基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统.doc

CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 本科生毕业论文 设计 本科生毕业论文 设计 题题 目目 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 学生姓名学生姓名 指导老师指导老师 学学 院院 信息科学与工程学院 专业班级专业班级 完成时间完成时间 2009 年 6 月 I 摘 要 油品含水量是石油化工等行业一个重要的参数 油品含水直接影响油品的生产 运输 储存和使用 有些油品只允许微量水分存在 有些油品却不允许水分存在 因此对油品进行含水量的精确测量具有重要的意义 本文介绍了基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统的设计过程 采用虚拟仪 器开发平台 LabVIEW8 2 编程设计数据采集 数据处理 数据显示与存储 利用水 的介电常数远大于油的介电常数 两者所呈现的射频阻抗不同的特点 采用射频电 容法检测油品中的水分含量 针对检测过程中环境温度会影响传感器的输出值和测 量精度的问题 通过同时对水分和温度两个参量进行检测 然后利用曲面拟合算法 进行温度补偿处理 以提高系统测量精度 该检测系统对油品含水量的检测设计了两种方案 第一种方案选择射频电容传 感器采集水分电压信号和温度电压信号 通过信号调理电路对信号进行放大滤波后 由 PCI 6024E 数据采集卡读取数据 进行 A D 转换 最后送到计算机 利用 LabVIEW8 2 编写系统的数据标定和油品含水量测量程序完成油品含水量的检测 第二种方案是该系统作为上位机 接收下位机 单片机系统 采集的水分和温度电 压信号 利用 LabVIEW8 2 编写系统的数据标定和油品含水量测量程序 实现数据 处理 显示与存储 采用本系统对重油含水量进行检测和实验数据分析 结果表明 本系统操作简 单 稳定性好 测量精度高 关键词 油品含水量 虚拟仪器 介电常数 射频电容法 曲面拟合算法 II ABSTRACT The moisture in oil which directly affects the oil production transportation storage and use is one of the important parameters in petrochemical industries Some oil is allowed to have little water but any is not allowed Therefore the accurate measurement of moisture in oil is of great significance In this paper the designed process of the system for rapid detection of moisture in oil based virtual instrument is introduced and the virtual instrument development platform LabVIEW8 2 is used to design the program of data acquisition data processing data display and storage The dielectric constant of water is much larger than that of oil and the radiofrequency resistance showed by water and oil is fairly different Radiofrequency capacitive method is used to measure the moisture in oil However it is found in the measure process that the output values and measurement accuracy of the sensor are affected by ambient temperature The water and the temperature are detected by the radiofrequency capacitive sensor at the same time and the surface fitting algorithm for temperature compensation is used to improve the measurement accuracy in the system Two measurement schemes are designed in the system One is that radiofrequency capacitive sensor is used to acquire voltage signal of