（检测技术与自动化装置专业论文）分段电容式液位测量的研究.pdf

中文摘要 摘要 溢油回收过程中进行油水分离时，检测油气、油水界面所在位置以及油层厚 度是至关苇要的一个环节，不仅需要能够同时检测油气、油水两个界面，还需要 保证检测结果是实时连续的，要求具有较快的检测速度。本课题正是研究这样一 种测量技术，通过测量电容，利用单片机实现实时动态多界面液位测量。 通过测量各分段电容传感器然后对测得的数据进行分析处理得到各界面位置 是本论文的总体思路。 本论文首先介绍了各种液位测量的方法，然后对课题中所提的测量要求进行 分析给出了液位测量的需水分析，通过对比各种测量的方法选定了基丁分段电容 的测量方式。通过阐述分段电容式液位测量的原理分析、实现、以及解决的问题， 从硬件和软件两个方面详细介绍了液位测量所需传感器的设计和制作过程，最后 是对传感器的实验及对实验数据的分析总结，从而验证分段电容式测量液位的方 法在本课题应用中的选择是正确的。 本论文主要内容包括两个方面：首先是对分段电容式液位检测原理的分析以 及住该分析基础之上进行的理论改进，从而在理论上简化了测量过程，保证了测 量的速度。其次是电容测量电路的具体实现，因为在测量过程中，需要测量的电 容比较小，容易受到外界的各利t 干扰，因此为了满足课题要求，设计了一种能够 测量小级别电容并且能够抗外界干扰的电容测量方法。通过这两个方面的重点阐 述，在软件和硬件两个层次完成了本课题的研究。 关键词：传感器；分段电容；液位测量；单片机 英文摘要 a b s t r a c t w h e ns e p a r a t eo i lf r o mw a t e ra ts p i l l e do i lr e c o v e r yp r o c e s s i n g ，t h ed e t e c t i o no f o i l g a si n t e r f a c e ，o i l w a t e ri n t e r f a c ea n d t h eo i lt h i c k n e s si sac r i t i c a lp a r t ，n o to n l yc a n d e t e c to i l g a si n t e r f a c ea n do i l - w a t e ri n t e r f a c e ，b u ta l s on e e dt oe n s u r et h er e s u l t si n r e a l t i m ea n dc o n t i n u o u s ，r e q u i r e sf a s t e rd e t e c t i o ns p e e d t h i si s s u ei sr e s e a r c has u c h o fm e a s u r e m e n tt h a tr e a l - t i m ea n dd y n a m i cd e t e c tm u l t i i n t e r f a c el i q u i dl e v e lu s i n g m i c r o c o n t r o l l e ra n dc a p a c i t a n c em e a s u r i n g b ym e a s u r i n gt h ec a p a c i t a n c e o fs u b c a p a c i t o rs e n s o rt h e n p r o c e s s i n g t h e m e a s u r e dd a t at og e tt h ei n t e r f a c ep o s i t i o ni st h eo v e r a l li d e ao ft h i sp a p e r t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ev a r i o u sl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n tm e t h o d s ，a n dt h e n a n a l y s i s t h er e q u i r e m e n t sm e n t i o n e di nt h es u b j e c ta n dp r o v i d e s l i q u i d l e v e l m e a s u r e m e n tn e e d s ，b yc o m p a r i n gs e l e c t e dv a r i e t yo fm e a s u r e m e n tm e t h o d sa n d s e l e c t e dm e a s u r e m e n tb a s e do ns u b - c a p a c i t o rs e n s o r d e s c r i b e dt h ep r i n c i p l ea n a l y s e s o fs u b c a p a c i t o rs e n s o rf o