（机械设计及理论专业论文）车载沥青储存罐计量系统研究.pdf

摘要 公路沥青路面施工设备中，经常使用储油罐，丽施工现场必须对沥青用量进 行计量。为此，开发一个精度高、结构简单、成本低的自动化沥青储存罐在线计 量系统，具有十分重要的意义。 本文采用机电一体化技术，研制了储存罐自动计量系统。系统以a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 1 单片枫为核心，出传感器，信号处理电路，显示电路，输出控 制电路，超限报警电路等构成，配合系统软件，能实现多路数据采集，通过传感 器自动测量沥青温度和重量，并具有温度过高时自动报警功能。 硬件方面，沥青温度的测量运用性价比较好的热电阻p t l 0 0 作为温度传感 器，采用恒流源电路作为温度信号的获取电路；重量测量采用w l 型轮幅式称重 传感器；并利用倾角传感器进行称重精度补偿；a d 转换采用m a x l 9 7 芯片； 显示采用l e d 显示块；超温报警选用了压电式蜂鸣器；输出控制电路由三极管、 光电耦合器、继电器等组成。 软件设计采取了流行的模块化编程方法，软件程序的开发采用了汇编语言。 主要包含的程序有：主程序；d 采样子程序；滤波子程序和显示子程序等。同 时，在软、硬件设计时采用了有效的抗干扰措施。 经过试验室的连续仿真调试试验证明本系统完全达到预定目的，技术上能完 全满足施工现场对沥青计量的要求，具有很强的实用性和较高的社会推广价值。 关键词：沥青储存罐；计量系统；单片机；称重传感器；倾角传感器；温度传感 器 注 ：本课题由邵阳路桥公司资助 a b s t r a c t o i lt a n k sa r eu s e da l w a y si np i t c hr o a ds u r f a c eb u i l d i n ge q u i p m e n t sa n dp i t c h d o s en e e dm e a s u r eo ns p o t s oi ti s n e c e s s a r yt od e v e l o pt h ea u t o m a t i cg a u g i n g s y s t e mo fp i t c hs t o r a g et a n k so nl i n e t h es y s t e ms h o u l db er e q u i r e dh i g ha c c u r a c y ， s i m p l es t r u c t u r e ，a n dl o wc o s t 。 i nt h i sp a p e la u t o m a t i cg a u g i n gs y s t e mo fs t o r a g et a n k si sd e v e l o p e da d o p t i n g m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g y b a s e do n t h ea t 8 9 c 51 s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e ro fa t m e lc o r p o r a t i o n ，t h ew h o l es y s t e mc o n s i s t so fs e n s o r s ，s i g n a l t r a n s f e rc i r c u i t ，d i s p l a yc i r c u i t ，o u tp o r tc o n t r o lc i r c u i ta sw e l la sa l a r mc i r c u i t w i t h t h es y s t e ms o f t w a r e ，i tc a nc o n t r o lm u l t i i n p u ta n dm u l t i o u t p u t i tc a nm e a s u r e t e m p e r a t u r ea n dw e i g h tw i t hs e n s o r s i na d d i t i o n ，i th a sa u t o m a t i ca l a r mf u n c t i o n w h e nt h ep i t c ht e m p e r a t u r ee x c e e d st h ep r e s e tr a n g e a sf a ra st h eh a r d w a r ed e s i g ni sc o n c e r n e d ，h e r ec h o s et h e r m a lr e s i s t a n c ep t l 0 0 w i t hb e t t e rp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o na st e m p e r a t u r es e n s o ra n dc o n s t a n tc