（通信与信息系统专业论文）储油罐容积表自动标定系统的设计.pdf

摘要 摘要 油品的管理在油品的经营过程中占有很重要的地位，储油罐容积表的测量是油站中 油品管理的一种方法。储油罐容积表标定系统是应用采集得到储油罐的相关数据，经过 相关的计算来得到一份精确的储油罐容积表，应用这张精确的容积表来完成容积的标定 工作。目前我国常用的储油罐容积表的测量方法很多，但是一般都精确度比较差而且自 动化程度也比较低。我们希望能有一种标定方法，能够自动的采集需要的信息，得到精 确度高的容积表。 本文中，针对一股使用的储油罐容积表标定系统的缺陷，本着高精确度和自动化的 原则，设计了一种新的储油罐容积表自动标定系统。该系统应用了国外比较先进的磁致 伸缩液位计采集储油罐内的液位值信息，它的测量的原理和优良的特性，保证了容积表 的精确度。以单片机w 7 7 e 5 8 作为系统的核心，通过它控制各个不同的芯片来完成各自 的功能。上层软件应用了d e l p h i 语言来编写，保证了系统的可操作性。本系统所设计 的储油罐容积表自动标定系统拥有精确度高、抗干扰性强、不影响油站正常工作的优点 等。 关键词：信息采集；自动标定；串口通信；磁致伸缩液位计；单片机w 7 7 e 5 8 ； a b s t r a c t a b s t r a c t m a n a g i n g o i l o c c u p y s av e 哆 i i n p o r t a i l tp o s i t i o n i n c o n d u c t i n gp r o c e s so fo i l a u t o m a l i cg a u g i n gs y s t e mo no i l e a ns t r a p p i n gt a b l ei sam a n n e ri nm a n a g i n go i l g a u g i n g s y s t e m o no i l c a i ls t r a p p i n gt a b l ea p p l y sa 1 1e x a c ts 仃a p p i n gt a b l ew h i c hd e r i v e s 丘o m c o m p u t i n gr e l a t i v ed a t ab yc o l l e c t i n go i l c a n r e c e n t l y w eh a v em a i l ym a n n e r so ng a u g i n g s y s t e mo no i l c a ns t r a p p i n g 丘l b l ei no u rc o 眦l n y ，b u tt h e i rp r e c i s i o ni si m p r e c i s ea 1 1 dd e 伊e eo f a u t o m a t i o ni s1 0 w w eb e l i v et h a t 也e r ei sag a u g i n gm 锄e rw t l i c hc a na u t o m a t i c a l l yc o i i e c t n e e d e dm f o m a t i o i l ，a n dd e v e1 1 i 曲p r e c i s i o ns t r a p p i n gt a b l e i i l 也i ss t u d y ，i no r d e rt 0e l i m i n a t es h o n a g eo fg a u g i n gs y s t e mo no i l c a i ls t r a p p i n g ，w e h a v ed e s i g n e dan e wa u t o m a t i cg a u g i n gs y s t e mo no i l c a ns 仃a p p i n gt a b l ei na c c o e d a l l c e 嘶m h 远hp r e c i s i o na j l da u t o m a t i c a lp r i n c i p l e t h es y s t e mc a n 印p l ym a 印e t o s t r i c t i o nl i q u i d o m e t e r w l l i c hi sa na d v a n t a g el i q u i d o m e t e ro ff r e m d n e s st oc o l l e c tl i q u i dl e v e ld a t a t b em e a s u r e m e o 巧a 1 1 de x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i co fm a g n e t o s t r i c t i o nl i q u i d o m e t e ri n s u r ep r e c i s i o no fo i l c a i l s t r a p p