油库安全监测系统传感器设计八(电容式液位传感器设计)

西安石油大学本科课程设计II课程设计课程《安全检测技术》课程设计题目油库安全监测系统传感器设计八（电容式液位传感器设计）电子工程学院安全工程专业安全1002班学号201005040224学生指导老师徐竟天二○一三年六月西安石油大学本科课程设计II《安全检测技术》课程设计任务书题目油库安全监测系统传感器设计八（电容式液位传感器设计）学生姓名学号201005040224专业班级安全1002班设计内容与要求课程设计主要完成某油库安全监测系统硬件设计中电容式液位传感器的选型、应用及接线等。要求运用已学过各类传感器的知识，完成安全监测系统中传感器的原理、选型、厂家产品参数、接线等内容，将书本传感器的理论知识与厂家具体产品对应起来，使得可以真正理论联系实际。要求熟悉相关传感器的原理与硬件结构，学会计算机监测系统硬件设计的步骤和方法，具有初步设计小型计算机安全监测系统硬件方案中传感器部分的能力。课程设计内容及基本要求如下：1.熟悉油库工艺流程、监控目标及监控要求。2.学会常用的各种传感器（温度、流量、压力、液位等）参数及使用，了解其工作原理。3.课程设计中以电容式液位传感器为主，详细介绍所选液位传感器的工作原理、硬件组成、测量电路、使用时的注意事项。详细介绍所选液位传感器的厂家产品参数、接线、特点等参数。4.完成监测系统硬件方案设计，画出原理图。5.课程设计时间一周，完成课程设计报告。起止时间2013年6月17日至2013年6月23日指导教师签名年月日系（教研室）主任签名年月日学生签名年月日西安石油大学本科课程设计-1-第一章绪论1.1油库油库指用以贮存油料的专用设备，因油料具有的特异性用以相对应的油库进行贮藏。油库是协调原油生产、原油加工、成品油供应及运输的纽带，是国家石油储备和供应的基地，它对于保障国防和促进国民经济高速发展具有相当重要的意义。油库是油气运输过程中的一个重要环节，它直接关系到外输原油的质量，其工艺特点是系统关联紧密、操作规程严格、系统运行状况复杂多变且系统过程中流程多变。所以采用计算机监控系统对其工艺过程进行实时监控可以有效的提高生产率、减少事故发生率、降低工人的劳动强度。随着石油工业的进步和石油战略地位的不断提高，油库的安全也越来越重要。本课程设计根据课程设计指导书以及相关资料，运用智能模块，组态王能软件系统，设计和绘制油库监控系统和工艺流程图。1.2油库的分类1、按油库的管理体制和经营性质可分为独立油库和企业附属油库两大类。独立油库是指专门从事接收、储存和发放油料的独立经营的企业和单位。企业附属油库是工业、交通或其它企业为满足本部门的需要而设置的油库。2、按主要储油方式可分为地面（或称地上）油库、隐蔽油库、山洞油库、水封石洞库和海上油库等。地面油库与其他类型油库相比，建设投资省、周期短，是中转、分配、企业附属油库的主要建库形式，也是目前数量最多的油库3、油库还可按照其运输方式分为水运油库、陆运油库和水陆联运油库；按照经营油品分为原油库、润滑油库、成品油库等4、油库按照油罐的总容积划分为小型油库，其容积为一万立方米以下，中型油库其容积为一万至五万立方米，大型油库其容积为五万立方米以上。国外对大型石油石化公司的“低成本战略”进行了全方位、多角度的综合分析，并提出了适合我国石油石化工业国情的“低成本战略”。美国政府早在二战时期就有国家战略石油储备的构想，但直到20世纪70年代“石油危机”发生后，美国的战略石油储备才开始正式建立。70年代前期，阿拉伯国家以石油为武器对西方国家实施禁运，导致美国国内石油产品供应紧缺，价格飞涨，最终使美国经济陷入长时期的严重衰退。美国前总统福特于1975年12月22日签署了《能源政策和储备法》，其中最重要的内容之一就是决定建立战略石油储备，目的是为了在此后发生类似事件时，可以对美国能源市场起到保护和缓冲作用。美国政府从1977年7月21日正式开始储备石油，当时决定的储备目标是10亿桶，后来最终形成的储备能力为7亿桶。