原油罐液位实时检测系统的设计.docx

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原油罐液位实时检测系统的设计

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密级学号02031086

毕业设计（论文）

基于光纤的液位检测及其显示电路设计

院（系、部）：

姓年专名：

级：

业：

信息工程学院徐燕华2002级电气工程及其自动化

王

指导教师：

教师职称：

伟师

讲

2006

年

6

月

23

日·北京

声

明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文（毕业设计说明书），是本人在导师指导下，独立进行研究（设计）工作的总结。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

签

名：

徐燕华日

期：

2006年6月23日

北京石油化工学院学位论文电子版授权使用协议

论文《基于光纤的液位检测及其显示电路设计》系本人在北京石油化

工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。

本人系作品的唯一作者，即著作权人。

现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。

本人承诺：

已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。

本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及全文部分浏览服务。

公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。

注：

本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。

院系名称：

信息工程学院作者签名：

徐燕华学号：

020310862006年6月23

日

基于光纤的液位检测及其显示电路设计

摘

要

精确地实现对易燃易爆液体液位的测量,是现代测量科学的重要课题。

本文设计一种利用单片机与光纤传感器组成的液位测量系统。

文中完成对光纤液位检测系统的检测原理、数据采集及信号处理、液位显示等内容的理论分析和相关的软硬件设计。

光纤液位计采用先进的光纤传感技术和传统的力平衡原理相结合，实现对原油罐液位实时检测，被测液位信号通过磁力耦合系统和光学编码器产生光脉冲信号，经光缆传输到光电转换器，变成电信号进行处理。

特别是光信号转换成电信号，对脉冲信号的判向和脉冲个数的如何计数作了详细地分析。

该系统实现了现场全光无电在线检测,具有很好的稳定性和抗干扰能力。

系统做到了无电检测和传输,系统安全、防爆。

关键词：

液位检测，光纤传感器，光码盘，单片机

I

基于光纤的液位检测及其显示电路设计

Abstract

Measurementtotheliquidleveloftheinflammableandexplodeliquid,isanimportantsubjectofmodernmeasuringscience.Thetheoreticanalysisandsoftwareandhardwaredesignofthemeasureprinciple,dataacquisitionandsignalprocessingandliquiddisplayoftheopticalfibreliquidlevelmeasuringsystemiscompletedinthisarticle.Sensingtechnologiesofadvancedopticalfiberandprincipleoftraditionalpowerbalanceareadoptedintheopticalfiberliquid-levelMeter.Theliquid-levelofoilcanbemeasurereal-timebythismeter.Themeasuredsignalarechangedtolightpulsesbymagneticforcecouplesystemandopticscoder,andtransmittedbylightcable.Thenthelightsignalistunedintoelectricalsignalbythelight-electricitydevice.Especiallythelightsignalistunedintoelectricalsignal,pulsesignalisjudgedthedirectionbytneelectriccircurtandcountedbythemeasureelectriccircuitaremakedtoexplaininthearticle.Theon-linedetectionwithlightandwithoutelectricpowerinthemeasuringfieldhasbeencompletedinthesystem.Theexcellentstabilityandanti-jammingcapabilitymaybeprovidedbyit.Liquid-levelsignalsismeasuredandtransmittedasthemodeofno-electricityinthesystem.Thesystemissafetyandflameproof.

Keywords：

liquidlevelmeasurement，theopticalfibrespreadsafeelingmachine，thelightcodedish，singlechipmicrocomputer.

II

基于光纤的液位检测及其显示电路设计

目

录

第一章绪论……………11.1光纤液位测量技术概况……21.2国内外液位传感器的现状……31.3传感技术的发展及应用……….51.4研究的基本方向和本论文的任务……6第二章总体方案的设计..………72.1系统原理的分析……72.2器件的选择……82.3光电转换器及信号的处理……13第三章检测电路设计………15

3.1光电转换及放大电路……153.2整形及方向判别电路……16第四章信号处理系统的设计……20

4.1脉冲的计数……204.2液位显示部分……224.3转换程序……25第五章总结……285.1结论……285.2对该系统研究的展望……28参考文献……29致谢…………30附录…………31