the water and the temperature and signal conditioning circuits are used to amplify and filter the signal then the data is read and A D conversion is done by the PCI 6024E In the end the data is sended into the computer The other is that the system is a host computer receiving the water and the temperature voltage signal acquired by the lower computer MCU system and using LabVIEW8 2 to design the program of data acquisition data processing data display and storage The system is validated by detecting the moisture of the heavy oil and the experimental datas are analysed The results show that the system has good operation well stability and high measuring accuracy KEY WORDS moisture in oil virtual instrument dielectric constant radiofrequency capacitive method surface fitting algorithm 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1 1 课题的研究意义 1 1 2 国内外油品含水量检测的研究现状 1 1 2 1 国内外油品含水量检测方法 1 1 2 2 国内外油品含水量检测产品 2 1 3 虚拟仪器技术及其应用 4 1 3 1 虚拟仪器的概念与特点 4 1 3 2 虚拟仪器的组成 4 1 3 3 虚拟仪器软件开发平台 5 1 4 课题的研究内容 6 第二章 系统总体方案设计 7 2 1 油品含水量检测原理 7 2 1 1 射线法 7 2 1 2 微波衰减法 7 2 1 3 电容法 8 2 2 检测方法论证 10 2 3 系统主要性能指标 10 2 4 系统总体设计方案 11 2 4 1 系统工作流程 11 2 4 2 温度补偿原理 11 2 4 3 曲面拟合算法的原理及应用 12 2 4 4 系统用户界面 14 2 5 本章小结 15 第三章 系统硬件设计 16 3 1 射频电容传感器 16 3 1 1 传感器探头 16 3 1 2 射频频率的确定 16 3 1 3 传感器测量电路 17 3 2 信号调理电路 18 3 3 数据采集卡 PCI 6024E 和 PC 机的接口电路 19 3 3 1 PCI 6024E 主要技术参数 19 3 3 2 PCI 6024E 输入方式 20 3 4 RS 232 串行接口 20 3 5 本章小结 21 第四章 系统软件设计 22 4 1 软件方案设计 22 4 1 1 程序设计思路 22 4 1 2 LabVIEW8 2 中实现曲面拟合算法 23 4 2 获取曲面拟合系数 24 4 2 1 数据输入处理模块 25 4 2 2 计算拟合系数模块 25 4 2 3 拟合系数存储模块 26 4 3 油品含水量测量各模块软件设计 26 4 3 1 数据采集模块 28 4 3 2 通信模块 29 4 3 3 调用拟合系数模块 29 4 3 4 计算油品含水量模块 30 4 3 5 数据存储模块 30 4 4 系统前面板设计 31 4 5 本章小结 31 第五章 系统实现与数据分析 33 5 1 系统实现 33 5 1 1 启动系统 33 5 1 2 检测油品含水量 33 5 2 实验结果与分析 34 5 2 1 实验结果 34 5 2 2 数据分析 35 5 3 本章小结 35 结 论 36 结束语 37 参考文献 38 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1 1 课题的研究意义 油品含水量通常用百分数表示 在油品中 大多数品种只允许有微量水分存在 水含量在 0 3 以下 还有部分油品不允许有水分 因为油品含水直接影响油品 的生产 运输 储存和使用 油品中含有水分 其燃料氧化速度加快 其胶质生成量也加大 比如轻质燃料 油中含有水分 不但使设备增加腐蚀和降低效率 而且由于较多的含水 使冰点升 高 低温流动性能变坏 严重时会造成熄火 甚至发生机械爆炸的危险 润滑油含水 则会造成油品乳化 破坏油膜 降低润滑效果而增加磨损 同时 还能腐蚀机件 加速润滑油的变质和劣化 特别是对含有添加剂较多的润滑油 实 验表示 当润滑油含水量达到 0 1 1000ppm 时 润滑油的抗磨性开始下降 当 含水量超过 0 4 4000ppm 达到 1 甚至更高的时候 