1、     課 程 設(shè) 計(jì)課程 安全檢測技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題目 油庫安全監(jiān)測系統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)八 （電容式液位傳感器設(shè)計(jì)） 電子工程學(xué)院 安全工程專業(yè) 安全1002班學(xué)號 201005040224 學(xué)生指導(dǎo)老師徐 竟 天二一三年六月         安全檢測技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題 目油庫安全監(jiān)測系統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)八（電容式液位傳感器設(shè)計(jì)）學(xué)生姓名學(xué)號201005040224專業(yè)班級安全1002班設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求課程設(shè)計(jì)主要完成某油庫安全監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中電容式液位傳感器的選

2、型、應(yīng)用及接線等。要求運(yùn)用已學(xué)過各類傳感器的知識，完成安全監(jiān)測系統(tǒng)中傳感器的原理、選型、廠家產(chǎn)品參數(shù)、接線等內(nèi)容，將書本傳感器的理論知識與廠家具體產(chǎn)品對應(yīng)起來，使得可以真正理論聯(lián)系實(shí)際。要求熟悉相關(guān)傳感器的原理與硬件結(jié)構(gòu)，學(xué)會(huì)計(jì)算機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的步驟和方法，具有初步設(shè)計(jì)小型計(jì)算機(jī)安全監(jiān)測系統(tǒng)硬件方案中傳感器部分的能力。課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及基本要求如下：1.熟悉油庫工藝流程、監(jiān)控目標(biāo)及監(jiān)控要求。2.學(xué)會(huì)常用的各種傳感器（溫度、流量、壓力、液位等）參數(shù)及使用，了解其工作原理。3.課程設(shè)計(jì)中以電容式液位傳感器為主，詳細(xì)介紹所選液位傳感器的工作原理、硬件組成、測量電路、使用時(shí)的注意事項(xiàng)。詳細(xì)介紹所選液位

3、傳感器的廠家產(chǎn)品參數(shù)、接線、特點(diǎn)等參數(shù)。4.完成監(jiān)測系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)，畫出原理圖。5.課程設(shè)計(jì)時(shí)間一周，完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。起止時(shí)間2013年6月17日 至 2013年6月23日指導(dǎo)教師簽名年 月 日系（教研室）主任簽名年 月 日學(xué)生簽名年 月 日           第一章  緒論  1.1  油庫           

4、;   油庫指用以貯存油料的專用設(shè)備，因油料具有的特異性用以相對應(yīng)的油庫進(jìn)行貯藏。油庫是協(xié)調(diào)原油生產(chǎn)、原油加工、成品油供應(yīng)及運(yùn)輸?shù)募~帶，是國家石油儲備和供應(yīng)的基地，它對于保障國防和促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展具有相當(dāng)重要的意義。 油庫是油氣運(yùn)輸過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到外輸原油的質(zhì)量，其工藝特點(diǎn)是系統(tǒng)關(guān)聯(lián)緊密、操作規(guī)程嚴(yán)格、系統(tǒng)運(yùn)行狀況復(fù)雜多變且系統(tǒng)過程中流程多變。所以采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對其工藝過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控可以有效的提高生產(chǎn)率、減少事故發(fā)生率、降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 隨著石油工業(yè)的進(jìn)步和石油戰(zhàn)略地位的不斷提高，油庫的安全也越來越重要。本課程設(shè)計(jì)根據(jù)課程

5、設(shè)計(jì)指導(dǎo)書以及相關(guān)資料，運(yùn)用智能模塊，組態(tài)王能軟件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和繪制油庫監(jiān)控系統(tǒng)和工藝流程圖。 1.2 油庫的分類 1、按油庫的管理體制和經(jīng)營性質(zhì)可分為獨(dú)立油庫和企業(yè)附屬油庫兩大類。獨(dú)立油庫是指專門從事接收、儲存和發(fā)放油料的獨(dú)立經(jīng)營的企業(yè)和單位。企業(yè)附屬油庫是工業(yè)、交通或其它企業(yè)為滿足本部門的需要而設(shè)置的油庫。2、按主要儲油方式可分為地面（或稱地上）油庫、隱蔽油庫、山洞油庫、水封石洞庫和海上油庫等。地面油庫與其他類型油庫相比，建設(shè)投資省、周期短，是中轉(zhuǎn)、分配、企業(yè)附屬油庫的主要建庫形式，也是目前數(shù)量最多的油庫3、油庫還可按照其運(yùn)輸方式分為水運(yùn)油庫、陸運(yùn)油庫和水陸聯(lián)運(yùn)

