【正文】 Gas Journal, . 5759[16]:,致 謝本論文是在劉廣文教授的親切關(guān)懷和悉心指導下完成的。通過查閱大量資料，了解了國、內(nèi)外液位計量儀表的現(xiàn)狀。對于這些干擾信號所產(chǎn)生的影響，我們采用了求平均值的辦法來消除，即每測出5個數(shù)據(jù)后，取一次平均值，再將這個平均值顯示出來并進行存儲。硬件“看門狗”電路程序在運行過程中會因為受到干擾導致失控，引起程序亂飛，或程序陷入“死循環(huán)”，此時最直接的抗干擾方法是采用硬件“看門狗”電路。其主要特征是:指令碼或數(shù)據(jù)碼的個別位受到干擾而發(fā)生跳變，結(jié)果可能將數(shù)據(jù)碼當成指令碼，而把指令碼當成數(shù)據(jù)碼來執(zhí)行。圖55 通訊子程序流程圖為了便于數(shù)據(jù)的存儲和對油量的管理，需要超聲波油量測量儀與PC機進行通訊，將有關(guān)數(shù)據(jù)存入PC機中，操作人員可以通過這些數(shù)據(jù)清楚地了解當前的油量情況，以及最近一段時間的進、出油情況。功能模塊的流程圖如圖53所示。T1的作用就是測量從超聲波發(fā)射至接收到回波的時間。超聲波驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理模塊的流程圖如圖52所示。將DS18B20應用于溫度補償中，所測溫度在100℃以內(nèi)。對于數(shù)據(jù)的顯示，由于測量的距離從幾米到十幾米不等，因此只需要保留兩位小數(shù)就可以了，所以本油量測量儀只用了4位七段碼顯示器。LM311是一個通用型集成電壓比較器，它具有低的偏置電流和失調(diào)電流(典型值分別為100nA和6nA)，其響應速度為200ns。 圖41超聲波發(fā)射電路如圖42所示，超聲波接收器將接收到回波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號(正弦波)，經(jīng)過兩級放大以后，被送入電壓比較器進行比較，電壓比較器輸出的方波信號控制D觸發(fā)器的時鐘端，將D端口上預先設置好的低電平從Q端發(fā)送出，該低電平作為AT89C52外部中斷0的中斷信號使AT89C52產(chǎn)生中斷，在中斷服務程序中停止計數(shù)器T1的計時，并計算出有關(guān)數(shù)據(jù)。由于要測量的距離不固定，可能還是動態(tài)的，發(fā)出間歇式的脈沖串(每20個脈沖為一串)，等到接收到回波并計算出距離后再發(fā)下一串脈沖。它通過定時器T0發(fā)出40KHz的脈沖信號來驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射超聲波:通過定時器T1來測量超聲波的傳輸時間:測量出時間后根據(jù)要求計算出各種需要的數(shù)據(jù)。3．超聲波接收電路主要包括放大、電壓比較和中斷信號輸出等部分。如此反復，每測出五個距離就取一次平均值存儲并顯示。超聲波發(fā)射電路超聲波接受電路單片機系統(tǒng)8279接口電路鍵盤顯示溫度檢控與上位機通訊接口圖31超聲波油量測量儀的總體框架圖超聲波油量測量儀是由硬件和軟件兩部分組成。超聲波的方向性很強，擴散得很少，加上這部分信號多次反射，所以被接收器接收到的可能性很小，可以不作考慮。圖26波束垂直入射到液面的反射波和透射波t為正值，入射波和透射波相位相同，透射波具有入射波聲壓的200%。我們把單位時間內(nèi)，通過垂直于波的傳播方向上單位面積的能量稱為能流密度，能流密度的時間平均值，稱為波的強度，也叫聲強記作I。引起衰減的原因大致有三個:由聲束擴展引起的衰減由散射引起的衰減由介質(zhì)的吸收引起的衰減某一點(x處)瞬間所具有的壓強，與沒有聲波存在時該點的靜壓強之差，稱為該點的聲壓P。單片機定時器所計的時間，就是渡越時間，代入式(29)中，就可以算出油量。下面僅以標準的圓柱形油罐為例進行說明，其他形狀的油罐通過改變計算公式同樣可以進行油量測量。還有用磁致伸縮材料涂敷在物體表面上形成的結(jié)構(gòu)，適用于高頻，前者檢測感應電流；后者檢測置于靜磁場空腔諧振器內(nèi)，因超聲波導致的磁阻致伸縮效應引起的微波磁場。壓電型主要用石英晶體或氧化鋅材料。設換能器在空載(Z1=0)和有載(Z1=R1)時的Q值分別為，則有： (21) (22) = (23)=(+) (24) 超聲波換能器的工作效率為: (25)當交變電信號從引線加到超聲波發(fā)射器件中，由壓電陶瓷片和諧振片組成的振子會彎曲振動，驅(qū)動錐形輻射器發(fā)出超聲波，當空中傳來的超聲波被接收器件的錐形輻射器會聚后，驅(qū)動振子產(chǎn)生彎曲振動，從而在電極間輸出與此波動相對應的交變電信號，通過對此信號的處理，可實現(xiàn)各種檢測。目前使用較多的是電氣類中的壓電型超聲波發(fā)生器。在硬件電路的設計中，由于我們需要測的距離較長(幾米到十幾米)，針對超聲波在傳播時呈指數(shù)衰減的特性，我們采取了最大限度提高驅(qū)動能力、對回波進行多級放大等措施，擴大了測量的范圍。