油库安全监测系统传感器设计八（电容式液位传感器设计）

I 西安石油大学本科课程设计

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

I

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《安全检测技术》课程设计任务书

题 目 学生姓名 油库安全监测系统传感器设计八（电容式液位传感器设计） 学号 201005040224 专业班级 安全1002班 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。 设 计 内 容 与 要 求 起止时间 指导教师签名 系（教研室）主任签名 学生签名

2013年6月17日 至 2013年6月23日 年 月 日 年 月 日 年 月 日 II

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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，

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其电容量为：

C? 公式中

?Ad （1）

?—— 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

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导电液体电容式传感器主要利用传感器两电极的覆盖面积随被测液体液位的变化而变化，从而引起电容量变化的关系进行液位测量，属于面积变化型电容传感器。

以图1（a）为例 设导电容器直径为D，中央电极直径为d，上部空气的介电常数为ε1，下部液体的介电常数为ε2,电极总长为H0，浸没在液体中的长度为H1，则根据同心圆筒状电容的公式可写出空气部分的电容数学模型为：

?H?2??10?H1C1? ? D ? （2）

ln???d? 液体部分的电容为：

C2?2??2?1?D?ln???d? （3）

如果忽略杂散电容及端部的边界效应后，则两电极间的总电容为： CX?C1?C2

??21?0??122H12???? ??1?0?2?1?1 = DDD??????lnlnln?????? ddd??????

????????

2???C0??2??1?1?C0??H1 ? D ?ln??d?? (4)

其中：CX表示被测电容；

C0为初始电容，液体为零时测出的电容，这个电容可以在初始标定时消

除；

?1表示被测液位的高度; ?2???2??1?? 表示传感器的灵敏度； ?D?

ln???d?- 8 -

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电极包有绝缘层后，若与容器同心安装，则如图2所示，其中图2为结构图，

设电极绝缘层的直径为D1，容器直径为D，电极直径为d，各电容值的介电常数见图示：其中，电极绝缘层电介质的介电常数为?1，液体电介质的介电常数为?2 空气电介质的介电常数为?3。等效电路中的 C1表示与液位无关的杂散电容 ，C2表示空气部分的电极绝缘层为电介质的电容，其值为：

???2??10??1 C (5) 2?D1??ln?? ?d?

C3 表示在空气介质的电介质的电容，其值为：

C4 表示液体中电极绝缘层为电介质的电容，其值为：

C4?2??1?1 (7) ?D1?ln???d?

???2??30??1 (6) C3??D?ln??1??D

C5 表示被测液体为电介质的电容，其值为： 2??2?1 (8) C5??D?ln??- 9 - ?D1? 西安石油大学本科课程设计

由图2（b）可知，C2与 C3是串联关系，C4与C5也是串联关系，将这

两个串联电路又与C1并联,故得：

C2C3C4C5CX?C1???C1?C2?C3C4?C52??2?3?01??D??D?1ln????3ln??1??D?d?

?D?2?2??1??2??3ln?? 1??D??1DD1DD1 ? ? 1 ln ? ? 3 ln ? ? ? 1 ln ? ? 2 ln ? (9) ????D1d?D1d????C0?K1H1对于确定的介质而言，式中的C0为前两项的常数和，可以看作不变的初始电容，而第三项可看作是灵敏度K1与H1之积，当容器中的液体为导电介质时，C5=0，则：

D??22??1ln??2??1?3?0D1??CX?C1???1DD1DD1??????D?1ln??3ln?1ln??3ln?ln?????D1d1d1?????D?D?C0?K'?1 （10）

由以上分析可得,测量两种液体间的界位时，果均为不导电液体，采用裸露电极。若其中有一种为导电液体，就必须用包绝缘层的电极，式（3）和（8）都是测量不导电的液位值，其灵敏度与两种介电常数的差成正比，因此，当两种液体的密度相同，而介电常数相差很大时，采用电容法则更有价值。具有粘性的导电介质的液体即使采用绝缘层的电极，会产生挂料现象，使测量误差较大，不能得到满意的真实液位的测量结果。

2.4测量电路设计

2.4.1测量电路

本设计采用二极管T形网络（双T电桥）如下图所示。

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D1R2R1BD2AeC1C2RL（a）

R1R2E+-C1I1RLI2C2（b）

R1R2I2'I1'C1+-RL-+EC2(c)