i n gt a b l e t h ec o r eo f “ss y s t e mi sw 7 7 e 5 8m c u ，w h i c hc o n t r o l sd i 旋r e n tc h i p st 0 c o m p l i s he a c h 缸1 c t i o n w 色u s ed e l p h it oc o m p i l eu ps o r w a r ef o ri n s 血n ga p p l y i n go f s y s t e m i nt h i ss y s t e m ，a u t o m a t i cg a u g i n gs y s t e mo no i l c a l ls 仃a p p i n gt a b l eh a v eas e r i e so f m e r i t s u c h 舔1 1 i g hp r e c i s i o n ，s 仃o n gi n t e r f e r e n c ei m m u n i 够a 1 1 dm a k i n gs u r eo fn a t u r a l w o r l ( i n gi no i ls t a t i o n k e yw o r d s ： i 砌o m a t i o nc o l l e c t i o n ；a u t o m a t i cg a u g i n g ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ； m a g n e t o s m c t i o nl i q u i d o m e t e r ；m c uw 7 7 e 5 8 ； 河北大学 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了致谢。 作者签名：乌理聋乏一 日期：盟年上月上r 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年月同解密后适用本授权声明。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方格内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：超孟年五月上同 日期：逊年j l 月上同 保护知识产权声明 本人为申请河北大学学位所提交的题目为 c 恸渤镐鸪讷j 6 i 协、溯砑 的学位论文，是我个人在导师勰指导并与导师合作下取得的研究成果，研 究工作及取得的研究成果是在河北大学所提供的研究经费及导师的研究经费资 助下完成的。本人完全了解并严格遵守中华人民共和国为保护知识产权所制定的 各项法律、行政法规以及河北大学的相关规定。 本人声明如下：本论文的成果归河北大学所有，未经征得指导教师和河北大 学的书面同意和授权，本人保证不以任何形式公开和传播科研成果和科研工作内 容。如果违反本声明，本人愿意承担相应法律责任。 声明人：边日期：丝年月上r 作者签名：堑堑日期：丑年上月上同 导师签名：p 童暨己一 日期：越年生月l 同 第1 章概述 1 1 课题研究背景和意义 1 1 1 课题研究背景f 1 1 第1 章概述 油品的数量管理是油品经营部门所要做的基础性工作。面对当今国内国际的激烈竞 争环境，对油品的管理上不仅要重视数量的管理，而且要使数量的管理做到规范化、科 学化与精确化。 油品的数量管理在石油的经营过程中占有很重要的地位，通过对油品数量的管理， 可以对油品的质量进行有根掘的研究，也可以对油品的损耗原因进行分析，为搞好企业 的经济核算打下数字的基础。油品的数量管理工作在石油销售企业的经营过程中担负着 双重的任务。对外来说，要为石油用户负责，把好数量关，做到公平合理的交易；对企 业本身而言，又担负着反映油品在收、发、运输、存储中发生的数量变化的责任，使其 在进、销、存储过程中不致发生混乱。 近几年中国石化集团加强了油品的数量管理工作。数量管理正逐步向规范化、统一 化、标准化的方向迈进。但是，由于加油站数量迅猛增加，出现了一些不规范的形式。 数量管理越加强，暴露出的问题越多，矛盾越突出，给油品的数量管理带来了诸多不便。 要解决油品数量管理存在的问题，就必须要走数量管理规范化、科学化之路。为了 完善规范油品数量的管理，可以通过以下几点来实施： 1 、规范化管理。不再使用旧的手续，统一后的计量手续对各个环节进行了考虑， 表格中的项目设置合理、全面而又没有重复，使安排、检查工作变得极为方便。另外， 在系统内制定了有关数量管理的多项制度与办法，制定了分公司、油库、加油站计量考 核统一标准等。 2 、科学化管理。要搞好油品的数量管理，必须以坚实的计量技术作为基础。为了 达到满足要求，需要依靠先进的科学技术，做出合格的油罐、油罐车的容积表。 3 、利用网络技术实现管理。利用网络化管理和信息集成实现对油库、加油站油罐 河北人学j f ：学硕十学位论文 的运行管理，监测油罐的液位、压力、温度等运行参数。这样管理人员直接在室内即可 完成对罐区的监控管理，既减轻了计量人员的工作量，减少了人为因素的干扰，又可确 保下面的计量数据及时上传，实现对基层数量管理的实时监控。 