u r r e n t s o u r c ec i r c u i tt oo b i a i ns i g n a l ，t h r e ew ls p o k et y p ew e i g h i n gs e n s o r st om e a s u r e w e i g h ，a n d at i l ts e n s o rt oa m e l i o r a t ew e i g h ta c c u r a c y , m a x l 9 7a st h ea d c o n v e r s i o n ，l e dd i s p l a yu n i ta st h em o n i t o rd i s p l a ya n dc h o s et h es i m p l e p i e z o e l e c t r i cb u z z e ra st h ea l a r md e v i c e t h eo u tp o r tc o n t r o lc i r c u i ti sc o m p o s e do f a t 8 9 c 5 1 ，t r i o d e ，p h o t o e l e c t r i cc o u p l e r ，r e l a y ，e l e c t r o m a g n e t i cv a l v ea n ds oo n t h e s o f t w a r ed e s i g n i n ga d o p tt h ep o p u l a rm o d u l a r i z e ds t r u c t u r e t h ed e v e l o p m e n to f s o f t w a r ep r o g r a m sa p p l ym c s - 5 1l a n g u a g ee n t i r e l y t h ep r i m a r yp r o g r a m sa r em a i n p r o g r a m ，a ds a m p l i n gs u b r o u t i n e m e a n w h i l e ，t h ee f f i c i e n t a n t i i n t e r f e r e n c e m e a s u r e sa r ea d o p t e dd u r i n gt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h es u c c e s s i v ed e b u ge x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h i ss y s t e mh a st o t a l l yr e a c h e dt h e i n t e n t i o nb o o k e da n df u l f i l l e dt h et e c h n i c a lr e q u e s to fp i t c hg a u g i n go nb u i l d i n gs p o t t h es y s t e mh a sv e r ys t r o n gp r a c t i c a b i l i t ya n dh i g h e rs o c i e t yp o p u l a r i z e dv a l u e k e yw o r d s ：p i t c hs t o r a g e t a n k s g a u g i n gs y s t e ms i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r w e i g h i n gs e n s o r t i l ts e n s o r t e m p e r a t u r e s e n s o r i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校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。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：年月日 日期：年月 日 1 1 课题研究背景 第一章绪论 储油罐在石油行业应用广泛，罐内液体的计量对于库存管理有十分重要的意 义。传统的储罐计量是计量员采用人工投尺法测量储罐液位，再根据液位算出质 量，这种计量方法的弊端非常明显，一是计量精度低，温度、密度和液位的测量 误差，都将导致质量的计量误差；二是劳动强度大，计量员不管刮风下雨、同晒 雨淋都要上罐测量；三是不能实时测量；四是容易产生人为误差i t i 。因此，研制 和开发储油罐自动计量系统显得非常重要。 在公路沥青路面施工设备中，也经常使用储油罐。而道路用石油沥青是种 具有弹性、粘性和塑性的流变性材料，在高温时软化呈流体，低温硬化变脆成固 体，因此在沥青储存、加工、拌合的各种过程中要对容器内的沥青计量，用常 规的方法，如浮子液位仪及各种流量计都是不可行的。