6、油庫；按照經(jīng)營油品分為原油庫、潤滑油庫、成品油庫等4、油庫按照油罐的總?cè)莘e劃分為小型油庫，其容積為一萬立方米以下，中型油庫其容積為一萬至五萬立方米，大型油庫其容積為五萬立方米以上。  國外對大型石油石化公司的“低成本戰(zhàn)略”進(jìn)行了全方位、多角度的綜合分析，并提出了適合我國石油石化工業(yè)國情的“低成本戰(zhàn)略”。 美國政府早在二戰(zhàn)時(shí)期就有國家戰(zhàn)略石油儲備的構(gòu)想，但直到20世紀(jì)70年代“石油危機(jī)”發(fā)生后，美國的戰(zhàn)略石油儲備才開始正式建立。 70年代前期，阿拉伯國家以石油為武器對西方國家實(shí)施禁運(yùn)，導(dǎo)致美國國內(nèi)石油產(chǎn)品供應(yīng)緊缺，價(jià)格飛漲，最終使美國經(jīng)濟(jì)陷入長時(shí)期的嚴(yán)重衰退。美國前

7、總統(tǒng)福特于1975年12月22日簽署了能源政策和儲備法，其中最重要的內(nèi)容之一就是決定建立戰(zhàn)略石油儲備，目的是為了在此后發(fā)生類似事件時(shí)，可以對美國能源市場起到保護(hù)和緩沖作用。 美國政府從1977年7月21日正式開始儲備石油，當(dāng)時(shí)決定的儲備目標(biāo)是10億桶，后來最終形成的儲備能力為7億桶。   美國戰(zhàn)略石油儲備全部集中在得克薩斯和路易斯安那兩個(gè)州沿海地區(qū)的一些儲備點(diǎn)，主要出于以下考慮：  一是安全性高。美國的戰(zhàn)略石油均儲藏在地下610米至1200多米深的巨型鹽洞中，這些鹽洞足夠容下原來的紐約世貿(mào)雙塔。如此深度可以防御任何人為和戰(zhàn)爭的破壞。有

8、效防止戰(zhàn)爭破壞是最重要的考慮之一。如果不能防止軍事打擊，戰(zhàn)略石油儲備就可能形同虛設(shè)。     二是運(yùn)輸方便。該地區(qū)有利于石油通過海上運(yùn)輸線迅速運(yùn)抵美國本土并進(jìn)入儲備。一旦需要，也可以通過發(fā)達(dá)的地下輸油管道、高速公路網(wǎng)及海上通道運(yùn)往美國各地以滿足國內(nèi)市場所需。     三是加工方便。墨西哥灣一帶是美國最重要的石油生產(chǎn)和加工基地，生產(chǎn)設(shè)施完備，需要時(shí)戰(zhàn)略儲備石油可以迅速加工成產(chǎn)品。     四是儲藏成本低。據(jù)計(jì)算，美國在地面建設(shè)油庫儲備石油每桶成本大

9、約為15美元至18美元，開鑿山體巖洞儲油每桶成本更高達(dá)30多美元，而在墨西哥灣沿海地區(qū)的地下鹽層利用先打深井、再注水溶化鹽層形成地下洞穴的方式儲油，每桶成本只有1.5美元。 然而對于油庫罐區(qū)檢測及監(jiān)控技術(shù)，國外發(fā)達(dá)國家起步較早，研究投入較多，已有先進(jìn)的自動(dòng)化檢測和監(jiān)控技術(shù)。     我國非常豐富的石油資源，是今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一，無論是開發(fā)利用國內(nèi)石油資源，還是利用國外石油資源，它們都離不開儲備油庫。在石油價(jià)格飆升的帶動(dòng)下，目前全國范圍內(nèi)壓縮石油的需求也在急劇上升。石油在城市中的應(yīng)用越來越廣泛，使得許多城市的油庫建