本论文所研究的课题就是为了进一步加强科学化管理。加油站的高效率工作与油品 的数量管理是分不开的，要准确的测量油罐的容积，关键是获取油位和容积的精确对照 表。 1 1 2 国内外应用及发展现状 通过调查发现，现在对储油罐容积表标定通常采用的方法有三种【2 1 ： 方法一：由计量部门进行人工计量检定，主要设备为自动检定油品容积的设备和人 工检尺液位仪，这种方法技术难度低，无需专业的算法，校准精度取决于液位波动的程 度，并且无法解决温度变化带来的影响，误差较大，检定过程影响油站正常的营业，完 成工作周期约l 周站。 方法二：由第三方的专业服务公司提供，配合自动流量计、液位仪的半自动检定。 设备为自动流量计大流量加油机和人工检尺液位仪，技术难度中，需要一定的算法， 检测时间过快影响检测结果，检测结果不能平滑地移植到实际应用环境，无法加入温度 及环境影响因素，误差大，检定过程需加油站配合，影响油站正常的营业，完成工作周 期约卜一2 刃站。 方法三：动态的油罐容积表自动校准技术，设备为高端自动液仪校准算法程序，技 术难度高，需要专业的算法，具有液位仪与加油机加油数据对应的高度实时性，考虑到 温度及环境因素对加油机流量误差校准精度，高度与容积函数曲线一一对应，检定过程 无需人工干预，自动完成，油站正常营业，完成工作周期约3 6 0 天站，取决于油站的 业务量。 在储油罐容积的标定中，为了得到精确的容积表，主要是对储油罐中油品的液位、 体积等参数进行直接或间接的测定。目前，国外储油罐的液位计量方法很多，主要方法 有：人工检尺法、静压法、液位法。 1 、人工检尺法。大多数加油站在r 常管理工作中常用的一种方法。测量时，测量 员把量油尺投入油品中，并在尺砣与罐底接触时提起量油尺。根据量油尺上的油品痕迹， 2 第1 覃概述 读出油面高度；根据量油尺末端试水膏颜色的变化确定水垫层的高度 3 1 。 2 、液位法。液位法是通过测量罐内液体的高度及密度等参数，来获得罐内储液的 容量及重量。欧美油罐储量测量仪表不但品种齐全、方法多、技术先进而且性能优刚4 1 。 目前常用的测量仪器包括浮体式液位测量仪、伺服式液位测量仪、超声波液位测量仪表、 差压式液位测量仪表、雷达液位仪、磁致伸缩液位仪、激光液位仪、光纤液位测量仪表、 核辐射式液位测量仪表等。 3 、静压法。利用压力传感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。静压计量技术的关键技术是制造精度高、稳定性好的压力传感器。从七十年 代起，各发达国家开始致力于研究各种压力传感器，在传感器的制造工艺、电路补偿及 智能化方面作了大量工作。主要的生产厂商有美国霍尼维尔公司、美国罗斯蒙特公司、 德国恩德斯豪斯公司、英国德鲁克公司等1 4 】。 国外储油罐测量技术相对成熟，主要表现在设备生产产业化、自动化，生产与市场 紧密挂钩，能够依据市场需要实时更新技术。测量系统适应性强，受周围环境影响较小， 系统运行稳定可靠，测量结果精确度高。 我国早期对油品液位的测量主要采用机械原理的方法，近年来随着我国电子技术的 快速发展及电子技术应用的广泛性，对储油罐容积的测定也向自动化的方向发展，在传 统的方法中融入了电子技术，应用了计算机及网络，发展了很多新的测量技术。但是我 国在这方面的发展相对于国外还有很大的差距，国内的计量仪表主要采用引进加仿制的 手段。普遍存在产品性能指标低，仪表可靠性差，企业技术力量技装备差的特点1 5 】。在 储油罐容积表的标定方面，采用的方法受人为因素干扰较强，容积表精确度较低。 1 1 3 本课题研究的意义 改革丌放以来，随着社会主义市场经济体制的初步形成以及中国经济的快速稳步发 展以及政府的支持，市场化进程的加快，使得长期压抑的经济能量得到释放，人民的生 产积极性显著提高，各行各业发展迅猛，其中商品市场成为了我国市场体系和经济运行 的基础环节，对国民经济的贡献率同益增大。在过去的十年问，商品市场实现的销售额 平均增长远高于同期g d p 的增速。而成品油作为经济发展和人民生活必不可缺的资源， 在国内经济增长的拉动下，需求也实现了快速发展，大大小小遍布各地的加油站已初具 1 河北人学j i j 学硕十学何论文 规模并及时满足了市场需求。由于加油站的遍地开花的现状，对加油站的管理势在必行。 据调查，中石化石家庄分公司市内大约三分之一的油罐是人工油尺测量，而市外的 油罐绝大部分是人工油尺测量。人工油尺的测量方法不仅要求很多的劳动力资源，而且 由于人为因素的干扰，会使得测量的结果误差较大，在测量的过程中会影响加油站的正 常营业，造成不必要的经济损失。显而易见，动态容积表校准技术是解决容积表不准问 题的一个好办法，所以开发一套实用、经济、动化程度高的“储油罐容积表自动标定系 统”是具有一定的市场前景的。 通过对中石化石家庄分公司现在使用的测量设备的测试和比对，总结出以下缺点： t 、测量准确度不高。 2 、 抗干扰能力差，因电磁干扰使得部分站无法测量。 3 、 耗时长，需在油罐电力齐备的情况下方可测量。 4 、 中间数据受浮子不正常运动影响较大。 5 、底部修整不准确给总容积带来误差。 