目前计量方法多采用地磅 称量，其操作方式有很多缺陷：( 1 ) 要有很多人工作，最多时达到七至八人，不 仅效率很低，而且容易出现错误；( 2 ) 人为因素较多，容易产生误差；( 3 ) 由于运 载卡车上、下秤台时都需要报送，影响了工作效率；( 4 ) 地磅对于作业面较长的 道路施工，搬运也不方便。所以，沥青自动计量的问题长期困扰着公路、建材 等行业，得不到解决1 2 1 1 4 1 。 本课题就是应有关部门的要求开发一较高精度、低成本的沥青储存罐自 动计量系统，应用于道路施工现场，对沥青用量在线计量。能实现自动化水 平高，安装维护方便，操作使用简单，可达到管理和计量的最佳效果。同时， 由于计量精度的提高还可带来一定的经济效益以及可为罐区管理的自动化计 量提供借鉴。 1 2 油罐计量技术发展状况 l 个世纪前半叶，石化行业对大型储油罐的计量无论是国内还是国外，开始 均采用人工投尺、人工采样、人工计算的方法。随着计算机技术的迅猛发展，国 内外开始出现了一些自动计量的技术及方法，如钢带、静压法、伺服式液位计、 雷达液位计、超声波液位计等自动测量手段代替人工计量i ”。而且，从计算机上 便可得到罐内所存油品的物理参数，这就是油罐自动计量系统。 现有的油罐自动计量系统可分为三大类，即自动液位法( a t g ) 、静压法( h t g ) 和混合法( h t m s ) 。这三种方法是依据出现先后，以及技术的成熟程度依次排 列的。 1 液位计法 液位计法，英文缩写为a t g ( a u t o m a t i ct a n kg a u g e s ) 。英文原意为油罐自 动计量。如果称为系统还应加上s y s t e m ，因此国际上也有a t g s 这种缩写。它主 要是利用各种液位传感器来测量罐内油高，再通过测量油温和密度，换算出体积 或质量。阂为它是最早出现的、以液位测量为主要手段的油罐自动计量系统，因 此习惯上把以液位测量为主的油罐自动计量系统叫作a t g 系统。现在的a t g 法与 它刚出现时已有很大区别。但只要是a t g 法，必然包括自动液位计及自动油罐温 度计a t t ”1 。 6 0 年代末至8 0 年代初，国外主要研制和使用的是各种钢带浮予液位计，大 多是每个罐独立安装，现场显示。这类仪表主要缺点是机械摩擦影响计量精度， 精度一般在3 5 r a m 。随着对计量精度要求的不断提高，出现了伺服式液位计， 由于使用了伺服马达消除了因机械摩擦丽引起的误差，提高了灵敏度和复现性， 液位计量精度可高达l m m 。 2 0 世纪末，又出现了微波雷达式液位计、激光雷达液位计、超声波液位计 及光纤液位计等。其特点是，测量手段不是采用浮子之类的固态物，而是声、光、 射线等的能量。液位计不和被测介质接触，不受被测介质影响，也不影响被测介 质，故而适应范围广泛。可用于接触式测量仪表不能满足的特殊场合，如高黏度、 腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质i t 】_ 不过，这些液位计昂贵的成本和适用范围的局限，都在一定程度上限制了其 发展。超声波液位计使用广泛，但其音速随温度、储存物料的化学成分和罐内蒸 汽的运动而变化。光导液位计在尘雾环境下使用不太稳定，易造成传感镜片的污 染。雷达液位计对这些限制则不敏感，系统只需使用传感元件，并对电子设备加 以适当标定，就可使储罐的环境影响减少到最小，得到良好的精确度。高精度雷 达液位计的精度可达0 0 1 r 8 1 ，但成本较高。 1 9 8 6 年，英国肯特学院物理实验室将光雷达技术成功地应用于油罐液位测 量，精度达l m m 。他们用光纤传递和接受调频信号，使整个电子设备远离油罐， 安全程度高。目前，己用于储罐计量的有荷兰e n r a f 公司生产的8 7 2 系列微波 雷达液位计，它将合成调频脉冲技术用于储罐计量，测量精度可达2 m m ，分辨 率为l m m 。瑞典s a a b 储罐控制公司开发的雷达液位计也成功地应用于测量 原油、沥青、液态丙烷、储存在岩洞的液体、化学品和熔融态硫磺等物料的液位。 在国内，8 0 年代主要使用钢带浮子液位计。8 0 年代初，大连第五仪表厂j 研 制成功浮子钢带式液位计。该表具有精度较高，维护量小，现场指示清楚，价格 便宜等特点。 2 8 0 年代末期及9 0 年代初，航天总公司三院智控工程总公司研制的u b g 1 型光电子液位计，该仪表是利用力平衡和光导原理进行液位自动测量。计量精 度较高，其全量程的系统误差为2 m m 。与其它钢带式液位计一样，由油温变化 导致钢带长度和储罐高度的变化，仍将对液位测量带来一定的附加误差。需要使 用微型计算机进行数据处理和误差补偿。 科学院声学所研制的c j y - 2 型光导液位计将浮子式钢带液位计的车冈带改为 钢丝，力平衡仍用盘簧。其优点是现场没有电源引入，信号靠光导纤维送回仪表 室，不存在防爆问题，特别适合易爆场所。缺点是仪表运行时不能停电，因为一 停电，计数就停止，测量不到液位的变化。 由于a t g 法可准确地得到贸易交接的标准体积，所以主要用于使用交接标 准的国家。