（机械工程专业论文）铁道罐车测量显示系统设计.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 随着社会的发展，铁道罐车的在化工领域内的使用越来越普遍，化工介 质的理化性通常表现为易燃、易爆、腐蚀、剧毒。这些介质一旦泄漏，若不 及早发现，及时处理，将造成巨大的损失。目前，由于铁道罐车尚不具各自 动监测系统，若出现泄漏事故，很难及时发现。泄漏的易燃易爆介质遇到明 火、剧毒腐蚀性介质在空气中弥漫。这些情况的发生，所造成的损失难以估 计。， 本文融合干簧管式磁力液位计、集成温度变送器、压阻式变送器、p i c 单片机、l e d 数字显示和防爆技术，设计并实现了一套可测量显示本车液位、 温度、压力、体积、吨位及远传的系统。以各变送器为实体，以p i c 单片机 桥梁，通过数字处理，用l e d 数字显示，形成一个有机的整体。p i c 单片 机是整个系统信息存储与处理的中心，它将传感器传来的信息进行变换处 理，并利用接口与l e d 相连；使押运人员或现场操作者能够随时观测罐内 介质的工况。 当用户想查看罐内介质的当前的参数时，首先打开押运间内的电源，电 源供电，使各传感器工作，将液位、温度、压力信号传输到仪表箱中。送来 的信号经放大、a ，d 转换、进入c p u 处理单元，再根据仪表内设置的零点 和量程等参数运算，计算出当前测量值，送至译码器，经驱动电路，点亮数 码管。需观察此时的液体吨位，按“液位吨位( 或容积) ”键，c p u 处理单 元接受到转换命令，查询存在c p u 内的液位容积表和密度表，将容积与密 度相乘的重量值送至译码器，经驱动电路，把液位显示窗的数字变换为介质 的吨位数。也可以直接打开罐顶人孔盖处的电源开关，直接进行现场显示。 本论文设计的测量显示系统可随时为押运人员和加排的操作者提供罐 内介质的状况，提前预防事故的发生，减少泄漏事故的进一步的危害，做到 早发现，早预防，早解决的功效。大大减少了行车事故的发生，确保整个运 输过程中安全性和和及时性，并可满足用户执行单车、多车任务的实时监测。 也可以在加排过程中随时掌握罐内介质的实时工况。 关键词铁道罐车；传感器；测量；显示；p i c 单片机 西南交通大学硕士学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t f o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，r a j lt a n kc a ri s m o r ea n dm o r e谢d e l yu s e di n c h e m i c 酊 i n d u s t r v c h e m i c a lm e d i u mi s u s u a l l ye x p l o s i v e ，f 1 眦m a b l e ， c o r r o s i v ea n dp o i s o n o u s o n c em e ya r el e 反k i n gw j t h o u t n o t i c e ，也e r ew i l lb eg r e a td i s a s t e r i np r e s e n t ，s i n c et h e r e i sn oa u t o m a t i cm o n i t o d n gs y s t e mo nr a j lt a n kc a r ，i ti s h a r dt od i s c o v e r t h el e d ke v e ni th a p p e n s i ti sd i m c u l tt o e s t i m a t em e1 0 s sr e s u l t sf r o mm ee x p l o s i v e ，n 眦m a b l e ， p o i s o n o u sa n dc o r r o s i v em e d i u ml e a k e d c o m b i n i n gt h et e c h n i q u e so fr e e ds w i t c hm a 霉m e t i c g a u g e ，i n t e g r a t e dt e m p e r a t u r et r a n s m i t t e r ，p i cs c m ，l e d d i g i t a ld i s p l a ya n dn a m e p r o o ct h ea u t h o rd e s i g n sa n d r e a l i z e sas y s t e mw h i c hc a nm e a s u r e s h o wt h e1 i q u i d l e v e l ，t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r e ，v 0 1 u m e ，1 0 a da n dt r a n s f e r m ed a t am e t e r a g e d i ti sa ni n t e g r a t e dp a r tt