課程設(shè)計(jì)課程《安全檢測(cè)技術(shù)》課程設(shè)計(jì)題目油庫(kù)安全監(jiān)測(cè)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(zhuān)業(yè)安全1002班學(xué)號(hào)201005040224學(xué)生指導(dǎo)老師徐竟天二○一三年六月《安全檢測(cè)技術(shù)》課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)題目油庫(kù)安全監(jiān)測(cè)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(hào)201005040224專(zhuān)業(yè)班級(jí)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(kù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中電容式液位傳感器的選型、應(yīng)用及接線等。要求運(yùn)用已學(xué)過(guò)各類(lèi)傳感器的知識(shí)，完成安全監(jiān)測(cè)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(shū)本傳感器的理論知識(shí)與廠家具體產(chǎn)品對(duì)應(yīng)起來(lái)，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(cè)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(cè)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(kù)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(cè)量電路、使用時(shí)的注意事項(xiàng)。詳細(xì)介紹所選液位傳感器的廠家產(chǎn)品參數(shù)、接線、特點(diǎn)等參數(shù)。4.完成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件方案設(shè)計(jì)，畫(huà)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(kù)

油庫(kù)指用以貯存油料的專(zhuān)用設(shè)備，因油料具有的特異性用以相對(duì)應(yīng)的油庫(kù)進(jìn)行貯藏。油庫(kù)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(guó)家石油儲(chǔ)備和供應(yīng)的基地，它對(duì)于保障國(guó)防和促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展具有相當(dāng)重要的意義。

油庫(kù)是油氣運(yùn)輸過(guò)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(guò)程中流程多變。所以采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)其工藝過(guò)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(kù)的安全也越來(lái)越重要。本課程設(shè)計(jì)根據(jù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)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(kù)監(jiān)控系統(tǒng)和工藝流程圖。

1.2

油庫(kù)的分類(lèi)

1、按油庫(kù)的管理體制和經(jīng)營(yíng)性質(zhì)可分為獨(dú)立油庫(kù)和企業(yè)附屬油庫(kù)兩大類(lèi)。獨(dú)立油庫(kù)是指專(zhuān)門(mén)從事接收、儲(chǔ)存和發(fā)放油料的獨(dú)立經(jīng)營(yíng)的企業(yè)和單位。企業(yè)附屬油庫(kù)是工業(yè)、交通或其它企業(yè)為滿足本部門(mén)的需要而設(shè)置的油庫(kù)。2、按主要儲(chǔ)油方式可分為地面（或稱地上）油庫(kù)、隱蔽油庫(kù)、山洞油庫(kù)、水封石洞庫(kù)和海上油庫(kù)等。地面油庫(kù)與其他類(lèi)型油庫(kù)相比，建設(shè)投資省、周期短，是中轉(zhuǎn)、分配、企業(yè)附屬油庫(kù)的主要建庫(kù)形式，也是目前數(shù)量最多的油庫(kù)3、油庫(kù)還可按照其運(yùn)輸方式分為水運(yùn)油庫(kù)、陸運(yùn)油庫(kù)和水陸聯(lián)運(yùn)油庫(kù)；按照經(jīng)營(yíng)油品分為原油庫(kù)、潤(rùn)滑油庫(kù)、成品油庫(kù)等4、油庫(kù)按照油罐的總?cè)莘e劃分為小型油庫(kù)，其容積為一萬(wàn)立方米以下，中型油庫(kù)其容積為一萬(wàn)至五萬(wàn)立方米，大型油庫(kù)其容積為五萬(wàn)立方米以上。

國(guó)外對(duì)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(guó)石油石化工業(yè)國(guó)情的“低成本戰(zhàn)略”。

美國(guó)政府早在二戰(zhàn)時(shí)期就有國(guó)家戰(zhàn)略石油儲(chǔ)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(guó)的戰(zhàn)略石油儲(chǔ)備才開(kāi)始正式建立。

70年代前期，阿拉伯國(guó)家以石油為武器對(duì)西方國(guó)家實(shí)施禁運(yùn)，導(dǎo)致美國(guó)國(guó)內(nèi)石油產(chǎn)品供應(yīng)緊缺，價(jià)格飛漲，最終使美國(guó)經(jīng)濟(jì)陷入長(zhǎng)時(shí)期的嚴(yán)重衰退。美國(guó)前總統(tǒng)福特于1975年12月22日簽署了《能源政策和儲(chǔ)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(chǔ)備，目的是為了在此后發(fā)生類(lèi)似事件時(shí)，可以對(duì)美國(guó)能源市場(chǎng)起到保護(hù)和緩沖作用。

