地下储油罐的变位监测系统

涂洪辉,董恩泽

（西南石油大学，四川成都,610500）

地下储油罐的变位监测系统

涂洪辉,董恩泽

（西南石油大学，四川成都,610500）

储油罐是一种常见的储油设备，通常地下储油罐采用测量罐内油位高度，并根据预先标定的罐容表来确定储油罐当前容量。为了解决地下储油罐因罐体位置发生倾斜导致储油量的计量误差，并且给罐容表的修订等提供精确的变位参数，本设计采用仪表级的SCA100T-D01倾角传感器来进行变位参数的测量并将变位参数发送给STC89C52单片机，经过单片机处理，由LCD12864显示器显示变位情况，或通过RS-485串口通信将数据发送给进行数据存储的上位机。

地下储油罐；变位参数；倾角传感器；单片机

0 引言

储油罐不仅作为储存石油的容器，也是作为石油贸易的一种计量工具，其储油量的准确度直接影响着石油贸易的可持续化发展。由于储油罐埋藏于地下，肉眼是无法随时观察的，又因地壳运动、温度、压强、等因素，大多数地下储油罐会发生变位和变形等情况，这不仅将导致预先标定的罐容表失真，影响罐内储油量的确定，而且当地下储油罐倾斜角超过规定的安全角度，会导致油管断裂等危害。因此，需要随时对地下储油罐的变位情况进行监测。大部分的“油位计量管理系统”都采用的是以检测储油进出口流量与油位变化情况为数据基础，建立数学模型，再通过反演求解或者最优化搜索确定地下储油罐变位参数。这种方法忽略了流量计的测量误差、罐体变形及油渣堆积的影响。

本文设计了一种以单片机为核心的监测系统，采用具有仪表级性能的倾角传感器实时监测储油罐的变位情况，实现倾斜角度的显示和与上位机通信。为罐容表的修订和最大安全倾斜角的标定提供了实测数据支持。

1 地下储油罐的变位情况

产生变位的主要原因有地壳运动和地基形变，而变位的形式又分为三类：下沉、纵向倾斜和横向偏转。其中下沉不会对油位的测量产生影响，因此，主要测量油罐的纵向倾斜角α和横向的偏转角β的变位参数。

为保证油位探针与罐体的相对位置固定，油位探测装置一端连接油浮子，一端固定在罐低。当油位发生变化时，油浮子将产生纵向位移，从而改变油位探针的读数。

当地下储油罐发生纵向倾斜时，罐体与水平面产生一个倾斜角α。以图1.1所示为例，由于油面始终与水平面相平行，此时，油位探针到油浮子的距离明显减小，油位探针测量的油位所对应的储油量Vc1与实际储油量有明显偏大。

当地下储油罐发生横向偏转时，罐体绕中轴线偏转，产生一个偏转角β。以图1.2为例，此时，液面的高度不会发生改变，而是增大了油位探针到油浮子的距离。油位探针测量的油位减小，所对应的储油量Vc2与实际储油量明显偏小。

图1 .1 发生纵向倾斜的地下储油罐

图1 .2 横向偏转的地下油罐

2 系统整体结构

该系统由单片机最小系统模块、显示模块、倾角传感器模块和通信模块组成。系统原理框图如图2.1所示。

图2 .1 系统原理框图

倾角传感器检测罐体是否发生纵向倾斜和横向偏转，并将检测到的变位参数通过二进制编码的形式发送给单片机最小系统。单片机将采集到的数据进行处理，转换成角度制，并控制显示模块进行显示。如果上位机通过通信模块与单片机接通并向单片机发送收集指令，单片机也将给上位机发送处理后的角度数据。

2.1 单片机最小控制系统模块

本次设计采用的STC89C52单片机为一款具有低功耗COMS化、高性能化、8位处理能力的微型控制器。它内置的8K可编程闪速存储器、512byte数据存储器和4K电可擦可编程只读存储器可以有效的处理和存储倾角传感器发送的数据。时钟电路由在XTAL1和XTAL2两端跨接11.0592MHz的石英晶振和两个取值在33PF左右的无极性电容构成的稳定的自激振荡器。复位电路采用手动复位模式，它由按键和RC电路构成；当开关为常开状态时，单片机为上电复位；当复位键按下，收到至少24个振荡周期的高电平的RST引脚将促使单片机进行系统重启。