但是，a t g 法无法计量油品的密度及质量，故不适合在像我国这样 的使用质量交接标准的国家中使用。 2 静压法 静压法，英文缩写为h t g ( h y d r o s t a t i ct a n kg a u g i n g ) ，也称h t g s 。 原意为油罐的静压计量系统，主要由压力传感器及点温度传感器组成。利用压力 传感器测量储罐存油品的静压力，根据油罐的几何参数，由计算机或其它相应的 二次仪表计算出容积或质量，从而得到罐内油品准确的商业质量，并且量值是可 传递的、可标定的。但它对密度、体积与液位的测量不准确。更无法在形状不规 则油罐、油水混合罐以及密度分层油罐中使用l l o l 。 从7 0 年代起，美、日、德等几个发达国家开始研究将各种压力传感器用于 油罐计量。目前，技术上比较成熟的有三种：压阻式( 扩散硅) 、电容式和谐振 式。 8 0 年代中期，美国p o s m o u n t 公司首先推出储罐静压计量系统，即h t g ， 几年内迅速得到推广。由于h t g 系统采用了赢接测压法。计量质量时，不需测 油温和密度，计量容积时，测量温度和密度在线连续进行，不需采样和实验室分 析，系统精度较高。现美国的f o x b o r o 公司、t o x a s 仪器公司和v a r e c 公 司均有h t g 静压计量系统的产品问世i t 2 。 我国在7 0 年代中晚期及8 0 年代初期，液位检测曾一度大量使用称重式液位 计。这种液位计钡量精度较高，现场安装简单。但它存在一些很难克服的缺点。 出r 工作时必须向罐内吹气，因此，对于有压力的罐不能使用。在没有氮气的地 方，一般用净化风，有些油品易被净化风中的氧气氧化，使质量下降。常吹气还 可使轻油挥发，造成油品损失，并污染空气。另外，引气管堵塞和泄漏都影响检 测效果，而且微泄漏检查很困难i ”l 。 目前国内用静压法测量的常用测量仪表有g g y - 0 1 x 型称重式油罐计量仪， 满量程基本误差为0 1 ，属机电式传感器；1 1 5 1 d r 电容式差压变送器，测量范 围0 - - 1 8 7 k p a ，满量程精度为o 2 级；c y g 7 0 固态压阻传感器，测量范围为1 1 6 0 0k p a ，精确度为1 0 1 ；d s i j 3 0 0 0 数字式灵巧变送器，在单晶硅中形成 差压、静压和温度三种传感器的复合半导体方式，全量程范围内精确度为 0 1 f s i “】。 但国内这类传感器的最大不足仍然是精度问题。因此，目前国内采用此方法 测液位还无法用于商业计量。该方法适合精度要求不太高的场合，如一般的液位 安全监测系统中。 3 混合法 混合法，英文缩写为h t m s ( h y b r i dt a n km e a s u r e m e n ts y s t e m ) 。 原意为混合式油罐测量系统。它实际上是把上述两种系统混合成一种系统，具有 上两种系统的全部功能。由液位计测得液位和水位，由压力表、温度计测得压力 和温度，从而计算出油品的质量1 15 1 。如栗a t g 系统适合于以体积作为贸易交接 方法的国家，h t g 系统适合于采用商业质量贸易交接方法的国家，那么h t m s 系统对两种贸易交接方法均适用。 以上三种油罐自动计量方法所采用的敏感元件主要是钢带浮子式液位计、伺 服式液位计、磁致伸缩式液位计、雷达式液位计、超声波式液位计、光导式液位 计等等，是用来测量液位、油水介面或密度的；各种压力传感器，如表压式、差 压式、电容式、硅半导体式；以及单点测温元件、多点温度传感器或智能型多点 平均温度变送器1 1 6 l 。以上各种敏感元件可以组成用于油罐自动计量的各种a t g ， h t g ，h t m s 自动计量系统。这三类不同原理的计量系统又可分为模拟式系统、 全数字化式系统。 1 3 课题主要研究内容及研究意义 1 3 1 课题主要研究内容 在对国内现有的储油罐自动计量系统进行调研，和借鉴了一些称重系统的设 计之后，本文提出了符合要求的沥青储存罐计量系统实现的可行性方案。本系统 主要是计量油品的两个参数，即沥青重量和沥青温度。其中所涉及的关键技术有： 油罐计量方法、传感器技术、单片机技术和嵌入式技术。本文是对用于旖工现场 的整个计量系统的提出，并非是对已有设备的某一方面加以改进、提高。所以整 篇论文主要是对系统的研究介绍，包括硬件部分的选择和采集信号处理电路的设 计，硬件含有称重传感器、温度传感器和倾角传感器、单片机和数模转换器。以 及系统软件的开发，来实现显示、报警、控制等功能。并针对性的考虑软、硬件 采取何种抗干扰措施。 4 道路施工中，沥青储罐容量不需很大，在使用过程中，可以置于货车车厢， 或单独作为挂车，符合机械设备的分散流动性。因为受公路施工工程量和工期的 要求，大部分机械需流动作业，施工机械经常变动和搬迁，即使在同施工地， 机械也是分散作业。 1 3 2 课题研究意义 随着工业自动化和管理现代化的进展，进一步采用新技术，开发各种自动称 重系统，提高动态称重的准确度，加强网络功能是当今更多发展的重点。本课题 正足从这些方面进行设计的。其意义有： ( 1 ) 储油罐自动计量系统可以应用到沥青路面施工中。配制不同标号的沥青和 稀释刹的比例应由试验室在施工前按规定要求进行试配后决定。