李春雷+何世濡+刘宇驰

摘 要：为设计出一套适合储油罐液位测量的机电一体化装置，文章在液位感测端设计液位感测及信号传动装置，实现对液位变化的信号采集，通过磁体的特性将液位变化信号传出储油罐体，在储油罐体外部安装高精度电位器将液位变化信号转化为满足工业标准的输出电流（4-20mA）信号，从而满足各类控制设备、测量仪表对输入设备的要求，为接入智能化控制系统提供前端解决方案。

关键词：储油罐；液位浮漂；设计

1 概述

目前，国内北方石油生产企业联合站中的大型储油罐的液位指示装置大多采用浮漂式机械液位表。生产管理过程中工人需定时到达储油罐前，读取并记录液位数值，根据读到的数值对比操作卡片要求，调节阀门，控制油罐的输入输出流量。在液位测量方面目前采用的技术和产品很多，针对储油罐的液位测量技术主要包含接触式测量和非接触式测量。接触式测量最传统的方式为人工检尺，人工检尺的人为误差为±2mm，无机械误差，精度高，但无法满足现代化生产和管理的要求，一般用于现场检验其它测量仪表的参考手段。其它接触式传感器测位仪主要有浮体式测位仪、伺服式液位测量仪、差压式液位仪、电容式液位测量仪，接觸式液位测量仪普遍精度高，其成本相对合理，但其存在相对的安全隐患，不适合储油罐体检测需求。非接触式测量主要有超声波液位测量、雷达液位测量、激光液位测量、光纤液位测量、振动液位测量、核辐射式液位测量，非接触式测量具有精准度高、安全系数高等特点，但其成本相对较高并且对温度、湿度等因素的变化要求高，需要恒定的温度、湿度条件，不适用于中国四季温差大的地理条件。传统的机械装置和人工定时巡检的管理办法，已经无法满足现代化生产和管理的要求，本文通过设计一套机电一体化装置，实现对联合站储油罐液位的感测，将浮漂的机械运动转换为电信号以符合工业标准的电流输出，为接入智能化控制系统提供前端解决方案。

2 机械结构设计

2.1 机械结构设计指标

本文的目标是测量储油罐液位的变化并将其变化信号转化为工业标准电流输出，由于是基于储油罐液位感测系统，首先需要满足安全要求，所以要求所设计的感测系统为非接触式感测系统或纯机械结构。其次，储油罐液位感测系统测量精度直接影响测量系统的可行性，本研究将通过信号放大装置提高感测系统的测量精度，并满足机械结构运动的唯一性。同时，由于浮漂所受浮力大小有限，信号传动机构需满足力学要求，所以传动机构零件数量在满足传动条件下应取最小数。最后，需将储油罐液位感测装置测量出的液位放大信号传送给连接轴，连接轴将穿过整个机械机构将其运动信号传递给表盘指针的转动主轴，所以需设计一传动灵敏的细长轴。

由于非接触式传感器成本高，容易受到温度、湿度、季节等因素影响，本文设计了纯机械结构感测装置，并在信号感测端放有信号放大装置，根据以上要求，本文确定了表1所示的机械结构设计指标，它将是本文储油罐液位感测系统机械结构设计的重要依据。

2.2 机械结构模型建立

储油罐液位感测系统的机械结构由箱体、箱盖、锥形齿轮、连杆、连接轴、紧定螺钉、表盘、表针等零件组成。箱体的结构示意图如图1，箱体表盘一端采用PVC材料制作的薄板将其密封，即可保证密封性也可方便生产队工人查看表，为满足机械结构运动的唯一性及测量精度，设计了如图2的液位感测装置，该装置为齿轮连杆机构，钢丝绳一端挂浮球，另一端挂重物，重物通过一高副与连接在锥形齿轮5上的承重板相连，运用杠杆定律使其满足带动右端齿轮转动的力学要求，带动锥形齿轮5转动，通过锥形齿轮5与锥形齿轮7的啮合将液位感测信号放大，保证液位感测系统精度，锥形齿轮9与锥形齿轮11相啮合以改变运动传递方向，将其运动信号通过固定其上的连接轴10传递给永久性磁体12，最后运用磁体N-S的相互吸引及运动的关联将液位变动信号传给储油罐外部的磁体13，图2中扭力弹簧6与锥形齿轮5为一蓄力装置，扭力弹簧一端扭臂固定在锥形齿轮5上的承重板上，随着锥形齿轮的转动而转动，另一端扭臂固定在储油罐壁上，当储油罐中的液位上升时，重物4带动锥形齿轮5转动，扭力弹簧一端随其转动，扭力弹簧锁紧，存储弹性势能，当液位下降时，重物4上升，前一阶段存储的弹性势能转为锥形齿轮回转动能。图3为连接磁体9与表盘指针转动主轴的传动轴，为满足传动轴的灵敏性，传动轴内端断面直径值设置为1.6mm，由于传动轴直径过小，为满足其刚性，采用反向进给车削加工方式获得，连接轴的转动传出方式为直接锁连，由于表针转动主轴直径为1.6mm，采用对向双螺钉紧扣方式连接两轴，经过实际检测，整个机械模型的设计满足工艺加工要求。