h a tc o n s i s t so f s o l i db o d y ( r e e ds 埘t c hm a g n e t i cg a u g e ，i n t e g r a t e dt e m p e r a t u r e t r a n s m i t t e r ， p i e z o v e s i s t i v et r a n s m 证e r ) ， p i c s c m ， d a t a p r o c e s s i n gs y s t e m a n d d i g i t a l l e d d i s p l a y t h e d a t a t r a n s f e r r e db yt r a n s m i t t e r si sp r o c e s s e db yp i cs c ma n dt h e n s e n dt od 诤t a ll e dd i s p l a yf o re s c o r tt oo b s e r v ea n dc h e c kt h e m e d i u mi n 也et a n k w h e nc a ro w n e rn e e d st oc h e c kt h ec u r r e n t p r e f e r e n c e so fm em e d i u mi nt h et a n k ，f i r s tt h ep o w e r 8 u p p l yi ne s c o r tr o o ms h o u l db et u r n e do nt h a tl e a d st o o p e r a t i o no fe a c ht i a n s m i t t e rw h i c hs e n d ss i g n a l so f 1 i q u i d1 e v e l ，t e n l p e r a t l 】r e a n d p r e s s u r e i n t od e v i c e s h o u s i n g d a t ar e c e i v e dw i l lb es e n tt oc p ua f t e r m a g n i 马，i n g ，a n da ds ，i t c h i n g t h e nc u r r e n tm e a s u r e d v a l u e sa r ec a l c u l a t e di na c c o r d a n c ew i t hz e r od o i n t & s c a l es e ti nt h ed e v i c e sa n ds e n tt od e c o d e rw h i c hn l r n s o nn u m e r a lt u b e st h r o u g hd r i v i n gc i r c u i t f o re x 引n 口1 e ，i f 西南交通大学硕士学位论文 第1 l i 页 w en e e dt o 丘n do u t1 i q u i d1 0 a di nt h et a n k ， t h e “h q u i d 1 0 a d ( o rv o l u m e ) ”b u t t o ns h o u l db ep r e s s e d t h e n c p ur e c e i v e st r a n s f o r m i n gc o m m a n d ， i n q u i r i n ga l b o u t 1 i q u i dl e v e l v 0 1 u m ea n dd e n s i 够t a b l 6 ，s e n d i n gt h e1 0 a d v a l u ec o m i n gf r o mm u l t i p l y i n gv o l u m e d e n s i t v t o d e c o d e r 湘i c hs w i t c ht h en u m b e r si nl i q u i d1 e v e ld i s p l a y w i n d o wi n t ol o a dv a l u et h r o u g hd r i v i n gc i r c u i t w ec a n a l s ot u mo np o w e rs u p p l yo nm a n h 0 1 e1 i da n dc h e c kt h e 丘e l dd i s p l a yo nd e v i c e t h eg a u g ea n dd i s p l a ys y s t e mc a np r o v i d ec o n d i t i o n s i nt h et a n kf - o re s c o r t sa ta n yt i i 工l e ，w h i c hh e l p sp r e v e n t a c c i d e n ta n dl e s s e nh a n n sf r o m1 e d 虹n