它是利用电容器充放电原理组成的电路。其中e是高频电源，提供幅值电压为E的对称方波；C1和C2为差动电容传感器；D1和D2为两只理想二极管；R1和R2为固定电阻，且R1=R2；RL 为负载电阻（或后接仪器仪表的出入电阻）。

该电路的工作原理如下：当电源为正半周时，二极管D1导通而D2截止，其等效电路如图（b)所示。此时电容C1很快充电至E，电源e经R1以电流I1向负载RL供电；与此同时，电容C2经R2和RL放电，放电电流I2(t)。流经RL的电流IL(t)是I1和I2(t)之和，他们的极性如图（b）所示。当电源e为负半周时，二极管D2导通而D1截止，其等效电路如图（c)所示。此时电容C1很快充电至E，电源e经R1以电流I1向负载RL供电；与此同时，电容C2经R2和RL放电，放电电流I2(t)。流经RL的电流IL(t)是I1和I2(t)之和，他们的极性如

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图（c）所示。

利用电路分析可以求得电源e的负半周内电路的输出为：

IL'(t)?E(1?e?t/??)R?RL R(2RL?R)C1R?RL

式中，

???为电容C1的放电时间常数。

同理，在电源e的正半周期内电路的输出为

IL(t)?E(1?e?t/??)R?RL R(2RL?R)C2RL?R

式中，

???为电容C2的放电时间常数。 由此可得输出电流的平均值

为

?1IL??[IL'(t)?IL(t)]dtTT1E?[(1?e?t/??)?(1?e?t/??)]dt?TR?RL01R?2RL?Rf(C1?C2?C1e?k1?C2e?k2)T(R?RL)

式中，f为电源e的频率；k1、k2为系数，

R?RLRfC1(R?2RL)R?RLk2?RfC2(R?2RL) k1?输出电压的平均值

为

U0?ILRL

适当选择电路中元件的参数以及电源频率f，则上式中指数项所引起的误差可以小于1%。

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U0?ILRL?R(R?2RL)RLEf(C1?C2)(R?RL)2?2kEf?C??C

式中，k为常数，

k?R(R?2RL)RL2(R?RL)

为电容传感器测量时的电容变化量。

2?C?C1?C2

二极管T形网络电路特点： （1）e，C1 ，C2接地 ；

（2）工作电平高，D1 ，D2工作在线性区灵敏度与电源幅值和频率有关； （3）输出电压高；

（4）输出阻抗与C1 、C2无关，与R1 ，R2同数量级，可用mA或?A表直接测量；

（5）RL影响电容放电速度，宜小些，RL＝1k?时，上升时间20?s，可测量动态信号 。 2.4.2整流电路

将模拟电压转化为数字信号所用的转换芯片为ADC0809，它仅能将单极性电压转换为数字量，所以我们将测量电路转换后的电压先经整流电路、滤波器和稳压电路将输入电压变为单极性电压供给放大电路。

U2MC7805TJ1Vm22D112CON2C1330uf4C70.1ufC2330ufC8D20.1ufLED+5VR11KEGND13

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2.4.3放大电路

由于从传感器得出的电压一般在0~30mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进行放大，如图4-3所示，采用最基本的比例运算反放大电路.

图4-3放大电路

要将30mV电压放大成10V，根据公式U=-（R1/R2）Uo,所以选择R1=1000K,R2=6K，R4=R1//R2后边的是一个反相器，把第一个运放得到的电压反相成正的，其中R3=R5=2K,R6=R3//R5。

2.5机械结构参数的影响

2.5.1结构参数

从公式与分析方法中可以看出：传感器的电容量是结构参数的函数，温度的变化会引起内外圆筒直径的变化，从而引起电容量的变化，导致测量误差，所以，选用制作电容的材料的线膨胀系数应足够小，如，选用铝合金材料，线膨胀系数为23．0 xl0 ／℃ ，可以满足使用要求；如果采用合适的非金属材料，其变形系数会更小。在高精度要求的场合下，还可以通过测量温度，进行温度修正，以达到更高的测量精度。

为了减小加工和装配对电容量与液位关系的影响，应尽量提高加工精度，保证二圆筒的直径精度，特别是装配时要保证二筒轴线的平行度。 2.5.2测量电路的影响

由于测量电路电缆存在分布电容，这种即使每米几pF的影响要获得高的测量精度也是不能接受的。因此，在使用屏蔽电缆防止引入干扰的同时，还应采取驱

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第三章 几种常见的传感器

3.1 温度传感器 数字温度传感器DS18B20介绍

3.1.1、DS18B20的主要特性

1.1、适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电

1.2、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯

1.3、DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温

1.4、DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内

1.5、温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃1.6、可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温

