李春雷+何世濡+劉宇馳

摘 要：為設(shè)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(shè)計液位感測及信號傳動裝置，實現(xiàn)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(zhuǎn)化為滿足工業(yè)標準的輸出電流（4-20mA）信號，從而滿足各類控制設(shè)備、測量儀表對輸入設(shè)備的要求，為接入智能化控制系統(tǒng)提供前端解決方案。

關(guān)鍵詞：儲油罐；液位浮漂；設(shè)計

1 概述

目前，國內(nèi)北方石油生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)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(chǎn)管理過程中工人需定時到達儲油罐前，讀取并記錄液位數(shù)值，根據(jù)讀到的數(shù)值對比操作卡片要求，調(diào)節(jié)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(shù)和產(chǎn)品很多，針對儲油罐的液位測量技術(shù)主要包含接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量最傳統(tǒng)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(xiàn)代化生產(chǎn)和管理的要求，一般用于現(xiàn)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(shù)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(tǒng)的機械裝置和人工定時巡檢的管理辦法，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)和管理的要求，本文通過設(shè)計一套機電一體化裝置，實現(xiàn)對聯(lián)合站儲油罐液位的感測，將浮漂的機械運動轉(zhuǎn)換為電信號以符合工業(yè)標準的電流輸出，為接入智能化控制系統(tǒng)提供前端解決方案。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhuǎn)化為工業(yè)標準電流輸出，由于是基于儲油罐液位感測系統(tǒng)，首先需要滿足安全要求，所以要求所設(shè)計的感測系統(tǒng)為非接觸式感測系統(tǒng)或純機械結(jié)構(gòu)。其次，儲油罐液位感測系統(tǒng)測量精度直接影響測量系統(tǒng)的可行性，本研究將通過信號放大裝置提高感測系統(tǒng)的測量精度，并滿足機械結(jié)構(gòu)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(gòu)需滿足力學(xué)要求，所以傳動機構(gòu)零件數(shù)量在滿足傳動條件下應(yīng)取最小數(shù)。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(gòu)將其運動信號傳遞給表盤指針的轉(zhuǎn)動主軸，所以需設(shè)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(jié)等因素影響，本文設(shè)計了純機械結(jié)構(gòu)感測裝置，并在信號感測端放有信號放大裝置，根據(jù)以上要求，本文確定了表1所示的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計指標，它將是本文儲油罐液位感測系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要依據(jù)。

2.2 機械結(jié)構(gòu)模型建立

儲油罐液位感測系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)隊工人查看表，為滿足機械結(jié)構(gòu)運動的唯一性及測量精度，設(shè)計了如圖2的液位感測裝置，該裝置為齒輪連桿機構(gòu)，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(zhuǎn)動的力學(xué)要求，帶動錐形齒輪5轉(zhuǎn)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(tǒng)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(guān)聯(lián)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(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，另一端扭臂固定在儲油罐壁上，當(dāng)儲油罐中的液位上升時，重物4帶動錐形齒輪5轉(zhuǎn)動，扭力彈簧一端隨其轉(zhuǎn)動，扭力彈簧鎖緊，存儲彈性勢能，當(dāng)液位下降時，重物4上升，前一階段存儲的彈性勢能轉(zhuǎn)為錐形齒輪回轉(zhuǎn)動能。圖3為連接磁體9與表盤指針轉(zhuǎn)動主軸的傳動軸，為滿足傳動軸的靈敏性，傳動軸內(nèi)端斷面直徑值設(shè)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(zhuǎn)動傳出方式為直接鎖連，由于表針轉(zhuǎn)動主軸直徑為1.6mm，采用對向雙螺釘緊扣方式連接兩軸，經(jīng)過實際檢測，整個機械模型的設(shè)計滿足工藝加工要求。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

此電路部分的設(shè)計目的是為了把儲油罐液位變化引起的機械動作轉(zhuǎn)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(guān)系。在機械部分已經(jīng)通過安裝高精度電位器，將機械旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為0-5V電壓信號。本設(shè)計實現(xiàn)的是“三線制”4-20mA電流輸出，能夠滿足各類控制設(shè)備、測量儀表對輸入設(shè)備的要求，符合工業(yè)標準，為其廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

在圖4所示的電路中，集成運算放大器U1A被設(shè)計成同相輸入比例運算放大電路，U1B被設(shè)計成電壓跟隨器，Q1為NPN型復(fù)合管。在U1A的反向輸入端，根據(jù)“虛斷”和“虛短”概念得公式（1）和（2）；輸入電壓Ui經(jīng)電阻R7送入U1A同相輸入端，根據(jù)“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(xiàn)了輸入電壓Ui與Uo-Uo1電壓差的相等關(guān)系，當(dāng)電路中保持R6電阻值不變，接入負載后，將在負載上產(chǎn)生與輸入成線性關(guān)系的電流，關(guān)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(fù)合管Q1實現(xiàn)了對IB電流的放大，使得IC電流成為毫安級，滿足設(shè)計需要。通過對電位器R7與R6的調(diào)整可以適當(dāng)校正零點和滿量程值。

根據(jù)原理圖設(shè)計的印刷電路板如圖5所示。該電路系統(tǒng)板尺寸小巧，可以被安置在機械部分設(shè)計的結(jié)構(gòu)內(nèi)部。

4 結(jié)束語

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

（1）基于儲油罐液位感測系統(tǒng)的安全性。在儲油罐內(nèi)安裝機械結(jié)構(gòu)將儲油罐液位的變化轉(zhuǎn)化為機械齒輪的轉(zhuǎn)動，再運用磁體N-S的相互吸引及運動的關(guān)聯(lián)將齒輪的轉(zhuǎn)動信號傳出，保證儲油罐液位感測系統(tǒng)的安全。

（2）基于儲油罐液位感測系統(tǒng)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(gòu)，將其接受信號放大，增大感測系統(tǒng)的靈敏性，從而提高儲油罐液位感測系統(tǒng)的測量精度。

（3）基于實現(xiàn)對儲油罐液位感測系統(tǒng)的智能化控制。在儲油罐外部安裝機械機構(gòu)，機械結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)部安裝高精度電位器，運用磁電耦合效應(yīng)將浮漂的機械運動轉(zhuǎn)換為電信號，最終符合工業(yè)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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