g t h es y s t e m p e r m i t su st of _ m do u tp r o b l e mq u i c k l y ，t op r e v e n tt h e mi n t i m e ，t os 0 1 v em e ma ss o o na sp o s s i b l e o 、析n gt ot h e s y s t e m ，o p e r a - t i o n a c c i d e n to fr a 三lc a rd e c r e a s e s c o n s i d e r a b l ya n ds a f 色钾p u n c t u d l i t yc a nb ee n s u r e di n r a j lt a n kc a rt r a n s p o r t a t i o n t h es y s t e mc a ns a t i s 如r e a l t i m em o n i t o r i n gs i n 9 1 ec a u ri no p e r a t i o na sw e l la sc a u fu n i t t h ew o r k i n gc o n d i t i o no fm e d i u mi nt h et a n kc a na 】s ob e m o n i t o r e dd u r i n gc h a r 百n g k e y w o r d ：r a i lt a n kc a r ；t r a n s m i t t e r ；g a u g e ；d i s p i a y ；p i cs c m ； 西南交通大学硕士学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1问题研究的背景和现状 随着社会的发展，铁道罐车的在化工领域内的使用越来越普遍，化工介 质的理化性通常表现为易燃、易爆、腐蚀、剧毒，虽然有大批量的石油、天 然气管道在铺设，但对于少数量、多品种的化土介质选用铁道罐车运输是最 佳选择。对化工介质的运输越来越重要其中不乏各种军事、商业运输和 个人安危。这些介质一旦泄漏，若不及早发现，及时处理，将造成巨大的损 失。目前，由于铁道罐车尚不具备自动监测系统，若出现泄漏事故，很难及 时发现。泄漏的易燃易爆介质遇到明火、剧毒腐蚀性介质在空气中弥漫。这 些情况的发生，所造成的损失难以估计。 在现有的铁道罐车结构上，除了对液化气体类介质采取密闭装卸的压力 容器外，都没有设置测量显示装置，仅设有最高容积指示标尺。酸碱类罐车， 由于没有设置测量显示装置，装卸工在作业过程中，要么介质从人孔溢出， 造成人孔周围的钢板腐蚀严重，甚至波及到底架、制动、钢轨，从而降低了 罐车的使用寿命；要么装载达不到最佳液位高度，造成运输亏吨现象，使用 户运价提高，经济利益受损。同样，轻油类罐车虽没有酸碱类罐车严重，但 存在同样的问题。沥青类罐车在装卸过程中，不可避免让介质从人孔流出后， 进入保温层，导致保温效果降低，甚至从鞍座、下泄阀口、罐带等地方流出， 给人们造成罐体泄漏的假象，严重的危及到列车的正常运行。液化气体类铁 道罐车虽装设有压力表、液位计和温度计，但均设在加排孔盖上，操作极不 方便，且使用滑管液位计查看液位时，液化气体从滑管内喷出，有一定的危 险性存在。 凡在铁路上运营的车辆必须遵守铁路货物运输管理规则( 简称危 规) 。在危规“第七章危险货物罐车运输”中的第六十一条与第 六十三条对押运人作了一定的要求。“第六十一条液化气体罐车运输时， 托运人应派人押运。押运人员应坚守岗位，全程押运，并就沿途温度( 外 温) 、压力变化等作好记录。”；“第六十三条液化气体罐车必须编入有守 车及运转车长的货物列车( 包括小运转列车) ，以便押运人乘坐和随车监 护。”。根据危规要求以及铁路罐车现有的结构，押运人在作记录时，必 西南交通大学硕士学位论文 第2 页 须爬上罐顶，打开人孔盖，然后读数，完成记录任务。可是在列车运行停靠 的地方，特别是电气化区段，上有高压线，侧有风力作用，在打开人孔罩盖 作记录时，很难保证不有事故发生。严重的威胁到押运人员的人身安全。故 此，在铁道罐车上加设测量显示系统具有较高安全性、操作性是具有非常现 实的意义。 1 2 论文研究的问题和意义 本论文研究的是在铁道罐车上加装测量显示系统。以解决押运人员在押 运过程中，通过利用液位、温度、压力传感器将罐内介质的三种物性参数变 成电信号传递到p i c 单片机，经过进行数据处理、传递，并利用接口与l e d 相连；在罐顶和押运间内为押运人员提供罐内介质的有关参数，提前预防事 故的发生，减少泄漏事故的进一步的危害，做到早发现，早预防，早解决的 功效。大大减少了行车事故的发生，确保整个运输过程中安全性和和及时性， 并可满足用户执行单车、多车任务的实时监测。 用户也可以利用r s 一4 8 5 接口可同地面设施相连，进行远程监测，在加 排过程中随时掌握罐内介质的实时工况。确保单车、多车加排过程中安全性 与可靠性。 1 3 研究问题的基本思路 1 3 1 基于“液位、温度、压力”合一的测量平台 本论文依据铁路罐车在运输过程中密闭性，介质的蒸气压与温度的函数 关系，提出一种将“液位、温度、压力”、三种测量技术相融合的新技术， 用以提供罐内介质的参数测量，同时将测量数据提供给p i c 单片机，进行数 据处理。