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1、现代传感器与检测技现代传感器与检测技术课程设计术课程设计设计设计背景背景010203050604Content目录理理论论依据依据系系统结统结构原理构原理 系统工作原理系统工作原理可行性分析可行性分析设计不足设计不足Content设计设计背景背景1 设计背景近年来，随着石油工业的发展，石化部门对油罐自动计量技术也越来越重视。油罐液位监控计量系统主要实现对库区油罐存储油品和民用提提无聊状态的监测，提供实时存储油品的状态参数，实现对油罐存储环境状态进行安全监测。将计量油品收发及存储中的产品数量，作为油罐作业中计量和帐务管理的依据，为产品决策提供及时、准确的信息，杜绝库区跑、冒、滴、漏情况的出现。除
2、石油外，液化气、汽油等液体物料与我们生活息息相关，但因罐装的缘故，无法确切完成对液体剩余量的计量监测。尽管液高测量具备一定的监测意义，但因刻度标定复杂且不易读数等原因，很少用作罐装液体的监测计量。对于液体使用使用情况的分析，监测液体的重量或质量，更具现直观意义。 设计背景 从自动化计量方法看，目前国外主要采用以下三种方法：检尺法 检尺法和液位法都须要进行液体高度的测量，对于密闭罐装液体，该方法并不适用静压法 静压法是利用压力传感器（变送器）测量罐内液体的静压力，根据储罐几何参数计算出容量 和重量液位法 液位法是通过测量罐内液体的液位高度及密度等参数，来获得罐内储液的容量及重量 设计背景基于原理
3、讨论，虽然静压法也须要要测量物料液高，担由于内置传感器的稳定测量属性，使得液体深度与某些测量参数，比如液体压强呈现稳定的函数关系。将物理信号转化成电信号，处理单元做质量或重量换算，输出端完成数值输出，简单易行针对敞口的罐装液体物料，由于不同海拔、不同天气、不同气候下的大气压力不尽相同，导致基于压力传感测量的静压法存在一定的测量风险。本文在基于静压法的基础上，对传统罐装液体重量测量方案进行了一定改进获取、分析、处理气压差动信号，消除了因外界气压或罐内气压导致的测量误差Content理理论论依据依据2 理论依据电位器式传感器 电位器式传感器又称变阻器传感器，他其工作原理可以表示为均匀截面导体的电阻
4、计算公式 由物理学可知，其电阻为：电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将被测物理量（如应变、力、位移、加速度、扭矩等）转换为电阻变化的传感器，当电阻丝受到拉力F作用时： 理论依据电桥电路 调节桥臂上某些元件的参数值，使指零仪器的两端电压为零，此时电桥达到平衡。利用电桥平衡方 程R1R3=R2R4，即可根据桥臂中已知元件的数值求得被测元件的参量 (如电阻、电感和电容)。当桥臂应变片受到压力作用，其电阻发生变化，只是输出端电压也发生变化。当电桥输出端接有放大器时，由于放大器的输入阻抗很高，所以认为电桥的负载电阻无穷大，这是电桥以电压的形式输出。输出电压即为电桥输出端的开路电压，其表达
5、式为：大量实验和推理证明，当R远小于R时，电桥的输出电压与应变 程度成线性关系，这一属性量在工程上被称为传输系数A，即： 理论依据当罐内倒入液体，由于压力变化，R1阻值发生改变，有电压信号输出。得出输出电压： 对于等截面的的柱体容器，有：联立上式，得到容器内感压膜上的液体重量与电桥的输出电压之间的关系：上式表明电桥输出电压与柱形容器内液重呈线性关系，因此可以测得容器内存储液体的重量，得到测量液重的数学表达式： 理论依据使用相同的电桥测量电路，将其置于液体以上的气体环境中，用于与罐底相同的测量方法得出由气压引起的电压输出信号，通过二次差动以消除气压对测量结果的影响，完成输入端的结构改进。 由气压
