（控制理论与控制工程专业论文）基于msp430的原油含水率测量.pdf

摘要 原油含水率是石油化工行业石油采集、冶炼及运输过程中一个重要的参 数，原油含水率测量是否准确对于确定原油的品质和明确原油交易时双方的利 益有重要的意义。油水混合物有两种状态：油包水( 低于3 0 的低含水率) 和 水包油( 高于3 0 的高含水率) 。高含水率测量主要应用于石油的采集，而低含 水率应用于石油的冶炼和运输过程。目前国内只能对高含水率进行在线测量， 而很少有在线的准确的低含水率的测量仪，基本上都是引进加拿大等国外的产 品。本文利用了差动电荷转移法测量原油的介电常数的变化的原理来测量原油 低含水率( 0 一1 0 ) ，去除了分布电容和电阻对测量精度的影响。并且对油样 的变化和温度的变化、以及测量仪长时间使用后的结蜡对测量的影响进行了探 索。采用三维样条插值法进行温度补偿，很好的解决了温度漂移。对于现场的 油样的变化和长时间使用后的结蜡导致测量发生漂移的问题，采用了一点测量 值校正的方法进行现场校正，方便工人的使用。 硬件上使用了德州仪器公司的m s p 4 3 0f l a s h 低功耗型单片机，用液晶显 示器显示，整体上降低了仪表的功耗。测量仪可以通过r s 4 8 5 与上位机通信， 可以方便二次仪表的监测和数据处理。并有4 - 2 0 m a 标准电流输出。 关键词：差动电荷转移法；原油含水率；低功耗；介电常数 a b s t r a c t w a t e rc o n t e n ti nc r u d eo i li sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ro fo i li n d u s t r yi nt h e p r o c e s s o fm i n i n g 、s m e l t i n ga n dt r a n s p o r t i n g s ot h e p r e c i s i o n o fo i l sw a t e r c o n t e n ti so fs i g n i f i c a n c ef o rc o n f i r m i n gt h eo i l sq u a l i t ya n dd e f i n i t ei n t e r e s to f b o t hs i d e so ft r a d e o i l w a t e rm i x t u r eh a st w os t a t e ：w a t e ri no i le m u l s i o n ( 1 0 w w a t e rc o n t e n tu n d e r3 0 1a n do i li nw a t e r e m u l s i o n ( h i g h w a t e rc o n t e n tu d 3 0 ) n o wt h ef a c t o r i e so n l yc a nm e a s u r eh i g hw a t e rc o n t e n to n l i n ei nc h i n a ，b u t h a v en op r e c i s eo n l i n el o ww a t e rc o n t e n tm e a s u r i n gi n s t r u m e n t am a j o r i t yo f t h o s ep r e c i s eo n l i n el o ww a t e rc o n t e n tm e a s u r i n gi n s t r u m e n t sa r ei m p o r t e df r o m c a n a d aa n do t h e r f o r e i g nc o u n t r i e s m e a s u r e m e n to fo i l s l o ww a t e rc o n t e n t ( o 一1o 1i sb a s e do nt h et h e o r yo fm e a s u r i n go i l sd i e l e c t r i cc o n s t a n tw i t ht h e d i f f e r e n t i a l c h a r g et r a n s f e r r i n g m e t h o di n t h i s p a p e r t h e e f f e c to f s t r a y c a p a c i t a n c ea n dr e s i s t a n c eo na c c u r a c yi s r e d u c e dg r e a t l y h o wt h ew a xd e p o s i t a n dt h ev a r i e t yo fo i ls a m p l ea n dt e m p e r a t u r ea f f e c tm e a s u r e m e