rl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n t ，i m p l e m e n t a t i o n ，a n ds o l u t i o n p r o b l e m s ，g oi n t o d e t a i la b o u tt h ed e s i g na n dp r o d u c t i o np r o c e s so ft h el i q u i dl e v e l m e a s u r e m e n ts e n s o r sf r o mb o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea s p e c t s ，a n df i n a l l yi st h e e x p e r i m e n ta n da n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n ta n de x p e r i m e n t a ld a t a ，t h e r e b yt ov e r i f yt h e l i q u i dl e v e lw i t hs u b c a p a c i t o rs e n s o ri nt h i st o p i ci sc o r r e c t t h i st h e s i sc o v e r st w oa s p e c t s ：f i r s ti st h ep r i n c i p l e da n a l y s i so ft h es u b c a p a c i t o r l i q u i dl e v e ld e t e c t i o na n dt h ea n a l y s i so ft h et h e o r e t i c a li m p r o v e m e n tb a s i si t ，t h u s s i m p l i f y i n gt h em e a s u r e m e n tp r o c e s si nt h e o r y ，e n s u r et h em e a s u r e m e n ts p e e d s e c o n d a r yi ss p e c i f i cc i r c u i to f t h ec a p a c i t a n c em e a s u r e m e n tr e a l i z a t i o n ，b e c a u s ei nt h e m e a s u r e m e n tp r o c e s s ，t h ec a p a c i t a n c ei sr e l a t i v e l ys m a l l ，i n t e r f e r e ds u s c e p t i b l ew i t h v a r i e t yo fo u t s i d ee l e m e n t s ，s oi no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h es u b j e c t ， d e s i g n i n gam e a s u r e m e n tf o rs m a l ll e v e lo fc a p a c i t a n c ea n dr e s i s t a n t t oo u t s i d e i n t e r f e r e n c e t h r o u g he x p a n do nt h i st w oa s p e c t s ，c o m p l e t i o nt h er e s e a r c ho ft h i sp a p e r f o r ms o f t w a r ea n dh a r d w a r e k e yw o r d s ：s e n s o r ；s u b c a p a c i t o r ；l i q u i dl e v e l ；s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕上学位论文= = 岔壁电查式速僮型量笪婴窒：。除论文中已经注明引用 的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开 发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：越 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到巾国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 巾国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、巾国学位论 文伞文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库巾，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密囤( 请在以上方框内打“，) 做储躲掀导师繇j 虱如甜 日期：d 叫p 年占月；d 日 分段电容式液何测量的研究 1 1 课题来源以及研究目的 第1 章绪论 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家发改委的“船载溢油围收集成系统技术”项目，该项目用 于研究船载溢油回收装备。 