10、設(shè)成為重點(diǎn)。由于技術(shù)的原因，目前我國城市用油以城市加油站為主。在現(xiàn)在加油站不斷增多的情況下，要求有更多的油庫盡快建成。全國各省市地方也在積極地興建新的油庫，改進(jìn)油庫建設(shè)技術(shù)，發(fā)展油庫，保證油庫安全，這些都顯的極為重要。國內(nèi)外油庫建設(shè)技術(shù)領(lǐng)域的專家學(xué)者就油庫設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)用前景及合作已進(jìn)行了很長時(shí)間的研究。有關(guān)專家認(rèn)為，管道局與國內(nèi)外壓縮機(jī)生產(chǎn)、科研及技術(shù)服務(wù)等單位的合作，必將推動(dòng)油庫建設(shè)效率、高穩(wěn)定性、高信息化、高科技含量和高附加值的方向發(fā)展。 1.3  油庫的總體布局 油庫分為東罐區(qū)和西罐區(qū)，其中，東罐區(qū)共有9個(gè)儲油罐，罐區(qū)值班室1個(gè)，油泵房1個(gè)（1#泵房

11、），共安裝11臺油泵。西罐區(qū)共有21個(gè)儲油罐，2個(gè)罐區(qū)值班室，2個(gè)油泵房（2#、3#泵房），其中2#泵房安裝10臺油泵，3#泵房安裝5臺油泵。 油料碼頭有兩個(gè)油料收發(fā)口，與油輪直接連接進(jìn)行汽油、柴油、航油等油料的收發(fā)作業(yè)，汽油、柴油發(fā)油口能通過流量計(jì)分別計(jì)量。另外，油庫已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了汽車油罐車、火車油罐車的自動(dòng)計(jì)量和發(fā)油數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)管理。布置原則如下： （1）便于收發(fā)作業(yè)； （2）庫內(nèi)油品應(yīng)盡量做到單向流動(dòng)，避免在庫內(nèi)往返交叉； （3）合理分區(qū)，以便各種作業(yè)安全生產(chǎn)，避免非生產(chǎn)人員來往于工作區(qū)域，特別是儲油區(qū)和裝卸區(qū)； （4）庫內(nèi)布置的各種設(shè)施，必

12、須符合防火、衛(wèi)生等有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，確保油庫安全。同時(shí)應(yīng)力求布置緊湊，減少用地； （5）變配電間及鍋爐房等輔助設(shè)施要盡量靠近主要用電、用氣單位，以節(jié)省投資和經(jīng)營費(fèi)用。      圖1-3 油庫的工藝流程圖1.4  計(jì)算機(jī)監(jiān)控目標(biāo)及要求 計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)時(shí)一門綜合性的技術(shù)。他是計(jì)算機(jī)及技術(shù)（包括軟件技術(shù)，接口技術(shù)，通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，顯示技術(shù)）、自動(dòng)控制技術(shù)、自動(dòng)檢測技術(shù)和傳感技術(shù)的綜合應(yīng)用。任何一個(gè)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)基本上由六階段組成的。既：可行性研究、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)施、系統(tǒng)測試和

13、系統(tǒng)運(yùn)行。當(dāng)然，這六個(gè)階段并不是完全按照直線順序進(jìn)行的。在任何一個(gè)階段出現(xiàn)了問題都可以返回到前面的階段進(jìn)行修改。 所謂計(jì)算機(jī)監(jiān)控就是利用傳感器裝置將被監(jiān)控對象中的物理參量（如溫度、壓力、流量、液位、速度）轉(zhuǎn)換為電量，并且在計(jì)算機(jī)的顯示裝置中以數(shù)字、圖形或曲線的方式顯示出來，從而時(shí)操作人員能夠直觀而迅速的了解被監(jiān)控對象的變化過程。通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)，可以穩(wěn)定和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低能源和原材料的消耗，降低生產(chǎn)成本。還可以降低勞動(dòng)這的強(qiáng)度，并且提高管理水平，從而帶來極大的社會(huì)效益。正因?yàn)槿绱擞?jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)以在各個(gè)領(lǐng)域都有所發(fā)展。 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)可以由一下幾個(gè)部分組