n ti sa l s os t u d i e d t e m p e r a t u r es h i f t i n g i ss o l v e d t h r o u g ht e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n w i t h t r i p l e s p l i n ei n t e r p o l a t i o n f o rt h ep r o b l e mo fw a xd e p o s i ta f t e rl o n gt i m eu s e ，i t i s r e v i s e dw i t ho n ep o i n to f m e a s u r e m e n t i ti sc o n v e n i e n tf o rw o r k e r s o p e r a t i o n t h ei n s t r u m e n tu s em s p 4 3 0f l a s hl o wp o w e rm c ua n dl c di nh a r d w a r e s ot h i si n s t r u m e n tn e e dv e r yl o wp o w e r t h i si n s t r u m e n ta l s oc a nc o m m u n i c a t e w i t hp c t h r o u g hr s 4 8 5 i ti sc o n v e n i e n tf o rs u p e r v i s i n ga n dd a t ap r o c e s s i n g a n d i th a s4 2 0 m ac u r r e n to u t p u t k e yw o r d s ：d i f f e r e n t i a ic h a r g et r a n s f e r ：0 ii sw a r erc o n t e n t o w p o w e r ：d i e f e c t r i oc o n s t a n t 基于m s p 4 3 0 的原油含水率测量 0 前言 原油含水率是石油化工行业一个重要的参数，检测原油含水量是原油开采、脱水、 处理、集输计量、储运销售及石油炼制等过程被普遍关注的问题。若原油含水量检测不 准，将直接影响油井及油层动态分析。在石油炼制过程中原油含水超标易引起突沸等恶 性事故发生。在冶炼过程中，许多厂矿采用重油作为冶金炉的燃料。重油中的水分对其 燃烧和闪速炉炉况有很大影响。因此，水分多时应设法去掉。实践表明，有时为了改善 高粘度重渣油的雾化性能和降低烟气中n o x 含量，还向重油中掺入适量的水分，以取得 经济的燃烧效果，这些都要求对含水量进行测量。从油田开采的原油一般都含有较高的 水分，开采后要求对原油进行含水量的检测，才好进行提炼。并且运输过程中如果含水 率过高，就会造成能源浪费。在石油公司销售的过程中也要求对石油进行含水率测量。 所以含水率测量准确对于确定石油的品质和明确石油交易时买卖双方的利益有重要的意 义。 油水混合物有两种状态：油包水( 含水率低于3 0 ) 和水包油( 含水率高于3 0 ) ， 所以原油含水率的测量分成两类，低含水率测量和高含水率测量。高含水率测量主要应 用于石油的采集过程，而低含水率应用于石油的冶炼和运输过程。目前国内对于原油含 水率的测量都是高含水率的粗犷型在线测量，而极少有在线准确的低含水率测量仪器， 大多数石油企业还是采用落后的离线的方法来测量低含水率，有些企业引进了加拿大等 外国的测量仪，价格相当昂贵。我的设计目标就是设计一个现场的低含水率测量变送器。 测量原油低含水率的方法主要有电容法、密度法、短波法这几种方法。电容法主要包括 电荷转移法和射频导纳法，射频导纳法的设备要比电荷转移法复杂，并且射频法会受到 电阻的影响，而电荷转移法简单，充放电的过程中，对电容的测量不会受到电阻的影响。 所以本实验中选用电荷转移法。密度法只是一种化学方法，不利于用微机测控。密度法 在实验室的条件下能满足精度要求，但是在原油生产工况条件下，虽然经过初步油气分 离，在输油管道中，仍会有一定比例的游离气体存在因而会严重影响密度测量精度。 密度法测量原油含水率在中、高含水率范围内( 含水率在3 0 1 0 0 ) ，最大相对误差 绝对值小于3 ，且井口计量对误差的要求不高这种情况，该法用于井口的原油含水率 的测量是可行的，但是对于低含水原油( 含水率电o ) ，由于该法的高误差，应避免使 用。微波和短波方法测量原油含水的仪表，其测量原理属于对管内二相流体点线式的采 样，不能正确全面反映混合两相流的情况，因而实验室条件下测量精度能达到要求，在 具体现场工况条件下不能满足精度要求。 电容法的原理就是利用水的介电常数和油的介电常数相差很远的这一事实。在2 0 温度下，纯油的介电常数是2 3 ，而水的介电常数是8 0 ，当含水率不同时，油水混合物 的介电常数会发生明显的变化，通过传感器测量电路，把油水混合物的介电常数变化转 化成电容量的变化，经过变送器，转换成电压，再经过a d 转换，实现电量测量。