III

基于光纤的液位检测及其显示电路设计

第一章绪论

光纤是二十世纪人类的一项重要发明，它的出现对人类进入信息时代具有不可估量的作用。

光纤的发明及发展与人们对通信系统不断提高信息传输容量的要求有密切的关系。

1966年，任职于英国国际电话电报公司的华裔科学家高馄博士，发表了一篇名为《光频率的介质纤维表面波导》的论文，开创性地指出，可以用玻璃做光学纤维传送讯号，从此开始了光纤通信的革命。

人们对光通信的需求极大地促进了光纤的研究和生产，光纤的应用也已不再局限于通信领域，光纤技术正渗透到许多领域中，如科学研究、工业控制、交通、能源、建筑以及军事等等，其发展方兴未艾，前景广阔。

[1]本章简要介绍光纤传感、光纤光栅及其传感技术的发展概况和应用，液位测量技术的发展，最后简要介绍本文的主要工作。

1.1液位测量技术概况

液位传感器是指检测液体高度信息的仪器，液位测量技术在工程领域有着极为广泛的应用。

在一般的生产工艺加工过程中，通常只需要对物料的表面位置进行记录和储存，以作为确保生产工艺、安全等方面的需要。

随着生产自动化程度的不断提高，必须首先对液位测量数据进行控制与调节，以保证自动化生产能够自动控制在最佳状态。

在现代化的企业生产过程中，采用计算机控制系统对生产进行各种综合控制与管理的普及，控制系统的智能化、统一化，要求测量的对象要广、测量的精度要高、可靠性要好、实用性要强、且适用于特殊测量环境等，这些对液位测量技术也提出了更高的要求。

尤其是当液面具有波动和存在气泡，或液面高度随时间改变的动态测量，或被测介质具有粘滞性、导电性，或需要考虑容器的密封性以及介质是否含有腐蚀物、毒性和易爆性等情况下，选择合适的液位测量技术就显得尤为重要。

[2]目前国内外工业生产中普遍采用的液位测量方法有19种以上，主要有以下几大类:

1）机械浮子类液位计测量原理是利用传动装置把与液位同高度的浮子高度信息转换成脉冲信号或连续信号，转换器是一些机械舌簧、磁铁、电子或光电设备。

此类液位计可以进行连续测量，其问题是积聚在传动机械臂上的污物（如水垢沉积）会限制浮子运动，从而产生故障。

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2）电子类液位传感器测量原理是把液位的变化转化为电气参数的变化，利用一定的测量电路将电参数检测出来，从而达到测量液位的目的。