14、成：計(jì)算機(jī)（含可視話的人機(jī)界面）、輸入輸出裝置（板卡），監(jiān)測、變松機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)原則有可靠性原則、使用方便原則、開放性原則、經(jīng)濟(jì)性原則、開發(fā)周期短原則。圖1-4就是一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)組成原理圖。                                 

15、0;         1.5  總體設(shè)計(jì)布局     系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)是進(jìn)入實(shí)質(zhì)性設(shè)計(jì)階段的第一步，也是最重要和最關(guān)鍵一步，起總體設(shè)計(jì)過程圖如圖1-5.1.6  系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì) 根據(jù)油庫的流程圖，先要列出統(tǒng)計(jì)出系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)，系統(tǒng)的I/O點(diǎn)數(shù)如表1-6a所示. 系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)通過列表的形式列舉如下表。 在詳細(xì)設(shè)計(jì)完I/O點(diǎn)數(shù)后，還要列些每個(gè)點(diǎn)的參數(shù)表，參數(shù)表中每一個(gè)值都必須與現(xiàn)場完全對應(yīng),得到

16、下表1-6b。第二章 電容式傳感器原理和選型2.1 引言電容式傳感器利用了非電量的變化轉(zhuǎn)化為電容量的變化來實(shí)現(xiàn)對物理量的測量。電容式傳感器廣泛用于位移、振動(dòng)、角度、加速度等機(jī)械量的精密測量，并正逐步擴(kuò)大到壓力、差壓、液面（料位）、成分含量等方面的測量。電容式傳感器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）機(jī)構(gòu)簡單，體積小，分辨力高；2）可實(shí)非接觸式測量；3）動(dòng)態(tài)效應(yīng)好。電容式傳感器的固有頻率很高，因此動(dòng)態(tài)效應(yīng)時(shí)間短，且其介質(zhì)耗損小，可使用較高的工作頻率，可用于測量高速變化的參數(shù)；4）溫度穩(wěn)定性好。它本身發(fā)熱量極??；5）能在高溫、輻射和強(qiáng)振動(dòng)等惡劣條件下工作6）電容量小，功率小，輸出阻抗高，因此，負(fù)載能力差，易受外

17、界抗干擾產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。 2.2電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu).電容式傳感器是把被測的非電量轉(zhuǎn)換為自身電容量變化的一種傳感器。這些被測量是用于改變組成電容器的可變參數(shù)而實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)換的。電容式傳感器的基本工作原理可以用最普通的平行極板電容器來說明。兩塊相互平行的金屬極板，當(dāng)不考慮其邊緣效應(yīng)（兩個(gè)極板邊緣處的電力線分布不均勻引起電容量的變化）時(shí)，其電容量為：（1）公式中 電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)； A 兩平行板所覆蓋的面積； d 兩平行板之間的距離。因此只要改變其中的一個(gè)參數(shù)，就會(huì)引起電容量的變化，根據(jù)這一電容結(jié)構(gòu)關(guān)系可構(gòu)成變極距電容傳感器，變面積型電容傳感器和變介質(zhì)型傳感器、用于測量液位的電容式傳感器。是