美國(guó)政府從1977年7月21日正式開(kāi)始儲(chǔ)備石油，當(dāng)時(shí)決定的儲(chǔ)備目標(biāo)是10億桶，后來(lái)最終形成的儲(chǔ)備能力為7億桶。

美國(guó)戰(zhàn)略石油儲(chǔ)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(chǔ)備點(diǎn)，主要出于以下考慮：

一是安全性高。美國(guó)的戰(zhàn)略石油均儲(chǔ)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(lái)的紐約世貿(mào)雙塔。如此深度可以防御任何人為和戰(zhàn)爭(zhēng)的破壞。有效防止戰(zhàn)爭(zhēng)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(chǔ)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(guò)海上運(yùn)輸線迅速運(yùn)抵美國(guó)本土并進(jìn)入儲(chǔ)備。一旦需要，也可以通過(guò)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(guó)各地以滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)所需。

三是加工方便。墨西哥灣一帶是美國(guó)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(chǔ)備石油可以迅速加工成產(chǎn)品。

四是儲(chǔ)藏成本低。據(jù)計(jì)算，美國(guó)在地面建設(shè)油庫(kù)儲(chǔ)備石油每桶成本大約為15美元至18美元，開(kāi)鑿山體巖洞儲(chǔ)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(chǔ)油，每桶成本只有1.5美元。

然而對(duì)于油庫(kù)罐區(qū)檢測(cè)及監(jiān)控技術(shù)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家起步較早，研究投入較多，已有先進(jìn)的自動(dòng)化檢測(cè)和監(jiān)控技術(shù)。

我國(guó)非常豐富的石油資源，是今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素之一，無(wú)論是開(kāi)發(fā)利用國(guó)內(nèi)石油資源，還是利用國(guó)外石油資源，它們都離不開(kāi)儲(chǔ)備油庫(kù)。在石油價(jià)格飆升的帶動(dòng)下，目前全國(guó)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(lái)越廣泛，使得許多城市的油庫(kù)建設(shè)成為重點(diǎn)。由于技術(shù)的原因，目前我國(guó)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(kù)盡快建成。全國(guó)各省市地方也在積極地興建新的油庫(kù)，改進(jìn)油庫(kù)建設(shè)技術(shù)，發(fā)展油庫(kù)，保證油庫(kù)安全，這些都顯的極為重要。國(guó)內(nèi)外油庫(kù)建設(shè)技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)家學(xué)者就油庫(kù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景及合作已進(jìn)行了很長(zhǎng)時(shí)間的研究。有關(guān)專(zhuān)家認(rèn)為，管道局與國(guó)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(kù)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(kù)的總體布局

油庫(kù)分為東罐區(qū)和西罐區(qū)，其中，東罐區(qū)共有9個(gè)儲(chǔ)油罐，罐區(qū)值班室1個(gè)，油泵房1個(gè)（1#泵房），共安裝11臺(tái)油泵。西罐區(qū)共有21個(gè)儲(chǔ)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(tái)油泵，3#泵房安裝5臺(tái)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(guò)流量計(jì)分別計(jì)量。另外，油庫(kù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了汽車(chē)油罐車(chē)、火車(chē)油罐車(chē)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(kù)內(nèi)油品應(yīng)盡量做到單向流動(dòng)，避免在庫(kù)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(lái)往于工作區(qū)域，特別是儲(chǔ)油區(qū)和裝卸區(qū)；

（4）庫(kù)內(nèi)布置的各種設(shè)施，必須符合防火、衛(wèi)生等有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，確保油庫(kù)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(yíng)費(fèi)用。

圖油庫(kù)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(mén)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(cè)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(kāi)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(cè)試和系統(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(wèn)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(duì)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(lái)，從而時(shí)操作人員能夠直觀而迅速的了解被監(jiān)控對(duì)象的變化過(guò)程。通過(guò)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(lái)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(cè)、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(kāi)放性原則、經(jīng)濟(jì)性原則、開(kāi)發(fā)周期短原則。圖1-4就是一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組成原理圖。