自1 9 9 3 年我国从石油出口国转为石油净进口国以来，石油进口数量不断上升， 沿海的石油运输量大幅增加。我国进口的石油9 0 是通过海上船舶运输来完成的。 据统计，1 9 7 3 2 0 0 6 年，我国沿海共发生大小船舶溢油事故2 6 3 5 起，其中溢油5 0 吨以上的重大船舶溢油事故共6 9 起，总溢油量3 7 ，0 7 7 吨，平均每年发生两起，平 均每起污染事故溢油量5 3 7 吨。石油本身具有毒性，进入海洋后不仅会对海洋环 境、野生动物和养殖资源等造成不同程度的危害，而且这种危害的周期往往是很 长的。凶此对溢油治理方法和技术进行进一步的研究，以便最大程度地减少溢油 所造成的危害，具有重要的意义 1 1 。 溢油的处理方式基本有三种：生物法、化学法和物理法。对于海上溢油清除， 物理法中的机械回收方法是最好的，不但清除了溢油，消除了溢油的危害，还回 收了溢油，即保护了环境又保护了资源【2 - 3 】。 1 1 2 研究目的 溢油回收装置是一种机械回收装置，是溢油发生后处理溢油的一种有效装置， 能极大的减小溢油的危害并回收溢油，降低损失。该系统最关键的部分是油水分 离装置，但是在油水分离过程中只有确定油气界面和油水界面的位置，才能知道 油层的厚度，控制油水分离装置正常工作。因此需要设计一种液位传感器，能够 检测油气、油水两个界面的位置，而且要求传感器具有较高的精度和良好的动态 特性。 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状及发展 随着科学技术的发展，近几年来国内外学者对于双界面液位测量技术和装置 的研究取得了很大的进展，发明了很多用于液位测量的仪器仪表，根据测量方式 可以分为接触式和非接触式两类。 1 2 1 接触式液位测量方法 ( 1 ) 浮予式或者浮筒式液位测量法 浮子式或者浮筒式液位测量装置是早期的液位测量方式，检测原理是利用能 够在液面上漂浮的浮子，随着液位的变化带动变送器装置，将液位转换为相应的 电信号。这种装置结构简单、易丁实现，但是浮体会随着液面的上下波动而产生 误差，而且因为有机械可动部件，产生的摩擦力或者液体的粘着都会对测量准确 性产生影响，而且该方法只能测量单一界面的液位。 ( 2 ) 伺服式液位测量法 伺服式液位测量装置利用浮力平衡原理，使用伺服电机驱动体积较小的浮了， 伺服电机不但可以使浮了漂浮在液面，还可以漂浮在界面，采用灵敏的测重装置， 这样不仅可以更为精确地测量出液位，还可以测量如油气和油水双界面。 伺服式液位测量装置同样属于机械式的测量装置，不但安装较为复杂，而且 即便是采用了伺服电机驱动，但在使用过程中难免会产生磨损，从而影响测量精 度，需要定期维护和标定。 ( 3 ) 磁致伸缩液位测量法 磁致伸缩液位测量装置采用了磁致伸缩技术，可以测量油气和油水双界面， 是同前使用的精度最高的接触式液位测量装置。 在检测油气界面和油水界面时磁致伸缩液位测量装置安装两个浮子，一个浮 子密度小于油的密度，另一个浮子密度小于水的密度而大于油的密度，两个浮子 都安装有一组磁铁，可以产生固定的磁场。测量时装置的头部产生“询问”脉冲 电流，该电流产生的磁场会沿着波导管内部的感应线向下传导，当“询问 脉冲 电流产生的磁场与浮子磁场相遇时，会产生“返回”脉冲( 也称“波导扭曲脉 分段电容式液位测量的研究 冲) ，“询问”脉冲与“返回”脉冲之间的时间差及对应着油水界面和油气界面 的高度。 磁致伸缩液位测量装置可动部分只有浮子，安装容易，工作寿命长，其测量 精度高，是比较理想的接触式液位测量装置。但是测量时浮子容易卡住，测量装 置与被测液体接触，容易受到腐蚀，液体的密度变化都会影响测量结果1 3 】。 ( 4 ) 电容式液位测量法 电容式液位测量装置利用的原理是不同的介质具有不同的介电常数，不同介 质相互混合时，电容值会随着各介质所占的比例不同而有所区别，电容值即对应 着界面所处位置。 电容式液位测量法测量速度较快，也没有任何机械装置，可以进行连续实时 测量。但是南丁只能反应两种介质的不l 司比例，气体也是一种介质，凶此电容式 液位测量方法一般用来测量各种单一液体的液位。而且南于介电常数也会随着温 度湿度等外界环境变化的，导致电容式液位测量精度较低，需要重复标定”1 5 】。 1 2 2 非接触式液位测量方法 除了上述所讲的接触式液位测量技术，近年来对非接触式液位测量技术也进 行了大量的研究和实验。非接触式液位测量主要有以下几种方式： ( 1 ) 超声波液位测量法 超声波液位测量法利用了超声波遇到物体表面产生反射的原理，根据超声波 在不同介质中的传播速度和测量的时间差可以计算出液位。