18、利用容器中的物料為恒定的介電常數(shù)時(shí)，極間電容正比于液位的原理而構(gòu)成的，并應(yīng)用電子學(xué)方法測量電容值，從而探測液面位置信息。特點(diǎn)是液位測量只與電容結(jié)構(gòu)有關(guān)，與物料的密度無關(guān) 根據(jù)這一特點(diǎn)，可采用圓筒形結(jié)構(gòu)構(gòu)成變面積型的液位傳感器，這種傳感器結(jié)構(gòu)的探頭是由這兩個(gè)電極極板構(gòu)成，通過氣、液或料相介質(zhì)的高度不同引起極間電容改變來探測物面位置的。其結(jié)構(gòu)十分簡單輕巧，便于安裝、維護(hù)與使用。電容式液位傳感器的電極結(jié)構(gòu)有3種。第一種適用于導(dǎo)電容器中的絕緣液體的液位測量，且容器為立式圓筒形，容器壁為一極，沿軸線插入裸金屬棒作為另一極電極，其間構(gòu)成的電容 CX 與液位成比例，也可懸掛帶重錘的軟導(dǎo)線作為電極。第二種適用

19、于非金屬容器，或雖為金屬容器但非立式圓筒形，液體為絕緣性的，這時(shí)在棒狀電極周圍用絕緣支架套裝金屬筒，筒上下開口，或整體上均勻分布多個(gè)孔，使內(nèi)外液位相同。中央圓棒及與之同軸的套筒構(gòu)成兩個(gè)電極，其間電容和容器形狀無關(guān)，只取決于液位，這種結(jié)構(gòu)的物位傳感器最適合于液位測量，對于粉粒測量容易產(chǎn)生滯留物在極間。第三種用于導(dǎo)電性液體，其形狀和位置和第一種一樣，但中央圓棒電極上包有絕緣材料，電容CX是由絕緣材料的介電常數(shù)和待測液位高度決定的，與液體的介電常數(shù)無關(guān)，導(dǎo)電液體使筒壁與中央電極間的距離縮短為絕緣層的厚度，液位升降相當(dāng)于電極面積改變。2.3電容式液位傳感器的工作原理導(dǎo)電液體電容式傳感器主要利用傳感器兩

20、電極的覆蓋面積隨被測液體液位的變化而變化，從而引起電容量變化的關(guān)系進(jìn)行液位測量，屬于面積變化型電容傳感器。以圖1（a）為例 設(shè)導(dǎo)電容器直徑為D，中央電極直徑為d，上部空氣的介電常數(shù)為1，下部液體的介電常數(shù)為2,電極總長為H0，浸沒在液體中的長度為H1，則根據(jù)同心圓筒狀電容的公式可寫出空氣部分的電容數(shù)學(xué)模型為：（2） 液體部分的電容為：（3）如果忽略雜散電容及端部的邊界效應(yīng)后，則兩電極間的總電容為： =(4)其中：表示被測電容；為初始電容，液體為零時(shí)測出的電容，這個(gè)電容可以在初始標(biāo)定時(shí)消除；表示被測液位的高度;表示傳感器的靈敏度；電極包有絕緣層后，若與容器同心安裝，則如圖2所示，其中圖2為結(jié)構(gòu)圖

21、，電路圖設(shè)電極絕緣層的直徑為D1，容器直徑為D，電極直徑為d，各電容值的介電常數(shù)見圖示：其中，電極絕緣層電介質(zhì)的介電常數(shù)為，液體電介質(zhì)的介電常數(shù)為 空氣電介質(zhì)的介電常數(shù)為。等效電路中的 C1表示與液位無關(guān)的雜散電容 ，C2表示空氣部分的電極絕緣層為電介質(zhì)的電容，其值為：(5)C3 表示在空氣介質(zhì)的電介質(zhì)的電容，其值為：(6)C4 表示液體中電極絕緣層為電介質(zhì)的電容，其值為：(7)表示被測液體為電介質(zhì)的電容，其值為：(8)由圖2（b）可知，與 是串聯(lián)關(guān)系，與也是串聯(lián)關(guān)系，將這兩個(gè)串聯(lián)電路又與并聯(lián),故得：(9)對于確定的介質(zhì)而言，式中的C0為前兩項(xiàng)的常數(shù)和，可以看作不變的初始電容，而第三項(xiàng)可看作是

