聯合站油罐液位感測裝置的設計

李春雷+何世濡+劉宇馳

摘 要：為設計出一套適合儲油罐液位測量的機電一體化裝置，文章在液位感測端設計液位感測及信號傳動裝置，實現對液位變化的信號采集，通過磁體的特性將液位變化信號傳出儲油罐體，在儲油罐體外部安裝高精度電位器將液位變化信號轉化為滿足工業標準的輸出電流（4-20mA）信號，從而滿足各類控制設備、測量儀表對輸入設備的要求，為接入智能化控制系統提供前端解決方案。

關鍵詞：儲油罐；液位浮漂；設計

1 概述

目前，國內北方石油生產企業聯合站中的大型儲油罐的液位指示裝置大多采用浮漂式機械液位表。生產管理過程中工人需定時到達儲油罐前，讀取并記錄液位數值，根據讀到的數值對比操作卡片要求，調節閥門，控制油罐的輸入輸出流量。在液位測量方面目前采用的技術和產品很多，針對儲油罐的液位測量技術主要包含接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量最傳統的方式為人工檢尺，人工檢尺的人為誤差為±2mm，無機械誤差，精度高，但無法滿足現代化生產和管理的要求，一般用于現場檢驗其它測量儀表的參考手段。其它接觸式傳感器測位儀主要有浮體式測位儀、伺服式液位測量儀、差壓式液位儀、電容式液位測量儀，接觸式液位測量儀普遍精度高，其成本相對合理，但其存在相對的安全隱患，不適合儲油罐體檢測需求。非接觸式測量主要有超聲波液位測量、雷達液位測量、激光液位測量、光纖液位測量、振動液位測量、核輻射式液位測量，非接觸式測量具有精準度高、安全系數高等特點，但其成本相對較高并且對溫度、濕度等因素的變化要求高，需要恒定的溫度、濕度條件，不適用于中國四季溫差大的地理條件。傳統的機械裝置和人工定時巡檢的管理辦法，已經無法滿足現代化生產和管理的要求，本文通過設計一套機電一體化裝置，實現對聯合站儲油罐液位的感測，將浮漂的機械運動轉換為電信號以符合工業標準的電流輸出，為接入智能化控制系統提供前端解決方案。

2 機械結構設計

2.1 機械結構設計指標

本文的目標是測量儲油罐液位的變化并將其變化信號轉化為工業標準電流輸出，由于是基于儲油罐液位感測系統，首先需要滿足安全要求，所以要求所設計的感測系統為非接觸式感測系統或純機械結構。其次，儲油罐液位感測系統測量精度直接影響測量系統的可行性，本研究將通過信號放大裝置提高感測系統的測量精度，并滿足機械結構運動的唯一性。同時，由于浮漂所受浮力大小有限，信號傳動機構需滿足力學要求，所以傳動機構零件數量在滿足傳動條件下應取最小數。最后，需將儲油罐液位感測裝置測量出的液位放大信號傳送給連接軸，連接軸將穿過整個機械機構將其運動信號傳遞給表盤指針的轉動主軸，所以需設計一傳動靈敏的細長軸。

由于非接觸式傳感器成本高，容易受到溫度、濕度、季節等因素影響，本文設計了純機械結構感測裝置，并在信號感測端放有信號放大裝置，根據以上要求，本文確定了表1所示的機械結構設計指標，它將是本文儲油罐液位感測系統機械結構設計的重要依據。