与列车运行安全相关的介质参数主要有容积、载重、压力、温度、 饱和蒸气压等。 液位装在罐内的介质会占有定的容积，并占有一定的高度，且高度在 加排过程中随时闻面变化。对于规则的几何体容器，液体的高度将反映 罐内介质的多少。 温度是根据热力学第零定律，一切系统必定存在一个共同的、表征系统 西南交通大学硬士学位论文 第3 页 微观热运企藿蝇囊霞麓磋毕金繁崩撞谨昔囊囊。就塾搴囊攫凄壤；话篓a 萋霾磊稀攀魏鬟怂罱受翼黜翌重； 萋轰萋毳薹魏嚣萎鬻始醐醚直秀夔冀：管需冀餮埘聪爨径理强鬻糍鞠炒 辨羹凿薹。 j l 羹篓毒美囊惦菱溺噙：曜m 前省蒌叼呐曦礴皤蠢轰和蜜季。 萋豢：煎臻难蠢薹臻；薯型，娑墓孺嘴淫蠹蒌亟嚣鏊剪卧囊羹鬣j 缎终 舅驰塑兽寻舔潞掐嘤滋。 ： 窗的数字变换为液体的 吨位数。再按“液位，容积”键，液位显示窗又会还原成液位显示。也可以直 接打开罐顶人孔盖处的电源开关，直接进行现场显示。 2 2 系统的标识技术 为确保多个用户、多个车辆运营互不冲突，整个系统能够有条不紊的工 作，一套完善的标识体制是必不可少的环节。通过利用t b t 2 4 3 5 规定中的 车号编码方法作为本系统的标识技术，多个用户可以形成一个有机的整体南 监控中心来统一管理。具体表现如下： 每辆车都有一个唯一可区分的标识p c i d ( p o c k e tc o m 叫t e r i d e n t i f i ca t i o n ) 和一条非常特殊的触发表示s s i d ( s t i m u l a t e ds i g n a l i d e n t i f i c a t i o n ) ，在生产时被写入移动单元的非易失性存储器中，并且 不可更改，也不能被读出。由于每辆车在生产完成并投入运营时，均使 用铁道部批准的车号，该车号在线路上运输时都是唯一的，而且不能随 意更改。 每辆车都有一个能够证实自己身份的车号编码，车型与车号在铁道部的 数据库上做了存储了和备份，并用电报方式传递给生产厂家及相关运营 单位。用户在只有用合法身份的车辆后才能得到相应的服务，否则，铁 道部管理部门会拒绝车辆在线路上运营。 2 3系统的信息安全技术 任何一个功能强大的系统，如果不能很好的解决存在的安全隐患，其很 难发挥实质性的作用，而且会因此而造成更大的损失。本系统中信息传输的 通道在列车运行过程中，要经过各种复杂的地理环境，比较容易受到外加电 场、磁场和 x 西南交通大学硕士学位论文 第5 页 隔爆型电气设备除电气部分外，主要结构包括隔爆外壳及一些附在壳上的零 部件，如衬垫、透明件、电缆( 电线) 引入装置及接线盒等。 隔爆外壳能承受壳内爆炸性混合物爆炸时所产生的爆炸压力，而本身 不产生破坏和危险变形的能力。 耐爆性能外壳内爆炸性混合物爆炸时喷出的火焰，不引起壳外可燃性 混合物爆炸的性能。 1 5 论文的结构 论文结构如下： 第l 章：绪论。介绍了测量显示系统的现状、论文研究的问题和意义，以及 本论文研究问题的基本思路和所需要的基础知识。 第2 章：系统的组成和工作原理。在总体上筒单介绍了系统的整体组成及采 用的基本技术，说明了测量显示系统的基本流程。 第3 章：液位传感器的设计。详细介绍了液位传感器的设计原理、结构、强 度和模态的校核。 第4 章：温度传感器的设计。详细介绍了温度传感器设计原理、结构。 第5 章：压力传感器的设计。详细介绍了温度传感器设计原理、结构。 第6 章：显示仪表的设计。通过对显示原理与结构以及使用环境的简要分析， 确立显示方式。 第7 章：p i c 单片机的程序设计。介绍了传感器与p i c 单片机之间的通信原 理和安全措施。并重点介绍了测量信号的传送和处理。 第8 章：隔爆设计。主要介绍了系统的隔爆结构、传感器外壳、二次仪表箱 外壳的结构设计与强度校核。 西南交通大学硕士学位论文 第9 页 升( 或下降) 移动，浮子中的永久性磁铁通过磁场作用，使干簧管吸合， 改变电阻值，使电压发生变化，仪表箱中的标准模块对输入电压进行对 比，并将比值传输到单片机中；单片机进行数据处理、存储，将液位数 据传递到显示屏，完成液位的测量显示。随着外界温度的变化，容器中 温度传感器将温度的变化转化成电流或电压的变化送入到仪表箱中，箱 中的标准模块对输入电压进行对比，并将比值传输到单片机中；单片机 进行数据处理，储存数据并将温度信息传递到显示屏，完成温度的测量 显示。 2 随着外界温度、加排过程中液位变化，压力传感器将容器中压力的波动 转变成电压信号并传递到仪表箱中，单片机进行数据处理，储存数据并 将信号传递到显示屏显示，完成压力的测量显示。 3 通过仪表箱上对设置按钮开关的功能切换，单片机可对容体容积或吨位 进行计算，并通过其对应的窗口显示。 4 在单片机系统中设置报警装置，当液位或压力超过规定值后，触发仪表 箱面板上的信号灯变亮。 2 5 系统的模块化设计 2 5 1 系统模块的组成 按照模块化设计的思想，可将系统的检测、数据处理、显示和远程数据 传输分成若干子模块。其中，检测模块由液位模块、温度模块、压力模块组 成，构成原始信号采集。