油库安全监测系统传感器设计九(超声波液位传感器方面)

目录TOC\h\z\u\t"标题1,2,标题2,3,标题3,4,标题,1"200091绪论 1318821.1油库 130371.1.1油库的分布 168351.1.2国内外油库现状 1212971.2油库的总体布局 2267291.3油库的工艺流程图 473201.4计算机监控目标及要求 4158531.5总体设计布局 532631.6系统I/O点数统计 58722超声波液位传感器原理与选型 8101162.1超声波液位传感器传感器 8235632.1.1工作原理 8135242.2超声波液位传感器选型 9193412.2.1FLOWLINE超声波液位传感器产品特点 9304212.2.2技术参数 9283122.2.3FLOWLINEEchoPodDL14超声波液位传感器选型 11235103其他传感器的原理和选型 12148193.1热电阻温度传感器 1297123.1.1工作原理 1245553.2热电偶 13230603.2.1工作原理 13121433.3雷达液位传感器 14232713.3.1工作原理 14167004结论 166892参考文献 1726836附录 18第一章绪论1.1油库油库指用以贮存油料的专用设备，因油料具有的特异性用以相对应的油库进行贮藏。油库是协调原油生产、原油加工、成品油供应及运输的纽带，是国家石油储备和供应的基地，它对于保障国防和促进国民经济高速发展具有相当重要的意义。油库是油气运输过程中的一个重要环节，它直接关系到外输原油的质量，其工艺特点是系统关联紧密、操作规程严格、系统运行状况复杂多变且系统过程中流程多变。所以采用计算机监控系统对其工艺过程进行实时监控可以有效的提高生产率、减少事故发生率、降低工人的劳动强度。随着石油工业的进步和石油战略地位的不断提高，油库的安全也越来越重要。本课程设计根据课程设计指导书以及相关资料，运用智能模块，组态王能软件系统，设计和绘制油库监控系统和工艺流程图。1.1.1油库的分布1、按油库的管理体制和经营性质可分为独立油库和企业附属油库两大类。独立油库是指专门从事接收、储存和发放油料的独立经营的企业和单位。企业附属油库是工业、交通或其它企业为满足本部门的需要而设置的油库。2、按主要储油方式可分为地面（或称地上）油库、隐蔽油库、山洞油库、水封石洞库和海上油库等。地面油库与其他类型油库相比，建设投资省、周期短，是中转、分配、企业附属油库的主要建库形式，也是目前数量最多的油库。3、油库还可按照其运输方式分为水运油库、陆运油库和水陆联运油库；按照经营油品分为原油库、润滑油库、成品油库等。4、油库按照油罐的总容积划分为小型油库，其容积为一万立方米以下，中型油库其容积为一万至五万立方米，大型油库其容积为五万立方米以上。1.1.2国内外油库现状国外对大型石油石化公司的“低成本战略”进行了全方位、多角度的综合分析，并提出了适合我国石油石化工业国情的“低成本战略”。美国政府早在二战时期就有国家战略石油储备的构想，但直到20世纪70年代“石油危机”发生后，美国的战略石油储备才开始正式建立。70年代前期，阿拉伯国家以石油为武器对西方国家实施禁运，导致美国国内石油产品供应紧缺，价格飞涨，最终使美国经济陷入长时期的严重衰退。美国前总统福特于1975年12月22日签署了《能源政策和储备法》，其中最重要的内容之一就是决定建立战略石油储备，目的是为了在此后发生类似事件时，可以对美国能源市场起到保护和缓冲作用。美国政府从1977年7月21日正式开始储备石油，当时决定的储备目标是10亿桶，后来最终形成的储备能力为7亿桶。美国战略石油储备全部集中在得克萨斯和路易斯安那两个州沿海地区的一些储备点，主要出于以下考虑：一是安全性高。美国的战略石油均储藏在地下610米至1200多米深的巨型盐洞中，这些盐洞足够容下原来的纽约世贸双塔。如此深度可以防御任何人为和战争的破坏。有效防止战争破坏是最重要的考虑之一。如果不能防止军事打击，战略石油储备就可能形同虚设。二是运输方便。该地区有利于石油通过海上运输线迅速运抵美国本土并进入储备。一旦需要，也可以通过发达的地下输油管道、高速公路网及海上通道运往美国各地以满足国内市场所需。三是加工方便。