2.2 機械結構模型建立

儲油罐液位感測系統的機械結構由箱體、箱蓋、錐形齒輪、連桿、連接軸、緊定螺釘、表盤、表針等零件組成。箱體的結構示意圖如圖1，箱體表盤一端采用PVC材料制作的薄板將其密封，即可保證密封性也可方便生產隊工人查看表，為滿足機械結構運動的唯一性及測量精度，設計了如圖2的液位感測裝置，該裝置為齒輪連桿機構，鋼絲繩一端掛浮球，另一端掛重物，重物通過一高副與連接在錐形齒輪5上的承重板相連，運用杠桿定律使其滿足帶動右端齒輪轉動的力學要求，帶動錐形齒輪5轉動，通過錐形齒輪5與錐形齒輪7的嚙合將液位感測信號放大，保證液位感測系統精度，錐形齒輪9與錐形齒輪11相嚙合以改變運動傳遞方向，將其運動信號通過固定其上的連接軸10傳遞給永久性磁體12，最后運用磁體N-S的相互吸引及運動的關聯將液位變動信號傳給儲油罐外部的磁體13，圖2中扭力彈簧6與錐形齒輪5為一蓄力裝置，扭力彈簧一端扭臂固定在錐形齒輪5上的承重板上，隨著錐形齒輪的轉動而轉動，另一端扭臂固定在儲油罐壁上，當儲油罐中的液位上升時，重物4帶動錐形齒輪5轉動，扭力彈簧一端隨其轉動，扭力彈簧鎖緊，存儲彈性勢能，當液位下降時，重物4上升，前一階段存儲的彈性勢能轉為錐形齒輪回轉動能。圖3為連接磁體9與表盤指針轉動主軸的傳動軸，為滿足傳動軸的靈敏性，傳動軸內端斷面直徑值設置為1.6mm，由于傳動軸直徑過小，為滿足其剛性，采用反向進給車削加工方式獲得，連接軸的轉動傳出方式為直接鎖連，由于表針轉動主軸直徑為1.6mm，采用對向雙螺釘緊扣方式連接兩軸，經過實際檢測，整個機械模型的設計滿足工藝加工要求。

3 控制系統設計

此電路部分的設計目的是為了把儲油罐液位變化引起的機械動作轉換為電信號，使得0-2000mm的液位變化與4-20mA的電流變化成線性關系。在機械部分已經通過安裝高精度電位器，將機械旋轉運動轉化為0-5V電壓信號。本設計實現的是“三線制”4-20mA電流輸出，能夠滿足各類控制設備、測量儀表對輸入設備的要求，符合工業標準，為其廣泛應用奠定了基礎。

在圖4所示的電路中，集成運算放大器U1A被設計成同相輸入比例運算放大電路，U1B被設計成電壓跟隨器，Q1為NPN型復合管。在U1A的反向輸入端，根據“虛斷”和“虛短”概念得公式（1）和（2）；輸入電壓Ui經電阻R7送入U1A同相輸入端，根據“虛斷”概念得到公式（3），由電壓跟隨器特性得到公式（4）。

由公式（7）可見，上述電路實現了輸入電壓Ui與Uo-Uo1電壓差的相等關系，當電路中保持R6電阻值不變，接入負載后，將在負載上產生與輸入成線性關系的電流，關系如公式（8）所示。

電路中集成運放U1A的輸出電流比較小，通常是微安級別的，通過運用復合管Q1實現了對IB電流的放大，使得IC電流成為毫安級，滿足設計需要。通過對電位器R7與R6的調整可以適當校正零點和滿量程值。

根據原理圖設計的印刷電路板如圖5所示。該電路系統板尺寸小巧，可以被安置在機械部分設計的結構內部。

4 結束語

本文設計了一套機電一體化設備，將浮漂垂直方向上的運動轉化為軸的機械轉動并將其轉換為電信號，使得液位滿量程（0-2000mm）變化對應電路4-20mA電流輸出，基于儲油罐液位感測系統，本文主要解決了以下問題。

（1）基于儲油罐液位感測系統的安全性。在儲油罐內安裝機械結構將儲油罐液位的變化轉化為機械齒輪的轉動，再運用磁體N-S的相互吸引及運動的關聯將齒輪的轉動信號傳出，保證儲油罐液位感測系統的安全。

（2）基于儲油罐液位感測系統測量精度。在儲油罐液位變化信號接收處安裝齒輪連桿機構，將其接受信號放大，增大感測系統的靈敏性，從而提高儲油罐液位感測系統的測量精度。

（3）基于實現對儲油罐液位感測系統的智能化控制。在儲油罐外部安裝機械機構，機械結構箱體內部安裝高精度電位器，運用磁電耦合效應將浮漂的機械運動轉換為電信號，最終符合工業標準的電流變化輸出，提升液位感測裝置的智能化水平。

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