数据 处理模块由a d 转换模块、数 据的计算与储存模块组成，进 行对采集信号的转换、处理， 使显示模块能够直接读取。显 示模块对数据处理模块的数据 进行数值的显示，以及数码管 的驱动。远程传输模块包括 r s 4 8 5 模块和c a n 模块，主要 用来同主从表、各车之间、与 西南交通大学硕士学位论文 第1 0 页 地面设施的数据传递。图2 2 表明了系统各个模块的关系和数据流向。 2 5 、2 系统电路图 根据铁道罐车的特点，可在人孔加排盖处加装压力变送器，通过法兰将 液位温度变送器装在罐体内，主表安装在人孔罩内，将从表、变压器和免维 护蓄电池放在押运间内，组装成测量显示系统，其电路原理图如图2 3 所示。 西南交通大学硕士学位论文 第1 1 页 圈磐脚螺帐憔嘣删器n-z匦器 西南交通大学硕士学位论文 第1 2 页 第3 章液位传感器设计 3 1 液位传感器概况 液位是指各种容器设备中液体介 质液面的高低、两种不溶液体介质的 分界面的高低。 工业上通过物位测量能正确获取 各种容器和设备中所储物质的体积量 和质量，能迅速正确反映某一特定基 准面上物料的相对变化，监视或连续 控制容器设备中的介质物位，或对物 位上下极限位置进行报警。 随着科学技术的进步，液位测量 方法很多，按其工作原理可分为：直 读式、浮力式、差压式、电学式、核 辐射式、声学式等。在固定容器上， 不论是在其类别，还是介质的性质上， 他们都得到了充分的应用，达到了预 期效果，解决了存在的问题。但在移 动车辆上( 如铁道罐车、罐式集装箱、 汽车罐车上) ，液位传感器的性能受到 振动和冲击的影响，对其可靠性的要 求比在固定容器要严格一些。故在对 也使用的在品种或类别上，成熟的产 品少之又少。 带刻度的 脂动管 图3 1 滑管液位计 西南交通大学硕士学位论文 第2 0 页 3 2 2 千簧管及微电阻的选取 干簧管与线路板焊接完成后，其工作状态如图3 ，l o 所示。根据液位精度 和电路要求，选用德国柯普乐公司的干簧管。通过对干簧管不同的排列，可 得到不同的精度。 图3 一l o 干簧管在浮子中环形磁铁下的工作示意图 西南交通大学硕士学位论文第2 1 页 第4 章温度变送器的设计 4 1 温度传感器概况 温度是表征物体冷热程度的物理最。温度不能直接加以测量，只能借助 于冷热不同的物体之间的热交换，以及物体的某些物理性质随着冷热程度不 同而变化的特性间接测量。为了定量地描述温度的高低，必须建立温度标尺 ( 温标) ，温标就是温度的数值表示。各种温度计和温度传感器的温度数值均 由温标确定。历史上提出过多种温标，如早期的经验温标( 摄氏温标和华氏 温标) ，理论上的热力学温标，当前世界通用的是国际温标。热力学温标是 以热力学第二定律为基础的一种理论温标，热力学温标确定的温度数值为热 力学温度( 符号为t ) ，单位为开尔文( 符号为k ) 。 4 ，1 1 温度的测量方法 温度传感器的通常由现场的感温元件和控制室的显示装置两部分组成， 如图4 一l 所示。 温度标志着物体内部分子 无规则运动的剧烈程度，它同 物质的许多物理性质有着密切 的关系，如电阻率、体积、密 度等。它的测量是建立在热平 图4 1 温度传感器组成框图 衡定律基础上的。测量方法按感温元件是否与被测介质接触，可以分成接触 式测温与非接触式测温两大类。接触式测温是使温度敏感元件和被测介质相 接触，当被测介质与感温元件达到热平衡时，温度敏感元件与被测介质的温 度相等，其优点是简单、可靠、测量准确度较高；缺点是测量时有一定的滞 后性，测温上限受测温元件材料性质的限制。非接触式测温方法是利用热辐 射能随温度变化的原理，使被测对象的热辐射能充分传到测温敏感元件，通 过辐射换热使两者达到热平衡，克服了接触式测温方法缺点可测高温、腐蚀、 有毒、运动物体及固体、液体表面的温度，不干扰被测温度场，但精度较低。 西南交通大学硕士学位论文第2 2 页 4 1 2 国内移动容器上使用温度传感器现状 在国内，液化石油气罐车上装双金属温度计，其结构如图茎塾趟， 等毒羹鬟鍪鋈芝要基掣鼋蹴墼曜蠼 鍪巨孙蓍翼坯薹薹躬臻储研囊明赐 辩；雕酮i 一鬟曛蝎角随椎零d 自 鹾瀚苣“型墨鎏赋襁篓臌羹醪当霎 囊：豁豇鬲囊囊蕲霸羹蒜鹳醛警； 黪誓要羹经野冀一鎏譬如；定、强 崩冽草惹墅；薯器萎塞翠丕。卒高测量法，其他的则进行实高测量法。对于 轻油类罐车，通常采用实高测量法，即在固定的测量点，把耐油膏涂在尺面 上，然后把量尺徐徐放入介质中，当尺铊与罐底一接触时，便迅速将尺垂直 向上提起，根据油晶浸没量油尺所留下的痕迹，读出液面高度。 3 1 1 2 压力罐车上使用的液位传感器 液化石油气铁道罐车 在液化石油气铁道罐车人孔上，安装有如图3 1 所示的滑管液位计。根 据浮力原理，将带有刻度的滑动管插入套管中，用活门固定，使用时抽出带 有刻度的可滑直管，开启活门，若喷出液体，则液面即在该处( 滑管下端刚 好接触液相)，刻度所反应的数值就是所存在的液面高度。 液化石油气汽车罐车和罐式集装箱 图3 - 2 回转式滑管液位计 图3 3回转式浮子液位计 由于受到外形尺寸及车辆限界的影响，在液化石油气汽车罐车和罐式集 装箱上，通常 x 西南交通大学硕士学位论文 第”页 可测量至l k ，高温达l o o o 。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪 表组成。