对温 度和油样的变化进行温度补偿和现场非线性校正，达到满意的精度。差动电荷转移法， 是电荷转移法的一种改进方法。差动电荷转移法解决了电容法的两个常见问题，该方法 可以抗分布电容，并且充放电过程中不会受到电阻的影响，没有射频法的阻抗干扰问题， 大大提高了测量的精度。 甚于m s p 4 3 0 的原油含水率测量 1 原油含水率的测量方法 1 1 测量原油含水率的几种方法的比较 1 1 1 密度法( 。) ( 1 )密度法原理 在原油和水不可压缩且互不相溶的条件下，设原油水混合密度为p ，纯水的密度为 p 。，纯原油的密度为p 。，原油的体积为a ，则有： p ，= q p 。+ ( 1 一a ) p 。或a = 量卫= 厂( p 。，p 。，p 。) ( 1 1 ) 由式( 1 - 1 ) 可见，当p 。和p 。一定，p 由密度计测得时，由式( 卜1 ) 就可以计算 出原油的体积含水率，这就是密度法测量原油含水率的基本原理。 ( 2 )密度法误差分析 影响含水率误差的直接的因素有三个：一是纯水的密度大小，二是纯油的密度大小， 三是油水混合液的密度大小。其他条件不变时，纯原油密度越小，则含水率误差也越小， 这可以从密度法测量含水率的本质上去理解密度法实质就是利用油和水的密度不同去 区分油和水来测量含水率，那么在水密度不变的情况下，油密度越小，两者的密度差别 就越大，就越有利于区分和测量，即有利于减小误差。说明这种方法适合测量高含水率 的原油。还有其他间接影响因素，如密度计的取样方式、流体温度变化和油水混合液流 态的影响。 ( 3 )密度法的结论 密度法测量原油含水率在中、高含水率范围内( 含水率在3 0 1 0 0 ) ，最大相 对误差绝对值小于3 ，对于井口计量对误差的要求不高这种情况，该法用于 井口的原油含水率的测量是可行的，但是对于低含水原油( 含水率 2 0 ) ，由 于该法的商误差，应避免使用，特别不适于测量净化后的原油含水率。 密度法测量原油含水率其误差随含水率升高而减小，在低含水段，减小 较为急剧，进入中高含水段，减小逐渐平缓，对于目前多数的最大相对误差为 0 1 的在线密度计来说，该法可以达到的最小相对误差约为1 。 影响密度法测量原油含水率误差的直接因素有：密度计误差、纯水密度和纯油 密度误差，在整个含水率范围内，前者的影响占5 0 6 0 ，后两者所占影响 的分额随含水率变化而变化。 为了提高密度法测量原油含水率的准确度，除了上述的三个直接影响因素外， 还必须注意考虑温度、取样方式和原油水混合液的流态等间接因素，尽量将各 种系统误差减小到可忽略的程度。 基于m s p 4 3 0 的原油古水率测量 1 1 2 短波法2 ) ( 1 ) 短波法原理 该方法就是应用短波吸收原理工作的。短波吸收法就是将电能以电磁波的形式辐射到 以乳化状态存在的油水介质中，根据油、水这两种介质对短波吸收能力的不同来检测油 水乳化液的水含量。 电磁波通过介质时，将或多或少的被吸收，因此电磁波的出射能量总是小于入射能 量，这种能量的减d , n 从朗伯一贝尔定律，即 ，、= k g ( 1 2 ) 式中：u 一介质的吸收系数； n 一介质的分子数； i 。一电磁波入射波强； i 。一电磁波出射波强； 式( 卜2 ) 表明，当保持出射波强一定时，电磁波的入射波强与吸收介质分子数成指 数规律变化。吸收系数由介质特性决定的，各种介质的吸收系数u 是不同的，式( 卜2 ) 适用于单一频率的电磁波。 如果吸收介质由多种物质组成，则式( 卜2 ) 应为： j 。= j 。g 乙“啊 ( 卜3 ) 石油乳化液中，式( 卜3 ) 可变为： i = ，e o ? q + p v ”- ( 1 4 ) 式中：u 广原油吸收系数； n 。_ 一原油分子数； p ，一水吸收系数； n - - 一水分子数； 根据实验得知：因“。 v r 的电路，而c x 和c r 的电路基本一样，所以 下面讨论如何将c x 转化成v x 。 2 2 1 分布电容对测量电容c x 的影响7 如何将c x 转化成v x ，也就是如何测量c x 电容，这里是基于充放电原理，原理框 图见图2 3 。 图2 3 充放电电容测量电路 f i g u r e2 - 3c a p a c i t a n c em e a s u r i n gc i r c u i tt h r o u g h c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g 其中c 。为测量传感器两极板之间的电容，即待测电容，c ：- 和c ；z 为传感器两极板 基于m s p 4 3 0 的原油古水率测量 和其他金属物体例如输油管道间的分布电容，以及极板与引线电缆间的杂散电容之和。 在前面已经计算过实验中使用的平板电容测量含水率为o 一1 0 时，两极板之间的电 容为5 p f 2 2 p f 之间，极板间的距离不能太小，因为石油是比较稠粘的物质，极板间的距 离过小，会使极板粘在一起，不能使极板间真正的充满石油，产生误差，所以即使实验 中把极板的面积做的大一些，极板间的电容还是在l o o p f 左右。