因为超声波在油水界 面也会产生反射，所以超声波液位测量法可以用于测量油气界面和油水界面双界 面，但是对于界面的清晰度要求较高。 超声波是机械波，界面反射信号强，传播过程中的衰减小，因而应用较为广 泛。但超声波的传播速度受环境温湿度、压力以及介质密度等因素影响，其测量 精度较低，仍需重复标定 1 6 - 1 7 】。 ( 2 ) 微波液位测量法 微波液位测量法原理同超声波液位测量法相同，通过计算微波的发射信号与 反射信号的时间差获得液位，微波传播速度受环境温湿度、压力以及介质密度等 第1 章绪论 因素影响很小，克服了超声波的缺点，但是液体介电常数对微波信号的强弱有很 大影响，因此，微波液位测量法测量油水界面较为困难。 除了以上两种非接触式液位测量方法外，还有激光液位测量法和光纤液位测 量法，它们的原理都和超声波液位测量法类似，只是将传播对象换成激光和光纤， 但是它们发射及接受测量装置都比较复杂，使用及维护比较困难，而且也不适于 测量双界面液位【18 1 。 1 3 本课题主要研究内容 通过以一卜对国内外液位测量方法的比较分析可以看出，大多数方法虽然可以 测量油气和油水两个界面，但是对环境以及被测介质的要求比较高，而且需要在 油水界面比较清晰地情况下才能获得比较准确的液位数据。因此提出了以电容式 液位测量方法为基础的分段电容式液位测量法。这种方法不但对环境以及被测介 质要求不高，而且可以很好的测量油气和油水双界面【1 9 】。 1 3 1 分段电容测量液位的改进 传统的电容式液位测量法一般使用圆柱形电容传感器，因为不j 一的介质具有 不l 一的介电常数，介质所占的比例不同传感器的电容也不同，电容值即对应着界 面所处位置。 但是由于只能反应两种介质的不同比例，气体也是一种介质，因此只能用于 测量单一界面，电容式液位测量方法也就不适合用来测量油水混合的双界面。而 且由于介电常数会随着温度湿度等外界环境变化，如果使用经验值会有较大误差， 导致电容式液位测量精度较低。 因此对传统的电容式液位测量法进行了改进，将原来的一段电容从上至下分 成段电容，独立引线，检测个电容值。这样就可以使油水界面和油气界面分 别处于不同的界面，而且可以通过其中充满气、油、水的某一段的电容值实时计 算出介电常数，然后用于分界面的计算，从而提高测量的精确度。 分段电容式液何测量的研究 1 3 2 本课题的研究内容 本课题的研究内容： ( 1 ) 对国内外各种液位测量方法进行了分析比较，总结了各种方法的优缺点， 通过对比选定了通过测量电容的方式计算液位的方法。 ( 2 ) 设计了分段电容式液位测量系统的总体构成和结构，以及工作方式和工作 过程。 ( 3 ) 对目前常用的微小电容检测方法的原理、特点和存在问题进行了分析比 较，设计了一种能够抵抗寄生电容和干扰电容影响、分辨率较高、测量范围为几 p f 到几百p f 的充放电法电容检测电路。 ( 4 ) 对分段电容式液位测量方法的原理进行了分析，提出了电容转换液位的算 法，在一段电容传感器出现一个界面的情况下，较为准确的计算出界面位置。同 时尝试计算油层厚度小t 丁每段电容高度，即在一段电容传感器中出现油气和油水 双界而f l 寸的界面位置。 ( 5 ) 系统的软硬件设计，包括电源模块、单片机模块、电容检测模块、人机交 互模块、串行通信模块，实现了稳定的电源供电，制定了通信协议，在通信协议 的基础上进行串行扫描各段电容、计算油气界面和油水界面位置、测量数据显示 和参数设定。 ( 6 ) 系统整体测试，对电容测量和液位测量进行试验，并对试验结果进行分析。 分段电容式液位测量的研究 第2 章分段电容式液位测量原理及方法 2 1 传统电容式液位测量的介绍 2 1 1 传统电容式液位测量的原理 传统的电容式液位测量法一般使用两个内外电极相套的圆柱形电容传感器， 如图2 1 所示。 内电极 外电极 介质 一7 一 一d 一一一7 图2 1 传统电容传感器原理图 f i g 2 1p r i n c i p l em a po ft r a d i t i o n a lc a p a c i t a n c es e n s o r 电容传感器高度为l ，内电极直径为d ，外电极直径为d ，当电容传感器内外 电极之间充满介电常数为的介质时，其电容值的计算表达式如下： c = 万2 n e e o 三 ( 2 1 ) l n 二 d 其中， f0 为真空的介电常数，岛= 8 8 5 4 x1 0 2f m 。 第2 章分段电容式液位测量原理及方法 由公式2 1 可知，在保持d 、d 和三不变的情况下，电容的大小和介质的介电 常数呈线性关系。已知d 、d 和三三个参数的值，根据测量到的电容值c 即可 计算出该介质的介电常数f 。 当电容传感器内外电极之间充满两种介质时，比如油和气，此时会有一个油 气界面，下部为油，高度为h ，介电常数为占，上部为空气，高度为恸，介电 常数为f2 ，如图2 2 所示。 内电极 介质 ，7 + - 一d ，外电极 ，。 d，7 空气 油气界面 油 _ 川 甲 图2 2 含有介质的传统电容传感器原理图 f i g 2 2p r i n c i p l em a po f t r a d i t i o n a lc a p a c i t a n c es e n s o rw i t hm e d i u m 此时相当于将两个电容传感器并联，电容值的计算表达式如下： c = c 油+ 呸气= 等争h + 等孚( 三一日) = g + 脚( 2 2 ) i n - - - - i n _ 。