热电阻也可与温度变送器连接，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，r t 关系最好成线性，物理化学性能稳定，复现性好等。目前最常用的 热电阻有铂热电阻和铜热电阻他们的电阻阻值与温度之间的关系如下： 铜热电阻：r t = r o ( 1 + a t + b t 2 + c t 3 )( 在一5 0 l o 内) ( 4 4 ) 铂热电阻； r t r 0 ( 1 + a t + b t 2 ) ( 在o 8 5 0 内) ( 4 5 ) r t = r o ( a t + b t 2 + c t 3 ( t 1 0 0 ) )( 在一2 0 0 o 内)( 4 6 ) 在以上关系式中，r o ，r t 分别为电阻在0 与t 时的电阻值。 a 、b 、c 为三个常系数。 安装固定件 ( 6 ) 图4 4 热电阻结构 4 2 3 集成温度传感器 集成温度传感器是利用晶体管p n 结的电流、电压特性与温度的关系， 把感温p n 结及有关电子线路集成在一个小硅片上，构成一个小型化、一体 化的专用集成电路片。集成温度传感器具有体积小、反应快、线性好、价格 低等优点。由于p n 结受耐热性能和特性范围的限制，它只能用来测1 5 0 以 下的温度。 西南交通大学硕士学位论文 第2 5 页 集成温度传感器基本原理如 图4 5 所示。在集成温度传感器 中，采用一对非常匹配的差分对 管作为温度敏感元件。其中v t 和 羹；溶雾堪滢蠢鞋赫鲢翳ji i 臻i 二 鲢窭豫莆r 蔺蠹黼哼澎洱肺疆潲 童自受确定摄。羲；高囊j 聒基巍摹 毳甚娃竖蒸攀盒奄堡雾暮蠹；鬣 碰蹴弑鬟射i 不匀瓣猫繇韵巍鍪莉刚型x 娶 戮t 薹j 霾鬻一雾学冀 篷s ! 生的磁场相交 时，就会产生一个应 变脉冲。应变脉冲返 回并被电子单元所接 收，通过精确测量询 问脉冲和返回脉冲之 间的时间间隔，可获 得液位值。 安装使用时，传感器的屏蔽电 缆线必须避开大功率电源，射 频信号源和其它有噪声的传输 线 静压 武 通过介质本身的液 位高度所产生的压 西南交通大学硕士学位论文 第2 6 页 上式表明，当r 和y 一定时，电路的输出电流与温度有良好的线性关系。 若取r 为3 5 8 q ，则电路输出的温度系数为： g = 等= 篆w 圳，k 邕 图 2 。4 4 6 电压输出型原理电路图 图4 7 电流输出型原理电路图 温度传感器的确立 一 通过对热电式传感器几种的温度 进行简要介绍，结合铁道罐车的应用工 况，即：工作温度：- 4 0 0 c 一6 0 0 c 。现 将他们对比分析如下： 由热电偶测温原理可知，只有当 热电偶冷端温度保持不变，热电动势才 是被温度的单值函数。在工程使用中， 仪表的刻度都是依据冷端温度为o o c 而 制作的。在铁道罐车使用中，热端在罐 体中，冷端暴露在空气中，易受环境温 度的影响，因而冷端温度很难保持恒 定。若采用延长导线、冷节点( 如电桥、 p n 结温度传感器、二端集成温度传感 器等) 补偿，则可靠性、测量精度褥不 图4 8a d 5 9 0 电路图 西南交遥大学硕士学位论文 第2 7 页 到有效的保证。 由以上的关系式中可以知道，铂、铜电阻的测量范围与线性度都比较适 合群乳割裂i巍砖岿利鞍“湖溉；誊紧。羹眩进鋈犁啬甭墨丰窑羹剃霎 苠剐垂羹；踺羹强罨塞譬贬荔黼斡鬟；裂患掣船爆嘉嚣l置。苗妊鞭 参翥萌篓。例；毳璧薹。辇技巷l_弛囊丽；w叁飘：蒂毹鞲f甄弱；影羹龄l要求箭； 熏鞠雾麓蒂赢蒸佘嫱两压 力、腐蚀等三方面考虑。对于保护 管与法兰组焊完后，一起与罐体连接，它的设计应从压力、腐蚀、振动、冲 击以及隔爆等方面着手。骨架的设计应考虑到定的刚度，干簧管和电阻与 电路板的焊接工艺性等。 3 2 3护管和浮子的结构设计 如图3 7所示浮子与护管均为外压容器，按容规表3 2 中要求的介 质中，液化石油气的密度最小为o 4 2 t 一，容器设计压力为2 1 6 舻a 。按容 规第9 4条压力容器耐压试验规定，容器的水压试验为设计压力的1 5 倍， 故浮球的设计压力为3 2 4 m p a ，球形结构有利于承压。选用钢号为1 c r l 8 n i 9 t i 的不锈钢材质，从腐蚀数据与选材手册表明，该材质可耐液氨、液化石 油气的腐蚀，年腐蚀率小于o 0 5 啪，成形后进行酸洗钝化工艺，则更利于抗 腐蚀。 从结构图以及使用工况中可以得到，浮子与护管均为外压容器，故设计 时应参照“g b l 5 0 钢制压力容器6 外压圆筒和外压球壳”中的相关公式 计算。 3 2 3 1 护管的结构设计 按结构尺寸要求，护管的尺寸为垂3 8 x 3 5 x 3 1 3 0 ，按g b l 5 0 一1 9 9 8 钢 制压力容器83 中表8 1 选用m 3 8 x 3 5 作为护管；按照h g 选用标准法兰， 故不作计算可满足设计要求。其结构如图3 - 8 所示。 3 2 3 2 浮子的结构设计 根据外压管子计算的条件d 6 为1 0 8 6 ( 1 + 2u ) l l ，半导体材料的电阻应变效应 西南交通大学硕士学位论文 第3 3 页 图5 - 3 压阻式压力变送器 蘩 西南交通大学硕士学位论文 第3 5 页 环境低温：一4 0 0 c ；高温：+ 6 0 0 c 。 