针对上述这些情况，我们在克服以上缺点的情况下提出了一套储油罐容表标定的新 方法。 本课题具有一定的实际应用价值。 1 2 课题研究的主要内容和论文结构 1 2 1 课题研究的主要内容 本课题应用精确度较高的磁致伸缩液位仪为液位采集的传感器，通过设计以 w 7 7 e 5 8 单片机为核心的无纸记录仪模块，自动的以一个标准单位来采集储油罐油品液 位数据信息和其对应的出油量数据信息，最后通过上层软件生成信息数据库，可以通过 程序打印成表，用于储油罐容积的标定。 1 2 2 论文结构 本论文通过七章来介绍储油罐容积表自动标定系统的设计。 第一章概述从整体上介绍了当前国内外储油罐容积标定的情况，说明了容积标定在 4 第1 章概述 加油站经营过程中的重要性，并分析了当前使用的容积标定的方法，找出它们存在的不 足。 第二章液位传感器介绍了液位传感器的功能，并通过对当前几种常用液位传感器的 比较，选出了适合我们系统使用的液位传感器即磁致伸缩液位传感器，并对磁致伸缩原 理及磁致伸缩液位传感器的原理进行了介绍。 第三章储油罐容积表自动标定系统总体概述对本系统进行了大概的描述，介绍了开 发本系统所作的前期准备工作。 第四章储油罐容积表自动标定系统的硬件电路设计对该系统的硬件电路设计进行 了详细的介绍，包括我们所使用的各个元件也进行了详细的介绍。 第五章储油罐容积表自动标定系统的系统固件设计对硬件电路的固件编程进行了 详细的介绍。 第六章储油罐容积表自动标定系统的上层软件设计对该系统的上层软件的功能和 各个窗口界面进行了详细的介绍。 第七章总结与展望总结了储油罐容积表自动标定系统的特点，并对未来可以对它进 行改进和发展进行了展望。 河北火学1 j 学硕十学何论文 2 1 传感器简介及发展 第2 章液位传感器 传感器是一种以一定的精确度，把被测量转换成与之有确定对应关系的，并能够按 照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成【6 】。生 产过程中有各种各样的参数需要进行检测和控制，如常用的力、压力、温度、流量、物 位与振动等非电量。传感器是检测和控制系统中的关键部分【7 】。 信息技术对社会发展、科学进步起到了决定性的作用。信息采集离不丌传感器技术。 传感器是感知、获取与检测的最前端。科学研究中所要获取的信息，都是通过传感器获 取并转换的。随着测量、控制和自动化技术的发展，传感器越来越受到人们的重视，传 感器在各个领域的作用也日益显著。在工业生产自动化、能源交通、灾难预警、安全防 护、环境保护、医疗卫生等方面开发的传感器，不仅能代替人的感官功能，并且在检测 人感官所不能感受的参数方面创造了十分有利的条件。当前，传感器技术的主要发展动 向，一是传感器本身的基础研究，即研究新的传感器材料和工艺，发现新现象；二是跟 微处理器组合在一起的传感器系统的研究，即研究如何将检测功能与信号处理技术相结 合，向传感器的智能化、集成化发展【s 捌。 2 2 油品液位传感器介绍 在对油品的测量中，我们想要得到的油品参数主要包括：油品液位( 油高) 、油品 温度、油品体积、油品质量等。因为油品测量的特殊性质，为了适应油品测量的要求， 储油罐自动计量传感器应该具有以下特性【1 0 】： ( 1 ) 高精度和高可靠性。无论液位、界位、温度、密度，还是质量的计量都要达 到非常高的精度 ( 2 ) 高防爆特性 ( 3 ) 工作温度范围宽：能达到4 0 1 2 5 ( 4 ) 尺寸小、重量轻、容易安装 ( 5 ) 环境适应性强。对于粘稠、浑浊、高压、易挥发、强腐蚀性油品，都能很好 6 第2 章液位传感器 的使用，检测信号不受被测油品所处环境的干扰 ( 6 ) 在线测量并具有数字远传接口 由于储油罐参数测量的特殊性和重要性，我国现在也广泛采用了多种类型的自动采 集液位计。常用的有以下几种类型： ( 1 ) 浮子式钢带液位传感器。它的工作过程是：浮子受浮力的作用浮在液体表面上， 液位值通过测量钢带和减速齿轮传送到指示仪表上。由于钢带的另一端受到浮子重力的 作用，加上浮力和盘簧的拉力，使钢带保持恒定受力状态。液位上升或下降时，相互的 力发生变化，使原来的力平衡受到破坏，就会在盘簧力的作用下立即进行调节，使浮子 随液位变化，同时液位的变化通过钢带传给指示仪表，完成液位的测量。其优点是观测 直观、价格便宜、防爆特性好；缺点是测量精度低、测量参数单一，无法测量界位、 密度、质量等参数，且传动部件多、可靠性差、维护量大、安装复杂。i l l 】 ( 2 ) 电容式液位传感器。利用空气和液体作电容两极板间的电介质，用电子学方法测 量电容值，从而探知液位高度。其优点是结构简单、价格便宜，可进行连续测量。缺点 是要求液体具有相同的、稳定的介电常数，需要温度补偿，测量精度较低。长期稳定性 差防爆特性差，测量参数单一，对界位、密度、质量等参数无法测量，在油罐计量中较 少使用。1 1 2 】 ( 3 ) 超声波液位传感器。在超声波检测技术中，主要是利用超声波反射、折射、衰减 等一些物理性质来实现检测的目的。超声波液位计的工作过程是，由超声波换能器发射 超声波脉冲，在空气中传播，到达被测液面时，被介质表面反射，反射波再通过介质返 回到接收换能器，换能器把声信号转换成电信号。