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商丘师范学院学士学位毕业设计

200X届本科毕业设计

智能化铁路罐车液位测量系统的设计

姓 名： A A A

系 别： 物理与信息工程系

专 业： 电子信息工程

学 号： ********

指导教师： XXX

200X年1月10日
4

目 录

摘要与关键词……………………………………………………………………………………………II
0 引言 ………………………………………………………………………………………………………1
1 工作原理 …………………………………………………………………………………………………1
1.1 液位高度测量的基本原理 ………………………………………………………………………1
1.2 电容式差压传感器的工作原理 …………………………………………………………………1
1.2.1差动电容的等效关系 ……………………………………………………………………1
1.2.2 压力-电容特性 ……………………………………………………………………………2
2 测量系统的总体结构设计 ………………………………………………………………………………2
2.1 系统框图 …………………………………………………………………………………………2
2.2 系统C/U转换电路的设计 ……………………………………………………………………2
2.3 单片机系统电路设计 ……………………………………………………………………………3
2.4 温度补偿电路的设计 ……………………………………………………………………………3
3 实验结果…………………………………………………………………………………………………3
4 结语………………………………………………………………………………………………………3
参考文献…………………………………………………………………………………………………4
致谢………………………………………………………………………………………………………4

智能化铁路罐车液位测量系统的设计

摘 要
设计了一种智能化铁路罐车液位测量系统。系统采用电容式差压传感器来获得罐车内液体的高度，采用热敏电阻器作为温度探测元件对系统进行温度补偿。传感器的输出通过C/U转换电路及A/D转换后输入单片机进行数据处理显示罐车内液位的高度。实验表明：测量系统的分辨力达到1 mm，测量误差不大于±5mm。该系统对于液位的测量具有较高的精度，可以实现铁路罐车液位测量的自动化。

关键词
测量系统；电容式差压传感器；液位测量；温度补偿

Design of intelligent system for liquid level
measurement of railway tanker

Abstract
An intelligent system for liquid level measurement of railway tankers is designed. The system applies the capacitive differential pressure sensors to obtain liquid height of the tankers, it uses thermistor as a temperature probe to provide temperature compensation for the system，sensors output data is processed by computer after C/U conversion circuits and A/D conversion, it can show the liquid height in tankers. The experiment results show the resolution of measuring system is 1 mm and the error of liquid level is ±5 mm. The system has higher accuracy for liquid level measurements, and the system can realize the automated measurement for liguid level of railwav tankers.

Keywords
measuring system; capacitive differential pressure sensors; liquid level measurment; temperature compensation
0 引言
在我国半数以上的液体运输由铁路罐车完成[1]。罐车液体液位测量的目的，一是正确测定储罐中物料的储量，以便合理调用或进行经济核算；二是控制罐车的装载量确保运输过程的安全，为铁路安全运输提供技术保障。目前，人工检尺查表法是国内普遍采用的铁路罐车物料交接计量方法，该方法主要靠人手工操作，对操作人员的安全防护有较高的要求，同时，测量结果受人为因素影响较大，交接双方容易引起争议，影响各单位内部的经济核算和经济效益。所以，进行智能化测试仪器及方法的研究，改变手工操作的落后局面是非常必要的。本文设计了一种罐车液位的智能化测量系统，系统采用电容式差压传感器作为检测器件用热敏电阻器作为温度探测元件测量温度，设计C/U及A/D转换电路，用单片机对数据进行处理及补偿修正，使测量系统实现智能化、数字化和高精度。
1 工作原理
1.1 液位高度测量的基本原理
通过液体产生的静压实现液位测量是液位测量的重要方法之一[2,3]。液体的静压强可以表示为
(1)
由静止液体的帕斯卡定理可得对于容器中两点A，B有
(2)
(3)
式中：h为液位高度，m；Δp为压差，Pa；ρ为液体密度，kg·m-3；g为重力加速度，m·s-2。
……
1.2 电容式差压传感器的工作原理
1.2.1 差动电容的等效关系
如图2所示[4]，在无差压时，动极板两侧初始电容皆为C0；有差压时，动极板变形到虚线位置，它与初始位置间的假想电容用CA表示。虚线位置与低压侧定极板间的电容为CL，与高压侧定极板间的电容为CH。这4个电容C0、CA、CL、CH之间有图2(b)的等效关系。