可是由试验寰按 规定试配确定的配合比，在工地现场却因沥青计量手段落后而不能准确实施。通 常靠工人凭经验和粗略的估计进行掺配。这种配合比不准的沥青，当然达不到要 求。用这样的沥青拌制的路面混合料的质量也就得不到保证，结果必然会缩短沥 青道路的使用寿命。用此自动计量系统对在加热油罐中的沥青进行计量，就可以 准确控制掺入不同标号沥青及稀释剂的数量，解决沥青掺配的自动计量和准确计 量的问题。使沥青掺配按规定比例进行，得到设计所要求的沥青，提高了沥青混 合料的质量，最终提高沥青道路的质量。 ( 2 ) 沥青用量对沥青混凝土的坚强度有很大影响。沥青含量的少量误差就可 能引起强度较大的变化，所以沥青混凝土混合料应按设计沥青用量拌制。这样在 拌制中又有一个对热沥青准确用量的计量和控制的问题，同样因为计量手段的落 后而没有得到解决。那么，也可以应用此储油罐计量系统，做到沥青混凝土拌制 中沥青用量的自动计量，提高沥青混凝土的强度，延长沥青混凝土路面的使用周 期。因此这个系统在沥青库的自动化，现代化管理和沥青加工、沥青道路施工等 各个领域中都可以广泛应用，并可能取得很好的效益。 ( 3 ) 用于厂矿企业中的大多数计量系统自动化程度都较低，浪费很多的人力 和物力，效率低、误差大，造成不必要的损失。而此计量系统就可以解决这些缺 点。它可以起到减员增效、节支创收、减小误差的作用；它还可以提高管理、提 高劳动生产率、降低劳动强度，从而大大提高了厂矿企业的自动化程度。 因此，高精度储罐自动计量系统的需求量较大，市场前景非常乐观。 5 第二章计量系统方案研究 2 1 计量系统技术要求及总体方案 2 1 1 系统技术要求 本计量系统是将单片机应用于系统中，使其成为该系统的核心，能够获取称 重数据、温度数据，为用户现场提供一个高效的、多功能的沥青储罐自动计量系 统。需求单位本着提高产品质量、管理水平以及节能增效的原则，提出了项目的 设计要求如下： 1 、尽量降低成本，结构简单，操作方便。 2 、研究开发一套性能可靠、技术先进的较高精度自动电子计量系统。 3 、最大称重量在6 t 左右，重量静态测量误差控制在o 5 k g 。 4 、取用沥青时，温度控制在1 0 0 1 2 0 1 2 之间，一是节省热能，二是减小反 复加热对沥青三大指标的破坏程度。 5 、软件功能： ( 1 ) 数据显示： 主画面分为二部分：a 在线显示称重熏量，b 在线显示测量温度及有关操 作提示。 ( 2 ) 自动断开加热装置： 温度超过设定范围的上限时，控制加热装置停止加热。 ( 3 ) 超上限报警功能： 在取用的时候，要对沥青加热并控制在设定温废范围内，超上限停止加热的 同时进行报警。超温报警有利于现场人员全面监视沥青取用过程。 2 1 2 系统总体方案 经过对该项目要求的分析，综合沥青的特性、系统安装、经济等方面的因素， 本课题采用单片机作为计量系统的核心，通过称重传感器采集沥青重量，温度传 感器采集温度信号，和利用倾角传感器对采集的关键数据重量予以修正。按照设 置的程序显示沥青重量、温度和控制温度在一定的范围内，并实现超限报警和自 动断开加热装置的功能。 本系统包括机械和控制两部分的设计。经过对该项目要求的分析和实验，为 获取重量数据安装称重传感器。没有采用如电容式、超声波式、雷达式、伺服式、 光纤等一些液位传感器，是基于沥青的流变特性和价格方面的考虑。而采用了三 只称重传感器，三点确定一个平面。只要在安装传感器的时候，使承重平面的平 面度误差保证在0 5 m m 之内，就可以减少因称重传感器受力不均产生的误筹， 且可以把误差控制在要求范围内 17 1 。采集的数据信号通过模拟求和器进行模拟求 和，再进行放大、滤波。又考虑使用现场路面的不平整，采用倾角传感器加以精 度补偿，角度信号和称重的和信号经过数模转换，然后送入单片机对数据进行 处理。采集数据可通过数字滤波等算法进行处理保证工作的可靠性，也可按用户 的要求进行备种处理。 称重传感器安装在沥青罐底部，沥青罐会经常置于露天等环境较差的地方。 而传感器接触水或被腐蚀，极易影响测量精度，所以要密封安装。另外还在i 只 传感器下部安装一顶起装置，此装置是基于液压千斤顶而改造的，即一个泵体， = i 个缸体，采用手动作业。 沥青温度的测量采用温度传感器，输出信号模数转换后经过单片机数据处理 实现报警和控制功能。虽然模拟电路报警电压用电位器的调节设置，模拟比较器 以及驱动超限报警电路，也能起到温度的实时测量与报警，但如有通讯的需要时， 其不能获知温度的历史数据。 另外显示虽然也可以用模拟的电磁结构的指针式显示电路，但不够美观，所 以本系统采用将表示温度、重量的模拟量转换成数字量，然后经过译码驱动电路 进行数码显示。 整个系统这样设计不但价格便宜而且还预留了通信接口，必要时可使储油罐 计量系统能构成计算机网络系统，使不在现场的工作人员也能通过网络的功能及 时了解现场的情况，完全符合现代工业生产的自动化、管理的科学化要求。系统 总体结构设计框图如图2 1 所示： 图2 1 总体硬件结构 7 所以，当现场需要进行沥青计量时，工作过程如下：上电加热，显示屏在线 显示温度，把温度控制在1 0 0 1 2 0 之间，沥青达到流动状态即可，超限报警并 自动断开加热装置。