3 控制系统设计

此电路部分的设计目的是为了把储油罐液位变化引起的机械动作转换为电信号，使得0-2000mm的液位变化与4-20mA的电流变化成线性关系。在机械部分已经通过安装高精度电位器，将机械旋转运动转化为0-5V电压信号。本设计实现的是“三线制”4-20mA电流输出，能够满足各类控制设备、测量仪表对输入设备的要求，符合工业标准，为其广泛应用奠定了基础。

在图4所示的电路中，集成运算放大器U1A被设计成同相输入比例运算放大电路，U1B被设计成电压跟随器，Q1为NPN型复合管。在U1A的反向输入端，根据“虚断”和“虚短”概念得公式（1）和（2）；输入电压Ui经电阻R7送入U1A同相输入端，根据“虚断”概念得到公式（3），由电压跟随器特性得到公式（4）。

由公式（7）可见，上述电路实现了输入电压Ui与Uo-Uo1电压差的相等关系，当电路中保持R6电阻值不变，接入负载后，将在负载上产生与输入成线性关系的电流，关系如公式（8）所示。

电路中集成运放U1A的输出电流比较小，通常是微安级别的，通过运用复合管Q1实现了对IB电流的放大，使得IC电流成为毫安级，满足设计需要。通过对电位器R7与R6的调整可以适当校正零点和满量程值。

根据原理图设计的印刷电路板如图5所示。该电路系统板尺寸小巧，可以被安置在机械部分设计的结构内部。

4 结束语

本文设计了一套机电一体化设备，将浮漂垂直方向上的运动转化为轴的机械转动并将其转换为电信号，使得液位满量程（0-2000mm）变化对应电路4-20mA电流输出，基于储油罐液位感测系统，本文主要解决了以下问题。

（1）基于储油罐液位感测系统的安全性。在储油罐内安装机械结构将储油罐液位的变化转化为机械齿轮的转动，再运用磁体N-S的相互吸引及运动的关联将齿轮的转动信号传出，保证储油罐液位感测系统的安全。

（2）基于储油罐液位感测系统测量精度。在储油罐液位变化信号接收处安装齿轮连杆机构，将其接受信号放大，增大感测系统的灵敏性，从而提高储油罐液位感测系统的测量精度。

（3）基于实现对储油罐液位感测系统的智能化控制。在储油罐外部安装机械机构，机械结构箱体内部安装高精度电位器，运用磁电耦合效应将浮漂的机械运动转换为电信号，最终符合工业标准的电流变化输出，提升液位感测装置的智能化水平。

参考文献

[1]齐永生，宋生奎，涂亚庆.储油罐液位测量技术现状与发展趋势[J].石油工程建设，2006，04：1-3+81.

[2]包晓翔，张云飞，杨晓树.新型折叠翼机构设计[J].北京航空航天大学学报，2014，08：1127-1133.

[3]杨明，胡浩，徐殿国.永磁交流伺服系统机械谐振成因及其抑制[J].电机与控制学报，2012，01：79-84.

[4]王威，沈政，宋玉玲，等.含间隙和干摩擦的连杆机构系统动力学研究[J].振动与冲击，2015，18：210-214.

[5]吴钢华，何永义，李志远，等.基于PC104的微小位移检测[J].仪器仪表学报，2006，07：779-782.

[6]柏受军，王鸣，郎朗，等.LVDT位移传感器电压电流转换电路的设计[J].传感器与微系统，2012，04：113-115+126.