墨西哥湾一带是美国最重要的石油生产和加工基地，生产设施完备，需要时战略储备石油可以迅速加工成产品。四是储藏成本低。据计算，美国在地面建设油库储备石油每桶成本大约为15美元至18美元，开凿山体岩洞储油每桶成本更高达30多美元，而在墨西哥湾沿海地区的地下盐层利用先打深井、再注水溶化盐层形成地下洞穴的方式储油，每桶成本只有1.5美元。然而对于油库罐区检测及监控技术，国外发达国家起步较早，研究投入较多，已有先进的自动化检测和监控技术。我国非常丰富的石油资源，是今后一个时期内国民经济发展的重要因素之一，无论是开发利用国内石油资源，还是利用国外石油资源，它们都离不开储备油库。在石油价格飙升的带动下，目前全国范围内压缩石油的需求也在急剧上升。石油在城市中的应用越来越广泛，使得许多城市的油库建设成为重点。由于技术的原因，目前我国城市用油以城市加油站为主。在现在加油站不断增多的情况下，要求有更多的油库尽快建成。全国各省市地方也在积极地兴建新的油库，改进油库建设技术，发展油库，保证油库安全，这些都显的极为重要。国内外油库建设技术领域的专家学者就油库设计开发应用前景及合作已进行了很长时间的研究。有关专家认为，管道局与国内外压缩机生产、科研及技术服务等单位的合作，必将推动油库建设效率、高稳定性、高信息化、高科技含量和高附加值的方向发展。1.2油库的总体布局油库分为东罐区和西罐区，其中，东罐区共有9个储油罐，罐区值班室1个，油泵房1个（1#泵房），共安装11台油泵。西罐区共有21个储油罐，2个罐区值班室，2个油泵房（2#、3#泵房），其中2#泵房安装10台油泵，3#泵房安装5台油泵。油料码头有两个油料收发口，与油轮直接连接进行汽油、柴油、航油等油料的收发作业，汽油、柴油发油口能通过流量计分别计量。另外，油库已经实现了汽车油罐车、火车油罐车的自动计量和发油数据的计算机管理。布置原则如下：（1）便于收发作业；（2）库内油品应尽量做到单向流动，避免在库内往返交叉；（3）合理分区，以便各种作业安全生产，避免非生产人员来往于工作区域，特别是储油区和装卸区；（4）库内布置的各种设施，必须符合防火、卫生等有关设计规范，确保油库安全。同时应力求布置紧凑，减少用地；（5）变配电间及锅炉房等辅助设施要尽量靠近主要用电、用气单位，以节省投资和经营费用。图1-2油罐区平面布局图1.3油库的工艺流程图图1-3油库的工艺流程图1.4计算机监控目标及要求计算机监控技术时一门综合性的技术。他是计算机及技术（包括软件技术，接口技术，通信技术，网络技术，显示技术）、自动控制技术、自动检测技术和传感技术的综合应用。任何一个计算机监控系统的设计与开发基本上由六阶段组成的。既：可行性研究、初步设计、详细设计、系统设施、系统测试和系统运行。当然，这六个阶段并不是完全按照直线顺序进行的。在任何一个阶段出现了问题都可以返回到前面的阶段进行修改。所谓计算机监控就是利用传感器装置将被监控对象中的物理参量（如温度、压力、流量、液位、速度）转换为电量，并且在计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而时操作人员能够直观而迅速的了解被监控对象的变化过程。通过应用计算机监控技术，可以稳定和优化生产工艺，提高产品质量，降低能源和原材料的消耗，降低生产成本。还可以降低劳动这的强度，并且提高管理水平，从而带来极大的社会效益。正因为如此计算机监控技术以在各个领域都有所发展。计算机监控系统可以由一下几个部分组成：计算机（含可视话的人机界面）、输入输出装置（板卡），监测、变松机构。设计原则有可靠性原则、使用方便原则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。图1-4就是一个典型的计算机测控系统组成原理图。图1-4计算机监控系统结构图1.5总体设计布局系统的总体设计是进入实质性设计阶段的第一步，也是最重要和最关键一步，起总体设计过程图如图1-5.图1-5系统总体设计1.6系统I/O点数统计根据油库的流程图，先要列出统计出系统的I/O点数，系统的I/O点数如表1-6a所示.系统I/O点数通过列表的形式列举如下表。