由仪表测量该超声波脉冲的往返时间， 可得到换能器辐射面到被测液面的距离，再根据换能器安装高度，就能得出液位高度。 计算过程如公式( 2 1 ) 的计算： ， h = 只一日= v 去 ( 2 1 ) 么 式中：h 。为探头到罐底的距离；h 为探头到液位的距离；v 为超声波的传递速度；t 为 从发射到接收的时间；h 为液面的高度。超声波液位传感器的优点是：因为属于非接触 式测量仪表，不接触被测介质，无可动部件，工作可靠，故障率低，使用范围广，尤其 适合高粘度、高腐蚀性介质的测量；测量精度较高；防爆性好，安装维护方便，可进 河北大学j f ：学硕十学何论文 行连续测量。但是也存在一些缺点：测量精度受温度的影响极大，修正复杂：测量参数 单一，对界位、密度、质量等参数无法测量；使用范围有限制，高温、高压等密闭容器 无法使用。1 1 3 l ( 4 ) 雷达式液位传感器。天线和天线单元，设在稳定管顶端或罐顶人孔盖上，构成了 雷达液位计的测量部件。该测量部件进行雷达波的发射和接收，天线向罐内发射的雷达波 会在液体表面发生反射，射信号被天线接收，通过测量发射波和反射波的频率差计算出雷 达波传输的距离，即表头计量点与罐内液面间的垂直空间高度，最后再通过程序，利用外 部输入的表头计量点与罐底计量零点间的参照高度，计算出罐内液位高度f 1 4 】。它的特点 是：无论是固体、液体、粉尘性、浆状介质，还是毒性、腐蚀性介质，它都可以进行测 量；精度和稳定性都较高，介质的介电常数改变或偏离对物位测量没有影响。但是，测量 参数比较单一，对界位、密度、质量等参数无法测量【1 5 】。 ( 5 ) 伺服式液位传感器。它的工作原理是：伺服电机驱动量鼓，带动感盘升降，感盘 可感知，到达罐顶、罐顶平衡、悬空、触及液面、液面平衡、浸入液面下等几种状态， 并可通过状态检测电路将状态信息传给单片机，通过精密定位系统计算出液位、界位、 比重等参数。液位的理论测量精度可达到士0 1 m m ，但实际上由于机械系统的摩擦力等， 测量精度会受影响而降低i l 们。它的特点是：测量精度很高；因为几乎没有传动部件，可 靠性也较高；可实现液位、界位、介质密度、质量等多参数测量；在线实时测量时，对 液位变化的反应较慢；油品适应性较强，但不能用于测量沥青以及腐蚀性介质；价格昂 贵，安装维护复杂【j 0 】。 ( 6 ) 静压式液位传感器。静压法是利用液体静压的原理来测量罐内油品的物理参数。 它的原理是：罐内的液体对安装在罐底部的压力传感器产生一个静压力只，这个压强乘 以油罐平均有效截面积s ，即得罐内液体的质量m ，如公式( 2 2 ) 所示。近一步可以计 算出液位的高度h ，如公式( 2 3 ) 所示。 液体的质量m ： 液位的高度h ： 由此可以看出， 只s m = l 一 ( 2 2 ) g p h = l( 2 3 ) p g 使用静压法的计量系统可以直接测量罐内液体的重量。在此测量的过程 8 第2 章液何传感器 中，罐内的液体重量只与压力传感器所受的压力有关，与其他密度、温度等参数无关。 静压法是测量罐内液体质量的最好方法。由p l 和p 之间的压力差，可计算出油品在储 存温度t 时的密度。即通过下部压力传感器测量出罐内底部的压力p l ，通过中部压力 传感器测量出罐内液体在中部的压力p ，也可计算出罐内的液体密度p 。【1 刀静压式液 位传感器的特点：质量、密度测量精度很高，但液位测量精度一般。无可动部件，可靠 性高；可在线测量，油品适应性较强；当罐内液位较低时，密度测量会出现较大误差； 罐内油品因为温度分层导致的密度分层，也会产生较大的测量误差；安装和维护比较复 杂。【1 8 】 ( 7 ) 磁致伸缩液位传感器。磁致伸缩液位传感器的工作原理是：由脉冲发生器产生电 流脉冲，经电子部件加以变换，转换成沿波导线传播的波导脉冲即起始脉冲。其产生的 磁场与浮球内的磁场形成螺旋磁场，产生瞬间扭力，使波导线扭动并产生应力脉冲。这 个脉冲以固定的速度沿波导线传回，在电子部件的感应线圈两端产生感应电流即终止脉 冲。通过测量起始脉冲和终止脉冲之间的时间周期，乘以固定的速度，即可精确的测量 油品的液位【m 。 磁致伸缩液位传感器有很多优点，主要表现在：【2 0 j ( 1 ) 精度高。由于磁致伸缩液位传感器是通过测量发射脉冲和返回脉冲的时间差来确 定被测量位移量的，因此测量精度极高。 ( 2 ) 可靠性高。磁致伸缩液位传感器的整个变送器密封在整个不锈钢管内，传感器元 件和被测量介质不接触，虽然测量过程是不断重复的，也不会对传感器造成任何磨损， 因此它的工作可靠性高，适用各种恶劣的环境。 ( 3 ) 安全性高。磁致伸缩液位传感器的防爆性好，能够工作在易燃、易爆、高温、高 压等危险场所。而且测量时无需人工丌启罐盖，有效避免了人工测量带来的不安全隐患。 ( 4 ) 安装、维护方便。磁致伸缩液位传感器安装简便，而且无需定期维护或重新标定。 ( 5 ) 便于自动化管理。磁致伸缩液位传感器产生的输出信号可直接连接计算机管理系 统，便于微机对信号的处理。 通过对液位传感器的介绍，我们能够发现现在使用的液位传感器多种多样，它们 采用的测量原理也不同，但是没有一种液位传感器是完美的，它们或多或少的都存在一 9 河北大学丁学硕十学位论文 些缺陷。