但是由于c s l 和c s 2 的 分布电容一般都大于l o o p f “”，由于待测电容和分布电容很相近，大多时候还小于分布 电容，这时分布电容会对测量电容值产生很大的影响。因此要求测量电路具有较高的灵 敏度和抗分布电容的特性，即分布电容对被测电容值没有影响。 s m h u a n g 设计的基于充放电原理的微电容测量电路“由于具有较好的抗分布电容 特性而被普遍采用，其电路如图2 3 所示。 对于图2 - 3 所示的电路，一个完整的充放电过程包括两个步骤：首先，开关s 1 和s 2 合上，s 3 和s 4 断开，将被测电容c 。充电到v 。：然后，开关s 1 和s 2 断开，s 3 和s 4 合 上，被测电容c x 通过开关s 4 对地放电，放电电流流过电荷检测器并产生一个相应的输 出。当c x 被充电时，b 点经过开关s l 接地；而c x 放电时，根据运放的特性b 点处于“虚 地”电位，因此可认为在整个充放电过程中c 。2 上不积累电荷，其对输出电压v 、不产生 影响；另一方面，积累在c ，上的电荷形成的放电电流不流经电荷检测器，因此其对输 出电压v 。也不产生影响，这正是该电路具有抗分布电容特性的原因所在。 根据s m h u a n g 分析( 2 ) ，检测电路的带宽b = i ( r ，c ，) ，当满足 b t s ， 即f r c ， i 时，在t 2 0 附近将式( 7 ) 进行泰勒展开并省略高阶项可得到下式： 吧啡等 1 - 南】 ( 2 - 9 ) 当本汝充放电讨挥窨成时，v x 满足下式： 基于m s p 4 3 0 的原油含水率测量 聪) 【啉) + 等】 1 一南 设av x = v x ( t s ) 一v x ( 0 ) ，则有： 挑2 等旷南m c m ，南 令v x 2 0 ，由式( 2 一i i ) 可以推得： e ( o o ) o = 等卜嘉，半= 等c 即，叫 ( 2 一l o ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 显然，若v x ( 0 ) v x ( 一) 。，则a v x t s 2 l 仃，即，r ，c i l 时，只要充放电的时间足 够长，v x 将趋向于( v c c x c i ) ( r ，c y - 1 ) v c r ，c x ，频率等于充放电频率a 由此可见 v x 的基准值正比于充放电频率，、充放电电压v c 、反馈电阻r ，和被测电容c x 。由于被 测电容c x 直接包含在振荡的基准值中，因此为了得到稳定的v x 输出值，在选取电路参 数时应在满足，r ，c ， l 的前提下使得v c c x c r 尽可能的小2 ”。如果用一个1 2 b i t 的 a d 转换器来采集v x ，假设a d 转换器的分辨率为i l s b 、转换量程为1 0 v 、充放电电压 v x 为1 0 v ，为使a d 转换结果波动不大于i b i t ，则应使得振荡幅度满足： v c c x c ， t s = i ，也就是，rr c r l 时，只要充放电的时f q 足够长，电压v x 将趋向于( v c c x c ，) ( ，尺rc r 1 ) 一r e rr c x ，频率等于充放电频率 基于m s p 4 3 0 的原油含水率测量 2 “。由此可见，v x 的基准值正比于充放电频率，、充放电电压v c 、反馈电阻r ，和 被测电容c x 。 为了得到稳定的v x 输出值，在选取电路参数时应在满足，r ，c ， l 的前提下使得 v c c x c ，尽可能的小，一般可以选取合适的c i 来满足此条件ac ，的选取可根据a d 转换器的最小分辨率来计算求得2 卦。 2 3 测量变送器的具体电路 图2 5c x 和c r 的具体的测量电路 f i g u r e2 - 5m e a s u r i n gc i r c u i to fc xa n dc r 前面的晶振产生2 方波，控制c c 4 0 6 6 双向模拟多路开关的开和舍，来控制c x 和c r 的充放电过程。在晶振信号的高电平时，c x 充放电电路的s 2 和s 4 合上，c r 充放电电路 的s 6 和s 8 合上；而在晶振信号的低电平时，c x 充放电电路的s 1 和s 3 合上，c r 充放电 电路的s 5 和s 7 合上。如此将c x 和c r 转换成v x 和v r 由前面的推导公式可知，只要电 路参数满足一定的条件下，就可以得出： 基 m s p 4 3 0 的j 最油含水率测量 v x 2 c r ，l c x 同样 v r = f v c r ，2 c r ( 2 一1 3 ) ( 2 一1 4 ) 其中v c 为5 v t r f l = r f 2 = i o k q 。然后把v x 和v r 信号送到差动放大电路进行信号处理 一下，调节成a d 输入信号要求的电压量程范围，在本实验中把电压调节成o 一2 5 v 。 