此刻，三个缸体的活塞同时将三只传感器顶起，接触罐底开 始称量：称量完毕，传感器降低，停止受力，这是基于提高计量精度和延长称重 传感器的使用寿命两方面的考虑。同时，采集的角度信号也经数模转换后送入单 片机进行处理，修正采集到的重量值，送入显示。 2 2 本课题的主要工作 ( 1 ) 进行整体设计。将软、硬件按实现的功能划分成不同的模块。根据本课 题设计任务要求，对温度、称重、倾角传感器、单片机和模数转换器进行选型。 ( 2 ) 设计包括电源电路、热电阻测量温度的恒流源电路、称重传感器和倾角 传感器的信号处理电路，d 转换电路、显示电路以及预留为网络传输用的通信 电路等构成系统的所有电路。 ( 3 ) 进行数据处理。包括称重数学模型与标度，和通过实验建立温度变化与 温度传感器输出电压之间的关系以及角度与电压数学模型。 ( 4 ) 硬件电路主要完成三路信号采集功能、数据显示、温度控制和温度报警 的功能，通过p r o t e l 画硬件电路原理图及p c b 图。用汇编语言按功能模块进行 单片机程序设计。 ( 5 ) 硬件电路的调试及仿真调试。首先对各部分电路进行实验、调试，调试 成功后，通过伟福( w a v e ) e 2 0 0 0 l 型仿真器进行系统的仿真调试，完成系统 的联调，使该系统能够正确、稳定的完成重量、温度数据的采集、处理、显示功 能，最后烧录芯片。 8 第三章硬件系统设计与分析 硬件部分设计主要是一个数据采集系统，包括被测量信息的获取、放大、变 换、接收、处理以及传输等环节。在本计量系统中，则包括温度、称重、倾角传 感器的选型，调理电路的设计，a d 转换电路的设计，c p u 的选型以及包括显示 电路、报警电路、控制电路等设计。 3 1 重量信号的采集与处理 传感、通讯、计算机技术构成现代信息的三大基础，8 0 年代是个人计算机， 9 0 年代是计算机网络，预计2 1 世纪第一个1 0 年热点很可能是传感、执行与检 测m i 。 传感器的作用主要是获取信息、是信息技术的源头。在信息时代肇，随着各 种系统自动化程度和复杂性的增加，需要获取的信息量越来越多，不仅对传感器 的精度、可靠性和动态响应要求越来越高，还要求传感器有标准输出形式以便和 系统连接。显然传统的传感器因其功能差，体积大，很难满足要求。发展高性能 的、以硅材料为主的各种先进传感器已成为必然。如谐振式、电容式、光电式、 和场效应化学传感器等。尽管它们的敏感机理不同，但其总的共同特点是向微型 化、智能化方向发展。是因近年来，微电子、微机械、新材料、新工艺的发展与 计算机、通信技术的结合创造出新一代的传感器与检测系统。 3 1 1 称重传感器的选择 称重传感器是电子称重的核心部件，它把重力转换成电信号。称重传感器从 原理上分有很多种，包括电阻应变式、压磁式、电容式、振弦式、电感式、核辐 射式等，但从准确度、重复性、经济性、使用方便等方面综合考虑，目前大量生 产的仍然是电阻应变式传感器。它在称重传感器中所占的比例达9 0 以上。电 阻应变式传感器近几年在性能上又有了提高，尤其在长期稳定性方面，它采用的 新技术有下列几种： ( 1 ) c a d 进行传感器的弹性设计。 ( 2 ) 采用蠕变补偿应变计。 ( 3 ) 用弹性模量温度补偿应变计。 ( 4 ) 采用新材料新工艺。 随着工业控制系统向数字化发展，近几年来数字式称重传感器也被开发和应 用。由于它直接输出数字量，大大提高了传输中的抗干扰能力，并使得与计算机 9 的通信极为方便。由于取消了仪表中的模拟放大、d 转换的环节，使仪表大为 简化。在计算机中显示和控制的场合，可以不用称重仪表。目前这种传感器大致 有两类：电阻应变式数字称重传感器和新型数字式称重传感器。 此外，用核辐射原理制造的核予皮带秤由于其不受皮带张力等影响，稳定性 好、维护操作方便，加上采用微机后，零点漂移、非线性都可以补偿，因而近几 年在我国矿山、煤炭、水泥等生产线上应用日益广泛，它的准确度为1 2 。 另外电容式传感器与微机结合后解决了非线性和温度补偿问题，也在称重领域中 得到了应用m 2 “。 新型的电子称量系统，大都使用传感器作为载重量度及转换f 1 9 1 。 本系统是较高精度、大重量的计量系统，要求使用精度高、性能稳定的力传 感器。力传感器通常以金属电阻应变片为敏感元件。它的基本原理是将应变片安 装在受力变形体上，将变形体产生的变形由应变片变换为电量，电量的大小在变 形体结构类型和材料确定的前提下，仅与材料受力的大小有关，从而实现力和电 量之间的转换。力传感器一般按检测对象分类，包括加速度传感器、荷重传感器、 扭矩传感器，位移传感器。在称重技术领域内，电阻应变称重传感器是迄今为止 应用最广的一种传感器。因为它具有较高的测量精度、测量范围广、结构简单等 特点。 在一般使用情况下，传感器的承受负荷不应超过传感器的额定负荷容量。在 一般情况下，应使其量程为额定负荷的1 5 0 左右。在有较大冲击的使用条件下， 传感器的量程为额受荷的2 倍左右1 1 9 j 。一般电阻应变传感器灵敏度可达3 m v v ， 即使使用负荷只有满量程的1 2 2 3 负荷时，传感器仍有1 - 5 2 m v v 的输出。 量程选择太小，不仅影响其性能，而且影响使用寿命。