油库安全监测系统传感器设计五电容式压力传感器方面.docx
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油库安全监测系统传感器设计五电容式压力传感器方面
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。
1.1.1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。
1.1.2国内外油库现状
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。
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。
1.2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。
图1-2油罐区平面布局图
1.3油库的工艺流程图
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。
图1-4计算机监控系统结构图
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.
工艺调研
调研报告
初步方案
方案讨论
方案修改
总体方案
图1-5系统总体设计
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。
表1-6a油库控制系统I/O变量表
序号
设备名称
总点数
控制量
AI
AO
DI
DO
1
1个
三相分离器
8
水室的液位、压力、温度
3
油室的液位、压力、温度
3
油室、水室液位恒定控制
2
2
1个
缓冲罐
4
罐的液位、压力、温度
3
罐的压力恒定控制
1
4
1个分馏塔
3
塔的液位、压力、温度
3
5
1个沉降罐
3
罐的液位、压力、温度
3
7
1个柴油罐
3
罐的液位、压力、温度
3
8
1个天然气罐
2
罐的压力、温度
2
9
1个汽油罐
3
罐的液位、压力、温度
3
10
7个电磁阀
7
阀的开、关控制
7
11
2个
外输泵
8
泵的前后压力
4
泵的起、停
2
泵运行状况显示
2
12
4个
中输泵
16
泵的前后压力
8
泵的起、停
4
泵运行状况显示
4
13
6个流量计
3
监控个反应器前的流量
6
合计
60
38
3
6
13
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。
表1-6b模拟量I/O点参数表
I/O位号
设备
型号
变量说明
I/O类型
工程单位
信号类型
量程上限
量程下限
报警上限
报警
下限
偏差报警
正常值
1
三相分离器
AI
m
mA
10
0
9
1
1
5
AO
c
mA
100
0
80
30
10
50
2
天然气罐
AI
m
mA
10
0
9
1
1
5
AO
p
mA
100
0
80
30
10
50
3
缓冲罐
AI
m
mA
10
0
9
1
1
5
AO
p
mA
100
0
80
30
10
50
4
分馏塔
AI
m
mA
10
0
9
1
1
5
5
沉降罐
AI
m
mA
10
0
9
1
1
5
6
稳压罐
AI
m
mA
10
0
9
1
1
5
AO
c
mA
100
0
80
30
10
50
7
储油罐
AI
m
mA
10
0
9
1
1
5
8
泵
AI
m
mA
10
0
9
1
1
5
9
流量计
AI
m
mA
10
0
9
1
1
5
第二章电容式压力传感器
2.1简介
电容式压力传感器是一种可以利用电容敏感的原件把被测量的压力转换成为跟它有一定的关系的电信号输出的精密测量仪器。
它通常是使用镀金属薄膜或者是圆形金属薄膜来做电容器的其中一个电极。
在薄膜感受到压力的时候，它会变形的，此时薄膜跟固定的电极间所产生的电容量就会发生改变。
测量电路就可以输出跟电压形成一定的关系的电信号。
它的应用非常广泛，之所以应用这么广泛，是因为它的优点有很多：
它的分辨率很高；它可以进行动态的检测；它的结构很简单，并不复杂；它可以在很恶劣的工作环境下正常工作，解决人不可以测量的很多问题；它可以是非接触测量的，很方便。
图2-1为两种常见电容式压力传感器。
图2-1电容式压力传感器
2.2工作原理
电容式压力传感器一般都是利用弹性元件（例如膜片）作为感受压力的灵敏元件，并作为电容传感器的动极片。
图2-2a为它的原理图，这里利用膜片作为一个极板（动极片）和固定在传感器壳体上的定极片形成一个电容器，在未受压力作用时，它们之间的电容量为C0，在测量时，压力通过介质加到膜片上，此时膜片将产生位移x，使两极板间的距离减小二，从而使电容址发生变化，由C0变为CX，这样就可以用电容量CX来表达所测压力P的大小，这就是电容式压力传感器的工作原理。
图2-2a电容式压力传感器工作原理
