新型超聲波油品密度檢測儀的設計研究

湖北江漢石油儀器儀表股份有限公司　劉艷芳

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新型超聲波油品密度檢測儀的設計研究

湖北江漢石油儀器儀表股份有限公司劉艷芳

【摘要】本文對超聲波進行簡單的介紹，并對油品密度檢測現狀進行闡述與分析，提出存在的問題，并針對此提出一種新型超聲波油品密度檢測儀的設計方案。

【關鍵詞】超聲波；油品密度；檢測儀；設計

1　油品密度檢測現狀

在現代油庫管理中，油品密度檢測主要存在以下問題：現階段的油庫在收/發油或在加油站加油時對油品的體積計量主要采用的是體積流量計的同時利用密度與溫度之間的換算來考量油品的質量高低。對油品密度的檢測主要采用的是人工取樣，并利用靜態測量與查表換算，這種方法顯然存在很大的不足。首先，這種方法的效率低下，按照國家相關標準，通過人工取樣進行試樣制作并測量，然后利用人工查表與換算實現標準密度的換算，這項工作的整個流程比較復雜，因此所占用的時間也比較長，同時又存在財務、賬目以及資料管理工作量大的弊端，做好這方面的工作需要大量的人力、物力資源投入。并且利用這種方法檢測油品的密度需要控制取樣前的試樣處理質量，難度較高。其次，受到人為因素的影響，再加上密度檢測需要較高的操作要求，因此難以保障精度，通常受到計量人員業務素質與計量操作的規范性的影響，就會大大影響到計量的精度。

2　超聲波油品密度檢測儀的設計

2.1密度計設計概述

由于密度向電信號的轉換是不可行的，因此需要向其他因素方面進行轉換，即浮力、壓力、聲速、相位以及發生頻率等，這樣才能開展后續的一系列諸如電信號處理等流程，這就是密度測量的難度變大。并且現階段發油、加油密度檢測中，現有的在線密度計的應用存在的不足有非常多。因此，必須確保密度計設計能夠與密度檢測精度要求相適應，同時還要保障其經濟性，因此密度傳感器結構的復雜性不應太高，不宜選擇過于特殊的器件與材料，并且還要盡量控制使用要求。超聲波檢測的優點在于快捷、簡單，實時控制難度低，同時能夠很好的滿足精度需求。而超聲測量技術的實現，站在測量的角度，主要分為兩種方法：第一是對介質中超聲波的傳播特性加以利用，并采用超聲傳播測量法；第二，對超聲對被檢物體作用下的振動特性加以利用，發展處振動測量法。其中時差法與相位法的應用相對廣泛。

2.2儀器的硬件電路設計

控制儀器主要采用各模塊電路積木式的功能組合方式，主要負責對試驗相關數據的采集、轉換、處理等，同時還包括接收并處理相關的操作指令。這些模塊主要由控制電源、信號發生系統、計數器、比較器、收/發換能器、A/D轉換與顯示模塊等幾個模塊組成。除此之外，電路的設計還需要考慮到整形與放大等單元。硬件電路的主要部分如下：

CPU與監控電路：采用AT89C52單片機，并對89C52時鐘加以利用，產生一個具有連續性的脈沖信號，頻率為16MHz。數據存儲電路：該部分電路組成主要包括74LS737、6264以及IN4148，主要負責數據采集及其處理，并進行存儲。傳感器信號處理模塊：主要包含三個部分，即精密放大電路、精密整流電路、偏值電路。8位計數器：采用CT54/74AS867計數器，并具有8個輸出端口，分別為Q0~Q7。比較器：采用74HC4046相位監督輸出器為比較器芯片。12位A/D轉換：該段電路以AD574A為A/D轉換，其屬于高速12位逐次逼近式模數轉換器，其內部集成了轉換時鐘、參考電壓源以及三態輸出鎖存器。溫度測量電路：該儀器主要是由DS18B20芯片構成實現的溫度測量，采用1-Wire技術構成的數字式溫度計，同時也是具有多節點能力、智能化的溫度傳感器。計數器控制電路：該段電路是按照儀器的設計需求實現對計算機開關的控制，其實現主要是以幾個與非門為依托的。接口電路設計：89C52單片機內部采用的是串行接口，該接口具有可編程性與全雙工性，并且內部有發送緩沖器與接受緩沖器等兩個緩沖器，能夠實現數據收發的同時進行。