本系统要求最大称重量不 超过6 t ，所以选择三只量程为3 t 的称重传感器完全可以。本系统选用的是湖南 宇航传感科技公司生产的州l 型轮幅式称重传感器。 3 1 2 一w l 型称重传雅器的性熊参数 w l 型称重传感嚣外形如图3 1 所示，其尺寸如表3 1 所示，各项技术指标 如表3 2 所示： 图3 1 称重传感器 l o 表3 1 称重传感器尺寸 项目lb b 1 c 1 0 do d l 1 尺寸 5 81 1 21 0 0 8 09 2 8 5 1 5 表3 2 称重传感器技术指标 土非线 温度对 要性、滞蠕变输出绝缘允许 灵敏度 零点影 技后、重f f s 电阻电阻 供桥电压温度范围过负荷 ( m v v ) 响 术复性误 3 0 r a i n )( q ) ( m 0 ) ( v )( )( f s ) r f s 指 、 标 ( f s ) 数 2 2 50 0 30 0 3o 0 0 3 3 5 0 - + 3 = 3 0 0 0 1 0 ( d c a c ) - 2 0 一+ 6 0 1 2 0 值 o 0 50 0 50 0 5 3 1 3 称重传感器的安装 应变片在潮湿环境中受潮会使绝缘电阻下降，导致测量灵敏度降低，零漂增 大，甚至电桥不能正常平衡，无法投入工作。在水处理车间中，防潮、防腐显得 尤为重要。比较有效的处理方法是在传感器外表进行喷塑处理后，均匀涂上中性 凡士林，然后在不影响传力的情况下，为传感器设立一个防护外壳，要求防护外 壳既能防水、防尘又能通风。采用的三只湖南宇航公司生产的轮辐式称重传感器， 要安装在沥青罐底部，考虑到沥青罐常置于露天等环境较差的地方，而传感器接 触水或被腐蚀，极易影响测量精度，所以要密封安装。另外还考虑在传感器下部 安装一顶起装置，此装置是基于液压千斤顶的改造，即一个泵体，三个缸体。采 用手动作业，需要测量时其把传感器顶起，接触罐底开始称重；称量完毕，传感 器降低，使其不工作时停止受力。根据传感器的尺寸，底座的具体结构设计和尺 寸参数见附录c 。 3 1 4 称重信号的处理 由于本系统采用三个压力传感器，所以总重量应是三个结果相加之和，需将 各传感器转化后的模拟电压信号相加。又因信号是幅度很小的微伏级信号，很难 直接进行模数转换，因此又需要对这一模拟信号进行放大处理。然而，通用运算 放大器一般都具有毫伏级的失调电压和每度数微伏的温度漂移，显然不能用于放 大微弱信号。因此，在本设计中选用高精度的运算放大器o p 0 7 。 a d o p 一0 7 放大器有a 、d 、c 、e 各档，它的主要特征是增益和共模比缀高 ( 一般为1 0 0 d b ) ，而其失调电压和失调电流、温漂以及噪声又很小，其广泛地 应用于稳定积分、精密加法、比较、阀值电压检测、微弱信号精确放大等场合， 是一种通用性极强的运算放大器t l g l t 2 3 1 。 o p 0 7 电源电压范围为3 1 8 v ，输入电压范围为o - i - 1 4 v ，图3 2 为三 只传感器信号相加放大电路图。 圈3 2 重力信号输入电路图 但是本系统在试验时，由于条件有限，太大的熏量无法加载，所以此信号的 输入用0 - 1 0 v 的电位器代替三只压力传感器的输出。 3 2 角度信号的采集与转换 本系统主要是对沥青储罐重量的计量，并对重量的采集有一定的精度限制。 但是施工现场路面较不平整，势必会影响结果的精确性，故采用倾角传感器，测 量罐体倾斜角度，经过c p u 处理对三只称重传感器测量结果之和进行修正。 3 2 1 倾角传感器的选择 倾角传感器经常用于系统的水平测量，生产厂家和型号多种多样。从工作原 理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”式三种，它们各有所长。在 重力场中，固体摆的敏感质量是摆锤质量，液体摆的敏感质量是电解液，而气体 摆的敏感质量是气体。气体是密封腔体内的唯一运动体，它的质量较小，在大冲 1 2 击或高过载时产生的惯性力也很小，所以具有较强的抗振动或冲击能力。但气体 运动控制较为复杂，影响其运动的因素较多，其精度无法达到军用武器系统的要 求。固体摆倾角传感器有明确的摆长和摆心，其机理基本上与加速度传感器相同。 在实用中产品类型较多如电磁摆式，其产品测量范围、精度及抗过载能力较高， 在武器系统中应用也较为广泛。液体摆倾角传感器介于两者之间，但系统稳定， 在高精度系统中，应用较为广泛 2 4j 2 5 。考虑到现场罐体倾斜角度的范围、工作环 境、价格问题，以及前面选择的称重传感器输出的是模拟信号，故选用北京通磁 伟业传感器技术有限公司生产的型号为nw q 3 6 4 5 倾角传感器( 见图3 3 ) 。 w q 3 64 5 倾角传感器，它是利用固体摆结构， 可无触点的测量倾斜角度。具有体积小、灵敏度高、 寿命长，耐环境污染，抗振动等特点。特别适合用 于运动频繁的场合，可耐水，油，和各种恶劣环境。 应用与水平姿态角的测控，平面定位等需要。线性 量程为3 0 。，输出信号为模拟信号。 3 2 2 倾角传感器的信号转换 图3 3 倾角传感器 购买nw q 3 6 4 5 倾角传感器时配有l 一5 v 电压的 标准化输出变送器，倾角传感器也已调好，即零位输出电压为零。