表1-6a油库控制系统I/O变量表序号设备名称总点数控制量AIAODIDO11个三相分离器8水室的液位、压力、温度3油室的液位、压力、温度3油室、水室液位恒定控制221个缓冲罐4罐的液位、压力、温度3罐的压力恒定控制141个分馏塔3塔的液位、压力、温度351个沉降罐3罐的液位、压力、温度371个柴油罐3罐的液位、压力、温度381个天然气罐2罐的压力、温度291个汽油罐3罐的液位、压力、温度3107个电磁阀7阀的开、关控制7112个外输泵8泵的前后压力4泵的起、停2泵运行状况显示2124个中输泵16泵的前后压力8泵的起、停4泵运行状况显示4136个流量计3监控个反应器前的流量6合计60383613在详细设计完I/O点数后，还要列些每个点的参数表，参数表中每一个值都必须与现场完全对应,得到下表1-6b。表1-6b模拟量I/O点参数表I/O位号设备型号变量说明I/O类型工程单位信号类型量程上限量程下限报警上限报警下限偏差报警正常值1三相分离器AImmA1009115AOcmA1000803010502天然气罐AImmA1009115AOpmA1000803010503缓冲罐AImmA1009115AOpmA1000803010504分馏塔AImmA10091155沉降罐AImmA10091156稳压罐AImmA1009115AOcmA1000803010507储油罐AImmA10091158泵AImmA10091159流量计AImmA1009115第二章超声波液位传感器原理与选型2.1超声波液位传感器传感器超声波液位传感器集非接触开关，控制器，变送器三种功能于一身，适用于小型储罐，EchoPod超声波液位传感器灵活的设计可以应用于综合系统或者替代浮球开关、电导率开关和静压式传感器，也适用于流体控制和化工供料系统的综合应用，超声波液位传感器对于机器，刹车等设备的小储罐的应用也是很好的选择，PVDF的传感器可以适用于泥浆，腐蚀性介质，超声波液位传感器广泛应用于各种常压储罐，过程罐，小型罐和小型容器，泵提升站，废水储槽等。2.1.1工作原理超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头2.1.2超声波液位传感器的结构超声波传感器主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声传感器的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个传感器的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。2.1.3超声波传感器的主要性能指标工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声传感器的温度比较高，需要单独的制冷设备。灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。如超声波传感器，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是谐振器以及，由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器的一个结合体。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波，并且可以有效地使超声波聚集在振动器的中央部位。室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。对应用于工业机器人的超声波传感器而言，要求其精确度要达到1mm，并且具有较强的超声波辐射2.2超声波液位传感器选型本次设计超声波液位传感器采用的是美国FLOWLINE超声波液位传感器弗莱EchoPodDL14。FLOWLINE针对小型罐和OEM用户的小量程超声波液位传感器同时带有4个触点，超声波液位传感器适合于替换多点浮子开关和多点电导率开关，并且由于与被测量介质不接触，维护量小，使用寿命长。超声波液位传感器对于罐或其他容器的控制方案来说，由于集成了模拟量输出与继电器输出，可以同时完成对于库存的连续监测和对于泵或其他报警装置的控制，整体成本低廉。而通过使用PC软件对于仪表的参数进行调整，方便直观，更可以通过INTERNET得到厂家对于参数的直接修改。