_ 。 dd 其中： g = 等 g = 孚 l n 二 d 分段电容式液何测量的研究 拈各( 叫剖 l n 刀 g l l 为油部分所产生的电容，c 盗气为空气部分所产生的电容，c 。为电容传感器 中充满空气时的电容值，为油的介电常数，气为空气的介电常数。在环境不 变的情况下总电容c 与油的高度呈线性关系。 将油的介电常数和空气的介电常数气代入2 2 式，根据此时测量得到的 电容值就可以计算出油的高度2 0 - 2 4 。 2 1 2 电容式液位测量方法在油水界面检测中遇到的问题 但是在实际应用中，尤其是用丁海上溢油回收这样的上作环境，有许多问题 必须予以考虑，这些问题主要有： ( 1 ) 在测罩得到传感器电容值之后计算液面的高度需要知道各个介质的介电 常数，但是各介质的介电常数并不是一个固定的值，而是一个随着各种条件变化 而变化的值。 原油或者其他油品的介电常数与其含水率有关，在正常环境下，油水混合之 后静止一段时间后，因为油水互不相溶且油和水的密度不同导致油水分离，油浮 于水的上方，两者界面分明，油中的含水率相对固定，通过测量我们可以根据公 式3 1 计算出此时油的介电常数。但是在复杂的海洋环境下，有着复杂的物理化学 变化，海水的运动也会导致油和水也相互撞击，互相渗透，导致油的含水率有很 大的变化，因此很难确定油的介电常数。 油水界面检测中的另一介质海水的介电常数也是变化的，由于海水中含有各 种矿物质和盐分，不同区域的海水中含有的矿物质和盐分是不同的，即便是同一 区域这些物质的含量也会有轻微的变化，这样势必会影响传感器的测阜= 精度。 温度对于不同介质介电常数也有一定得影响，尤其是水的介电常数受温度的 影响是非常明显的，如表2 1 所示，在0 度时水的介电常数约为8 8 ，而温度达到 第2 章分段电容式液位测量原理及方法 5 0 度时，水的介电常数下降到7 0 ，变化是比较的大的。因此油水界面检测中温度 对介电常数变化的影响所导致的测量误差是必须要考虑的。 表2 1 水的介电常数与温度的关系 t a b 2 1t h ei n t e r r e l a t i o nb e t w e e nw a t e r sd i e l e c t r i cc o n s t a n ta n dt e m p e r a t u r e 温度 01 02 03 04 05 0 介屯常数 8 88 48 07 67 37 0 ( 2 ) 通过传统电容式液位测量的原理介绍，可以知道该方法适合测量两种介质 单一界面的位置，而并不适宜用于二种介质的油气、油水界面双界面的检测。因 此，必须要对传统电容式液位测量方法进行改进，使之适应双界面位置的测量。 ( 3 ) 油与水的分界面并不是一个清晰的界面，而是一个随着油的含水量由大到 小变化的从水到油的过渡带，称之为乳化层。传统电容式液位测量方法依靠的是 介电常数进行计算，乳化层的介电常数无法确定，凶此该方法很难确定乳化层的 位置，传感器所能够检测到的只是一个近似的界面，凶此如何处理近似晃面并确 定油水界面的位置是一个必须要考虑的问题。 由此不难看出，在油气、油水双界面检测的应用中，传统电容式液位测量方 法有各利- 局限性，在应用到油气、油水双界面检测时会遇到很多问题从而导致测 量精度不高，甚至是非常不理想的程度。因此，要将电容式液位测量方法应用到 油水界面检测r f l ，需要对传统电容式液位测量方法进行改进。 2 2 分段电容式液位测量的原理 2 2 1 分段电容式液位测量的原理 分段电容式液位测量是将传统电容式液位测量中的一段圆柱形电容传感器分 成了段相互独立的圆柱形电容传感器，每一段相互并联，相互绝缘并独立引线， 相当于从上至下形成了个i n 量程的电容传感器，每一段独立检测电容，通过 个电容传感器的测骨= 结果计算并判断油气、油水双界面的位置【2 5 1 。 分段电容式掖住口0 量的研究 分段电容式液位测量装黄如图2 3 所示 内电拔 外电极 国23 分段屯容式传感器原理圈 f i g2 3p d n c i p l e m a p o f t h es e g m e n t e dc a p a c i t a n c es e n s o r 分段电容式液位授0 量传感器总共十段，每段高为假设第1 、2 段为空气段， 第3 段为油气界面所在段第4 、5 、6 段为纯油段，第7 段为油水界面所在段， 第8 、9 、1 0 段为纯水所在段。每一段的等效电容为c ，、o 、o 、o 、g 、如、o 、 c 8 、c c i 幽为每嘏电容传感器的内电极直径d 、外电极直径d 、传感器高度都是固 定的而且在常温环境下空气的介电常数为l ，水的介电常数为8 0 左右，纯净 原油的介电常数为23 左右水和油两者介电常数相差将近4 0 倍 2 6 1 比较易于区 分，报据公式2i 可以知道c 尸印c j l ，则式2 2 2 可以简化为： 圪= 一孚k ( f ) ( 2 2 3 ) 乙， 南此表明，检测器输出电压正比于被测电容的电容值g 。