湿热在最高工作温度时，l e d 显示屏应能在相对湿度为9 0 的条件下正 常工作。 振动l 印显示屏承受汽车、火车、飞机等运输、装卸、搬动中受到的振 动。车载屏应能在所安装的车辆运行中正常工作。 6 2 2 液晶显示器( l ) 液晶所具有的各向异性、低弹性常数及流体特征等特异性能使液晶具有 丰富多彩、有趣有用的电光( 热光) 效应。液晶显示器件就是利用液晶的电光 效应的特点制成的显示产品。 液晶显示器件l c d 的显示原理是：在两片玻璃基板上装有配向膜，所 以液晶会沿着沟槽配向，具有偶极矩的液晶棒状分子在外加电场的作用下其 排列状态发生变化，使得通过液晶显示器件的光被调制，从而呈现明与暗或 透过与不透过的显示效果。液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电 场控制，不同的显示像素按照控制信号的“指挥”便可以在显示屏上组成不 同的字符、数字及图形。因此建立显示所需的电场以及控制显示像素的组合 就成为液晶显示驱动器和液晶显示控制器的功能。 现将构成液晶显示器件的三大基本部件和特点介绍如下： 1 玻璃基板 这是一种表面极其平整的浮法生产薄玻璃片。表面蒸镀有一层h 1 2 0 3 或s n 0 2 透明导电层，即i i d 膜层。经光刻加工制成透明导电图形。这些图 形由像素图形和外引线图形组成。因此，外引线不能进行传统的锡焊，只能 通过导电橡胶条或导电胶带等进行连接。如果划伤、割断或腐蚀，则会造成 器件报废。 2 液晶 液晶材料是液晶显示器件的主体。不同器件所用液晶材料不同，液晶材 料大都是由几种乃至十几种单体液晶材料混合而成。每种液晶材料都有自己 固定的清亮点t l 和结晶点t s 。因此也要求每种液晶显示器件必须使用和保 存在砖一t l 之间的一定温度范围内，如果使用或保存温度过低，结晶会破 坏液晶显示器件的定向层；而温度过高，液晶会失去液晶态，也就失去了液 晶显示器件的功能。 3 偏振片 西南交通大学硕士学位论文第3 6 页 偏振片又称偏光片，由塑料膜材料制成。涂有一层光学压敏胶，可以贴 在液晶盒的表面。前偏振片表面还有一保护膜，使用时应揭去，偏振片怕高 温、高湿，在高温高湿条件下会使其退偏振或起泡。 6 3 显示仪表的设计 = 0 0 l a r 瞄瞄9 ) s e 鼬 通过以上对发光二极管 d i 瞒e 6 0 ( u m ) 和液晶( l c d ) 显示d 旧j s e g l 屏的简单介绍，我们可以不难 删盘掩e q 推断出以发光二极管( l e d ) o i g 媳瞄 制成的显示屏更适合铁道罐 g 怕 车的使用工况。 6 3 1 显示仪表硬件电 路的设计 根据铁道罐车的运输介 质的特点，在运输过程中对介 质的压力、温度进行监测；在 加排过程中还要对液位、容积 ( 或吨位) 进行显示。故在现场 显示屏上可设压力、温度、液 位容积、车号数据行。压力、 温度、液位容积选用四位l e d 数码管显示，采用m a x 6 9 5 9 复用共阴极显示驱动器。 m a x 6 9 5 9 引脚如图6 1 所示； 其主要特性如下： 温度范围f 4 0 。c 至 + 1 2 5 0 c h 4 0 0 k b p s 、2 线串行接口； 饥 s e g 8 s e 6 7 s e 6 5 s e g 5 s e g 4 f 1 n p u t 2 州c f l h p u t l 州c 图6 1p d 口1 6 脚m a x 6 9 5 9 引脚全功能图 图6 - 2m a x 6 9 5 9 与数码管、单片机连接图 西南交通大学硕士学位论文 工作电压3 v 至55 v ； 驱动4 位以及4 或8 个分立的l e d ； 驱动共阴极i ，i m 显示位； 2 3 m a 恒流u ! d 段驱动； 1 6 进制译码月 译码显示位选择； 限斜率段电流驱动器降低了e m 【； 去抖多达8 个开关，并支持多键同时按下： 去抖按键可扩展至1 2 个； 2 0 肛a 低功耗关断模式( 数据保持) m a x 6 9 5 9 驱动器与单行数码管、单片机连接如图6 2 所示。同时显示 三行内容时，应将数码驱动器并联，如图6 3 所示。 vd 0 vs s p i c l6 r 8 7 7 r c 4 s d a 82 j 口 c r i 一 竺二d s d a 咖2 g n d im 掣6 9 5 9 _ d8 ( 蔫位j ! 坠 s 毗l 口2 g n d m 4 j 6 9 5 9 d8 ( 戤j s c l r 一 s 。a g n d 2 m a 6 9 5 9 8f 由) 图6 3m a x 6 9 5 9 与p i c l 6 f 8 7 7 单片机连接图 西南交通大学硕士学位论文 第3 8 页 第7 章 p ic 单片机的程序设计 作为在系统中的心脏部分单片机，他起着信号转换、数据处理、 存储、驱动显示、远传数据、接收数据等功能。单片机选用如何，将决定者 系统的各个环节，用软件代替硬件、减少成本、增加功能、提高精度和计算 速度等。在p i c 单片机家族中，p i c l 6 f x x x 系列拥有较强大的功能，在设计 及使用中，可用软件代替硬件满足要求，减少了成本。