图2-1超声波液位传感器2.2.1FLOWLINE超声波液位传感器产品特点量程1.25米输出4~20mA+4个继电器探头材质PVDF，耐酸碱腐蚀窄声束角0度，支持静管技术WebCal软件标定，防护等级IP672.2.2技术参数以下是FLOWLINEEchoPodDL14超声波液位传感器的技术参数：量程：1.25m

精度：3mm

分辨率：0.5mm

声束宽度：5cm

死区:5cm

供电电压：24vdc(环路)

温度补偿：全量程自动

环绕阻抗：400ohms@24vdc

信号输出：4～20mA,两线制,4*SPST继电器

标定：WebCalPC软件，USB标定

信号失效保护：4mA,20mA,21mA,22mA，或者保持当时数据

过程温度：－35℃to60℃

压力：2bar

防护等级：NEMA4X(IP65)

外壳材料：PC

探头材料：PVDF

过程连接：1"NPT(1"G)螺纹

电缆长度：1.2米

电缆材料：PVC

延时：可选

类别：普通

认证：CE，RoHS图2-2FLOWLINEEchoPodDL14超声波液位传感器2.2.3FLOWLINEEchoPodDL14超声波液位传感器选型第三章其他传感器的原理和选型3.1热电阻温度传感器热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器温度计。热电阻温度传感器分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。热电阻广泛用于测量-200~+850°C范围内的温度，少数情况下，低温可测至1K，高温达1000°C。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，热电阻也可以与温度变送器连接，将温度转换为标准电流信号输出。用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，输出最好呈线性，物理化学性能稳定，复线性好等。图3-1为目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。图3-1热电阻温度传感器3.1.1工作原理目前热电阻的引线主要有三种方式二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。3.1.2选型须知型号分度号精度等级热电偶点数安装固定形式保护管材质长度或插入深度3.2热电偶图3-2是热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。图3-2热电偶3.2.1工作原理热电偶直接测量温度，并把温度信号转热电偶

换成热电动势信号,通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。热电偶测温基本原理:将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。3.2.2结构要求热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：1、组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；2、两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；3、补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；4、保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。3.3雷达液位传感器图3-4雷达液位计是20世纪60年代中期国外开始生产使用的新技术产品。它是一种采用微波测量技术的液位测量仪表,没有可动部件、不接触介质、没有测量盲区。在发明应用初期,它主要用于海船油槽液位测量。图3-3雷达液位计3.3.1工作原理雷达液位计采用发射—反射—接收的工作模式。雷达液位计的天线发射出电磁波，这些波经被测对象表面反射后，再被天线接收，电磁波从发射到接收的时间与到液面的距离成正比，关系式如下：

D=CT/2

式中D——雷达液位计到液面的距离C——光速T——电磁波运行时间

图3-3-1工作原理

雷达液位计记录脉冲波经历的时间，而电磁波的传输速度为常数，则可算出液面到雷达天线的距离，从而知道液面的液位。

在实际运用中，雷达液位计有两种方式即调频连续波式和脉冲波式。采用调频连续波技术的液位计，功耗大，须采用四线制，电子电路复杂。而采用雷达脉冲波技术的液位计，功耗低，可用二线制的24VDC供电，容易实现本质安全，精确度高，适用范围更广。

3.3.2雷达液位计的特点

(1)雷达液位计采用一体化设计，无可动部件，不存在机械磨损，使用寿命长。

(2)雷达液位计测量时发出的电磁波能够穿过真空，不需要传输媒介，具有不受大气、蒸气、槽内挥发雾影响的特点，能用于挥发的介质如粗苯的液位测量。

(3)采用非接触式测量，不受槽内液体的密度、浓度等物理特性的影响。

(4)测量范围大，最大的测量范围可达0~35m，可用于高温、高压的液位测量。天线等关键部件采用高质量的材料，抗腐蚀能力强，能适应腐蚀性很强的环境。功能丰富，具有虚假波的学习功能。输入液面的实际液位，软件能自动地标识出液面到天线的虚假回波，排除这些波的干扰。

(7)参数设定方便，可用液位计上的简易操作键进行设定，也可用HART协议的手操器或装有VEGAVisualOperating软件的PC机在远程或直接接在液位计的通信端进行设定，十分方便。

第四章结论通过阅读文献、资料，了解国内外超声波液位传感器的研究现状，理解各种测量原理，理解声波等相关知识。结合实际，研究了超声波液位传感器的测距原理。针对系统要求设计了硬件电路，并画出了其原理图。传感器是摄取信息的关键器件，它与通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集手段，也是采用微电子技术改造传统产业的重要方法，对提高经济效益、科学研究与生产技术的水平有着举足轻重的作用。由于目前的技术水平有限，我们对于各种传感器的利用并不完全，还有很大的发展空间。尤其是利用超声波的测量原理来应用于传感器的技术还有待提高。借鉴一些先进学者的理论知识来补充自