2.3儀器的相關軟件設計

該儀器的軟件設計部分主要包括下位機與上位機軟件程序的編寫。其中下位機軟件設計主要是通過單片機與PC機通信軟件以及控制模塊的軟件設計來實現；而上位機軟件設計主要有PC機與單片機通信軟件、數據處理軟件以及數據庫操作軟件等模塊的設計。通過不同功能模塊的協調工作，整個系統的功能得以有效實現。其中下位機軟件對單片機高級語言C51編寫加以利用，上位機軟件主要以Microsoft SQLServer 2000和Microsoft Visual Basic 6.0編寫為依托。下面本文將會針對儀器的軟件設計部分進行詳細闡述：

首先是單片機與PC機通信軟件設計，單片機控制模塊與PC機之間利用RS-232的通訊口進行聯系，采用串行的全雙工點對點通信，以1個起始位，8個數據位，一個“SPACE”位以及一個停止位作為數據幀格式，在上位機的出發之下，單片機可以進行數據的采集與傳輸工作。啟動單片機來采集數據主要采用的方式為：當對溫度與時間數據有需求時，計算機將一個字節0XAA發送給單片機，在接收后開始采集數據，之后單片機將會將4字節的溫度與時間數據送回，前后兩個字節分別為溫度數據與時間數據。單片機向計算機進行數據傳輸是通過計算機的RS-232串行通訊端口實現的。

單片機程序的編寫采用的是高級語言C51，其對多種高級語言的特點都有所兼顧，能夠進行語言的匯編。通過C51可以實現目標系統軟件的編寫，使開發周期大大縮短，并使軟件的可讀性得以顯著增加，為改進與擴充提供便利，進而為系統的研制與開發提供便利。

其次是單片機控制軟件的設計，具體分為兩個部分，即執行軟件設計與監控軟件設計。執行軟件完成的各種功能具有實質性，將各種功能子程序表現出來，具體有A/D與D/A轉換、數據運算、顯示、輸出控制以及通信等；監控軟件的作用則是實現各執行模塊與操作者之間關系的協調，在系統軟件中進行組織與調度。根據控制模塊的任務可以得知，執行軟件具體包含鍵盤掃描執行模塊、液晶顯示執行模塊、A/D轉換執行模塊以及通訊執行模塊等等。而監控軟件則主要完成鍵盤命令的處理、完成顯示功能、實現對各執行模塊與操作者之間關系的協調，為操作指令執行的正確性提供保障。

再者是PC機與單片機接口程序的設計，這一部分的主要任務使傳輸數據，為了實現上位機與下位機之間的通訊，具體采用Microsoft Visual 6.0中的MSComm控件。這一控件是利用串行端口進行數據的傳輸與接收，將串行通訊功能提供給應用程序。采用MSComm控件主要是利用事件來進行串行口交互的處理。

在程序中將牛頓插值法進行函數的編成，當計算機從串口讀出數據后，就可以利用該函數實現插值，采用四點三次插值，由于函數的輸入屬于時間差，具有較大數值，因此為了使精度提高，在處理時間差后再參與計算。

最后是數據庫程序的設計，數據庫選用Miscrosoft SQL Server 2000，其操作相對簡單，可以采用多種方式連接Microsoft Basic 6.0，數據的存儲也具有較強的可靠性。通過ODBC、DAO、RDO以及ADO等方式，Microsoft Visual 6.0能夠訪問數據庫中的數據，其中ADO的訪問方式應用比較廣泛。

3　結束語

綜上所述，超聲波油品密度檢測儀的設計與應用具有十分重要的價值。受到篇幅的限制，本文對該儀器設計的介紹與闡述并不夠詳細，僅提出一些大體思路與方法。本文提出的油品密度檢測儀器在應用與發展過程中，必然還需要進行進一步改進，具體應從儀器的自動化程度、加工水平以及試驗等方面入手。

參考文獻

[1]王海峰,熊剛,趙小凱等.基于超聲波特性的油品密度儀設計[C].中國聲學學會.2007年青年學術會議論文集,2007:887-890.

[2]王海峰,熊剛,趙小凱等.基于超聲波特性的油品密度儀設計[J].聲學技術,2007,26(5):887-890.

劉艷芳（1979－），女，陜西渭南人，大學本科，工科學士，工程師，研究方向：石油儀器儀表的開發設計。

作者簡介：