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(guò)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(kù)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(guò)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(chǎng)完全對(duì)應(yīng),得到下表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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)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(cè)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(cè)量。電容式傳感器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，分辨力高；2）可實(shí)非接觸式測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(lái)說(shuō)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(cè)量液位的電容式傳感器。是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(cè)量電容值，從而探測(cè)液面位置信息。特點(diǎn)是液位測(cè)量只與電容結(jié)構(gòu)有關(guān)，與物料的密度無(wú)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(guò)氣、液或料相介質(zhì)的高度不同引起極間電容改變來(lái)探測(cè)物面位置的。其結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)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(cè)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?chē)媒^緣支架套裝金屬筒，筒上下開(kāi)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(wú)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(cè)量，對(duì)于粉粒測(cè)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(cè)液位高度決定的，與液體的介電常數(shù)無(wú)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電極的覆蓋面積隨被測(cè)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(cè)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ε1，下部液體的介電常數(shù)為ε2,電極總長(zhǎng)為H0，浸沒(méi)在液體中的長(zhǎng)度為H1，則根據(jù)同心圓筒狀電容的公式可寫(xiě)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(cè)電容；為初始電容，液體為零時(shí)測(cè)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(cè)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，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(jiàn)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(wú)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：電路圖 (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(cè)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(duì)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(cè)量?jī)煞N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(cè)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(cè)量誤差較大，不能得到滿意的真實(shí)液位的測(cè)量結(jié)果。2.4測(cè)量電路設(shè)計(jì)2.4.1測(cè)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，提供幅值電壓為E的對(duì)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)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（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(cè)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)；（3）輸出電壓高；（4）輸出阻抗與C1、C2無(wú)關(guān)，與R1，R2同數(shù)量級(jí)，可用mA或A表直接測(cè)量；（5）RL影響電容放電速度，宜小些，RL＝1k時(shí)，上升時(shí)間20s，可測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)。2.4.2整流電路將模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)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(cè)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0~30mv之間，太小不易測(cè)量，所以要通過(guò)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=-（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(cè)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23．0xl0／℃，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(chǎng)合下，還可以通過(guò)測(cè)量溫度，進(jìn)行溫度修正，以達(dá)到更高的測(cè)量精度。為了減小加工和裝配對(duì)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(cè)量電路的影響由于測(cè)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(cè)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(jiàn)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：3.0～5.5V，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、DS18B20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(cè)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－55℃～＋125℃，在-10～+85℃時(shí)精度為±0.5℃1.6、可編程的分辨率為9～12位，對(duì)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(cè)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(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，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(hào)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(xiě)時(shí)序和測(cè)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，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s減為750ms。DS18B20測(cè)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(hào)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(hào)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(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)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(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)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(cè)溫度。圖3中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)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(cè)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(hào)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(kāi)始8位（28H）是產(chǎn)品類(lèi)型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，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(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)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(chǔ)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(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)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(cè)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(chǔ)器DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)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(cè)試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)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(lái)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的原理進(jìn)行測(cè)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(lèi)。熱電阻廣泛用于測(cè)量-200~+850°C范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測(cè)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(hào)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3.2.1

工作原理

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(lái)引出電阻信號(hào)的方式叫二線制：這種引線方法很簡(jiǎn)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(zhǎng)度的因素有關(guān)，因此這種引線方式只適用于測(cè)量精度較低的場(chǎng)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(guò)程控制中的最常用的。

四線制：在熱電阻的根部?jī)啥烁鬟B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(hào)U，再通過(guò)另兩根引線把U引至二次儀表?？梢?jiàn)這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(cè)。