抗磨性急剧下降 润滑油 的润滑性丧失 电气用油中含水则会降低其介电性能 严重时会引起短路 甚至烧毁设备 汽 油在生产与储运过程中容易混入水分 特别是大型油罐底部汽油的水分含量较大 汽车在行走过程中如果突然熄火或抖动厉害 很可能是加入含水汽油所致 汽油含 水的最大危害是会导致金属汽油箱内壁生锈 如果锈块吸附在油泵的滤网上 则会 使汽油泵吸油的阻力变大 致使发动机吸油不足 动力下降 时间一久 油泵失效 所以油品含水量的测量对油品的质量控制和安全使用具有重要的意义 1 2 国内外油品含水量检测的研究现状 1 2 1 国内外油品含水量检测方法 目前 国内外油品含水量检测方法很多 大体上可以分为人工测量和在线测量 传统的人工测量方法主要是通过人工取样 采用蒸馏法和电脱法测定油品含水 量 蒸馏法的原理是把不溶于水的有机溶剂和样品放入蒸馏式水分测定装置中加热 试样中的水分与溶剂蒸汽一起蒸发 把这样的蒸汽在冷凝管中冷凝 由水分的容量 而得到样品的水分含量 1 蒸馏法测量范围广 但取样时间长 具有随机性 无法 进行在线测量 不能满足自动化管理的要求 电脱法虽然操作比较简单 但是误差 较大 蒸馏法是目前国内外唯一的 公认的水分检验分析方法 根据 石油工业新 技术与标准规范手册 可知 目前我国化工行业里 主要是通过人工取样 采用蒸 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第一章 绪论 2 馏法对油品含水量进行检测 目前 国内外常用的油品含水量在线检测方法有 射线法 电容法 短波吸收 法 微波法 红外光谱法 谐振腔微扰法及射频法 射线法是利用油和水对射线 的吸收能力不同 由此计算出油品含水量 2 电容法利用油和水的介电常数相差很 大的原理实现油品含水量检测的 含水量的微小变化会引起含水油品的介电常数的 较大变化 可将介电常数的变化反映为电容值的变化 通过测量电容值就得到了含 水量 短波吸收法是根据油品含水量不同吸收短波的能量也不同的原理来工作的 3 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 根据油水对短波的吸 收能力不同来检测油水乳化液中的含水量 微波法是微波可以被物质吸收 而水碓 微波的吸收最为显著 油和水对微波的吸收比可以达到1 75 因此采用微波水分传 感器 将由水分引起的微波衰减转化为电流信号输出 建立输出电流与含水量之间 的关系来测含水量 红外光谱法是当红外光照射被测物质 被测物质的水分含量不 同将产生不同的光能量吸收 只要能从被测物中测得光能量的变化量 即可测定物 质中的水分含量 谐振腔微扰法是利用谐振腔的谐振频率随腔内电介质的介电常数 变化发生偏移来实现对油品含水量的测量 射频法是基于射频阻抗理论 水和油两 者的介电常数相差很大 因而所呈现的射频阻抗特性差异也很大 检测由阻抗变化 引起的电压变化来测出油品含水量 4 5 1 2 2 国内外油品含水量检测产品 文献 6 介绍了国外一些较先进的油品含水量检测产品 例如 AGARCORP 的 产品 OW 102PipelineBS W Monitor 采用微波法进行测量 美国 DE 公司利用射频 导纳专利技术研制生产的 CM 3 型智能含水分析仪 具有不受温度压力和水的矿化 度影响的特点 适用于含水量低于 60 的中低含水原油 而美国 PI 公司的红眼水 分测量仪是利用独有的光学传感器技术开发的一种先进的水分测量仪 这种水分测 量仪基于大量红外线照射油水混合物时其光学性质会发生变化这一原理研制而成的 通过分析近红外线照射过流体后的透射光 反射光和折射光性质 结合光谱分析进 行测量 这种方法造价高 设备使用及维护比较困难 美国 PALL 公司的 WS04 系 列便携式水分检测仪采用的介电常数型水分传感器 其原理是油品中水分含量的变 化会改变传感器探测头的介电常数 介电常数的变化会直接影响传感器探测头的电 容 只要找出其介电常数和传感器探头之间的变化规律 就能准确度测出油品含水 量的大小 国内也生产了一些油品含水量测量仪表 例如 如重庆仪器公司的 HDY 5042 系列水分含量分析仪 这是一种基于跟踪稳峰技术和单片机技术的防爆式 智能化 在线检测仪器 北京北斗星工业化学研究所石油仪器部的 H BD4M 系列石油 液体 水分检测仪 其传感器探头为电容式 该仪器具有测量精度高 时间响应快 安装 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第一章 绪论 3 方便 能实现在线测量等优点 JDY 系列润滑油水分检测仪是河北冀东石油机械有 限公司的产品 该产品是利用 射线穿过润滑油液后强度的变化来测量水分含量的 具有技术先进 测量精度高 性能稳定可靠 非接触自动在线测量等特点 燕山大 学产业集团的油品含水量测试仪是由传感器探头电缆和电子仪表等器件组成 具有 测量范围大 误差小 稳定性好 成本低 结构灵巧 在在线测量等一系列优点 杭州德秦精密检测仪器有限公司开发的油品含水率在线检测仪在国内是比较先 进的检测仪器 电路简单 测量精度高 重复性好 响应快 能在线实时检测油品 含水量 其工作原理是利用油和水的介电常数相差甚大 当油中含水量变化时 混 合物的介电常数将会发生变化 