原油含水率检测电路设计

分类号： TP212 单位代码： 107 密 级： 一般 学 号：1072005014008 本科毕业论文（设计）题 目：原油含水率检测电路设计专 业： 电子信息工程姓 名 指导教师： 职 称： 答辩日期： 1原油含水率检测电路设计摘要：含水率是原油检测中一重要技术指标，在我国，原油的开采、生产、运输等环节的含水率测量水平还很低。本文主要介绍了一种基于电容式传感器，利用电荷转移法测量原油含水率的工作电路，本设计中含水率测量范围可达到 0100%，误差1，线性度好，灵敏度高，稳定性好，漂移小。性能可靠的软件设计既保证系统尽量全的智能化测量功能，又保证宽测量范围的线性化，以及系统的快速响应特性。关键词：原油含水率；敏感探头；电容传感器；8051The Detect Circuit Design of Moisture content in crude oilAbstract: Moisture content is an important technical indicators in Oil detection. In China, Crude oil extraction, production, transportation and other aspects of measuring moisture content is still very low. In this paper, Mainly Introduced a working circuit for Moisture content measurement of crude oil. In this paper, Moisture content measuring range up to 0 100%, p 1%, Good linearity, high sensitivity, good stability, and drift small. The design of reliable software systems as much as possible not only to ensure full functionality of the intelligent measurement and to ensure wide range of linear measurement, as well as the systems rapid response characteristics.Key words: water content in crude oil;Sensitive probe;Capacitance sensor;8051石油化工行业中，原油含水率是原油生产和加工过程中的主要计量参数之一，含水率数据的测量是否准确和及时，对原油生产和管理具有极其重要的意义。目前，检测原油含水率的方法很多，有传统的定时取样蒸馏化验的人工方法、射线法、短波法、微波法、电容法等。在原油含水率检测中，电容式传感器以其结构简单、响应快、灵敏度高等优点被广泛使用。运用电荷转移法可实现电容电压的转换,再利用电压频率转换电路,同时应用单片机进行数值转换,最终得到原油的含水率。1测量元件的基本原理1.1 电容传感器的探头基本原理 电容传感器的敏感探头是一变介电常数式电容传感器。该探头对被测含水原油的介电常数敏感，而含水原油的介电常数随原油含水率变化而变化，敏感探头置于被测含水原油中，如果忽略原油中所含杂质的影响，可近似看作纯油和纯水的混合物。纯油属非极性电解质，介电常数在 2.3 左右。而纯水是极性电解质，其介电常数为 80左2右。显然，原油中含水率的变化将显著影响原油介电常数的变化。将敏感探头（电容传感器）置于含水原油中，原油含水率的变化即转化成敏感探头电容量的变化，电容传感器送出一个和含水率相对应的电信号，由此可以测出原油的含水率。1.2 电容式传感器探头的测量机制传统观点认为，用电容式传感器作含水率一次敏感元件，在低含水率段有良好工作特性。当含水率在 30%50%范围时，由于大量导电离子水构成两电容极板间的导体，从而失去对含水率的分辨能力。本仪器采用同心套筒电容结构，且在其内电极涂敷钛氟纶绝缘层，消除含水导电效应，使仪器在 0100%含水率测量范围均有良好的工作特性。输油管线中的流体，虽经搅拌混合，但流经电容式传感探头时仍为非均匀流体，为使其具有很好的自均流作用，探头与流体方向相对插入，并在外电极板上开均匀分布排列的圆孔。图 1 是电容探头示意图。电容中心电极半径为 ，内电极涂氟的绝缘层厚度为r，绝缘材料介电常数为 ，传感器外电极内表面半径为 ，电极长度为 ， 为混1Rh2合液介电常数，根据同轴柱状电容器容量计算公式，可得绝缘层和混合液对应的电容C1、C 2 分别为：（1）12ln()hCr（2）2ln()hRr电容式传感器的 C 可视为 C1、C 2 的串联，因此:（3）12121ln()ln()hRrCr3图 1 电容探头示意图因 2 与原油含水率有关，因此由式（3）可知，根据测得的电容 可换算出含水C率 。11.3 温度传感器的工作原理温度传感器选取 AD590 温度传感器，AD590 温度传感器是一种 IC 化的温度感测器，它会将温度转化为电流，其规格如下：1. 温度每增加 1，它会增加 1A 的输出电流。2. 可测量范围-55至 150。3. 供电电压范围+4V 至+30V。AD590 的管脚图及元件符号如图 2 所示。图 2 AD590 的管脚图及元件符号AD590 温度传感器的输出电流值说明如下：其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准，每增加 1，它会增加 1A 的输出电流，因此在室温 25时，其输出电流 =（273+25）=298A。outIAD590 基本应用电路如图 3 所示。41 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 8-Jun-2009 Sheet of File: D:ptlBACKUP21.DDB Drawn By:Vcc10K+- VoI o图 3 AD590 基本应用电路注意事项：1. Vo 的值为 Io 乘上 10K，以室温 25而言，输出值为：10K298A=2.98V。2. 测量 Vo 时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。AD590 实际应用电路如图 4 所示。图 4 AD590 实际应用电路电路分析：1.AD590 的输出电流 =（273+T ）A （T 为摄氏温度） ，因此测量的电压 为I V（273+T）A10K=（2.73+T/100）V。