1.7、在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快

1.8、测量结果直接输出数字温度信号，以\一线总线\串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力

1.9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 3.1.2、DS18B20的外形和内部结构

DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如下图1:DS18B20引脚定义：

(1)DQ为数字信号输入/输出端；(2)GND为电源地；

(3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

图2：DS18B20内部结构图 3.1.3、DS18B20工作原理

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数

因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。DS18B20测

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温原理如图3所示。

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

图3：DS18B20测温原理框图

DS18B20有4个主要的数据部件： （1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

（2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

表1:DS18B20温度值格式表

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃

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的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。 表2:DS18B20温度数据表

（3）DS18B20温度传感器的存储器

DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。（4）配置寄存器

该字节各位的意义如下： 表3：配置寄存器结构

低五位一直都是\，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）

3.2. 热电阻温度传感器

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西安石油大学本科课程设计 热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进

行

测温的一种传感器温度计。热电阻温度传感器分为金属热电阻和半导体热敏电阻两大类。热电阻广泛用于测量-200~+850°C范围内的温度，少数情况下，低温可测至1K，高温达1000°C。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，热电阻也可以与温度变送器连接，将温度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，输出最好呈线性，物理化学性能稳定，复线性好等。图3-1为目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻

图3-1热电阻有铂热电阻和铜热电阻 3.2.1 工作原理

目前热电阻的引线主要有三种方式

二线制：在热电阻的两端各连接一根导线来引出电阻信号的方式叫二线制：这种引线方法很简单，但由于连接导线必然存在引线电阻r，r大小与导线的材质和长度的因素有关，因此这种引线方式只适用于测量精度较低的场合 三线制：在热电阻的根部的一端连接一根引线，另一端连接两根引线的方式称为三线制，这种方式通常与电桥配套使用，可以较好的消除引线电阻的影响，是工业过程控制中的最常用的。 四线制：在热电阻的根部两端各连接两根导线的方式称为四线制，其中两根引线为热电阻提供恒定电流I，把R转换成电压信号U，再通过另两根引线把U引至二次仪表。可见这种引线方式可完全消除引线的电阻影响，主要用于高精度的温度检测。

3.2.2 选型须知

1) 型号 2) 分度号 3) 精度等级 4) 热电偶点数 5) 安装固定形式

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6) 保护管材质 7) 长度或插入深度

例：多点热电偶， K 型， 3 点。 L 级，固定螺纹 M27X2,L 1 = 1200,L 2 =1500,L 3 =2000, WRN-220D3I 级 L 1 =1200,L 2 =1500,L 3 =2000, 螺纹 M27x2

3.2.3 影响测量的因素

插入深度

热电偶测温点的选择是最重要的。测温点的位置，对于生产工艺过程而言，一定要具有典型性、代表性，否则将失去测量与控制的意义。热电偶插入被测场所时，沿着传感器的长度方向将产生热流。当环境温度低时就会有热损失。致使热电偶温度传感器与被测对象的温度不一致而产生测温误差。总之，由热传导而引起的误差，与插入深度有关。而插入深度又与保护管材质有关。金属保护管因其导热性能好，其插入深度应该深一些，陶瓷材料绝热性能好，可插入浅一些。对于工程测温，其插入深度还与测量对象是静止或流动等状态有关，如流动的液体或高速气流温度的测量，将不受上述限制，插入深度可以浅一些，具体数值应由实验确定。[1]

响应时间

接触法测温的基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。因此，在测温时需要保持一定时间，才能使两者达到热平衡。而保持时间的长短，同测温元件的热响应时间有关。而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件，差别极大。对于气体介质，尤其是静止气体，至少应保持30min以上才能达到平衡;对于液体而言，最快也要在5min以上。对于温度不断变化的被测场所，尤其是瞬间变化过程，全过程仅1秒钟，则要求传感器的响应时间在毫秒级。因此，普通的温度传感器不仅跟不上被测对象的温度变化速度出现滞后，而且也会因达不到热平衡而产生测量误差。最好选择响应快的传感器。对热电偶而言除保护管影响外，热电偶的测量端直径也是其主要因素，即偶丝越细，测量端直径越小，其热响应时间越短。