图2-2b是一只电容式压力传感器的结构原理图，图中波纹膜片3作为传感器的动极片，而安装在支架5上的极片6为定极片，它们组成一个电容器，标准垫片9安置在动极片和定极片之间，用来保证两极板间的初始间隙，也由此决定这只电容传感器的初始电容c0。
固定螺钉2把支座1、4和标准垫片等连接起来。
测量时，待测的介质从支座1的中间孔进入传感器内，加压力于膜片3上，使膜片产生与压力相应的位移，从而改变两极板间的电容量，这样就完成了压力—电容的转换过程。
图2-2b结构原理图
一个无限大平行平板电容器的电容值可表示为：
C=εs/d
其中：
ε为平行平板间介质的介电常数，d为极板的间距，s为极板的覆盖面积。
2.3特点
（1）温度稳定性好
电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。
（2）结构简单、适应性强
电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度；可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；电容式传感器一般用金属作电极、以无机材料（如玻璃、石英、陶瓷等）作绝缘支承，因此能工作在高低温、强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力、高冲击、过载等；能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。
（3）动态响应好
电容式传感器由于极板间的静电引力很小，需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆赫的频率下工作，特别适合动态测量。
又由于其介质损耗小可以用较高频率供电,因此系统工作频率高。
它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。
（4）可以实现非接触测量、具有平均效应
例如非接触测量回转轴的振动或偏心、小型滚珠轴承的径向间隙等。
当采用非接触测量时，电容式传感器具有平均效应，可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。
电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小（约几个毫克），因此所需输入能量极小，所以特别适宜用来解决输入能量低的测量问题，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨率非常高，能感受0.001m甚至更小的位移。
2.4电容式压力传感器的选型及应用
为了适应各种使用环境的特殊要求,各型压力传感器都实行了系列化模块设计,在选用压力传感器时,要确定选用什么型号、标号的压力传感器
压力传感器适用于安装使用方便、工作环境恶劣、一般机械仪表难以适用、精度要求适中的场所。
各种型号的压力传感器的性能各有特色,应根据使用要求、适应性分析确定选用的型号。
压力传感器的标号是根据被测物质的温度、压力、腐蚀特性和使用空间尺寸确定的。
因此应根据检测物质的特性、储罐结构特点等确定选用压力传感器的具体标号,对于天线型压力传感器,在选型时应当根据储罐的结构尺寸,确定是否有足够大的内部空间,以消除罐壁对电磁波传播的干扰。
罐内的干扰物如传感器、加注液、管路等也应远离天线,满足以上要求,方可保证测量精度。
应用在带有搅拌器的液体储罐中时,压力传感器的测量精度会受到一定影响。
在一般情况下,测量精度也受液面不平度和泡沫干扰物的影响。
2.5具体的电容式压力传感器的选用及参数
2.5.1FL-3651电容式压力传感器
FL-3651型电容式压力变送器是深圳市中测计量检测技术有限公司引进国外先进技术和设备生产的新型变送器，关键原材料、元器件和零部件均采用进口，整机经过严格组装和测试，该产品具有设计原理先进、品种规格齐全、安装使用简便等特点。
由于该机型外观上完全融合了目前国内最为流行，并被广泛使用的两种变送器（罗斯蒙特3051与横河EJA）的结构优点，给使用者有耳目一新的感觉。
同时与传统的1151、CECC等系列产品在安装上可直接替换，有很强的通用性和替代能力。
为适合国内自动化水平的不断提高和发展，该系列产品除设计小巧精致外，更推出具有HART现场总线协议的智能化功能。
图2-5-1FL-3651电容式压力传感器
工作原理
FL-3651型电容式压力变送器是我公司引进国外先进技术和设备生产的新型变送器，关键原材料、元器件和零部件均采用进口，整机经过严格组装和测试，该产品具有设计原理先进、品种规格齐全、安装使用简便等特点。
由于该机型外观上完全融合了目前国内最为流行，并被广泛使用的两种变送器（罗斯蒙特3051与横河EJA）的结构优点，给使用者有耳目一新的感觉。
同时与传统的1151、CECC等系列产品在安装上可直接替换，有很强的通用性和替代能力。
为适合国内自动化水平的不断提高和发展，该系列产品除设计小巧精致外，更推出具有HART现场总线协议的智能化功能
功能参数
使用对象：
液体、气体;和蒸汽.