美国战略石油储备全部集中在得克萨斯和路易斯安那两个州沿海地区的一些储备点，主要出于以下考虑：一是安全性高。美国的战略石油均储藏在地下610米至1200多米深的巨型盐洞中，这些盐洞足够容下原来的纽约世贸双塔。如此深度可以防御任何人为和战争的破坏。有效防止战争破坏是最重要的考虑之一。如果不能防止军事打击，战略石油储备就可能形同虚设。西安石油大学本科课程设计-2-二是运输方便。该地区有利于石油通过海上运输线迅速运抵美国本土并进入储备。一旦需要，也可以通过发达的地下输油管道、高速公路网及海上通道运往美国各地以满足国内市场所需。三是加工方便。墨西哥湾一带是美国最重要的石油生产和加工基地，生产设施完备，需要时战略储备石油可以迅速加工成产品。四是储藏成本低。据计算，美国在地面建设油库储备石油每桶成本大约为15美元至18美元，开凿山体岩洞储油每桶成本更高达30多美元，而在墨西哥湾沿海地区的地下盐层利用先打深井、再注水溶化盐层形成地下洞穴的方式储油，每桶成本只有1.5美元。然而对于油库罐区检测及监控技术，国外发达国家起步较早，研究投入较多，已有先进的自动化检测和监控技术。我国非常丰富的石油资源，是今后一个时期内国民经济发展的重要因素之一，无论是开发利用国内石油资源，还是利用国外石油资源，它们都离不开储备油库。在石油价格飙升的带动下，目前全国范围内压缩石油的需求也在急剧上升。石油在城市中的应用越来越广泛，使得许多城市的油库建设成为重点。由于技术的原因，目前我国城市用油以城市加油站为主。在现在加油站不断增多的情况下，要求有更多的油库尽快建成。全国各省市地方也在积极地兴建新的油库，改进油库建设技术，发展油库，保证油库安全，这些都显的极为重要。国内外油库建设技术领域的专家学者就油库设计开发应用前景及合作已进行了很长时间的研究。有关专家认为，管道局与国内外压缩机生产、科研及技术服务等单位的合作，必将推动油库建设效率、高稳定性、高信息化、高科技含量和高附加值的方向发展。1.3油库的总体布局油库分为东罐区和西罐区，其中，东罐区共有9个储油罐，罐区值班室1个，油泵房1个（1#泵房），共安装11台油泵。西罐区共有21个储油罐，2个罐区值班室，2个油泵房（2#、3#泵房），其中2#泵房安装10台油泵，3#泵房安装5台油泵。油料码头有两个油料收发口，与油轮直接连接进行汽油、柴油、航油等油料的收发作业，汽油、柴油发油口能通过流量计分别计量。另外，油库已经实现了汽车油罐车、火车油罐车的自动计量和发油数据的计算机管理。布置原则如下：（1）便于收发作业；（2）库内油品应尽量做到单向流动，避免在库内往返交叉；（3）合理分区，以便各种作业安全生产，避免非生产人员来往于工作区域，特别是储油区和装卸区；（4）库内布置的各种设施，必须符合防火、卫生等有关设计规范，确保油库安全。同时应力求布置紧凑，减少用地；（5）变配电间及锅炉房等辅助设施要尽量靠近主要用电、用气单位，以节省投资和经营费用。西安石油大学本科课程设计-3-图1-3油库的工艺流程图1.4计算机监控目标及要求计算机监控技术时一门综合性的技术。他是计算机及技术（包括软件技术，接口技术，通信技术，网络技术，显示技术）、自动控制技术、自动检测技术和传感技术的综合应用。任何一个计算机监控系统的设计与开发基本上由六阶段组成的。既：可行性研究、初步设计、详细设计、系统设施、系统测试和系统运行。当然，这六个阶段并不是完全按照直线顺序进行的。在任何一个阶段出现了问题都可以返回到前面的阶段进行修改。所谓计算机监控就是利用传感器装置将被监控对象中的物理参量（如温度、压力、流量、液位、速度）转换为电量，并且在计算机的显示装置中以数字、图形或曲线的方式显示出来，从而时操作人员能够直观而迅速的了解被监控对象的变化过程。通过应用计算机监控技术，可以稳定和优化生产工艺，提高产品质量，降低能源和原材料的消耗，降低生产成本。