动电路。(3)探头与二次仪表之间功率和信号双向光纤传输通道部分。

⎰⎰

⎰

⎰

功率光纤

图2.1 系统的总体方案

图2.2 系统中传感器安装位置

3. 所用传感器简介[4] [5]

3.1 光纤传感器

在光通信研究中发现，光纤受外界环境因素的影响，如压力、温度、电场、磁场等环境条件变化时，将引起光纤传输的光波量，如光强、相位、频率、偏振态等改变。如果能测量出光波变化的信息，就可以知道导致这些光波量变化的压力、温度、电场、磁场等物理量的大小，于是就出现了光纤传感器技术。时至今日，光纤传感器己成为现代传感器技术发展方向之一，各国在光纤传感理论和应用上进行了大量的研究工作。尤其是近几年，它的发展异常迅速，呈现出巨大的开发潜力，受到一些工业先进国家研究单位的高度重视

光纤传感器的信号载体是在光纤中传输的光，而光纤本身是一种介质材料，这就赋予了光纤传感器具有一些常规传感器无可比拟的优点，如灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防电磁干扰、超高压绝缘、无源性、防燃防爆、适用于远距离遥测、多路系统无地回路“串音”千扰、体积小、机械强度大、可灵活柔性挠曲、材料资源丰富、成本低等。

由光纤、光源和光探测器组成的典型光纤传感器如图3.1.1

(a) 功能型

(b) 传导型

图3.1.1 光纤传感器结构简介

光纤波导原理：

光纤由折射率n1（光密介质）较大的纤芯，和折射率n2（光疏介质）较小的包层构成。 当光线以较小的入射角θ1由光密介质1射向光疏介质2（n1>n2）时,根据Snell 定律有：

图3.1.2 光纤基本结构

2sin 21sin 1θθn n = 当2θ＝90º时，c θθ=1，此时有：

1

2

sin n n c =

θ，c θ称为临界角。 由图可见，当c θθ>1时，光纤再介质内产生连续向前的全反射。

同理，由图和Snell 定律可导出光线由折射率为n0的外界介质（空气n0＝1）射入纤芯时实现全反射的临界角为：

NA n n n =-=

2

2210

01sin θ

NA 定义为“数值孔径”。

一般： NA = 0.2~0.4 对应张角 11.5º~23.6º

3.2 超声波传感器

总体上讲，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。

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。

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。