22、靈敏度K1與H1之積，當(dāng)容器中的液體為導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，C5=0，則：（10）由以上分析可得,測量兩種液體間的界位時(shí)，果均為不導(dǎo)電液體，采用裸露電極。若其中有一種為導(dǎo)電液體，就必須用包絕緣層的電極，式（3）和（8）都是測量不導(dǎo)電的液位值，其靈敏度與兩種介電常數(shù)的差成正比，因此，當(dāng)兩種液體的密度相同，而介電常數(shù)相差很大時(shí)，采用電容法則更有價(jià)值。具有粘性的導(dǎo)電介質(zhì)的液體即使采用絕緣層的電極，會(huì)產(chǎn)生掛料現(xiàn)象，使測量誤差較大，不能得到滿意的真實(shí)液位的測量結(jié)果。2.4測量電路設(shè)計(jì)2.4.1測量電路本設(shè)計(jì)采用二極管T形網(wǎng)絡(luò)（雙T電橋）如下圖所示。它是利用電容器充放電原理組成的電路。其中e是高頻電源，提供幅值電壓

23、為E的對稱方波；C1和C2為差動(dòng)電容傳感器；D1和D2為兩只理想二極管；R1和R2為固定電阻，且R1=R2；RL 為負(fù)載電阻（或后接儀器儀表的出入電阻）。 該電路的工作原理如下：當(dāng)電源為正半周時(shí)，二極管D1導(dǎo)通而D2截止，其等效電路如圖（b)所示。此時(shí)電容C1很快充電至E，電源e經(jīng)R1以電流I1向負(fù)載RL供電；與此同時(shí)，電容C2經(jīng)R2和RL放電，放電電流I2(t)。流經(jīng)RL的電流IL(t)是I1和I2(t)之和，他們的極性如圖（b）所示。當(dāng)電源e為負(fù)半周時(shí)，二極管D2導(dǎo)通而D1截止，其等效電路如圖（c)所示。此時(shí)電容C1很快充電至E，電源e經(jīng)R1以電流I1向負(fù)載RL供電；與此同時(shí)，電容C2經(jīng)R

24、2和RL放電，放電電流I2(t)。流經(jīng)RL的電流IL(t)是I1和I2(t)之和，他們的極性如圖（c）所示。利用電路分析可以求得電源e的負(fù)半周內(nèi)電路的輸出為：式中，為電容C1的放電時(shí)間常數(shù)。同理，在電源e的正半周期內(nèi)電路的輸出為式中，為電容C2的放電時(shí)間常數(shù)。由此可得輸出電流的平均值為式中，f為電源e的頻率；k1、k2為系數(shù)，輸出電壓的平均值為適當(dāng)選擇電路中元件的參數(shù)以及電源頻率f，則上式中指數(shù)項(xiàng)所引起的誤差可以小于1%。式中，k為常數(shù)，為電容傳感器測量時(shí)的電容變化量。二極管T形網(wǎng)絡(luò)電路特點(diǎn)：（1）e，C1 ，C2接地 ；（2）工作電平高，D1 ，D2工作在線性區(qū)靈敏度與電源幅值和頻率有關(guān)；（

25、3）輸出電壓高；（4）輸出阻抗與C1 、C2無關(guān)，與R1 ，R2同數(shù)量級，可用mA或mA表直接測量；（5）RL影響電容放電速度，宜小些，RL1kW時(shí)，上升時(shí)間20ms，可測量動(dòng)態(tài)信號 。2.4.2整流電路 將模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號所用的轉(zhuǎn)換芯片為ADC0809，它僅能將單極性電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，所以我們將測量電路轉(zhuǎn)換后的電壓先經(jīng)整流電路、濾波器和穩(wěn)壓電路將輸入電壓變?yōu)閱螛O性電壓供給放大電路。2.4.3放大電路由于從傳感器得出的電壓一般在030mv之間，太小不易測量，所以要通過放大電路進(jìn)行放大，如圖4-3所示，采用最基本的比例運(yùn)算反放大電路.圖4-3放大電路要將30mV電壓放大成10V，根據(jù)公式U