图2 .2 SCA100T-D01电路图

2.2 SCA100T-D01倾角传感器

本设计采用、基于3D-MENS的双轴倾角传感器。因为具有优良的温度特性，高精度，低噪声和高冲击强度等特性，使它在水平测量领域具有仪表级别的性能。该传感器具有双轴测量能力，以实现储油罐纵向和横向的变位参数。SCA100T-D01的工作原理为测量质量块两侧的电容因质量块倾斜所改变的电压值，并将其转换成对应的倾角值。每个通道都可以通过产生一个高电压使质量块发生偏移，从而校验通道的稳定与准确性。SCA100T-D01与单片机的通信方式采用SPI串行接口。它只使用四个引脚便可实现通信，及将SCK、MISO、MOSI和CSB引脚分别与单片机的P1.3-P1.6口连接。SCA100T-D01电路图如图2.2所示。

该传感器内置11bit的A/D转换器和输出8bit温度传感器。通过SPI串行接口，传感器将电压值转换成11bit的数字量和8bit数字量的温度值发送单片机。其中倾角数字量转换公式为

其中：Dout为X或Y通道的数字输出量，Dout@0°为数值抵消，α为角度，Sens为芯片敏感度（1638）；温度数字量转换公式为

其中Counts为读取的温度数据，T为温度/℃。

单片机根据接收到的接收到的二进制数据进行处理，以得到精确的变位参数。SCA100T-D01的X,Y轴的测量范围为±30°，分辨率能达到0.035°，能满足大部分地下储油罐在安全倾斜角的为15°的测试。

2.3 LCD12864显示模块

本设计采用FY12864ZW显示屏，该液晶显示屏采用动态驱动原理由行驱动控制和列驱动控制器两部分组成了128（列）*64（行），并内置有128个16*8点阵的ASCII字符集和8192个16*16点阵的汉字，可以清楚有序的显示纵向倾斜角α和横向的偏转角β的变位参数和罐内温度值。FY12864ZW与单片机采用并行口通信模式。因此，为进行数据的传输，将显示模块的DB0-DB7引脚与单片机的P2.0-P2.7对应相连；为进行指令/数据选择信号，将RS引脚与单片机的P1.0口相连接；为进行读写选择信号，将R/W引脚与单片机的P1.1口相连接；为进行使能信号，将E引脚与单片机的P1.2口相连接。

2.4 通信模块

由于地下储油罐埋藏深度大于0.5m,加油机到建筑物的安全距离至少为10m，为了使变位参数成功发送给上位机，因此本设计采用抗噪声干扰性好、最大通信距离为1219m的RS-485通信接口，而不是使用最大通信距离为15m的RS-232通信接口。RS-485的通信方式为半双工通信，且只使用一个物理通道进行数据的接受和发送。在同一时刻，RS-485只允许一个设备与总机进行通信，只有当总机释放端口时，其他设备才可以按照通信协议与总机进行通信。

因为单片机使用的是TTL电平信号和RS-485使用的是差分信号，所以采用低功耗的MAX485芯片作为单片机与上位机之间通信的接收器和驱动器。将RO和DI引脚分别于单片机的RXD和TXD引脚连接；将/RE和DE引脚对接再于单片机的P1.7引脚连接；A、B作为差分信号的收发端通过双绞线与DB-9插座头连接。为了提高RS-485的稳定性和抗干扰性，需要在RO、DI端口上外接一个10KΩ的上拉电阻和在MAX485的A、B引脚附近并接一个1KΩ的电阻，同时也需要在电源引脚和地引脚之间需要使用0.1μF的电容进行滤波。