差动放大电路如图2 6 所示： l t v 圈2 6 差动放大电路 f i g u r e2 - 6d i f f e r e n t i a la m p l i f i e rc i r c u i t 差动放电电路的放大倍数为 1 + ( r 4 + r 6 ) r 5 * r 9 r 7 。所以： v w = i + ( r 4 + r 6 ) r 5 十r 9 r 7 ( v x v r ) = 1 + ( r 4 + r 6 ) r 5 * r 9 r t * f v c r s ( c x c r ) ( 2 一1 5 ) 电路中r 4 = r 6 = 1 0 0 q ，r 5 是最大值为2 0 0 q 的可调电阻，r 9 = r t = 2 0 0 q 。由2 1 节的 计算可知，平板电容极板间充满纯油时的电容量为5 p f 左右，而极板问的石油含有2 0 的水时，电容量大概为2 2 p f ，所以c x 的大小范围为5 2 2 p f 之间，而c r 就是5 p f 左右， 则( c x c r ) 的范围为o - 1 7 p f 。由此可以计算v w 的大概大小： v w = ( 1 + 2 0 0 r 5 ) 2 0 0 2 0 0 2 x 1 0 6x5 x l o x l 0 3 ( c x c ，) 取( c x c r ) 的最大值时， v w ：( 1 + 2 0 0 r 5 ) * 2 0 0 2 0 0 * 2 x 1 0 6 5 1 0 1 0 3x 1 7 x 1 0 “ 基十m s p 4 3 0 的原油含水率测量 2 1 7 f 1 + 2 0 0 r 5 ) 可以调节r 5 的值，使v w 电压值小于2 5 v ，2 5 v 就是量程的最大值( 满度) ，也是m s p 4 3 0 单片机内部a d 转换量程的最大值。当测量传感器充满纯油时，此时和补偿传感器是完 全一样的，虽然从理论上来说，此时的输出电压v w 应该为0 v ，但是工艺上不能保证两 个传感器完全一样，这时就可以调节r 3 ，使v w 为0 v ，这就是量程的零点。 调节好v w 电压量程范围为0 - - 2 5 v 后，就可以进行测量了。 最后的两个二极管d 1 、d 2 和一个o p 0 7 构成了电压嵌位保护电路，防止测量电 路输出电压过高，会直接损坏m s p 4 3 0 的输入管脚，因为m s p 4 3 0 单片机的工作电源电 压v c 在i 8 3 6 之间，并且要求m s p 4 3 0 的各个管腿的输入输出电压都不能超过电源 电压v c 的范围，不然就可能对m s p 4 3 0 造成永久的损坏。v r e f + 来自m s p 4 3 0 单片机的 7 管脚，它是单片机内部a d 转换器的内部参考电平，可以用软件来选择15 v 或者2 5 v ， 本实验选择2 5 v 。也就是内部a d 转换器的转换范围的上限。这个保护电路的工作原理 是这样的， 当测量电路的输出电压超过2 5 v 时，也就是超过a d 的转换范围的上限时，二极管d l 会导通，u 8 ( o p 0 7 ) 是一个电压射随器，它的输出电压为v r e f + ( 2 5 v ) ，这样就把测 量电压嵌位在2 5 v 。而当测量电路的输出电压小于0 v 时，d 2 会导通，将测量电压嵌位 在0 v 。而当输出电压在o 2 5 v 的范围，d 1 、d 2 不会导通，不会影响测量电压的值。这 样保证了测量电压一直在o 一2 5 v 之间，既使保护电路在测量电压为正常电压时不会干 扰测量电压的值，也保证了测量电压不会高出内部m d 转换器的输入电压的范围。 2 4 实验数据与分析 这里首先用不同的电容模拟石油含水率的变化来看测量电压的变化，看测量电压与 电容是否成正比。取5 p f 、1 5 p f 、3 0 p f 和4 7 p f 的电容c x 和c r 来测量v x 和v r 电压的大 小，c x 是测量传感器的测量电容，c r 是补偿传感器的测量电容，v x 是测量传感器的测 量电压，v r 是补偿传感器的测量电压，见图2 5 。c x 与v x 的关系及c r 与v r 的关系如 下面的表所示。 表2 - 1c x 与v x 的关系 t a b l e2 一lr e l a t i o nb e g w e e nc xa n dv x lc x ( p f ) 51 01 53 04 7 l v x ( v ) 0 5 20 9 51 4 63 0 l4 ，5 3 表2 - 2c r 与v r 的关系 t a b l e2 2r e l a t i o f fb e t w e e nc ra n dv r c r ( p f ) 51 01 53 04 7 i v r ( v ) 0 5 3o 9 91 5 43 0 44 6 0 由于市场上卖的电容不是很精密，所以测量电压不一定很准确。但是大体上c x 与 v x 、c r 与v r 都成正比的关系，v x = f r f v e c x 。其中f = 2 m h z ，r r = i o k ，v c = 5 v 。并且c x 和c r 相同时，它们的测量电压也相同。 ， 上面是没有受到分布电容c s l 和c s 2 影响时的测量数据，现在加上分布电容 c s l = c s 2 = 1 0 0 p f 测得v x 变化如表2 3 。 基于m s p 4 3 0 的原油古水率测量 表2 3 有分布电容时c x 与v x 的关系 c x ( p f ) 51 0 j1 53 0 l 4 7 i v x ( v ) 0 4 6 。0 9 1i 1 4 32 8 7 i4 4 5 c r 的变化也是一样的，c r = 5 p f 时，v r = o 4 3 v 。从上面可以看出，存在分布电容时， v x 的值会有所减小。说明实际电路中的分布电容还是对单独的c x 或者c r 测量电路有 影响的。在后面加差动放大电路，v w = a ( v x v n ，a 是差动电路的放大倍数。测量时c r 不变，保持5 p f 大小，以此来模拟补偿传感器里面装满纯油时参考电容c r 的大小。改变 c x 的大小，来模拟测量传感器里原浊含水率的变化。下表就是c r 等于5 p f _ 手nc x 等于5 、 1 0 、1 5 、3 0 及4 7 时的v x v r 的值，并分成有分布电容和没有分布电容时的两种情况。 表4 - 4 c r = 5 p f 时c x 与v x v r 的关系 t a b l e4 - 4r e l a t i o nb e t w e e nc xa n dv x v rw h e n c r = 5 p f c x ( p f ) 51 01 53 04 7 没有分布电容时 o 0 2o 4 5o 9 52 4 84 o o v x v r 的值( v ) 有分布电容时 o o l0 4 91 o o2 4 44 0 2 v x v r 的值( v ) 测量电压和补偿电压差动放大以后，分布电容几乎不会影响v w 的值，有分布电容和 没有分布电容，v w 的值差不多。v w = a ( v x v r ) = a f r f v c ( c x c r ) ，v w 与v x v r 成正比。 测量时c r 不变，c x 变化( 也就是测量传感器中的原油含水率变化) 时，v w 会相应的变化， 但一直与c x - c r 成正比。由此得出结论，差动电荷转移法是完全抗分布电容的，也不会 受到电阻的影响。 2 5 差动电荷转移法的特点 由2 2 1 节的分布电容对测量电容c x 的影响的分析可知，只要r f 和c f 选择合适， v x 的基准值正比于充放电频率，、充放电电压v c 、反馈电阻r ，和被测电容c x 。理论上 分布电容和杂散电容对测量电压不会产生影响，分布电容的充放电过程的充放电电流不 会经过电荷检测器，不会影响测量电压。 实际上，分布电容对单个的测量电容的测量电压还是会有一点影响，但是采用差动 测量方法后，测量传感器和补偿传感器的结构是完全一样的，即使有分布电容存在，这 两个传感器上的分布电容对测量电压产生的影响就会相互抵消。 结合上面测量电路的这两个特点可知，即使存在分布电容和杂散电容，并且分布电 容和杂散电容的量级与测量电容相同，也不会影响测量电容的所产生的测量电压。差动 电荷转移法解决了分布电容的问题。这就可以测量很小的测量电容，而不会受到分布电 容的影响。 基于m s p 4 3 0 的原湖含水率测量 3 硬件系统设计 3 1 硬件系统的整体框架 块 1 2 0 毓s p 4 3 0 l 块广 单片机 la d 转j 】换器r li 图3 1m s p 4 3 0 系统硬件 f i g u r e3 - lm s p 4 3 0s y s t e mh a r d w a r e 整个单片机系统主要包括m s p 4 3 0 f 1 3 3f l a s h 型单片机、电源模块、d s l 8 8 2 0 测温模 块、测量变送电路、a d 采样和转换电路、键盘、显示和3 t a g 接口等。 电源模块是系统中比较重要的部分，电源输出电压是否稳定对于系统的稳定和是否 有干扰都有很大的影响。系统中用到的电压有5 v 、1 2 v ，这两组电压是采用老师做 的电源模块来供电的。由于m s p 4 3 0 型单片机是低功耗的单片机，采用3 v 供电，所以要 用专用的电源模块来对单片机进行供电。 前面提到过，含水的石油由于其中的水的介电常数受温度的影响很大，温度越高、 水的介电常数越小，并且纯油的介电常数也会随着温度的变化有一些影响，这样的话， 原油的介电常数就会随温度的变化而变化，并且原油的介电常数和温度没有一定的函数 关系，只能采用软件的方法进行温度补偿，使测量含水率在各种温度下比较准确，所以 要测定温度的大小来补偿测量值。温度计采用d a l l a s 公司的可编程单线数字式温度计 d s l 8 8 2 0 。它只有3 根线，电源v c c 、数据d q 和地线g n d 。测量范围广泛，从一5 5 - - 1 2 5 。 精度较高并且调，用户可以选择从9 位到1 2 位的测温结果，最高精度可以达到0 0 6 2 5 。c ， 是很理想的测温仪。 