26、=-（R1/R2）Uo,所以選擇R1=1000K,R2=6K，R4=R1/R2后邊的是一個(gè)反相器，把第一個(gè)運(yùn)放得到的電壓反相成正的，其中R3=R5=2K,R6=R3/R5。 2.5機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響2.5.1結(jié)構(gòu)參數(shù)從公式與分析方法中可以看出：傳感器的電容量是結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，溫度的變化會(huì)引起內(nèi)外圓筒直徑的變化，從而引起電容量的變化，導(dǎo)致測量誤差，所以，選用制作電容的材料的線膨脹系數(shù)應(yīng)足夠小，如，選用鋁合金材料，線膨脹系數(shù)為230 xl0 ，可以滿足使用要求；如果采用合適的非金屬材料，其變形系數(shù)會(huì)更小。在高精度要求的場合下，還可以通過測量溫度，進(jìn)行溫度修正，以達(dá)到更高的測量精度。為了減小加工和裝

27、配對電容量與液位關(guān)系的影響，應(yīng)盡量提高加工精度，保證二圓筒的直徑精度，特別是裝配時(shí)要保證二筒軸線的平行度。2.5.2測量電路的影響 由于測量電路電纜存在分布電容，這種即使每米幾pF的影響要獲得高的測量精度也是不能接受的。因此，在使用屏蔽電纜防止引入干擾的同時(shí)，還應(yīng)采取驅(qū) 第三章 幾種常見的傳感器3.1 溫度傳感器 數(shù)字溫度傳感器DS18B20介紹3.1.1、DS18B20的主要特性1.1、適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電1.2、獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊1.3、DS18B

28、20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫1.4、DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)1.5、溫范圍55125，在-10+85時(shí)精度為±0.51.6、可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫1.7、在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快1.8、測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼

29、，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力1.9、負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。3.1.2、DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管腳排列如下圖1:DS18B20引腳定義：(1)DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；(2)GND為電源地；(3)VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時(shí)接地）。圖2：DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.1.3、DS18B20工作原理DS18B20的讀寫時(shí)序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且

30、溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s減為750ms。DS18B20測溫原理如圖3所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖3中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正

31、測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。圖3：DS18B20測溫原理框圖DS18B20有4個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件：（1）光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。（2）DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形

32、式提供，以0.0625/LSB形式表達(dá)，其中S為符號位。表1:DS18B20溫度值格式表 這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。例如+125的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625的數(shù)字輸出為FF6FH，-55的數(shù)字輸出為FC90H。表2:DS18B20溫度數(shù)據(jù)表（3）DS18B20溫度傳感器的存儲器DS18B20溫度傳感器

33、的內(nèi)部存儲器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EEPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。（4）配置寄存器該字節(jié)各位的意義如下：表3：配置寄存器結(jié)構(gòu)低五位一直都是"1"，TM是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動(dòng)。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如下表所示：（DS18B20出廠時(shí)被設(shè)置為12位）3.2.  熱電阻溫度傳感器      熱電阻溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化

34、的原理進(jìn)行測溫的一種傳感器溫度計(jì)。熱電阻溫度傳感器分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱敏電阻兩大類。熱電阻廣泛用于測量-200+850°C范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測至1K，高溫達(dá)1000°C。熱電阻傳感器由熱電阻、連接導(dǎo)線及顯示儀表組成，熱電阻也可以與溫度變送器連接，將溫度轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出。用于制造熱電阻的材料應(yīng)具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率，輸出最好呈線性，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，復(fù)線性好等。圖3-1為目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻圖3-1熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻  工作原理     &

35、#160;目前熱電阻的引線主要有三種方式      二線制：在熱電阻的兩端各連接一根導(dǎo)線來引出電阻信號的方式叫二線制：這種引線方法很簡單，但由于連接導(dǎo)線必然存在引線電阻r，r大小與導(dǎo)線的材質(zhì)和長度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測量精度較低的場合        三線制：在熱電阻的根部的一端連接一根引線，另一端連接兩根引線的方式稱為三線制，這種方式通常與電橋配套使用，可以較好的消除引線電阻的影響，是工業(yè)過程控制中的最常用的。  