其中最常用且最成熟的是电容式液位传感器。

电容式液位计它是利用空气和液体作电容器两极极板间的电介质，将液位变化转换成静电电容变化，用电子学方法测量电容值，从而探测液体高度信息。

它结构简单，精度较高，而且量程广，适合于测量各种介质（导电介质、非导电介质）的液位，但是要求液体具有相同、稳定的介电常数，需要有温度的补偿。

尤其用长电缆连接时，对电缆中的干扰和寄生电容很敏感，精度较差，且对导电介质或粘性介质，误差较大、易受干扰，严重影响测量结果。

电阻式液位计探测器在空气中的阻值要比它浸在液体中的阻值大得多，通过电子学方法测量液体容器底部与顶部之间的电阻，从中可探知液位信息。

其测量精度受液体污染情况的影响较大，探针的污染和沉积物，会导致错误的输出，在直流工作时会产生电解，响应速度慢。

3）热学式液位计由热敏电阻发出的信号可用来指示这类元件是否浸在液体中。

它结构小，适用于圆筒容器、玻璃柱、管道等，但这种方法仅能进行点测量，而不能用于液位的连续测量。

4）雷达液位传感器雷达传感器就是利用发射一反射一接收的原理来测量距离的，因此可用于有毒、有害的恶劣环境下。

雷达液位传感器的传输信号是一种特殊形式.的电磁波，其物理特性与可见光相似。

雷达信号是否可以被反射取决于被测介质的导电性和被测介质的介电常数两个因素。

所有导电介质都能很好地反射雷达信号，导电性不太好的介质也能被很准确地测量。

雷达波不易受干扰，巨能穿透塑料容器或玻璃容器进行测量，无需在容器上开孔，能实现非接触测量，即使在飞灰、粉尘强烈并有很强旋涡的环境下也能进行准确测量。

然而雷达传感器的测量信号运行时间极短，这给信号分析处理提出了极高的要求，造成它的价格昂贵、技术实施困难。

5）超声波液位传感器超声波液位传感器发展很快、应用也很广泛，常用于测量明渠液位及开口容器内液位。

由超声换能器发射的超声脉冲经空气在被测介质上反射，再返回接收换能器，测量该超声脉冲往返时间，就能得到超声换能器辐射面到被测液面的距离。

根据换能器安装高度，就能得出液位高度。

但声波传播速度多受环境因素影

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响，其测量信号的可靠性较差，误差较大，校正补偿复杂。

6）同位素/放射性液位传感器它是利用放射性同位素射线（如a射线、p射线、Y射线）的穿透和反射能力，当a射线、p射线、Y射线到达被测液体时，通过检测其透射或反射射线信号的强度来达到测量液位的目的。

射线的强度会随液位的高度变化而变化，在放射线辐射源与检测器之间有吸收物质时，检测器的输出与液位的高度有关，通过对被测物质吸收能量大小的检测，再经过信号转换，即可得出被测液位的高度。

由于放射性射线本身的特点所决定，它可以用于腐蚀性、有毒性、大粘性和易燃易爆的场合。

而且介质对丫射线的吸收只与介质密度有关，因此它可以测量不同密度的液体分界面、气体与固体或液体与固体的分界面。

但射线易受到衰减，检测信息的能量易于损失，测量精确度不理想，有辐射作用，对人体有害等。

7）液压类液位计此类液位计可以进行连续测量。

气泡式液位计将被测液位值转换为空气压力值，测定该压力值后，利用该被测压力与液位高度成正比的原理测量液位。

压力式传感器它是利用液面高度变化时容器底部或侧面某点上的压力也随之而变化的原理来设计的。

在测量开放的容器时，大多采用直接测量底部某点压力来测量。

这类液位传感器的精度主要受到压力表精度的限制，同时还要求被测液体的密度是已知的，而且要求液体的密度要恒定不变。

8）光学液位计光学液位计主要是光纤液位传感器，它结合了光纤作为敏感器件的优点，尤其是在复杂的应用场合，测量现场全光无电，安全性能好，同时调制方法多种多样，是一种新型的液位传感器。

[3]光学液位计，它利用浮子的磁耦合原理来设计，经光码盘对光纤的检测，再经由放大整形电路，以及光电转换来形成规则的脉冲信号，最后由单片机来实现液位显示。

本文主要采用这个方案来设计。

此方案设计比较简单，测量精度比较高，也非常适合目前我国的生产力状况。

1.2国内外液位传感器的现状

对于液位测量传感器的研究，国外的液位测量技术起步较早且投入资金雄厚，发展非常迅速。

到目前为止国外许多公司都研制出很多功能齐全、自动化智能程度高、精度高的测量体系与产品系列。

如美国DREXELBROOK公司研制的

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UniversallIITM连续液位变送器（其精度可达0.1，量程最大15米，4-20mA电流输出，上下限位报警，叠加智能通讯协议HART,Honeywell等）。

美国Milltronics公司研制的多量程超声波液位监测系统具有测量液位、液位差的能力，其采用的非接触式超声波传感器，可监视30cm到14m范围的液位变化。

典型的产品还有美国Foxboro公司、Texas仪器公司、Varec公司、Rosemount公司以及Moore公司生产的HTG静压式计量系统，所用传感单元是高精度的压力变送器，将其放在油罐的底部，通过检测液体的压力获得其它参数的信息。

还有其它国家和公司研制的液位传感器等产品，广泛应用于工业、食品等行业，并大量地进入我国液位测量领域[4]。

在我国，液位传感器的研制开发技术比较落后，在液位测量技术、测量方法上均远远落后于其它发达国家。

对于新型的光纤液位传感器，1990年国内公开了一项传感器专利，是一种浮子式光电型编码带液位计，它利用与浮子同步运动的一条绝对式光电型编码带和透射式光纤信号检测头作为检测液位高度的传感器。