为了选择合适的液位传感器我们从测量参数的特性对各种液位传感器的功能进 行比较。比较结果如表2 1 【2 1 2 2 1 所示。 表2 1 各种液位传感器的测量参数特性 、q 0 量参数液 界温密体质 压 传感器类垂位位度度积量力 浮子钢带液位传感器 ynnnnnn 电容式液位传感器 ynnnnnn 超声波液位传感器 ynnnnnn 雷达式液位传感器 ynnnnnn 伺服式液位传感器 y ynynyn 静压式液位传感器 ynnynyy 磁致伸缩液位传感器 yyynynn 注y ：可以测量n ：无法测量 从液位传感器的介质适应性角度看，各种传感器的性能比较如表2 2 【1 0 】所示 表2 2 各种液位传感器对介质的适应性能比较 意淡 轻沥原重 液化 腐蚀 传感器类型、 油青油油气性物 浮子钢带液位传感器ynyynn 电容式液位传感器 nyynnn 超声波液位传感器oyyyn y 雷达式液位传感器yy yyyy 伺服式液位传感器 ynyoyn 静压式液位传感器 yy ynny 磁致伸缩液位传感器yo yyyy 注y ：好o ：一般n ：差 对各种液位传感器的综合性能进行比较，结果如表2 3 【10 1 所示 表2 3 各种液位传感器的综合性能比较 溢 精 价防爆可靠抗电磁温度适安装温度 度格性性能力应性维护补偿 浮子钢带液位传感器低低好差弱差 难无 电容式液位传感器 较低低差差弱好易有 超声波液位传感器一般 低好同 弱 好易无 雷达式液位传感器一般低好 古 若好 易无 同 古 好 。芭r 弱好 难 无 伺服式液位传感器 同 同 同 静压式液位传感器一般 古 好问强差难有 同 磁致伸缩液位传感器同低 好 古 强好 易 无同 l o 第2 章液位传感器 综上可见，磁致伸缩液位传感器在大部分方面表现都很突出，它最大的特点就是测 量精度高，价格低，安装维护简单。由于采用拉波导管来传播介质脉冲，故介质的雾化 和蒸汽，介质表面的泡沫等都不会对测量精度造成重大的影响。结合储油罐容积表标定 的测量要求、特点和环境，认为磁致伸缩液位传感器是目前最理想的接触型大罐液位测 量装置之一【3 1 ，所以在储油罐容积表的标定中，我们选用磁致伸缩液位传感器作为我们 采集液位信息的传感器。 2 3 磁致伸缩原理的简介口3 琊】 2 3 1 磁致伸缩的定义 铁磁材料由于磁化状态的改变，其长度和体积都会发生微小的变化，这种现象叫磁 致伸缩。现在存在两种状态的磁致伸缩，一种叫体磁致伸缩，它是在恒定外应力下，原 子磁矩有序排列的程度发生变化时，体积的相对变化。另一种磁致伸缩叫线磁致伸缩， 它是在恒定外应力下，在技术磁化过程中，由于磁畴重新排列或磁转而发生的铁磁体各 方向线度的相对变化。由于体积磁致伸缩比线形磁致伸缩微弱的多，我们只讨论线形磁 致伸缩。 当样品从磁中性状态出发沿某一个方向磁化时，测量同一方向上的长度，会发现当 磁化强度从零开始增至饱和的过程中，样品长度的相对变化也从小到大，最后达到饱和 值，我们把饱和时的磁致伸缩也叫做饱和磁伸。此时的磁致伸缩为一个确定的值，用丸 表示，称为磁性材料的饱和磁致伸缩系数。实验表明：不同材料的磁致伸缩系数九。是不 同的，a 。对于不同的磁性材料，不仅数量大小不同而且还有正负的差异。当磁场增大时， 材料沿磁场方向上的长度变化是伸长的，称为正磁致伸缩，此时九 o 。当磁场增大时， 材料沿磁场方向上的长度变化是缩短的，称为负磁致伸缩，此时a 。 0 。图2 1 所示是 铁、镍的磁致伸缩旯与磁场强度h 的关系。 河北火学丁学硕十学位论文 1 0 一3 d 2 0 l o 0 习1 0 2 d 一3 0 r 。 。 一。7 图2 1 铁、镍的磁致伸缩允与磁场强度h 的关系 2 3 2 磁致伸缩的计算 材料在磁化过程中，磁畴转动并且还伴随着自发形变轴的转动。磁畴变化示意图如 图2 2 所示。 一多 二三 且，旦 ，_ ( a ) 日= o m i ，= 0( b ) 日0 0 图2 2 磁畴变化示意图 假设处于磁中性状态的样品是一个半径为的球体，它沿z 方向饱和磁化后，在z 轴这个方向的半径伸长了巧，球变成了旋转椭球体，磁中性状态的球形在磁化后的状态 如图2 3 所示。 1 2 第2 章液传传感器 一 八一厂 弋 n 少口； 夕 幽2 - 3 磁中住状态的球彤在| 眩l 化厉成为旋转椭球 因为体积变化极小，我们假设磁化不引起体积的变化。当口 压磊忑赢5 5c ta a i 嵌置敞倥上限 开始采集工作li 设置液位下限 上传数据 清除液位上下限 清空存储器 yh 图5 2 无纸记录仪：i ：作状态设置部分同f ，i ：设计流程图 从以上流程图可以看出，每个命令对应着个操作，我们通过这个菜单的设置来选 择需要进入的操作，每个操作对应不同的功能。 1 设置液位上、下限命令。液位上、下限值是通过计算机上层软件输入的，在程 3 8 受燮一蒜基基 第5 章储油罐容积表自动标定系统的系统同什设计 序设计中对输入的上、下限值有一个限制，就是输入的上限值不能小于输入的下限制， 否则提示出错。满足条件的上下限值，要存入a t 2 4 c 0 4 存储器，以便开机上电后能够 显示原来设置的液位上下限数据，保证不丢失。 2 上传数据命令。