1、基于應變傳感器的罐內液體基于應變傳感器的罐內液體重量測量系統的改進重量測量系統的改進 課程：現代傳感器與檢測技術 時間 ：2017.1.6 報告人 ：Linsanity 學號 ： 17設計背景設計背景010203050604 Content 目錄理論依據理論依據系統結構原理系統結構原理 系統工作原理系統工作原理可行性分析可行性分析設計不足設計不足ontent設計背景設計背景1 設計背景 近年來，隨著石油工業的發展，石化部門對油罐自動計量技術也越來越重視。油罐液位監控計量系統主要實現對庫區油罐存儲油品和民用提提無聊狀態的監測，提供實時存儲油品的狀態參數，實現對油罐存儲環境狀態進行安全監測。將計量

2、油品收發及存儲中的產品數量，作為油罐作業中計量和帳務管理的依據，為產品決策提供及時、準確的信息，杜絕庫區跑、冒、滴、漏情況的出現。 除石油外，液化氣、汽油等液體物料與我們生活息息相關，但因罐裝的緣故，無法確切完成對液體剩余量的計量監測。盡管液高測量具備一定的監測意義，但因刻度標定復雜且不易讀數等原因，很少用作罐裝液體的監測計量。對于液體使用使用情況的分析，監測液體的重量或質量，更具現直觀意義。 設計背景 從自動化計量方法看，目前國外主要采用以下三種方法： 檢尺法 檢尺法和液位法都須要進行液體高度的測量，對于密閉罐裝液體，該方法并不適用 靜壓法 靜壓法是利用壓力傳感器（變送器）測量罐內液體的靜壓

3、力，根據儲罐幾何參數計算出容量 和重量 液位法 液位法是通過測量罐內液體的液位高度及密度等參數，來獲得罐內儲液的容量及重量 設計背景 基于原理討論，雖然靜壓法也須要要測量物料液高，擔由于內置傳感器的穩定測量屬性，使得液體深度與某些測量參數，比如液體壓強呈現穩定的函數關系。將物理信號轉化成電信號，處理單元做質量或重量換算，輸出端完成數值輸出，簡單易行 針對敞口的罐裝液體物料，由于不同海拔、不同天氣、不同氣候下的大氣壓力不盡相同，導致基于壓力傳感測量的靜壓法存在一定的測量風險。本文在基于靜壓法的基礎上，對傳統罐裝液體重量測量方案進行了一定改進獲取、分析、處理氣壓差動信號，消除了因外界氣壓或罐內氣壓

4、導致的測量誤差ontent理論依據理論依據2 理論依據 電位器式傳感器 電位器式傳感器又稱變阻器傳感器，他其工作原理可以表示為均勻截面導體的電阻計算公式 由物理學可知，其電阻為： 電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器是利用電阻應變片將被測物理量（如應變、力、位移、加速度、扭矩等）轉換為電阻變化的傳感器， 當電阻絲受到拉力F作用時：AlRdRdAARdllRdR)2(drdrldlRdRdrdrldlRdR2 理論依據 電橋電路 調節橋臂上某些元件的參數值，使指零儀器的兩端電壓為零，此時電橋達到平衡。利用電橋平衡方 程R1R3=R2R4，即可根據橋臂中已知元件的數值求得被測元件的參量 (如電阻、電

5、感和電容)。 當橋臂應變片受到壓力作用，其電阻發生變化，只是輸出端電壓也發生變化。當電橋輸出端接有放大器時，由于放大器的輸入阻抗很高，所以認為電橋的負載電阻無窮大，這是電橋以電壓的形式輸出。輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，其表達式為： 大量實驗和推理證明，當R遠小于R時，電橋的輸出電壓與應變 程度成線性關系，這一屬性量在工程上被稱為傳輸系數A，即：ioURRRRRRRRU)(43214231APU 理論依據 當罐內倒入液體，由于壓力變化，R1阻值發生改變，有電壓信號輸出。得出輸出電壓： 對于等截面的的柱體容器，有： 聯立上式，得到容器內感壓膜上的液體重量與電橋的輸出電壓之間的關系： 上式表明