但本系统采集 的各路信号处理部分需集成在一起，所以需要找出倾角传感器输出电压与角度之 间的数学关系。但如果直接检测输出，电压随角度的变化不明显，因此对信号的 处理采用差动放大的方法。如图3 4 所示，将传感器的输出端接差动放大器的输 入端。实验时把传感器固定在一个平板上，转动平板使角度连续变化，用精密毫 伏表测量对应的输出电压值，反复试验，记录下几级数据。然后再放大使输出电 压满足后续a d 转换器的模拟电压输入范围。 此处理电路的放大器选用 a d 6 2 0 ，因为它价格低，并且具有 很高的精度( 最大非线性为 4 0 p p m ，最大值为5 0uv 的失调电 压，最大失调漂移为0 6uv ) 。 a d 6 2 0 只需一个外部电阻r 。( 管 脚l 和8 之间) 来设置l 1 0 0 0 的 增益1 2 6 1 ，实验时使用的是一只可 调电阻。 r g 3 3 测温电路设计与分析 图3 4 倾角传感器信号处理电路 3 3 1 温度传感器的选择 温度传感器从使用的角度大致可分为接触式和非接触式两大类，前者是让温 度传感器直接与待测物体接触，来敏感被测物体温度的变化，而后者是使温度传 感器与待测物体离开一定的距离，检测从待测物体放射出的红外线，从而达到测 温的目的。这阜我们首先介绍一下常用的温度传感器，然后对所选的温度传感器 作以简要的介绍。 3 31 1 常用的温度传感器介绍 在接触式和非接触式两大类温度传感器中，相比运用多的是接触式传感器， 非接触式传感器一般在比较特殊的场合才使用，这里先介绍接触式温度传感器。 目前在工业生产和科学研究工作得到广泛使用的接触式温度传感器主要有 热电式传感器，它是利用转换元件电磁参量随温度变化的特性，对温度与温度有 关的参量进行检测的装置，其中将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感 器，将温度变化转换为热电式变化的称为热电偶传感器i “1 1 2 7 i 。 热电阻传感器可分为金属热电阻式和半导体热电阻式两大类，前者简称热电 阻，后者简称热敏电阻。作为热电阻常用的材料有铂、铜、镍、铁等它必须具 有高温系数、高电阻率、化学、物理性能稳定、良好的线性输出特性以及良好的 工艺性等。常用的热电阻如p t l 0 0 、p t l 0 0 0 等，当然所有的热电阻都在一定的 测温范围内才能保证线性的输出特性。最为普遍的热敏电阻为负温度系数的，它 是种氧化物的复合烧结体，通常测温的范围为1 0 0 一+ 3 0 0 ，热敏电阻特性的 线性度不好，近年来发现和研制的某些半导体材料，在一定程度上解决了非线性 的问题。随着微电子、智能技术的发展，各半导体厂商陆续开发了数字式的温度 传感器，如d a l l a s 公司的d s l 8 8 2 0 ，m a x i m 公司的m a x 6 5 7 6 、m a x 6 5 7 7 ， a d i 公司的a d 7 4 1 6 等，这些芯片的显著优点是与单片机的接口简单，如d s l 8 8 2 0 该温度传感器为单总线技术，m a x i m 公司的2 种温度传感器一个为频率输出， 一个为周期输出，其本质均为数字输出，而a d i 公司的a d 7 4 1 6 的数字接口则 为近几年也比较流行的1 2 c ，这些本身都带数字接口的温度传感器芯片给用户带 来了极大的方便，用户可不考虑信号放大的问题、叫f 或纠d 转换的问题，在 一定的使用领域受到用户的青睐，但这类器件的最大缺点是由于敏感元件的材料 是一：氧化硅，因此测温的范围太窄，一般只有5 5 + 1 2 5 ，而且温度的测量精度 都不高，好的才0 5 ，一般有2 左右，因此在高精度的场合不太满足用户 的需要1 2 2 1 1 2 8 1 。 热电偶是目前接触式测温中应用也十分广泛的热电式传感器，它具有结构简 单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传等优点。 1 4 常用的热电偶材料有铂铹铂、铱铹铱、镍铁一镍铜、铜一康铜等，各种不同材料 的热电偶使用在不同的测温范围场合。热电偶的使用误差主要来自于分度误差、 延伸导线误差、动态误差以及使用的仪表误差等【2 7 i 。 一i - - 面再简要介绍一下非接触式温度传感器，非接触式温度传感器主要是被测 物体通过辐射能量来反映物体温度的高低，这种测温方法可避免与高温被测体接 触，测温巧i 破坏温度场，测温范围宽，精度高，反映速度快，即可测近距离小目 标的温度，又可测远距离大面积目标的温度。目前运用受限的主要原因一是价格 相对较贵，二是非接触式温度传感器的输出同样存在非线性的问题，而且其输出 受与被测量物体的距离、环境温度等多种其它因素的影响。 33 1 2 温度传感器的选择 铂电阻温度传感器，因其测量范围大，测温电阻误差小，复现性好，稳定性 强等特点而被广泛的应用于高精度的温度检测设备中。由于本课题的任务要求测 量的范围为0 。c 1 2 0 c ，测量的精度为0 5 ，综合价格以及后续的电路，决定 采用线性度相对较好的p t l 0 0 作为本课题的温度传感器，具体的型号为w z p 2 3 0 普通型铂热电阻，其测量范围从2