6、引起的电桥输出电压：真实的电桥差动输出电压：得到液重的数学表达式： Content结构原理结构原理3 结构原理 结构原理信号获取单元功能在于获取液压和气压初始数据。由两个具有应变电阻结构的双臂电桥组成。电桥A置于罐底，将液压信号转变为电信号并将其输出。应变电阻a置于液体物料，外侧包装感压膜；应变电阻b置于电路内部；剩余两个定值电阻置于电路内部。电桥B置于液面上的气体中，将气压信号转变为电信号并将其输出。应变电阻a置于气体中，外侧包装感压膜；应变电阻b置于电路内部；剩余两个定值电阻置于电路内部。两个具备应变传感作用的电桥器件的制作工艺和内部结构完全相同。Content系统工作原理系统工作原理3
7、系统工作原理罐内液体重量测量系统主要分为信号输入模块、信号处理模块和信号输出模块。各模块工作过程分别为：信号输入模块：采集液压和气压信号，进行反相相去噪处理后，为信号处理单元提供可靠输入；信号处理模块：模拟-数字信号转换，微处理器靠内置算法和程序完成液重计算和信号输出；信号输出模块：输出并显示液重值。Content可行性分析可行性分析5 可行性分析功能可行性分析： 本设计在基于传统静压法测量罐内液体物料重量的基础上，增加了气压测量模块，加以分析、 计算、处理，消除了气压对测量液重的不确定影响。保留了原系统的框架结构，因此增加差 动处理的部分更有益于对实际量值的测量，仍具备液重测量的功能。技术可
8、行性分析 电桥电路是基于应变结构的电阻式传感器，在建筑、医疗、航空、电力、机械等领域有着广 泛而成熟的应用，因此作为设计主体部分的电桥传感部分不存在技术难题。经济可行性分析 本设计在传统测量方案的基础上重新设计和增加了电桥电路及外围差动模块，成本低廉，不 存在经济问题。外在属性特征：便携，时尚，可非接触监测结论：产品具有竞争力，可以进行市场推广 可行性分析风险分析： 液压强度： 由于电桥电路被装备于罐底，需要承受一定的液体压强。当罐内液体到达一定高度，底部传感器存 在因压强过大而损坏的风险； 差动连接电路 由于两电桥电路被装备于完全不同的测量环境，需要外围电路将两者连接才能实现后续的信号输出。
9、 因此在液体中或者悬置或者采用玻璃、塑料保护包装措施的连接电路，都存在因被内部液体物料浸 入造成电路损坏的风险。结论： 本设计具备一定的可行性，但对于部分液面极高的罐装液体的重力测量，仍存在一定的风险。Content设计不足设计不足6 设计不足非柱体储存罐对测量的影响 由于应变电桥的传递系数是基于柱状罐体容器的数据拟合而成，所以对于圆台等非柱体储存罐贮存 的液体物料，不具备测量意义液体深度对测量的影响 由于电桥电路被装备于罐底，需要承受一定的液体压强。当罐内液体到达一定高度，底部传感器存 在因压强过大而损坏的风险；差动电路连接对测量的影响 由于两电桥电路被装备于完全不同的测量环境，需要外围电路
10、将两者连接才能实现后续的信号输出。 因此在液体中或者悬置或者采用玻璃、塑料保护包装措施的连接电路，都存在因被内部液体物料浸 入造成电路损坏的风险。 参考文献1石书喜,王建华. 储罐内液体的数量计量J. 计量技术,2000,08:29-31. 2章劲武. 装有玻璃管液面计的卧罐内液体体积的计算方法J. 油田地面工程,1992,01:49-53+4.3乔学光,李婷,王宏亮,贾振安,刘钦朋,王向宇. 电阻应变式压力传感器的研究J. 传感器世 界,2006,11:11-13. 4尹福炎. 电阻应变片与测力/称重传感器纪念电阻应变片诞生70周年(1938-2008)J. 衡器,2010,11:42-48+51. 5郑鑫. 复合电桥的研究与设计D.电子科技大学,2015. Thanks!