供电电压：
12～36VDC，标准值24VDC；
输出信号：
4～20mADC；（特殊可为四线制220VAC供电0-10mADC输出）
环境温度：
－25～70℃（一般变送器），－15～70℃（带现场指示器）
储藏温度：
－40～100℃；
防护等级：
dⅡBT4iaⅡCT5；
法兰标准：
JB/T82.2－94（执行其它标准请注明）；
电源影响：
小于输出范围的±0.005%/V；
振动影响：
在任何方向上振动频率200Hz时，所引起的误差为最大范围的0.05%／g（微差压为0.25%／g）；
安装位置影响：
当工作膜片未垂直安装时，可能产生不大于0.24Pa的零位误差，此误差可通过调整零位来消除，对量程无影响
精度:
0.2%0.5%智能型;0.075%
稳定性：
六个月内不超过变送器的精度；
导压连接件：
在压力容室上的连接螺孔为1/2－14NPT.与普通1151相同;
电缆连接孔的螺孔为M20×1.5；
指示器：
现场输出指示器有电流表，线性指示0～100%；3-1/2位LCD液晶显示量程和零位：
外部连续可调；
正负迁移：
差压变送器：
最大正迁移量为500%，最大负迁移量为600%
绝对压力：
最大正迁移量为500%，只可正迁移；
过载压力：
不超过规定压力的1.15倍，变送器不会损坏；
容积变化量：
小于0.16cm3
阻尼时间：
充硅油时,0.2～1.67秒内连续可调.
厂家深圳市中测计量检测技术有限公司
2.5.2陶瓷电容式压力传感器
本系列压力变送器选用进口高品质进口压力传感器,采用专用集成模块,经精细的温度、零点、满量程、和非线性补偿，实现对液体、气体、蒸汽等介质压力变化的准确测量和变送。
如下图2-5-2。
图2-5-2陶瓷电容式压力传感器
性能
下表2-5-2为陶瓷电容式压力传感器的性能。
表2-5-2陶瓷电容式压力传感器的性能
品牌
鑫长润
型号
XCR－YC
类型
电容式压力变送器
测量介质
气体，液体
测量范围
0－1000（kPa）
精度等级
0.1，0.2，0.5
输出信号
4－20（mA）
防护等级
IP67
电源电压
DC24V（V）
接口尺寸
可定做（mm）
技术指标
·被测介质：
液体、气体、蒸汽
·测量范围：
-0.1MPA~0~120MPA
·精度等级：
±0.2%FS，±0.5%FS
·长期稳定性：
≤0.2%FS/年
·温度漂移：
≤0.02%FS/℃（在0-70℃范围内）
·环境温度：
-20℃～+60℃
·储存温度：
-55℃～+125℃
·输出信号：
4-20mA或1-5VDC
·供电电压：
12-28VDC
·允许过载：
额定压力的2倍
·接湿件材质：
316不锈钢和1Gr18Ni9Ti
·引压接口：
M20×1.5外螺纹
·防爆等级：
本安ExiaⅡCT6隔爆ExdⅡCT5
·防护等级：
IP67
·本安参数：
Ui：
28VDC，Ii：
93mA，Pi：
0.65W，Ci：
0.03uf，Li：
0mH
厂家深圳昌达利华商贸有限公司
第三章其他传感器的原理和选型
3.1热电阻温度传感器
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热电阻温度传感器
3.1.1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。
3.1.2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
（6）保护管材质
（7）长度或插入深度
3.2热电偶
图3-2是热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。
各种热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。
图3-2热电偶
3.2.1工作原理
热电偶直接测量温度，并把温度信号转热电偶换成热电动势信号,通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。
热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。
两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。
根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。
热电偶测温基本原理:
将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。
当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。
热电偶就是利用这一效应来工作的。
3.2.2结构要求
热电偶的结构形式为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对它的结构要求如下：
1、组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；
2、两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；
3、补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠；
4、保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
3.3超声波液位传感器
图3-3超声波液位传感器集非接触开关，控制器，变送器三种功能于一身，适用于小型储罐，EchoPod超声波液位传感器灵活的设计可以应用于综合系统或者替代浮球开关、电导率开关和静压式传感器，也适用于流体控制和化工供料系统的综合应用，超声波液位传感器对于机器，刹车等设备的小储罐的应用也是很好
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