2.5 电源模块

在本系统中，因为STC89C52单片机、MAX485、LCD12864的SCA100T-D01倾角传感器的工作电压为直流的+5V，所以采用全桥整流滤波稳压的方式将市电的220V交流信号转换成+5V的直流信号。电源模块的电路仿真图如图2.3所示。

由于7805稳压芯片最大输入直流电压为+36V，因此需要将市电信号通过电压比为20：1的变压器降到+11V的交流信号，再通过全桥整流元件和电容稳压到+14.7V的直流信号输入给7805稳压芯片。7805稳压芯片后面接一个0.1μF的电容，对输出的+5V直流信号起到阻尼和滤波的作用。

图2 .3 电源模块图

3 系统软件设计

本系统软件设计采用C语言编程，并使用将调试、编译、调试、连接、编辑等整个开发流程包揽于一身的Keil C51进行编程及编程查错。

3.1 程序设计

系统上电后，单片机对LCD12864和SCA100T-D01进行初始化。之后，单片机启动与SCA100T-D01通信的ISP接口并发送指令启动SCA100T-D01进行变位参数和温度值测量。SCA100T-D01将采集到的变位参数转换成11位的数字信号和把温度值转换成8位数字信号，并将数据发送给单片机。接着，单片机命令SCA100T-D01停止工作和关闭ISP接口的通信。单片机根据变位参数数据库和公式3.2将接收到的二进制编码转换成可识别角度值和温度值并将数据存储在EEPROM中。最后，单片机将EEPROM中数据发送给LCD12864进行显示；如果单片机接收到上位机的接受指令，单片机将回复上位机的操作并将EEPROM中的数据发送给上位机。程序流程图如图3.1所示。

3.1 程序流程图

4 系统调试

本设计的关键为采集到的变位参数的准确度。在数据的处理方面：由于单片机没有浮点数的运算，对于公式3.1采用泰勒展开式运算太占资源和时间，甚至导致系统崩溃。因此采用查表法来完成反三角函数的运算。使用matlab求出了从-30°到+30°的所有正弦值，步进值取0.01，指令如下：

得到从-30°到+30°的步进值为0.01的正弦值的矩阵。将该矩阵做成一个数据表添加到单片机中。在供电方面：电源引脚和地引脚之间需要使用100nF的电容进行滤波，以降低电源的输出纹波和交流阻抗。根据表4.1传感器最小供电电压测试所示，当电源电压降低，测量的变位参数将减小；当输入电压小于3.5V时，测量的变位参数变位满值。为提供精确的变位参数，应使用稳定的+5V直流稳压电源进行供电。如果采用数字电源进行供电，应注意减少耦合现象。

表4.1 传感器最小供电电压测试

5 总结

本设计通过采用高精度和高稳定性的SCA100T-D01倾角传感器测量罐体实际变位情况，并通过STC89C52RC单片机进行数据处理，实现了LCD12864实时显示地下储油罐的变位参数和通过RS-485通信协议与上位机的联机，为罐容表的修订提供有力的数据支持,提高了储油罐实际容量的精度。

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Monitoring Displacement system of the underground oil tank

Xu Honghui,Dong Enze
(Southwest Petroleum University, Chengdu 610500,China)

The oil tank is a common device.Usually people measure the oil level and check the prior calibration of volume table to determine the current capacity of the oil tank.Solving the measurement error of underground storage tank caused by the oil tank tilted and providing accurate displacement parameters to revise the volume table,the design was developed.This design uses the instrument level of angle sensor that is called SCA100T-D01.Deflection parameter be collected by the angle sensor to send to MCU.MCU process the date and sends the data processed to the LCD display.If the PC needs these data for Revising t volume table, MCU based on the RS-232 communications agreement will send it to PC.

underground storage tank;deflection parameter;angle sensor；single chip microcomputer

TN806

A

四川省大学生创新创业训练项目 KSZ13084

徐洪辉（1992.3-），男，四川绵阳，西南石油大学石油工程学院油气储运工程学生。

董恩泽（1993.6-），男，四川南充，西南石油大学机电工程学院硕士研究生，主要研究方向为测试计量技术及仪器。