为了将电压测量出来又务须使输出电流 不分I流出来，我们使用电压跟随器其输出电压 等于输入电压 。2VV2.由于一般电源供应较多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，其输出电压 需调整至 2.73V。13.接下来我们使用差动放大器其输出 为（100K/10K）（ ）=T/10，如果0 21现在为摄氏 28，输出电压为 2.8V，输出电压接 AD 转换器，那么 AD 转换输出的5数字量就和摄氏温度成线形比例关系 。271.4 8051 单片机8051 芯片是 INTEL 公司推出的采用 HMOS 工艺制造的双列直插(DIP)式芯片。8051 是在一块芯片中集成了 CPU、RAM 、ROM、定时器/计数器和多功能 I/O 等一台计算机所需要的基本功能部件。引脚功能如表 1 所示，其片内有 4 个可编程的程序存储器、具有 256 个字节的片内 RAM、具有 32 条可编程的 I/0 端口线、具有 2 个 16 位的可编程定时/计数器、有 5 个中断源和一个全双工串行通信口，最高工作频率可达24MHz，完全可以满足本系统的需要。表 1 8051 引脚功能引脚号 引脚名 功能18 P1.0P1.7 8 位准双向 I/O 口3932 P0.0P0.7 双向 8 位三态 I/O 口2128 P2.0P2.7 8 位准双向 I/O 口1017 P3.0P3.7 8 位准双向 I/O 口40 VCC 接+5V 电源20 VSS 接地19 XTAL1 接外部晶体的一个引脚18 XTAL2 接外部晶体的另一端9 RST/VPD 复位信号输入端30 ALE 为地址锁存信号29 PSEN 程序存储允许输出控制端31 EA/VPP 内/外程序存储器选择控制端8051 有 2 个 16 位计时/计数器寄存器。作为一个定时器，每个机器周期，寄存器增加 1，这样寄存器即可为计数机器周期。因为一个机器周期有 12 个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的 1/12。作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0 和 P3.5/T1 上出现从 1 至 0 的变化时增 1。由于需要 2 个机器周期来辨认一次1 到 0 的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的 1/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0 和 P3.3/INT1 编程，便于测量脉冲宽度的门 。34815 74LS164 单片机采用 74LS164 与单片机连接，进行 I/O 口扩充，并通过 74LS164 与 LED 连接达到显示的目的。74LS164 是 8 位串入并出移位寄存器，当单片机串行口工作6在方式 0 的发送状态时，串行数据由 P3.0（RXD）送出，移位时钟由P3.1（TXD）送出。在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入 74LS164 中。需要指出的是，由于 74LS164 无并行输出控制端，因而在串行输入过程中，其输出端的状态会不断的变化，故在某些应用场合，在 74LS164的输出端应加接输出三态控制 。其传输方式采用串行口方式 0 的数据传送，可采用中断方式，也可采用查询方式，无论哪种方式，都要借助于 TI 或 RI 标志。串行发送时，可以靠 TI 置位（发完一帧数据后）引起中断申请，在中断服务程序中发送下一帧数据。在串行接收时，则由RI 引起中断或对 RI 查询来确定何时接收下一帧数据。无论采用什么方式，在开始通讯之前，都要先对寄存器 SCON 进行初始化。在方式 0 中，将 00H 送 SCON 就可以了 。482测量电路的工作原理21 电荷转移法测量电容原理安装在输油管道内的传感器电容变化量很小，一般在几十到几百 pF 范围，因此，电容测量电路要求具有 0.1pF 的分辨率，且要求有良好的零点和长期工作稳定性。电荷转移法的电容转换电路的特点是漂移小，测量准确度高，稳定性好，并且几乎不受并联漏电阻的影响。图 5 所示为将电容上的静电容变换成电压的电路。 为参考用的基准电压， 为sVC被测电容， 为参考电容。开关 S1、S2、S3 可以联动，且由外部集成电路 NE 555SC提供的 2 kHz 时钟脉冲驱动。 由 在一定时间充电，其充电电荷 为：SCsVQ（4）SQ若将开关连续交替接到相反的一侧， 中的电荷移动到基准电容 上。这时若1 S不考虑电荷损耗，则：（5）0V由式（4） 、 （5）得：(6)0sC由式（6）知，输出电压 是频率为 2kHz、幅度与 成反比的脉宽信号。0V71 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 7-Jun-2009 Sheet of File: C:PROGRAM FILESDESIGN EXPLORER 99 SEEXAMPLESMyDesign1.ddbDrawn By:CsS1S3S2VsV0图 5 变换电路22 电压-频率转换在探头端检测电路中，由 转换电路输出的脉宽信号经 3 Hz 有源低通滤波器，0CV使输出变为 05 V 的电压信号 ，送至 LM331 电压-频率转换芯片。如图 6 所示。其输出到 8051 计数器 T1 端的频率 与 的关系为：f（7）12.09sltR1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 8-Jun-2009 Sheet of File: D:ptlMyDesign3.ddb Drawn By:716 532LM331CL 1uFCt0.01uFR1100KRL51KRt6K12K10KRs5K0.1uF845VVf图 6 电压-频率转换电路当调节 =15 k 时, =2.0695 V，即输入信号达到 10 kHz 满量程。图中 =6.0 sR tk， =0.01F 以及 =10 k 均为典型设计值。使用中不用变动， 和 分别是tC0L 0Ls零点迁移和量程调节电阻，可根据需要调节 。57923 温度补偿的工作原理8温度变化给传感器实际测量带来的误差表现在传感器的输入输出特性曲线上产生非线性变化。为解决这样问题，必须使问题简单化，找出它们之间的关系，建立对应的数学模型，传感器特性曲线 ,如图 7 所示。()yfx图 7 传感器特性曲线可以把曲线按一定要求分成