1991年南京航空学院研制的一种光纤液位传感器，是利用光纤构成的一种小型化开关式传感器。

2004年清华大学光纤传感中心与总后合作研制开发的光纤油罐液位与温度测量系统，己经安装运行。

从总体来看，国内研制的测量系统的自动化程度不高，精度、可靠性、功能等多方面都不如国外同类产品，这都不能满足现代生产的需要。

1.3光纤传感技术的发展及应用

光纤作为传感材料的应用是传感材料的重大突破，随着光纤在通讯技术中的不断应用，人们发现光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且当光波在光纤中传播时，表征光波特征的参量，如相位、振幅、偏振态、波长等会因外界因素如温度、压力、电场、磁场、位移等的作用，直接或间接的发生改变，因此可以将光纤用作传感元件来探测各种待测量（物理量、化学量和生物量等），这就是光纤传感器的基本原理。

光纤传感技术一问世就受到极大重视，在众多领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。

光纤传感器最早出现于1977年美国海军研究所（NRL）执行的光纤传感器系统（FOSS）计划。

此后，光纤传感器和光纤传感技术在世界范围内得到迅猛发展1980年，美国开始研制现代数字光纤控制系统，此计划是采用光纤译码的光纤传感器系统替代直升机驾驶员的控制。

另外，其对光纤陀螺仪的研制也取得巨大的成果。

美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家，如应用光纤传感器监测电力系统的电流、电压、温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉

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类和食品的细菌和病毒等。

日本和西欧各国也高度重视并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。

日本在八十年代便制定了“光控系统应用计划”90年代，，由东芝、日本电气等15家公司和研究机构，研究开发出12种具有一流水平的民用光纤传感器，其产品在国际市场上具有广阔发展前景。

西欧各国的大型企业和公司也积极参与了光纤传感器的研究、开发和市场竞争，其中包括英国的标准电讯公司、法国的汤姆逊公司和德国的西门子公司等。

[5]我国光纤传感器的研究工作开展得较晚。

从1983年国家科技新技术局在杭州召开的第一次光纤传感器全国性会议的二十余年间，我国己经有上百家单位在光纤传感器这一领域开展工作。

从“七五”规划中，国家电子部提出并成功开展的12项光纤传感器项目，到国家科委在“八五”攻关项目中开展的光纤传感器项目，再到国防科工委“十五”国防预研的光纤传感器项目等，这些项目的成功完成使中国的光纤传感器研究水平达到一个新的高度。

目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然未完成由实验室向产品化的过渡。

光纤陀螺、光纤水听器和分布式光纤温度传感器是光纤传感研发水平的代表产品，这几种光纤传感器我国要落后10年。

[3]作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的性质。

与传统的机械、电子传感器相比较，光纤传感器具有下列优点:

（1）灵敏度高。

（2）抗电磁干扰，电绝缘性好。

（3）工作频带宽，动态范围大。

（4）耐腐蚀，化学性能稳定。

（5）安全性能好。

（6）传输损耗小，可实现远距离测量和控制。

（7）测量范围广，可测量温度、压强、应力、应变、电压、电流、液位等物理量。

（8）适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。

目前，从文献资料中可以看到光纤传感器的研究有如下的发展趋势

（1）继续深入研究传感器的理论和技术，解决实用化问题，探索新原理、新技术的光纤传感器。

随着光纤传感器基本原理的研究日益深入，强度、相位调制的传感器更趋完善，而对波长调制传感器如光纤光栅传感器的研究则更加深入。

传感器用于实际测量的主要问题是长时间漂移效应，人们对此进行了深入研究，提出了许多解决办法。

漂移效应来自光纤传输线路的衰减、祸合器等无源器

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件特性不完善、光源输出不稳定及探测器的响应等。

为了从技术上解决漂移问题，国外对光纤传感头的固有调制形式进行了研究。

例如，采用参考光路引入参考信号可解决由于光学结构的漂移特性对测量的影响，对于不同调制方法的传感器有着不同的参考光路。

多样化的补偿技术，使光纤传感器能够获得长时间的稳定性，这样，就可以使光纤传感器实用化。

（2）对波分复用、时分多路复用光纤传感器阵列的研究，实现多参数、多变量同时测量的智能化遥测，是发展的重点。

单一光纤传感器的研究已进入到实用化阶段，但它无法适用于多参数、多变量的测量。

近年来，光纤智能结构、光纤埋覆技术、波长编码信息解调以及单一光纤的阵列多功能检测是传感系统的研究热点。

（3）深入研究检测系统。

检测系统的目的是把光纤传感器的输出光信号转换为正比信号场变化的一个电信号，一般来说，强度调制型传感器的检测系统最为简单。

相位、偏振和波长调制型的传感器的监测系统常将工作参量转换光强度再进行检测。

新型的光纤光栅传感器，由于其工作参量的变化更加微小，带来了更高复杂度的检测系统。

1.4研究的基本方向和本论文的任务

综上所述，为了更好的满足石化行业生产和管理的需要，促进油库管理中的生产和安全问题，本文提出利用浮子的光纤液位传感本质防爆等的一系列优点，设计和研究基于光线传感技术的油库区液位检测系统。

该系统能自动监测油面的液位高度，而且具有适时性、可靠性、安全性、准确性、易于维护等优点.因此,采用光纤传感器作为本系统的测量子系统具有无可比拟的优越性。

研制和开发基于光纤传感技术的储油液位检测功能的油罐库区自动付油管理系统也显得非常必要。

其测量原理是:

被测液位变化带动光码盘的转动,对两路光纤探头分别发出的两束红外光进行调制。

调制后的两组光脉冲信号沿光缆传输给二次仪表。

通过测量脉冲数即可测出液位高度,而检测两路脉冲的相位即可判断液位是增加还是减少[6]。

其测量精度达到±2mm。

本文主要完成以几点工作：

1）检测电路硬件的设计：

完成检测所需光电信号转换电路的设计及探测机理的分析；2）显示电路硬件的设计：

完成以单片机等为核心的信号处理及显示硬件电路的设计；3）系统软件设计采用C语言完成相关信号处理运算等软件的设计。

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第二章总体方案的设计

2.1系统原理的分析

本设计包括磁浮子液位跟踪与力平衡等传感器机械系统、光电信号处理及显示电路，微机接口电路等。

[7]其中浮子液位计是利用磁耦合原理，通过浮子里的磁铁和由不锈钢做成的管子里的磁铁相互作用，由油面液位的升降带动浮子的升降，进而带动光码盘的转动，产生一个光脉冲信号。

光电转换电路则是将光码盘产生的光信号转换成电信号，以便能成为单片机能够识别的信号。

主要用光电转换转换器来完成。

在得到电信号后，由于各种原因，如信号比较微弱，或者很不规则，致使单片机无法读数。

所以这里采用防放大整形电路。

使信号成为规则的矩形波，脉冲强度也能在单片机中读出来。

由于液位有上升，有下降，因此得到的电信号也应该有正反向。

这里采用了光电编码其作为判向电路。

这是本文设计中的一个重点之一。

具体设计思路和原理将在下面会阐述。

有了正反脉冲信号作基础，最后的任务就是通过数码管把液位的高度显示出来。

这是最后也是最关键的一步。

在第四章中会具体讲述。

本设计系统原理框图如下2-1所示

浮子液位计

光电转换

放大整形

判向电路

可逆计数

接口

上位微机

光电转换

放大整形

图2-1系统原理框图

该系统的测量原理是利用力平衡原理和先进的光传感技术实现对液位检测。

油罐液位上、下变化时，跟踪液位变化的浮球带动与重锤和绳索连接的精确计量变径轮旋转。

通过磁力耦合带动光学编码盘旋转，光学编码盘旋转的角度和方向

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表示出液位变化的高度和变化方向（升或降）。

其原理图如下2-2所示

1—测量浮球5—光纤传感器9—电源

2—测量钢丝绳6—光纤

3—重锤7—光电变送器

4—重锤钢丝绳8—二次仪表

图2-2光线液位检测原理图

2．2器件的选择

2.2.1浮子的选择浮子式液位计的理论基础是阿基米德定理，即浸于液体中的物体所受的液体浮力等于该物体所排出的同体积液体的重量。

磁耦合浮子的结构如图2-3所示。

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图2-3浮子结构图