从第2 章的推导分析可以知道，含水率的测量变送器出来的电压正比于 f v cr ，( c x c r ) ，近似于一个直流电压，但是还是有一些交流振荡，振荡幅度为 v c ( c x c r ) c i ，振荡频率等于充放电的值，也就是c c 4 0 6 6 开关的频率。所以在含水率测 量变送器出来的电压应当加一个低通滤波器来滤掉无用的交流分量。 a d 转换模块是m s p 4 3 0 单片机内部自带的1 2 位精度的a d 转换模块，具有高速、 通用的特点。它总共有1 2 通道，对外可以用8 个通道，其中一个通道还装有用作温度测 量的热敏二极管。 键盘用于用户操作和参数设定、修改。显示采用p d c - 8 0 1 液晶显示模块，液晶模块 具有低功耗的特点，可以很好的和低功耗的单片机m s p 4 3 0 配合起来， 它是一个具有串行输入锁存器的液晶显示器，只有6 根线，实际上只要用4 根线，分别 是v c c 、g n d 、c l k 、d a t a ，很大的节省了单片机的端口资源。 基于m s p 4 3 0 的原油岔水率测量 j t a g 是边缘检测扫描技术，在每一个m s p 4 3 0 单片机内部都有j t a g 模块，它使得 每一个单片机都可以通过一个j t a g 接口与f e t 仿真头相连，仿真头的另一端与p c 机的 并行口相连，可以用t i 公司提供的仿真程序对m s p 4 3 0 进行在线调试，并且可以通过j t a g 接口对单片机内部的f l a s hr o m 和r a m 进行在线修改而不需要用外部编程器进行烧写。 下面分别对m s p 4 3 0 单片机和单片机的外围电路进行分析。 3 2 电源 在整个系统中，我用到了5 v 、1 2 v 、2 5 v 、3 v 。对于5 v 和1 2 v 这两组电压 是采用老师做的电源模块来供电的。由于m s p 4 3 0 型单片机是低功耗的单片机，采用3 v 供电，要用专用的电源模块来对单片机进行供电。单片机的供电模块是德州仪器公司的 t p s 7 6 3 0 1 ，这个电源模块是表面贴片式的，输出电压连续可调，可以输出1 6 5 o v 的电 压。只有j 个管脚。它可以提供1 5 0 m a 的电流，输出电压的应用电路如图3 2 所示。 t p s 7 6 3 0 1 图3 - - 2t p s 7 6 3 0 1 的应用电路 f i g u r e3 - 2t p s 7 6 3 0 1a p p l i c a t i o nc i r c u i t 1 脚为输入电压5 v ，2 脚接地，3 脚为电源模块的使能端，4 脚为反馈端，5 脚是输出端。 t p s 7 6 3 0 1 可调稳压器可以通过调节外围电阻r l 和r 2 来调节输出电压，输出电压可以用 下面的公式来计算出来： _ _ 0 9 9 5 ( 1 + 鲁( 3 - 1 ) 其中l 。= 1 1 9 2 v ( 内部参考电压) 电阻r 1 和r 2 上的电流必须是7 雌左右。再低一点的电阻也可以用，但是浪费了功率， 太高的电阻也不能用，因为这样会引起f b 端的泄漏电流增加和引起电压错误。推荐的电 阻值就是选择r 2 = 1 6 9 k q ，并且让流过r l 和r 2 电阻的电流为7 姒左右，由下式计算r 1 ： 矿 r 1 = ( 上_ 一1 ) r 2 ( 3 2 ) 、0 9 9 5 一些电阻和输出电压的典型值如表3 1 所示： 表3 一l 输出电压和电阻的典型值 基于m s p 4 3 0 的原油含水率测量 t a b l e3 - l t y p i c a lv a l u eo fo u t p u tv o lr a g ea n dr e s i s t a n c e 电阻值( k q ) 输出电压( v ) r 1r 2 2 51 8 71 6 9 3 33 0 l1 6 9 3 63 4 81 6 9 44 0 21 6 9 55 4 91 6 9 对于2 5 v 电压，采用l m 3 3 6 2 5 v 稳压电源，它的典型的连接如图3 3 所示 图3 3l m 3 3 6 稳压电源 f i g u r e3 - 3l m 3 3 6s t e a d yv o l t a g ep o w e rs u p p l y 3 3 低通滤波器 由前面第二章计算推导可知，含水率的测量变送器出来的电压正比于 v c r ，( c x c r ) ，近似于一个直流电压，但是还是有一些交流振荡，振荡幅度为 v c ( c x c r ) c ，振荡频率等于充放电的值也就是c c 4 0 6 6 开关的频率。所以在含水率测 量变送器出来的电压应当加一个低通滤波器来滤掉无用的交流分量。实验中采用了一个 一阶低通滤波器，如图3 4 。 图3 - - 4 低通滤波器 f i g u r e3 - 4 l o wf r e q u e n c yf i l t e r 低通滤波器的传递函数为： 1 1 点2 邮，2 器邓+ 争惫2 志 s ， o 褥 瓤 一m lul至一 基于m s p 4 3 0 的原油含水率测量 令4 = 4 旷= l + 鲁，峨= 去，则上式为 卜彘 睁4 ) 峨 式中瓦为同相放大器的电压放大倍数，实验中不需要放大，只要滤波的作用，可以使 r 2 r i ，放大倍数a 就为1 。