36、60;     四線制：在熱電阻的根部兩端各連接兩根導(dǎo)線的方式稱為四線制，其中兩根引線為熱電阻提供恒定電流I，把R轉(zhuǎn)換成電壓信號U，再通過另兩根引線把U引至二次儀表?？梢娺@種引線方式可完全消除引線的電阻影響，主要用于高精度的溫度檢測。     選型須知  1) 型號2) 分度號3) 精度等級4) 熱電偶點(diǎn)數(shù)5) 安裝固定形式6) 保護(hù)管材質(zhì)7) 長度或插入深度例：多點(diǎn)熱電偶， K 型， 3 點(diǎn)。 L 級，固定螺紋 M27X2,L 1 = 1200,L 2 =1500,L 3

37、=2000, WRN-220D3I 級 L 1 =1200,L 2 =1500,L 3 =2000, 螺紋 M27x23.2.3 影響測量的因素插入深度熱電偶測溫點(diǎn)的選擇是最重要的。測溫點(diǎn)的位置，對于生產(chǎn)工藝過程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測量與控制的意義。熱電偶插入被測場所時(shí)，沿著傳感器的長度方向?qū)a(chǎn)生熱流。當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí)就會(huì)有熱損失。致使熱電偶溫度傳感器與被測對象的溫度不一致而產(chǎn)生測溫誤差。總之，由熱傳導(dǎo)而引起的誤差，與插入深度有關(guān)。而插入深度又與保護(hù)管材質(zhì)有關(guān)。金屬保護(hù)管因其導(dǎo)熱性能好，其插入深度應(yīng)該深一些，陶瓷材料絕熱性能好，可插入淺一些。對于工程測溫，其插入深度還與測量

38、對象是靜止或流動(dòng)等狀態(tài)有關(guān)，如流動(dòng)的液體或高速氣流溫度的測量，將不受上述限制，插入深度可以淺一些，具體數(shù)值應(yīng)由實(shí)驗(yàn)確定。1響應(yīng)時(shí)間接觸法測溫的基本原理是測溫元件要與被測對象達(dá)到熱平衡。因此，在測溫時(shí)需要保持一定時(shí)間，才能使兩者達(dá)到熱平衡。而保持時(shí)間的長短，同測溫元件的熱響應(yīng)時(shí)間有關(guān)。而熱響應(yīng)時(shí)間主要取決于傳感器的結(jié)構(gòu)及測量條件，差別極大。對于氣體介質(zhì)，尤其是靜止氣體，至少應(yīng)保持30min以上才能達(dá)到平衡;對于液體而言，最快也要在5min以上。對于溫度不斷變化的被測場所，尤其是瞬間變化過程，全過程僅1秒鐘，則要求傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現(xiàn)

39、滯后，而且也會(huì)因達(dá)不到熱平衡而產(chǎn)生測量誤差。最好選擇響應(yīng)快的傳感器。對熱電偶而言除保護(hù)管影響外，熱電偶的測量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細(xì)，測量端直徑越小，其熱響應(yīng)時(shí)間越短。熱阻抗增加在高溫下使用的熱電偶溫度傳感器，如果被測介質(zhì)為氣態(tài)，那么保護(hù)管表面沉積的灰塵等將燒熔在表面上，使保護(hù)管的熱阻抗增大;如果被測介質(zhì)是熔體，在使用過程中將有爐渣沉積，不僅增加了熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，而且還使指示溫度偏低。因此，除了定期檢定外，為了減少誤差，經(jīng)常抽檢也是必要的。例如，進(jìn)口銅熔煉爐，不僅安裝有連續(xù)測溫?zé)犭娕紲囟葌鞲衅鳎€配備消耗型熱電偶測溫裝置，用于及時(shí)校準(zhǔn)連續(xù)測溫用熱電偶的準(zhǔn)確度。熱輻射插入爐內(nèi)用于測溫的熱電偶溫度傳感器，將被高溫物體發(fā)出的熱輻射加熱。假定爐內(nèi)氣體是透明的，而且，熱電偶與爐壁的溫