该电容测量电路的 优点是测量结果只与正弦信号的电压和反馈电容有关，与正弦信号的频率无关。 第2 章分段电容式液位测量原理及方法 但是测量电路复杂，需要萨弦信号进行激励，而且该电路同样易受寄生电容得干 扰而影响测量结果。 ( 3 ) 电容转换频率法 电容转换频率法测量电容的原理足利用r c 电路的充放电和集成电路将电容c 直接转换为频率，j 将测量电容转换为测量频率。比较典型的方法是使用集成定时 器5 5 5 作为多谐振荡器实现c f 转换，电路简单，但是5 5 5 实现的震荡频率较低。 其电容转换频率法测量电路如图2 7 所示。 r l c x 一t ：一- ! 一一f 一 图2 75 5 5 电路 f i g 2 7e l e c t r i cc i r c u i to f 5 5 5 该电路巾对g 的充电时间为： 7 = 0 6 9 3 r 2 g 放电时间为： t 2 = o 6 9 3 ( r i + r 2 ) g 则电路输出的频率： 户l t - - l ( t 1 + 乃) = 1 4 4 3 ( r i + 2 r 2 ) g c 、= 1 4 4 3 ( r i + 2 r 2 ) f 测量出频率厂后，可以计算出测量的电容c r 。 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 分段电容式液位测量的研究 2 3 2 改进直流充放电方法测量电容原理分析 由以上分析可以看出，直流充放电法具有其它电容测量方法无可比拟的优势， 如果能去除寄生电容对测量的干扰，将是测量电容方法的最佳选择，因此本文采 用了一种能够抗寄生电容干扰的充放电法电容测量电路3 1 1 。 改进直流充放电方法电路原理如图2 8 所示。 s w kl 、k 3 k 2 、k 4 o 图2 8 改进的直流充放电原理图 f i g 2 8p r i n c i p l em a po fi m p r o v e dd cc h a r g ea n dd i s c h a r g ee l e c t r i cc i r c u i t 与图2 5 介绍的直流充放电方法相比，主要区别在于将被测电容固定接地接改 成接浮地。其中开关k l 、k 2 、k 3 、受时钟信号s w 控制，当s w 为高电平时， k l 、k 3 接通k 2 、瞄断开为充电状态，当s w 为低电平时，k l 、k 3 断开k 2 、接 通为放电状态。在时钟信号s w 控制下形成对被测电容g 的周期充电和放电，在 电荷检测器输出端产生一个与被测电容g 正比的直流电压。 第2 章分段电容式液位测量原理及方法 考虑到屏蔽、内外电极和引线的寄生电容以及与之相连的开关的杂散电容， 其中，c k 和c 厶分别为内外电极a 、b 到测量电路之间的屏蔽电容和引线电容等 寄生电容，g ，、g 2 、g 3 、g 4 分别为开关k l 、k 2 、k 3 、杨的杂散电容，令与a 极板相连的所有寄生电容为c o = g a + g ，+ c b ，与b 极板相连的所有寄生电容为c ，= e 6 + g j + g 4 。r 。为漏电阻，值很大。c 为去耦电容，且c g ，可以去除输入端 的瞬态电压尖峰信号。 ( 1 ) 充电状态时 k i 、k 3 接通而k 2 、断开时开始对g 进行充电。g 的a 极板电压在很短的 时间内被充电至圪，与岛有关的各个电容的电压也迅速被充电至圪，而g 的b 极板和与c ，有关的各个电容通过k 3 放电至零电位。 ( 2 ) 放电状态时 k i 、k 3 断开而k 2 、接通时开始对g 进行放电，b 极板通过与保持虚地 的运放输入端相接。而e 和与c d 有关的各个电容在很短的时间内放电至零电位。 但是只有g 和。有关的各个电容的放电电流通过瞄流经运放，因此与c d 有关的 各个电容对g 的测量没有影响。 流经g 的电荷为： g = g 圪 ( 2 2 8 ) 而在k 2 、接通之前与c ，有关的各个电容通过k 3 放电罕零电位，因此k 2 、 瞄接通之后，流经与c ，有关的各个电容的电荷为： q i = c i 所 ( 2 2 9 ) 式中n 为运放输入端电压。 由于在放电状态时，b 极板与地之间没有电荷泄放通道，因此全部电荷q 流 经运放泄放掉，其电荷q 为： g i = g + 9 ，= g 圪+ c ，n ( 2 3 0 ) 假设运放的开环增益 1 0 0 0 ，若圪为5 v ，则巧小于5 m v ，因此运放对于q ， 的灵敏度要远远小于对于g 的灵敏度，因此： 分段电容式液位测量的研究 罂墼：丘一5 m v ：0 o o l ( 2 3 1 ) a q a q 5 v 、 由此可见，c ，对于g 的测量影响很小，可以忽略不计。 最终，在频率为厂的时钟信号s w 控制下，电容测量电路最终的输出电压为： 圪2r ，= 尺，q 厂= 尺，v c j ( 2 3 2 ) 通过以上对于图2 8 所示电容测量方法的分析可以得出结论，该方法实际上消 除厂电子开关电容和寄生电容的影响，非常适合微小电容的测量，且不需要人工 干预调整。 