截止频率u 。= u 。，使u 。近似于c c 4 0 6 6 的开关频率，就可 以滤掉含水测量变送器输出的电压中的交流分量和由于开关产生的高次谐波。 3 4a d 转换模块 3 4 1a d c l 2 结构 a d c l 2 是1 2 位精度的a d 转换模块， 块。它的结构如图3 5 所示， d c l 2 m c t u i o3 是m s p 4 3 0 系列单片机内部自带的a d 转换模 a o c l 2 m c t b -i 电压参考源 o c l 2 0 h 图3 5a d c l 2 结构 f i g u r e3 - 5s t r u c t u r eo fa d c l 2 它具有以下5 大功能模块，都可以独立配置，即 带有采样保持功能的a d c 内核： 可控制的转换存储： 可控制的参考电平发生器： 可控制和选择的时钟源； 可控制的采样及转换时序电路。 基于m s p 4 3 0 的原油含水i i 测量 a d c l 2 可以对8 个外部模拟信号之一或4 个内部电压之一作转换。4 个内部通道用于 温度测量、v c c 测量、正参考电平v e r e f + 测量及负参考电平v r e f - v e r _ e f 测量。 a d c l 2 工作时可以用内部参考电平，或者外部参考电平，也可以是两者的组合。 a d c l 2 具有通用的采样保持电路，给用户提供了对采样时序的各种选择。采样时 序可以通过控制位用软件直接控制，也可以用3 种内部或外部的信号来控制。通常，内 部时序信号来自于m s p 4 3 0 的定时器。此外，采样时序也可以编程为a d c l 2 转换时钟 周期的倍数。 用户对a d c l 2 的转换时钟，有多种选择来形成采样时序。a d c l 2 可以选择所有有 效的m s p 4 3 0 片内时钟，也可以选择一个外围模块所含的时钟，对于选择的时钟源可以 引入一个1 8 的分频因子。 a d c l 2 有4 种工作模式。可以在单通道上实现单次转换或多次转换，在序列通道上 实现单次转换或重复转换。对于序列通道转换，采样顺序完全由用户来定义，并且每个 通道可以独立配置转换所需的参考电平。 转换结果保存在1 6 个转换存储寄存器中。每个寄存器有各自的相应的配置及控制寄 存器，让用户为准备存储的转换结果的选择采样通道和转换所需的参考电平。 3 4 2a d c l 2 的工作原理 a d c 内核用到2 个参考电平，即v r + 和vr - 作为转换范围的上下限和读数的满量程 值和“0 ”值，转换数值在输入信号大于等于v r + 时为满量程值，小于等于vr _ 时为0 。 a d c l 2 有内部的两种参考电平，可以选择1 5 v 或2 5 v 。参考电平可以加在a d 内 核的v r + 上，也可以从外部连接到v r e f + 引脚。如果用外部的参考电平，则可以通过v e r e f + 引脚加在v r + 上。v r 的参考电平可以选择a v s s ，也可以经过v r e f _ 或v e r e f 引脚由外部加 入，如果v r e f 或v e r e f 引脚未用，则v r _ 连接到a v s s 。 a d c 内核完成将模拟信号转换成1 2 位数据并存入转换存储寄存器，输入通道和参 考电平由转换存储控制寄存器定义。转换公式为 n a d c - - 4 0 9 5x ( v i 。- - v r ) ( v r + 一v r ) ( 3 - 5 ) 假设v r + 取内部参考电压+ 2 5 v ，v 凡取a v s s 。输入电压v 。为+ 1 5 v ，则此时对应的 转换后的数据为0 9 9 9 h ，而+ 2 5 v ( v r + ) 对应的数据是0 f f f h ，a v s s 对应的数据为0 0 0 0 h 。 在实际应用中，参考电平和输入模拟信号不应高于供电电压和低于v s s 。 3 4 3a d 转换模式 a d c l 2 有以下4 种转换模式： 单通道单次转换： 单通道重复转换； 序列通道单次转换： 序列通道重复转换。 表3 2 说明了各个转换模式的差别。 基于m s p 4 3 0 的原油含水率测量 表3 2a d c l 2 的转换模式 t a b l e3 - 2a d c l 2 sc o n v e r s i o nm o d e 转换模式c o n s e q操作 对选定通道作单次转换； c s t a r t a d d = x ，指向转换开始的通道； 单通道单次 0 0 结果存入a d c l 2 m e m x 中，中断标志为a d c l 2 i f g x ： 通道( i n c h ) 、参考电平( s r e f ) 由a d c l 2 m c t i x 定义。 对序列通道作转换； c s t a r t a d d = x ，指向转换开始的通道： 序列的最后一个通道( y ) 用e o s