其中p i c l 6 f 4 8 7 更适 合该产品的要求。 7 1p i c 单片机概述 p i c ( p e r i p h e r a li n t e r f a c ec o n t r o l l e r ) 是一种用来开发的去控制外 围设备的集成电路( i c ) 。一种具有分散作用( 多任务) 功能的c p u 。与人类 相比，大脑就是c p u ，p i c 共享的部分相当于人的神经系统。 7 1 1p i c 单片机与m c s 一5 1 的比较 p i c 单片机与m c s 一5 l 相比较，在总线结构、指令系统、寄存器方面有着 许多优点。 总线结构：m c s 一5 l 的总线结构是冯一诺依曼型，计算机在同一个存储空间 取指令和数据，两者不能同时进行：而p i c 的总线结构是哈佛结构，指令 和数据空间是完全分开的，一个用于指令，一个用于数据，由于可以对程 序和数据同时进行访闯，所以提高了数据吞吐率。正因为在p i c 系列单片 机中采用了哈佛双总线结构，所以与常见的微控制器不同的一点是：程 序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8 位的，但指令总线 位数分别位1 2 、1 4 、1 6 位。 流水线结构度：m c s 一5 l 的取指和执行采用单指令流水线结构，即取一条 指令，执行完后再取下一条指令；而p i c 的取指和执行采用双指令流水线 结构，当一条指令被执行时，允许下一条指令同时被取出，这样就实现了 单周期指令。 寄存器组：p i c 的所有寄存器，包括i o 口，定时器和程序计数器等都采用 r a m 结构形式，而且都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作：而 西南交通大学硕士学位论文 第4 0 页 利用外围电路将模拟量转换成数字量，送入单片机进行数据处理后显示。但 随着检测点的增多，所需仪表件数增加，使系统的可靠性降低、占用空间增 大、成本提高、不便维护等缺点。采用p i c l 6 f 8 7 7 单片机芯片内部集成了 山，d 转换模块进行数据转换，将可避免以上缺点。该转换模块主要包括：采 样开关通道、参考电源的选择、a d 转换器和采样保持电路。 a ，d 转换模块内部结构如图7 。2 所示。该转换模块有8 个输入通道，只 需通过编程便可以实现单路或多路a d 转换功能。此外，其a d 转换可在 休眠状态下进行，由a d 转换结束中断重新激活单片机。采用这种工作方式， 在a 仍采样和转换时间内，单片机主频关闭，干扰小，既提高了转换的精度， 图7 2a d 转换器内部结构示意 又减少了功耗。该功能更适合铁道罐车采用蓄电池供电的使用工况。 7 2 1 椭模块操作时间的确定 小0 0 h叫可，o 踯刚酬哪蜊岬洲岬 西南交通大学硕士学位论文 第4 3 页 d 盯r p l ：x o r l d l d r o u t l ：l d l d l d r o u t l ：l d r e s o u t l d 0 u t l o o p l ：i n b i t 瓜 i n l d i n c i n c i n c i n c i n c i n c i n c d e c j r d j n z b r a n c h ：l d i n c j p a： b ，0 5 h； h l ，d 舢隗； c ，1 1 1 1 1 0 0 0 b； d ，0 3 h； u f f ) ，h l； 久c 3 a ( 8 1 h ) ，a； 久c ( 8 1 王 ) ，a ； ( 8 1 h )； 2 a z ，l 0 0 p 1 一$ 气( 8 0 h )； ( ) ，a； 眦： 甩 h l h l h l h l c ； d： n z j r o u t l 一$； b r a n c h 一$： 切( b u f f )； 甩： r o u t o： 西南交通大学硕士学位论文 第4 4 页 7 3 数字滤波 在铁道罐车运行过程中，存在着较复杂的地理环境和多变的气候，应提 高系统的可靠性。由于单片机通过模拟量输入通道所采集的数据中，常常混 杂有干扰，需数字滤波予以滤 除；而数字滤波比模拟滤波有 以下的优点：通过程序来实现 数字滤波，可降低成本，同时 提高系统的可靠性和稳定性； 可实现低频滤波；可通过不同 的滤波程序实现不同的滤波 方法，达到更好的滤波效果在 这里，我们采用舫脉冲干扰平 均值滤波方法来达到滤波效 果。 防脉冲干扰平均值滤波 是由中值滤波和平均值滤波 结合起来构成的，可以取得良 好的复合滤波效果。它既可以 抑制周期性干扰信号，又可以 滤除缓变过程的脉冲干扰。根 图7 5 防脉冲干扰平均值滤波程序框图 据使用经验采用6 次数据采样，去掉其中的最大值和最小值，然后对剩下的 4 个数据求平均值。其滤波程序框图如图7 5 所示；其源程序如下： c o 0 u n d c o 匝： l 0 0 p 1 l o o p 2 r 匝，t e rs u b r o u t i n e e xa f ia f e x x l d h l d a 工a l dc 0 5 h l db c l d a ( h l ) i