还可以降低劳动这的强度，并且提高管理水平，从而带来极大的社会效益。正因为如此计算机监控技术以在各个领域都有所发展。计算机监控系统可以由一下几个部分组成：计算机（含可视话的人机界面）、输入输出装置（板卡），监测、变松机构。设计原则有可靠性原则、使用方便原则、开放性原则、经济性原则、开发周期短原则。图1-4就是一个典型的计算机测控系统组成原理图。西安石油大学本科课程设计-4-1.5总体设计布局系统的总体设计是进入实质性设计阶段的第一步，也是最重要和最关键一步，起总体设计过程图如图1-5.1.6系统I/O点数统计根据油库的流程图，先要列出统计出系统的I/O点数，系统的I/O点数如表1-6a所示.系统I/O点数通过列表的形式列举如下表。西安石油大学本科课程设计-5-在详细设计完I/O点数后，还要列些每个点的参数表，参数表中每一个值都必须与现场完全对应,得到下表1-6b。西安石油大学本科课程设计-6-第二章电容式传感器原理和选型2.1引言电容式传感器利用了非电量的变化转化为电容量的变化来实现对物理量的测量。电容式传感器广泛用于位移、振动、角度、加速度等机械量的精密测量，并正逐步扩大到压力、差压、液面（料位）、成分含量等方面的测量。电容式传感器具有以下几个特点：1）机构简单，体积小，分辨力高；2）可实非接触式测量；3）动态效应好。电容式传感器的固有频率很高，因此动态效应时间短，且其介质耗损小，可使用较高的工作频率，可用于测量高速变化的参数；4）温度稳定性好。它本身发热量极小；5）能在高温、辐射和强振动等恶劣条件下工作6）电容量小，功率小，输出阻抗高，因此，负载能力差，易受外界抗干扰产生不稳定现象。2.2电容式液位传感器的结构.电容式传感器是把被测的非电量转换为自身电容量变化的一种传感器。这些被测量是用于改变组成电容器的可变参数而实现其转换的。电容式传感器的基本工作原理可以用最普通的平行极板电容器来说明。两块相互平行的金属极板，当不考虑其边缘效应（两个极板边缘处的电力线分布不均匀引起电容量的变化）时，西安石油大学本科课程设计-7-dAC其电容量为：（1）公式中——电容极板间介质的介电常数；A——两平行板所覆盖的面积；d——两平行板之间的距离。因此只要改变其中的一个参数，就会引起电容量的变化，根据这一电容结构关系可构成变极距电容传感器，变面积型电容传感器和变介质型传感器、用于测量液位的电容式传感器。是利用容器中的物料为恒定的介电常数时，极间电容正比于液位的原理而构成的，并应用电子学方法测量电容值，从而探测液面位置信息。特点是液位测量只与电容结构有关，与物料的密度无关根据这一特点，可采用圆筒形结构构成变面积型的液位传感器，这种传感器结构的探头是由这两个电极极板构成，通过气、液或料相介质的高度不同引起极间电容改变来探测物面位置的。其结构十分简单轻巧，便于安装、维护与使用。电容式液位传感器的电极结构有3种。第一种适用于导电容器中的绝缘液体的液位测量，且容器为立式圆筒形，容器壁为一极，沿轴线插入裸金属棒作为另一极电极，其间构成的电容CX与液位成比例，也可悬挂带重锤的软导线作为电极。第二种适用于非金属容器，或虽为金属容器但非立式圆筒形，液体为绝缘性的，这时在棒状电极周围用绝缘支架套装金属筒，筒上下开口，或整体上均匀分布多个孔，使内外液位相同。中央圆棒及与之同轴的套筒构成两个电极，其间电容和容器形状无关，只取决于液位，这种结构的物位传感器最适合于液位测量，对于粉粒测量容易产生滞留物在极间。第三种用于导电性液体，其形状和位置和第一种一样，但中央圆棒电极上包有绝缘材料，电容CX是由绝缘材料的介电常数和待测液位高度决定的，与液体的介电常数无关，导电液体使筒壁与中央电极间的距离缩短为绝缘层的厚度，液位升降相当于电极面积改变。2.3电容式液位传感器的工作原理西安石油大学本科课程设计-8-dDCln2122dDHHCln21011dDln122101120ln2HCdDC1120112101ln