分段- u 彝式液f t 删世的研究 第3 章系统总体设计 31 课题需要实现的功能及要求 31l 溢油回收的过程 溢7 m 同收装置是个密闭的装置，如图3l 所示 收犍目 l 小 m m ij 集辅 液f t 传感* 抽油“ 抽油u 一 二二二多 图31 收汕装置示增幽 f i g3 i s t m c t u r e m a po f t h er e c o v e r ) , o i le q u i p m e n t b 通道 首先让收油装冒内部充满水然后将装置置于油污水面，开动收油装置底部的 抽水泵，收油装置内产生负压使水面上漂浮的浮油混合着水和空气经过导流通道 被一同吸八装置中，由j 二油、水和空气的密度不同，进入装置内浮油会分离成油 滴迅速l 浮，进入装簧i - 部集油箱，空气也会进入集油箱中油层的1 ：7 y ，随着油 披的睫陧积聚，当集油箱c 1 一的油液达到一定厚度时开动抽油泵将油抽出。 第3 章系统总体设计 3 1 2 系统实现的功能及要求 通过溢油回收过程的描述可以知道溢油装置工作过程最后一个环节就是在油 液积累到一定厚度时控制油泵将油抽出，因此油液厚度的测量是溢油回收实现的 重要环节，液位测量装置是溢油回收装置中的核心。 为了能够实现实时的反映溢油回收装置中气、油、水的状态，了解溢油回收 装置的状态，要求液位测量装置能够连续的将油气，油水界面的位置测量出来， 同时为了控制油泵抽油，还需要计算出油层的厚度，即油气界面与油水界面的差 值。为了精确控制抽油装置，需要液位测量装置具有较高的测量精度。抽油泵在 向外抽油时速度比较快，因此需要液位测量装置具有较快的测量速度。 为了便于操作人员观察，需要将油气界面与油水界面的位置和油层的厚度通 过l c d 显示屏显示出来，i 司时将数据通过r s 一4 8 5 通讯方式传送出去，便丁二二次 仪表的使用。 收油装置用于海上环境，海面情况复杂，有各种随机信号的干扰，因此传感 器需要具有较强的抗干扰能力。海水中含有各种具有腐蚀性的矿物质，凶此传感 器需要具有较强的抗腐蚀能力。 3 1 3 系统的主要技术指标 ( i ) 测量参数：油气界面和油水界面位置，其中油水界面属于油乳化层界面 和乳化层水界面混合的界面 ( 2 ) 测量范围：1 0 0 c m ( 3 ) 测量精度：3 c m ( 4 ) 测量速度：5 s ( 5 ) 环境温度：1 0 一6 0 ( 6 ) 电源电压：2 4 v ( 7 ) 显示方式：l c d 显示油气界面和油水界面位置、油层厚度 ( 8 ) 通讯接口：r s - 4 8 5 ( 9 ) 单片机功能：能够实现自动保护防止程序跑飞、能够对测量装置进行初始 化校准，将初始化参数保存并控制整个测量系统的运行。 分段电择式液位0 量的研究 32 系统总体结构设计 321 传感器结构 传感器结构如剧32 ： 状态指示 灯、l c d 及 图32 传感器结构示意图 f i g3 2s t r u c t u r em a po f t h es c i i s o r 整个传感器f 以分为上下两部分：上部为数据采集与处理模块，下部为r 段 电容传感器和电容传感器外电极。 上部包括电源模块，a t m e g a t 6 荦片机、人机交互模块和通讯模块。争部安装 在传感器顶部的防水盒中。防水盒采用航空插头外接电线，接入2 4 v 电源的输入 以及r s 一8 5 串行通讯线缆。防水盒上方安装有状态指示灯、按键和l c d 显示屏， 实现传感器工作指示和人机交互。 下部包括l 段独立的电容传感器和电容传感器外电极。电容传感器外电极公 用套在整个电容传感器外部。中曰足聚四氟乙烯绝缘管将所测介质与电容传感 第3 章系统总体设计 器隔离。十段独立的电容传感器每一段的结构如下图：聚四氟乙烯绝缘管内是电 容传感器内电极，高为1 0 c m t 中叫是电容测量电路板，包括a t m e g a 8 单片机、 电容测量电路和通讯电路，其中电容测量电路分别和电容传感器内、外电极相接。 电容传感器截面图如图3 3 。 电弊删盟 电路扳 内电极 聚阴氟烯 绝缘管 幽33 传感器截面豳 f i g3 3s ：c t i m a p f t h n s o r 这利一独立的电容测量模块的设计虽然增加了整体复杂度和开发成本，但是这 样设计可以极大的缩小连接电容测量模块和电容极板的导线距离，从而极大的减 小了导线电容对丁测量的影响，提高了液位测量的精度。 最关键的是每一段电容传感器都具有独立的电容检测模块，可以进行高速电 容测量，a t m e g a l 6 单片机可以实时的读取每一段的电容值用于计算。如果通过电 子开关选通通道然后进行电容测量，不但电子开关需要等待一段时间，每一次通 道通断后还需要更长的时间等待电容测量模块稳定，之后才能测最到正确的电容 值，这样就达不到系统要求的测量速度。采用独立的电容测量模块就可以使被测 电容一直接入并处于稳定状态而不需要电子开关选通通道也不需要等待电容测 量模块的稳定，从而减小了总体测量时间，提高t n 量频率。 322 系统功能模块划分 系统按照功能可以划分为以下模块： 分段电容式液何测量的研究 ( 1 ) 电源模块：将+ 2 4 v 输入电源转换为系统正常工作使用的+ 5 v 电源，采用 双电源工作。一路给十段电容传感器，称为传感器电源；另一路给电容传感器之 外的所有电路供电，称为主电源。 ( 2 ) 数据采集与处理模块：该模块以a t m e g a l 6 单片机为核心，通过串行通信 收集十段电容传感器测量得到的电容数值，通过计算得到油气界面和油水界面的 何置。同时摔制整个系统的运行，包括系统初始化、电容传感器初始化、采集并 处理十段电容传感器测量得到的电容值、液位计算、t 作指示及测量结果显示、 参数设定、串行通信等。 ( 3 ) 电容测量模块：包括方波产生电路、电容电压转换电路、放大滤波电路、 a d 转换电路和a t m e g a 8 单片机电路，a d 转换电路使用a t m e g a 8 自带的a d 转换功能实现。南a t m e g a 8 作为中继，接受a t m e g a l 6 单片机的控制，进行该段 电容传感器的初始化，电容测量、结果的传送。 ( 4 ) 人机交互模块：包括工作指示、按键和l c d 显示。 工作指示为5 个l e d 灯管，包括主电源指示、传感器电源指示、运行指示、 数据传输指示、系统运行异常指示。 四个按键实玑用户输入。 l c d 显示实现油气油水界面位置显示、油层厚度显示、不同功能状态下内容 显示。这些都保证了用户能够简单快捷的设定、使用、维护传感器，提高用户的 操作体验。 ( 5 ) 通信模块：包括两部分，传感器内部串行通信和外部r s 4 8 5 总线通信，两 者使用的都是a t m e g a l 6 和a t m e g a 8 自带的串行通讯模块实现。 第3 章系统总体没计 3 2 3 系统工作框图 图3 4 系统：j ：作框图 f i g 3 4w o r k i n gd i a g r a mo ft h es y s t e m 3 4 - 分段电容式液位测量的研究 第4 章系统硬件设计 4 1 硬件电路的总体设计 4 1 1 硬件电路的可靠设计 系统长期可靠稳定运行是系统硬件设计中非常重要的一点，因此硬件电路的 设汁要考虑影响可靠性的因素。 影响系统的可靠性有内部和外部两方面。影响系统可靠性的内部因素有： ( 1 ) 元器件的性能与可靠性。元器件是组成系统的基本单元，其特性好坏和稳 定性与仪表的性能和可靠性息息相关。在系统设计当中，要精心挑选元器件，使 其能够满足长期稳定性和可靠性的要求。 ( 2 ) 硬件设计。硬件设计中要求原理正确，参数设计适中，线路布局合理，避 免元器件之间的电磁耦合，还应当利用必要的技术削弱外部干扰对仪表正常运行 的影响。关键部分可以采用冗余设计。 ( 3 ) 安装与调试。安装调试过程也是保证系统可靠运行的重要手段。如果安装 工艺粗糙，调试不严格，仍有可能影响系统的可靠性。 影响可靠性的外部因素是指工作环境巾的导致系统不可靠工作的外部因素。 主要包括以下几点： ( 1 ) 外部电气条件，如电源电压的稳定性，强电场和强磁场的影响。 ( 2 ) 外部窄间条件，如温度、湿度、动气清洁度等等。 ( 3 ) 外部机械条件。如振动、冲击等等【3 2 】。 4 1 2 硬件电路设计划分 硬件电路设计分为三部分进行阐述： ( 1 ) 电容测晕电路部分：包括直流充放电式电容测量电路、a d 转换电路和 a t m e g a 8 单片机电路。 ( 2 ) 主控电路部分：包括a t m e g a l 6 单片机电路、人机接口电路。 ( 3 ) 通用电路部分：包括电源电路、通信电路。 第4 章系统硬件设计 4 1 3 单片机的选用 单片机是整个液位测量系统的核心，各个电容传感器的测量电容过程，测量 结果的处理并计算液位，人机交互以及通信全部以单片机为核心，并通过单片机 的协调保证整个系统的稳定运行。因此单片机的选择是否恰当，直接影响测量系 统的功能和性能。选择单片机的原则是根据测量的要求，从整个系统的功能、性 能、可靠性、研发成本、使用效率等多方面进行综合考虑，从实际出发，适当选 择。通过综合考虑，该系统采用了a v r 系列单片机中的a t m e g a l 6 和a t m e g a 8 分别作为数据采集与处理模块单片机和电容传感器模块单片机。 a v r 单片机是1 9 9 7 年由a t m e l 公司研发的增强型内置f l a s h 的 r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc p u ) 精简指令集高速8 位单片机。r i s c ( 精简指令系 统计算机) 是相对丁：c i s c ( 复杂指令系统计算机) 而言的。r i s c 并非只是简单 地去减少指令，而是通过使计算机的结构更加简单合理而提高运算速度的。r i s c 采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在 一字之中。a v r 单片机执行当前指令时取出将要执行的下一条指令放入寄存器中。 取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。由于a v r 采用 了r i s c 的这种结构，使a v r 系列单片机都具备了i m i p s m h z ( 百万条指令每秒 兆赫兹) 的高速处理能力。 a v r 单片机硬件结构采取8 位机与1 6 位机的折中策略，即采用局部寄存器存 堆( 3 2 个寄存器文件) 和单体高速输入输出的方案( 即输入捕获寄存器、输出比较匹 配寄