把电容传感器置于含水的油中 根据测得的电容变 化 换算出油中的含水量 其设计框图如图1 1所示 电容传感器 显示 键盘 C V转换A D转换 单片机 温度采集 RS 485接口电路 图1 1 油品含水率在线检测仪设计框图 电容探头采用同轴回柱状 为配合XE2004芯片的两个输入电容端 设计有两个 电容探头 其中一个使用固定介质 使电容量保持不变 作为XE2004的参考电容 另一个电容探头以混合油作为介质检测混合物水分的变化 C V转换采用XE2004专 用集成电容电压转换芯片以实现电容的高精度测量 单片机和A D转换系统采用美 国ADI公司出品的高性能微转换器AduC812 它是全集成的12位数据采集系统 在 单个芯片内部包含了高性能自校准多通道ADC 8通道12位高精度 以及可编程的8 位MCU 温度传感器用于测量油品的温度 由于油品的温度变化时 电容传感器的 介质也会随之发生变化 本仪器通过实验测定油品的温度与样品含水电压以及样品 含水量的关系 建立一个三维补偿校正标定表 在实际测量中测出油品工作温度 通过插值法来计算含水量 按键控制单元用于仪器设计好后根据具体的油品对仪器 进行标定 以实现在不同油品的检测 RS 485接口电路用于实现单片机系统与上位 机通信 当上位机发出一个仪器地址 相应的油品测量仪就将测到的油品含水量送 到上位机 目前 国内外有不同的油品含水量检测仪器 但大部分是基于单片机开发的 而且由于技术与技艺水平 在数据处理功能 测量精度 稳定性 重复性及成本方 面存在很多问题 随着电子技术 计算机技术 网络技术等相关技术的发展 虚拟 仪器将会逐步取代传统测试仪器成为测试仪器领域的主流 使现代测控系统更灵活 更紧凑 更经济 功能更强 因此 为了提高油品含水量检测系统的数据处理能力 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第一章 绪论 4 和网络通信等功能 结合国内外关于油品含水量检测的研究状况 研究基于虚拟仪 器的油品含水量快速检测系统是很有发展前景的 1 3 虚拟仪器技术及其应用 1986年 美国国家仪器 Nation Instruments NI 公司研发推出了图形化编程 环境的开发平台 LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Work bench 软件 并首先提出了虚拟仪器 Virtual Instrument VI 的概念 7 它的出 现使得人类的测试技术进入了一个新的发展的纪元 1 3 1 虚拟仪器的概念与特点 所谓虚拟仪器就是利用现有的计算机 加上特殊设计的仪器硬件和专用软件 形成既有普通仪器的基本功能 又有一般仪器所没有的具有特殊功能的高档低价的 新型仪器 虚拟仪器的主要特点体现在 软件就是仪器 的思想 7 8 9 它以特定的软件支 持取代相应的电子线路 充分利用计算机软硬件资源 用计算机完成传统仪器硬件 的部分以至全部功能 它是传统仪器功能和外形的模块化和软件化 虚拟仪器代替了传统仪器 改变了传统仪器的使用方式 提高了仪器的功能和 使用效率 大幅度地降低了仪器的价格 它与传统仪器比较有其不可替代的优势 主要表现为 1 仪器功能可由用户自己定义 传统仪器的功能由供应商定义的 用户不可更改 而对虚拟仪器 当测试要求 变化时 用户能方便地更改或重新配置仪器满足现有系统的测试要求 2 速度和可靠性高 对于传统的仪器 在测试过程中人工干预多 操作容易出错 测试速度和稳定 性难以保证 这些都大大影响了测试特别是生产性测试的顺利进行 虚拟仪器技术 把仪器的部分功能软件化 封装形成模块 用户可以通过友好的用户界面调用不同 的软件模块来实现不同的测试功能 降低了人工干预的程度 提高了测试的速度和 可靠性 3 数据可以进行编辑 存储和打印 普通测试设备需要人工记录测试数据 或者通过仪器自带的软盘里驱动器与其 他分析仪器交流数据 而对虚拟仪器技术 测试设备得到的数据将会实时 直接的 通过计算机总线 传输到计算机的内存并存储到硬盘中 供以后分析使用 4 价格低廉 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体 从而把计 算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量 控制能力结合在一起 大大缩小了仪 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第一章 绪论 5 器硬件的成本和体积 并通过软件实现对数据的显示 存储以及分析处理 1 3 2 虚拟仪器的组成 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和软件两大部分组成 其结构框图如图1 2 所示 10 硬件平台包括计算机和I O接口设备两大部分 计算机一般为PC机或计算机工 作站 是硬件平台的核心 主要完成数据处理和结果的显示 I O接口设备即采集调 理部件 包括PC总线的数据采集板卡 DAQ GPIB总线仪器 VXI总线仪器模 块 PXI总线仪器 串口总线仪器和LXI总线仪器等标准总线仪器 主要完成被测输 入信号的采集放大模数转化 虚拟仪器的软件系统框架包括三个部分 