在存储器中存储的数据会通过串口l 传送给计算机上层软 件的数据库。为了保证传输数据的正确率，我们使用到了c r c 校验来检测传送数据的 正确性。对要传送的数据计算出c r c 校验码，c r c 校验码与存储的数据同时传送给上 位机，上位机接收到数据后，对接收的数据用相同的规则也计算出c r c 校验码，比较 接收到的c r c 校验码的值和计算得到的c r c 校验码值，若相同则说明传输的数据j 下确， 否则说明传输的数据存在错误，发出重传命令。 3 清除液位上、下限命令。通过计算机上层软件设置液位上、下限的值均为零。 液位上、下限清零的目的是便于下次重新设置液位的上、下限值。 4 返回命令。当重新选择系统是进入工作状态设置菜单还是进入工作时，需要返 回命令返回入口处重新选择。选择该命令的作用是使程序进入判断命令入口重新选择。 5 清空存储器命令。当一次储油罐的数据采集结束后，存储器存储的数据已上传 给上层数据库。为了下一次存储，要将存储器中没有用的内容清空，这条命令就起到了 清空存储器的作用，在这里使用的是存储器s s t 2 9 e e 0 2 0 的芯片擦除命令完成的。 命令被选择后，相应的命令名称，工作过程中设置的液位上下限值以及采集过程中 采集到的液位高度值和它对应的加油机接口的累计脉冲值都要求在液晶屏上显示。需要 对液晶控制器编程来显示我们需要的这些信息。液晶显示操作的流程图如图5 3 所示。 圈5 3 液品操作显示流程图 3 9 河北人学t 学硕十学位论文 5 4 无纸记录仪存储控制台采集数据部分固件设计 无纸记录仪选择进入工作菜单后，无纸记录仪就进入了采集数据的工作状态。第 一步就是要从t l s 5 0 控制台获得采集的液位数据。此处使用的是单片机w 7 7 e 5 8 的串 口0 。当控制台通过串口接收到单片机发出的控制台的固定命令时，开始采集并回传参 数，液位下降l m m ，采集一次。这里使用的控制台固定命令就是控制台的功能代码2 0 l ， 该命令指示t l s 5 0 控制台送出选择的油罐内的储油量报告信息。 它的命令代码为：( s o h ) 1 2 0 1 t t ，其中： ( s o h ) = 控制字符( a s c i i 码中用0 1 表示) i = 查询命令 2 0 1 = 功能代码2 0 l r r - 油罐标识符( o o 指明所有油罐，0 1 0 6 指明单个油罐) 当一个储油罐工作时，把液位计接在控制台o l 号位上，向控制台发送的序列命令 为( s o h ) 1 2 0 1 0 1 。用1 6 进制代码传送，要送给控制台的命令应为0 l h 、4 9 h 、3 2 h 、 3 0 h 、3 1 h 、3 0 h 、3 1h 【3 7 1 。当控制台接收到此命令代码后，会把采集到的油罐信息传送 回给单片机，接收到的数据可以转换为1 6 进制表示，我们可以通过数字、字母之间固 定的关系，提取出需要的油位高度值信息，并对它们进行处理。 1 判断液位计工作状态 首先要测试液位计是否正常工作，通过传送命令代码，观察控制台是否有数据传回 来判断液位计是否在正常工作。控制台有信息传回，表明此时控制台工作正常；控制台 没有传回信息，说明控制台工作不正常。液位计工作状态判断流程图如图5 4 所示。 图5 _ 4 液侮计ji ：作状态流样图 4 0 第5 章储油罐容积表自动标定系统的系统l 司f ，i ：设计 2 采集液位计测量信息 ： 确认液位计正常工作后，就可以采集储油罐的液位信息了。需要采集的液位值的上、 下限在工作状态设置菜单已经设定好，对于采集到的液位高度的信息，需要存储的只是 在设定范围内的液位高度值，所以需要通过判断提取出满足范围的液位信息值的大小j 只有在设定的液位上限值和液位下限值之间的值才进行存储。当采集到的液位值低子设 置的下限液位值时，采集工作完毕。液位计测量信息采集的流程图如图5 5 所示。 图5 - 5 采集液位计测量信息流程图 3 加油机接口输出累计脉冲计数 在记录储油罐液位高度信息的同时，还需要记录的一个值，它就是与每一点液位信 息值相对应的，表示出油量的加油机接口累计脉冲值。我们利用单片机的定时器o 外部 输入端与加油机的脉冲编码器相连，当加油机出油时，带动脉冲编码器产生脉冲，当有 一个脉冲进入时，t o 内部寄存器就会自动加1 。通过对一个储油罐储油量的计算，估计 它所形成的脉冲的累计值，仅t 0 的t l 0 ( 低8 位) 和t h o ( 高8 位) 的寄存器是不能 够满足计数要求的，所以我们自己定义了一个寄存器t o o o ，t 0 0 0 作为计数器的最高8 位，t h 0 作为次高8 位，t l o 作为低8 位。这样就拥有了2 4 位来存储计数值，能够满 足使用的要求。计数器的工作过程是这样的：当t 0 中的t l 0 和t h 0 的1 6 位计数满后 产生溢出，硬件自动产生一个中断请求，我们设置中断函数为t 0 0 0 + 1 。每次要求取计 数器中的值时，按高低位计算t o o o 与t 0 中的值，得到最终计数器的值。 计算脉冲值的函数： 河北大学：r 学硕十学位论文 v o i ds h o w p u l s e ( v o i d )。 