热阻抗增加

在高温下使用的热电偶温度传感器，如果被测介质为气态，那么保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在表面上，使保护管的热阻抗增大;如果被测介质是熔体，在使用过程中将有炉渣沉积，不仅增加了热电偶的响应时间，而且还使指示温度偏低。因此，除了定期检定外，为了减少误差，经常抽检也是必要的。例如，进

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口铜熔炼炉，不仅安装有连续测温热电偶温度传感器，还配备消耗型热电偶测温装置，用于及时校准连续测温用热电偶的准确度。

热辐射

插入炉内用于测温的热电偶温度传感器，将被高温物体发出的热辐射加热。假定炉内气体是透明的，而且，热电偶与炉壁的温差较大时，将因能量交换而产生测温误差。一般情况下，为了减少热辐射误差，应增大热传导，并使炉壁温度尽可能接近热电偶的温度。另外，热电偶安装位置，应尽可能避开从固体发出的热辐射，使其不能辐射到热电偶表面;热电偶最好带有热辐射遮蔽套。

以上就是影响热电偶温度传感器测量的四个因素，在使用的时候我们应当注意，根据实际情况，保证最佳的测量的效果。蔽技术，使电缆的影响降到最小。

第4章 结论

经过了一个多星期的课程设计，总的来说基本完成了课设的任务要求，使理论与实践相结合，学到了很多知识。设计的过程也是专业知识的学习过程，而且是更生动、更切实、更深入的专业知识的学习。首先，一个设计是结合科研课题，把学过的专业知识运用于实际，在理论和实际结合过程中进一步消化、加深和巩固所学的专业知识，并把所学的专业知识转化为分析和解决问题的能力。其次，在搜集材料、调查研究、接触实际的过程中，既可以印证学过的书本知识，又可以学到许多课堂和书本里学不到的活生生的新知识。此外，我们在这种自己动手的设计中，对所学专业的某一侧面和专题作了较为深入的分析。在此我感谢老师对我的帮助和鼓励！

总之，这次的课程设计对我来说说是一个很好锻炼自己的机会！

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参考文献：

1.单成祥 牛彦文 张春 传感器设计基础 国防工业出版社 2007年第1版 2.陈艾 敏感材料与传感器 化学工业出版社 2004年第1版

3.丁镇生 传感器及传感器技术应用 电子工业出版社 1998年第1版 4.张洪润 传感器应用设计300例 北京航空航天大学出版社 2008年第11版 5.何希才 传感器及其应用电路 电子工业出版社 2001年第1版 6.吴东鑫 新型实用传感器应用指南 电子工业出版社 1998年第1版 7.张继文 传感器与应用电路设计 科学出版社 2002年第1版 8.松井邦彦 传感器实用电路设计与制作 科学出版社 2005年第1版

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目录

1 绪论...........................................................................................................................1 1.1油库.......................................................................................................................1 1.2油库的分类...........................................................................................................1 1.3 油库的总体布局..................................................................................................2 1.4 计算机监控目标及要求......................................................................................3 1.5 总体设计布局......................................................................................................4 1.6 系统I/O点数统计...............................................................................................4 2 电容式传感器原理和选型.......................................................................................6 2.1引言.......................................................................................................................6 2.2电容式液位传感器的结构...................................................................................6 2.3电容式液位传感器的工作原理...........................................................................7 2.4测量电路设计......................................................................................................10 2.4.1测量电路.........................................................................................................10 2.4.2整流电路.........................................................................................................13 2.4.3放大电路.........................................................................................................14 2.5机械结构参数的影响..........................................................................................14 2.5.1结构参数.......................................................................................................14 2.5.2测量电路的影响...........................................................................................14 3几种常见的传感器...................................................................................................15 3.1 温度传感器 数字温度传感器DS18B20介绍...............................................15 3.1.1、DS18B20的主要特性................................................................................15 3.1.2、DS18B20的外形和内部结构....................................................................15 3.1.3、DS18B20工作原理....................................................................................15 3.2. 热电阻温度传感器 ...........................................................................................17 3.2.1 工作原理......................................................................................................18 3.2.2 选型须知 ....................................................................................................................18 3.2.3 影响测量的因素..........................................................................................19 4 结论........................................................................................................................20 参考文献......................................................................................................................21 附录.....................................................................................................................

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