目前石化部門使用的大型儲罐大多是立式圓柱形罐或球形罐，其容量一般在1000—100000之間，很小的測量誤差會造成很大的絕對誤差。荷蘭Enraf公司的Radar872液位儀采用同步調(diào)頻脈沖技術(shù)精度達士2mm。(4)超聲波液位儀超聲波液位儀是非接觸液位儀中發(fā)展最快的一種。人工液位測量的精度一般為士2mm的人為誤差。編號 本科生畢業(yè)設計 超聲波油量測量儀的設計Design of Supersonic OilInstrumentation Quantity Instrument學 生 姓 名席天文專 業(yè)計算機科學與技術(shù)學 號0641216指 導 教 師劉廣文學 院信息工程分院20010 年 6 月摘 要本設計針對加油站儲油罐中油量的測量問題，深入討論了用超聲波作為信號源進行液位測量的可行性及優(yōu)越性，討論了產(chǎn)生誤差的各種原因，提出了相應的解決辦法。(2)機械鋼帶式液位儀鋼帶式液位儀采用一個又大又重的浮子，由一條多孔鋼帶將浮子連接至一個恒轉(zhuǎn)矩裝置或平衡錘。該技術(shù)基于超聲波在空氣中傳播遇到被測物體表面產(chǎn)生反射的原理。 國內(nèi)的立式油罐主要分布在煉油廠、化工廠和石油銷售公司三大系統(tǒng)。因此提高油的計量精度和自動化管理水平，其重要性是明顯的。在軟件設計中，我們采用模塊化程序設計思想，將軟件分為超聲波驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理模塊和功能模塊，每個模塊又由若干小模塊組成。壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是借助壓電晶體的諧振來工作的，即陶瓷的壓電效應。發(fā)射器的作用是形成與被檢測對象相作用的超聲波束，它的特性包括共振頻率、方向性、電聲變換效率、穩(wěn)定性等。電致伸縮型微音器的接收器用反壓電效應大的電介質(zhì)板或薄膜作為接收器。聲光效應構(gòu)成的超聲波傳感器有利用光纖的波導部分的形變敏感構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，也有利用對彈性體表面或內(nèi)部彈性波束的衍射晶格作用形成的結(jié)構(gòu)。我設計的超聲波油量儀的發(fā)射器和接收器是固定在一起的，安裝在罐中表井的蓋子上，也就是罐的頂部。由于超聲波是一種聲波，其聲速與溫度有關(guān)，μ≈+ t,t為攝氏溫度，在使用中，根據(jù)環(huán)境溫度的變化，要經(jīng)常進行標定，否則會產(chǎn)生比較大的誤差。我們把超聲波傳感器發(fā)出的超聲波近似看成是平面波，其聲壓不隨傳播距離變化，故忽略擴散衰減。 (212)為聲特性阻抗，記作。R=%。由以上分析可知，雖然超聲波在傳播過程中有能量損耗，且波束可以有多種路徑傳播，同時還存在著多種干擾信號，但就接收器接收到的信號強弱而言，只有從液面反射的信號最強。硬件主要包括AT89C52單片機最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、8279接口電路、鍵盤顯示電路和與上位機通信的接口電路等部分；軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化模塊、超聲波驅(qū)動及信號處理模塊、鍵盤及顯示模塊和通信模塊等，軟件采用模塊化設計思想，可使程序設計思路清晰，便于調(diào)試。停止測量后，可以通過通訊接口向上位機傳輸數(shù)據(jù)。它是用來對接收到的回波進行放大和整形，即將回波信號轉(zhuǎn)換成單片機的中斷信號。AT89C52是一種低功耗、高性能的含有8K字節(jié)快閃可編程/擦除只讀存儲器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲技術(shù)制造，并且與AT89C52指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。這樣發(fā)一次脈沖測量一次距離，然后每5個距離取一次平均值顯示并存儲。由此可見，接收電路完成了超聲波回波信號的轉(zhuǎn)換、信號的放大和整形以及產(chǎn)生中斷信號等功能?？捎脝坞娫垂╇?如十5V)，也可用雙電源供電(如士12V)。雖然8279芯片是專門用來管理鍵盤和顯示器的，但是它的驅(qū)動能力有限(尤其是在為顯示器提供驅(qū)動時)，所以還需要在它的輸出端加上驅(qū)動芯片，以提高它的圖43 8279接口電路原理圖驅(qū)動帶載能力，保證鍵盤和顯示器的正常工作。計算機的串行口通常采用一個25針或9針的D型連接器，在本設計中選用了9針的D型連接器，要進行通常的串行通信，只需其中的三根線就可以了，就是2(RXD),3(TXD),5(GND)三根線，分別是數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)輸出，地線。圖52 驅(qū)動模