基于光纖檢測的油罐液位監控系統

徐慶富

（桂林電子科技大學 信息科技學院,廣西 桂林 541004）

1 引言

液體燃料是一種使用很廣泛的能源。燃料的存儲運輸的安全問題一直是人們關注的問題，因此對其進行液位的實時測量顯得尤為重要。油罐作為一個特殊環境，對電子測量要求很苛刻，必須具備很高的防火、防爆等級，普通的電子測量并不滿足這一功能[1]。

目前，大多采用靜壓投入式液位測量，超聲波液位測量等。靜壓投入式測量無法很精確的測量動態液位，超聲波受幻境影響很大，不具備很好的抗干擾能力[2]。基于光纖檢測的油罐液位監控系統，采用光纖探頭在不同的介質中具有不同的反射強度，測量反射光強來檢測液位高度。

2 系統組成

基于光纖檢測的油罐液位監控系統由漫反射式光纖頭、步進電機、光電轉換、模數轉換器等組成。如圖1所示。

圖1 基于光纖檢測的油罐液位監控系統組成

在測量中，MCU控制捆綁在步進電機鏈帶上的光纖頭進行向下（或向上）運動。當光纖頭到達液位時，反射光的強度會大幅度降低，MCU通過對步進電機步數的計算來顯示當時的液位高度。液位的探測過程就是單片機根據A/D采集模塊電路采集到的光照強度的不同來判斷液位與光纖探頭相對位置，從而對步進電機下達正轉或者反轉的指令。

2.1 漫反射式光纖頭

漫反射式光纖頭具有以下特性：當光線在液位上面1cm以內時，因為漫反射作用，光照強度會很高，在液位上面1cm以外光強會很小；當光纖探頭浸入液體中時，光照強度基本上是一個恒定的值。

2.2 步進電機驅動電路

基于光纖檢測的油罐液位監控系統選用一臺東風二相六線0.9度步進角的步進電機，并了作用直徑10mm的步進電機輪軸與專業的步進電機鏈帶，盡可能的減少運動誤差。步進電機驅動采用美國德州儀器公司制作的一款微型電機驅動集成電路L293D芯片。該芯片工作電壓為4.5V-36V,單通道電流600MA，峰值輸出電流1.2A。

2.3 MCU

基于光纖檢測的油罐液位監控系統采用意法半導體生產的STM32F051單片機作為主控芯片。該芯片是ARM核的32位微處理器，工作頻率為48MHz，具有高速的嵌入式閃存，并廣泛集成增強型和IO口，所有器件提供標準的通信接口（最多2個I2C，2個SPI，1個HDMO CEC 2個USART）1個12 位ADC，1個12位DAC, 最多5個通用16位定時器,1個32位定時器和1個高級控制PWM定時器。以上這些特點使得STM32F051微控制器廣泛應用于各領域[4]。

STM32F051集成12位ADC，因此直接利用片上ADC，節省相應的硬件資源，同時也減少外部干擾。

2.4 光電轉換

光電轉換采用光電二極管，光電二極管將光強度轉換成光電流，再通過I-V變換電路將光電流轉換成電壓信號，供ADC進行模數采集。由于光電流較微弱，需要進行前置放大。前置放大器采用ICL7650斬波穩零運算放大器，該器件是Intersil公司利用動態校零技術和CMOS工藝制作的斬波穩零式高精度運放, 它具有輸入偏置電流小、失調小、增益高、共模抑制能力強、響應快、漂移低、性能穩定及價格低廉等優點[5]。

3 軟件組成

圖2 基于光纖檢測的油罐液位監控系統流程圖

基于光纖檢測的油罐液位監控系統軟件流程圖如圖2所示，MCU對ADC采集回來的信號進行判斷，判斷是否到達液面，如到達液面立即停止步進電機的運轉，同時記錄步進電機運轉的步數，進行數據運算即可得出液位高度。

4 系統實測數據

經過測試，基于光纖檢測的油罐液位監控系統的測量范圍在5cm—100cm，測量精度是2mm以內，精度較好。測試數據如下表所示。

5 結束語

檢測結果表明，基于光纖檢測的油罐液位監控系統測量精度較高，穩定性較好，具有一定抗干擾能力，且操作簡單。具有廣闊的市場前景。

測試數據

[1]賈麗,袁小平,陳燁,鄧昆,張繼森.常用液位檢測方法的研究[J].能源技術與管理,2009(01):120-122.

[2]楊朝虹,李煥.新型液位檢測技術的現狀與發展趨勢[J].工礦自動化,2009(06):61-64.

[4]趙娜,李斌,謝衛彬.基于STM32F051控制的太陽能并網發電系統設計[J].河北工業科技,2014(05):441-446.

[5]吳祖國.ICL7650斬波穩零運算放大器的原理及應用[J].國外電子元器件,2003(04):41-42.