u i l s i g n e dl o n gp u l s e ； 吼s i g i l e di n t 咖a i l ，啪a i 2 ，m a i 3 ； 咖a i l ：t l o ；低8 位 衄a i 2 = t h o ：次8 位 珊a i 3 = t 0 0 0 ：高8 位 p u l s e _ ( ( u n s i g l l e dl o n g ) 册a i 3 l6 ) + ( ( u i l s i g n e di n t ) 册a i 2 8 ) + 订n a i l ； p u l s e 中存的值为我们最终计算的脉冲值 ) 加油机的脉冲编码器输出脉冲的计数流程图如5 6 所示： 图5 - 6 脉冲编码器输出脉冲的计数流程图 4 储油罐液位高度值信息及对应累计脉冲值的存储 储油罐的液位高度信息以及它所对应的累计脉冲计数值都是储油罐容积表自动标 定系统中需要的重要信息，所以对获得的信息要存储待用。为了方便以后对应的液位信 息和累计脉冲信息的提取，我们在存储的时候选择使用测量得到的液位高度值作为存储 的地址，在地址对应的单元存入累计脉冲值。具体的做法是：把一个液位高度值对应成 四个地址，四个地址中对应的一个地址保留，先存储0 值，作为以后扩充时使用。其他 三个分别按顺序存入与这个液位高度值对应的在寄存器t l 0 、t h o 、t o o o 中的累计脉冲 值。比如：当前得到的液位高度为n e w l e v e r ，则在存储器的n e w l e v e r 4 + 3 地址存入0 ， 4 2 第5 章储油罐容积表自动标定系统的系统同f ，l ：没计 n e w l e v e r 幸4 + 2 地址存入寄存器t l o 中的值，n e w l e v e r 术4 + l 地址存入寄存器t h o 中的值， n e w l e v e r 宰4 地址存入寄存器t 0 0 0 中的值。 对于存储器需要注意的是：s s t 2 9 e e 0 2 0 存储器在写入页的时候，要连续写入一页 的值，也就是要连续写入1 2 8 字节，但是我们的数据采集工作不是连续的，是依据加油 站的工作量来决定的，所以我们要设定一个1 2 8 字节的存储单元f 1 2 l s h n u m 【1 2 8 】作为中 间存储站，当1 2 8 字节写满后，再调用存储器写命令函数依次把值写入存储器相应的页。 另外，由于我们是使用液位的高度作为存储器的地址，写入的地址不一定是一页的起始 地址，所以我们还需要计算一下当前地址在这一页的位置，其它的单元补0 。数据存储 流程图如图5 7 所示 1 进入| = (n ：兰在 十算当前地址在3 2 段中的位置 t o o o 中的值存入卜 一n f la s h n u m c 丰4 l i o 中的值存入 la s h n u m c 术4 + 1 t l o 中的值存入 f 1a g h n u m c 丰4 + 2 _ 曼三三兰! 多 之 !i!：一 清f l a 8 h n u m n 2 8 数组，使c = o 调用存储器写 信息命令函数 呈墨戛金m 。c 术4 + 3 jl 蒋蒸篓器錾赍露地f l a s h n u m c 术4 + 3 】i 存储器的整页始地 到i 磊器茬裟驽叉茗蒜 图5 7 数据存储流程圈 河北大学j i ：学硕十学位论文 第6 章储油罐容积表自动标定系统上层软件设计 6 1 开发工具和开发环境的选择 考虑到用户使用的方便性和系统的完善性，我们需要开发上层软件。开发上层软件 的第一步就是要完成开发环境和开发工具的选择。 开发环境的选择是非常重要的，好的系统开发环境可以提高软件开发的效率，又可 以为以后系统的扩展和升级提供便利。微软公司的操作系统w i n d o w s ，使用友好的窗 口用户界面，可操作性强，使用简单方便，所以本系统的上层软件的开发选择w i n d o w s 操作平台作为开发环境。 上层软件编写比较流行的几种开发工具语言有：d e l p h i 、s u a lb a s i c 、s u 引c + + 、 j a v a 、c + + b u i l d e r 、p o w e r b u i l d e r 等。通过比较发现，d e l p l l i 语言自推出以来，经过b o r l a n d 公司的不断完善，第三方资源的大量加入，已经成为功能强大、使用人数众多、当今主 流的面向对象的可视化软件开发工具。d e l p l l i 兼顾了目前流行的其他软件开发工具的优 点，学习容易，功能强大，使用了m i c r o s o rw i n d o w s 图形用户界面的许多先进特性和 设计思想，采用了弹性可重复利用的完整的面向对象的程序语言，尤其在数据库编程和 网络编程方面更具独到之处，是其他软件所无法比拟的。考虑到系统的开发周期和系统 上层软件要实现的功能，在本系统中我们选择使用d e l p k 语言作为上层软件的丌发工 具。 6 2 上层软件的总体设计 在本系统中，上层软件主要完成操作界面、与无纸记录仪通信程序、容积对照表生 成程序、打印程序、帮助程序等功能。 操作界面是一个可视化的界面，方便用户进行