選型須知

1)型號(hào)2)分度號(hào)3)精度等級(jí)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(zhǎng)度或插入深度例：多點(diǎn)熱電偶，K型，3點(diǎn)。L級(jí)，固定螺紋M27X2,L1=1200,L2=1500,L3=2000,WRN-220D3I級(jí)L1=1200,L2=1500,L3=2000,螺紋M27x23.2.3影響測(cè)量的因素插入深度熱電偶測(cè)溫點(diǎn)的選擇是最重要的。測(cè)溫點(diǎn)的位置，對(duì)于生產(chǎn)工藝過(guò)程而言，一定要具有典型性、代表性，否則將失去測(cè)量與控制的意義。熱電偶插入被測(cè)場(chǎng)所時(shí)，沿著傳感器的長(zhǎng)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(cè)對(duì)象的溫度不一致而產(chǎn)生測(cè)溫誤差?？傊?，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(duì)于工程測(cè)溫，其插入深度還與測(cè)量對(duì)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(cè)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(cè)溫的基本原理是測(cè)溫元件要與被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡。因此，在測(cè)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(zhǎng)短，同測(cè)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(cè)量條件，差別極大。對(duì)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(duì)于液體而言，最快也要在5min以上。對(duì)于溫度不斷變化的被測(cè)場(chǎng)所，尤其是瞬間變化過(guò)程，全過(guò)程僅1秒鐘，則要求傳感器的響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)。因此，普通的溫度傳感器不僅跟不上被測(cè)對(duì)象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后，而且也會(huì)因達(dá)不到熱平衡而產(chǎn)生測(cè)量誤差。最好選擇響應(yīng)快的傳感器。對(duì)熱電偶而言除保護(hù)管影響外，熱電偶的測(cè)量端直徑也是其主要因素，即偶絲越細(xì)，測(cè)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(cè)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(cè)介質(zhì)是熔體，在使用過(guò)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(cè)溫?zé)犭娕紲囟葌鞲衅?，還配備消耗型熱電偶測(cè)溫裝置，用于及時(shí)校準(zhǔn)連續(xù)測(cè)溫用熱電偶的準(zhǔn)確度。熱輻射插入爐內(nèi)用于測(cè)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，熱電偶與爐壁的溫差較大時(shí)，將因能量交換而產(chǎn)生測(cè)溫誤差。一般情況下，為了減少熱輻射誤差，應(yīng)增大熱傳導(dǎo)，并使?fàn)t壁溫度盡可能接近熱電偶的溫度。另外，熱電偶安裝位置，應(yīng)盡可能避開(kāi)從固體發(fā)出的熱輻射，使其不能輻射到熱電偶表面;熱電偶最好帶有熱輻射遮蔽套。以上就是影響熱電偶溫度傳感器測(cè)量的四個(gè)因素，在使用的時(shí)候我們應(yīng)當(dāng)注意，根據(jù)實(shí)際情況，保證最佳的測(cè)量的效果。蔽技術(shù)，使電纜的影響降到最小。第4章結(jié)論經(jīng)過(guò)了一個(gè)多星期的課程設(shè)計(jì)，總的來(lái)說(shuō)基本完成了課設(shè)的任務(wù)要求，使理論與實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)到了很多知識(shí)。設(shè)計(jì)的過(guò)程也是專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程，而且是更生動(dòng)、更切實(shí)、更深入的專(zhuān)業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)。首先，一個(gè)設(shè)計(jì)是結(jié)合科研課題，把學(xué)過(guò)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際，在理論和實(shí)際結(jié)合過(guò)程中進(jìn)一步消化、加深和鞏固所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，并把所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)轉(zhuǎn)化為分析和解決問(wèn)題的能力。其次，在搜集材料、調(diào)查研究、接觸實(shí)際的過(guò)程中，既可以印證學(xué)過(guò)的書(shū)本知識(shí)，又可以學(xué)到許多課堂和書(shū)本里學(xué)不到的活生生的新知識(shí)。此外，我們?cè)谶@種自己動(dòng)手的設(shè)計(jì)中，對(duì)所學(xué)專(zhuān)業(yè)的某一側(cè)面和專(zhuān)題作了較為深入的分析。在此我感謝老師對(duì)我的幫助和鼓勵(lì)！總之，這次的課程設(shè)計(jì)對(duì)我來(lái)說(shuō)說(shuō)是一個(gè)很好鍛煉自己的機(jī)會(huì)！參考文獻(xiàn)：?jiǎn)纬上榕┪膹埓簜鞲衅髟O(shè)計(jì)基礎(chǔ)國(guó)防工業(yè)出版社2007年第1版陳艾敏感材料與傳感器化學(xué)工業(yè)出版社2004年第1版丁鎮(zhèn)生傳感器及傳感器技術(shù)應(yīng)用電子工業(yè)出版社1998年第1版張洪潤(rùn)傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)300例北京航空航天大學(xué)出版社2008年第11版何希才傳感器及其應(yīng)用電路電子工業(yè)出版社2001年第1版吳東鑫新型實(shí)用傳感器應(yīng)用指南電子工業(yè)出版社1998年第1版張繼文傳感器與應(yīng)用電路設(shè)計(jì)科學(xué)出版社2002年第1版松井邦彥傳感器實(shí)用電路設(shè)計(jì)與制作科學(xué)出版社2005年第1版目錄1緒論...........................................................................................................................11.1油庫(kù).......................................................................................................................11.2油庫(kù)的分類(lèi)...........................................................................................................11.3

油庫(kù)的總體布局..................................................................................................21.4

計(jì)算機(jī)監(jiān)控目標(biāo)及要求......................................................................................31.5

總體設(shè)計(jì)布局......................................................................................................41.6

系統(tǒng)I/O點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)...............................................................................................42電容式傳感器原理和選型.......................................................................................62.1引言.......................................................................................................................62.2電容式液位傳感器的結(jié)構(gòu)...................................................................................62.3電容式液位傳感器的工作原理...........................................................................72.4測(cè)量電路設(shè)計(jì)......................................................................................................102.4.1測(cè)量電路.........................................................................................................102.4.2整流電路.........................................................................................................132.4.3放大電路.........................................................................................................142.5機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響..........................................................................................14