6、電橋輸出電壓與柱形容器內液重呈線性關系，因此可以測得容器內存儲液體的重量，得到測量液重的數學表達式： ghAAPUOSGgh SAGUOASUGO 理論依據 使用相同的電橋測量電路，將其置于液體以上的氣體環境中，用于與罐底相同的測量方法得出由氣壓引起的電壓輸出信號，通過二次差動以消除氣壓對測量結果的影響，完成輸入端的結構改進。 由氣壓引起的電橋輸出電壓： 真實的電橋差動輸出電壓： 得到液重的數學表達式： 氣APUOASUSPGO真氣氣差APSAGUUUOOOontent結構原理結構原理3 結構原理 結構原理 信號獲取單元功能在于獲取液壓和氣壓初始數據。由兩個具有應變電阻結構的雙臂電橋組成。 電

7、橋A置于罐底，將液壓信號轉變為電信號并將其輸出。應變電阻a置于液體物料，外側包裝感壓膜；應變電阻b置于電路內部；剩余兩個定值電阻置于電路內部。 電橋B置于液面上的氣體中，將氣壓信號轉變為電信號并將其輸出。應變電阻a置于氣體中，外側包裝感壓膜；應變電阻b置于電路內部；剩余兩個定值電阻置于電路內部。 兩個具備應變傳感作用的電橋器件的制作工藝和內部結構完全相同。ontent系統工作原理系統工作原理3 系統工作原理罐內液體重量測量系統主要分為信號輸入模塊、信號處理模塊和信號輸出模塊。各模塊工作過程分別為： 信號輸入模塊：采集液壓和氣壓信號，進行反相相去噪處理后，為信號處理單元提供可靠輸入； 信號處理模

8、塊：模擬-數字信號轉換，微處理器靠內置算法和程序完成液重計算和信號輸出； 信號輸出模塊：輸出并顯示液重值。ontent可行性分析可行性分析5 可行性分析 功能可行性分析： 本設計在基于傳統靜壓法測量罐內液體物料重量的基礎上，增加了氣壓測量模塊，加以分析、 計算、處理，消除了氣壓對測量液重的不確定影響。保留了原系統的框架結構，因此增加差 動處理的部分更有益于對實際量值的測量，仍具備液重測量的功能。 技術可行性分析 電橋電路是基于應變結構的電阻式傳感器，在建筑、醫療、航空、電力、機械等領域有著廣 泛而成熟的應用，因此作為設計主體部分的電橋傳感部分不存在技術難題。 經濟可行性分析 本設計在傳統測量方

9、案的基礎上重新設計和增加了電橋電路及外圍差動模塊，成本低廉，不 存在經濟問題。 外在屬性特征：便攜，時尚，可非接觸監測 結論：產品具有競爭力，可以進行市場推廣 可行性分析風險分析： 液壓強度： 由于電橋電路被裝備于罐底，需要承受一定的液體壓強。當罐內液體到達一定高度，底部傳感器存 在因壓強過大而損壞的風險； 差動連接電路 由于兩電橋電路被裝備于完全不同的測量環境，需要外圍電路將兩者連接才能實現后續的信號輸出。 因此在液體中或者懸置或者采用玻璃、塑料保護包裝措施的連接電路，都存在因被內部液體物料浸 入造成電路損壞的風險。 結論： 本設計具備一定的可行性，但對于部分液面極高的罐裝液體的重力測量，仍

10、存在一定的風險。ontent設計不足設計不足6 設計不足 非柱體儲存罐對測量的影響 由于應變電橋的傳遞系數是基于柱狀罐體容器的數據擬合而成，所以對于圓臺等非柱體儲存罐貯存 的液體物料，不具備測量意義 液體深度對測量的影響 由于電橋電路被裝備于罐底，需要承受一定的液體壓強。當罐內液體到達一定高度，底部傳感器存 在因壓強過大而損壞的風險； 差動電路連接對測量的影響 由于兩電橋電路被裝備于完全不同的測量環境，需要外圍電路將兩者連接才能實現后續的信號輸出。 因此在液體中或者懸置或者采用玻璃、塑料保護包裝措施的連接電路，都存在因被內部液體物料浸 入造成電路損壞的風險。 參考文獻1石書喜,王建華. 儲罐內液體的數量計量J. 計量技術,2000,08:29-31. 2章勁武. 裝有玻璃管液面計的臥罐內液體體積的計算方法J. 油田地面工程,1992,01:49-53+4.3喬學光,李