(a)差压作用时电容的变化 (b)电容等效关系
图2差压作用时电容的变化及等效关系
因此，按串联电容公式可写出
，. (8)
并可推导出下列结果
, (9)
式中：K1为与差动电容相关的系数…
……
1.2.2 压力-电容特性
由于电容式传感器的结构特点，导致压力-电容关系的非线性…
……

图4 压力-电容关系曲线
……
2 测量系统的总体结构设计
2.1 系统框图
罐车液位智能化测量系统总体结构如图5所示。
液位变化
数字显示
单片机
T/U转换

A/D转换
C/U转换
电容变化
差压变化
温度变化
单片机
A/D转换
C/U转换

图5 罐车液位测量系统框图
图中，液位的变化通过电容式差压传感器转换成电容变化[4,5]，温度变化由热敏电阻器作为温度探测元件来实现…
……
2.2 系统C/U转换电路的设计
图6为电容式差压传感器转换电路图[6]。

图6 C/U转换原理图
图中，C1、C2分别为传感器的差动电容…
根据转换要求，C1、C2选用1µF/10V，运算放大器选用LM741…
……
2.3 单片机系统电路设计
单片机测试系统电路由A/D转换芯片、单片机和显示部件组成[7]。根据本系统测量高度范围为0~3m、误差小于±5mm的设计要求，选用MCl4433双积分型A/D转换器作为A/D转换芯片(也可用国产5G14433 A/D转换芯片)，AT89C51单片机作为本系统的处理单元，显示部分选用4位LCD静态驱动芯片ICM7211AM。本系统采用MCl4433与AT89C51单片机Pl口直接相连的硬件接口…
……
2.4 温度补偿电路的设计
设计了温度补偿措施，解决由于温度变化引起的液体密度变化所产生的液位测量误差，设计了T/U转换电路，并利用单片机对由于温度变化产生的误差以软件的形式进行线性补偿与校正。图8为温度转换电路。

图8 T/U转换电路
由于热敏电阻器特性的非线性，需要设计电路参数使电路线性化。温度与输出电压的线性化方程为
(12)
……
温度补偿电路中，电阻R1大小为10kΩ…
……
3 实验结果
实验装置采用模拟3m高罐车，在罐体的底部安装一电容式差压传感器，传感器与电路及数据处理系统相连，实验介质采用蒸馏水。实验在室温条件下进行，液位测量的实验结果（共测试5组）如表2所示。
表2 液位测试结果
标称值/mm
测量值/mm
1
2
3
4
5
300
303
298
302
298
299
600
596
598
601
600
597
900
902
898
904
903
896

根据表2所示测试结果可以得出：液位测量分辨力为1mm；液位测量误差不大于±5 mm…
……
4 结语
实验数据表明：该液位测量系统的分辨力达到l mm；测量误差不大于±5 mm。该系统的电路具有高精度、低成本、数字化、智能化等特点，能够实现铁路罐车液位测量的智能化。但系统仍存在以下问题：
1)虽然采用电容式差压传感器，温度对电容量的影响很小，温度对罐体的影响及温度分布不均匀仍然决定了温度对测量结果的影响…
……

参考文献
[1] 苗德霖.铁路罐车容积及液体重量计量的问题与对策[J].铁道技术监督，2001(08)：32-36.
[2] Kenneth W，Richarmond M. Automatic tank gauges can be used for custody transfer[J]. Oil ＆ Gas Journal，1989(13)：8l-86.
[3] 赵玉珠.测量仪表与自动化[M].东营：石油大学出版社，1997.
[4] 王家帧，王俊杰.传感器与变送器[M].北京：清华大学出版社，1996.
[5] 姜德生，罗世升.油罐车光纤液位传感系统的研究[J].中国铁道科学，1999(02)：92-100.
[6] 黄贤武.传感器实际应用电路设计[M].成都：电子科技大学出版社，1997.
[7] 何立民.单片机应用技术选编[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.
[8] 杨跃权.一种液位测量补偿方法及实现[J].仪表技术与传感器，1997(05)：23-25.
[9] ……
[10] ……
……

致 谢
本设计是在xxx老师的精心指导下完成的。从选题到完成的整个过程中，得到了……表示深深的敬意和……
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