VISA库 仪 器驱动程序 应用软件 LXI GPIB VXI PXI DAQ 图1 2 虚拟仪器结构框图 1 3 3 虚拟仪器软件开发平台 近年来 世界各国的虚拟仪器公司开发了很多虚拟仪器开发平台软件 如 NI 公司的 LabVIEW 和 Lab Windows CVI 开发软件 美国 HP 公司的 HP VEE 和 HPTIG 软件平台 美国 Tektronix 公司的 Ez Test 和 Tek TNS 软件等 其中最具代 表性的是 NI 公司的 LabVIEW 目前最新版本为 LabVIEW8 6 LabVIEW Laboratory Virtual Instrument Engineering Work bench 是美国NI公 司推出的一种基于G语言 Graphics Language 图形化编程语言 的虚拟仪器软件 开发工具 11 它是用图标代码代替编程语言创建应用程序的开发工具 使用数据流 编程方法来描述程序的执行 用图标和连线代替文本的形式编写程序 即LabVIEW 编程是 组合 图形和线条 而非 写 程序文本 用LabVIEW设计的虚拟仪器可 以脱离LabVIEW开发环境 用户最终看见的是和实际硬件相似的操作面板 LabVIEW是一个图形化的开发环境 带有大量的内置功能 能够完成仿真 数据采 集 仪器控制 测量分析和数据显示等任务 LabVIEW能与测量硬件无缝连接 LabVIEW应用程序可将程序速度提高到与编译C语言程序相当的程度 LabVIEW针 对一些应用提供了专门功能 如仿真 测量 控制和自动化应用等 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第一章 绪论 6 所有的LabVIEW程序都被称为虚拟仪器 VI 因为程序的外观和操作方式都 与诸如示波器 万用表等实际仪器类似 LabVIEW包括齐全的用于数据采集 分析 显示 存储数据 调试代码的工具 在LabVIEW中 利用控制件和显示件建立用户 界面 即前面板 控制件包括旋钮 按钮等输入控件 显示件包括图表 LED等显 示器件 在完成用户界面的创建后 通过VI和结构添加代码来控制前面板上的对象 这些程序代码就构成了程序框图 利用LabVIEW可以和诸如数据采集设备 图像设 备 运动控制设备等硬件进行通信 也可以和GPIB PXI VXI RS 232 RS 485 仪器通信 LabVIEW 是一种多用于科学计算 过程控制 测试及度量领域的图形编程环 境 它作为虚拟仪器应用程序的开发平台 避免了复杂 烦琐 费时的文本式编程 而代之以图形化的软件设计方法 它具有以下特点 1 具有图形化的编程方式 用户不用写任何文本格式代码 是真正的工程 师语言 2 提供丰富的数据采集 分析及存储的库函数 3 提供传统的程序调试手段 如设置断点 单步执行 同时提供独具特色 的执行工具 使程序能够动画式运行 方便程序的调试和开发 4 32 位编译器编译生成 32 位的编译程序 保证用户数据采集 测试和测量 方案的高速执行 5 囊括了 PCI GPIB PXI VXI RS 232 485 USB 等各种仪器通信总线 标准的所有功能函数 方便用户驱动不同总线标准的接口设备和仪器 6 提供大量与外部代码或软件进行连接的机制 如 DLL DDE ActiveX 等 7 具有强大的网络功能 支持常用网络协议 方便网络 远程测控仪器的 开发 1 4 课题的研究内容 本课题主要针对基于虚拟仪器的油品含水量快速检测问题进行深入研究及相应 的硬件电路 软件程序的设计 其主要研究内容包括 1 通过查阅大量的相关的国内外文献 熟悉油品含水量检测的方法和要求 解国内外油品含水量检测技术及产品 2 选择一种合适的稳定的快速的油品含水量检测方法 并进行深入的研究 3 研究虚拟仪器在油品含水量检测领域的应用技术 确定油品含水量快速 检测系统设计方案 包括硬件模块传感器的选择 数据采集 信号处理与显示电路 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第一章 绪论 7 和相应的虚拟仪器系统的设计及调试 4 进行相应的检测实验 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第二章 系统总体方案设计 7 第二章 系统总体方案设计 本章首先介绍油品含水量检测的原理 根据油和水的介电常数相差很大 两者 所呈现的射频阻抗特性不同的特点 采用射频电容法作为系统的测量方法 然后结 合虚拟仪器技术论述系统总体设计方案 2 1 油品含水量检测原理 目前常用的油品含水量的测定方法主要有蒸馏法和电脱法 上述两种方法都不 能实现在线实时测量 目前能实现在线测量的产品中 基于的检测原理主要有 射 线法 微波衰减法和电容法等 2 1 1 射线法 通常情况下 油和水对于低能 射线的线性吸收系数是不同的 利用两种介质 对同一射线的线性吸收系数的不同来进行油品含水量的检测的方法称之为 射线法 当初始强度为N0的 射线束穿过厚度为X的介质时 它的衰减后的强度Nx为 0 x x NN e 2 1 是反映介质对 射线吸收能力的一个物理常数 它与 射线的能量有关 当 射 线的能量一定时 它取决于介质的性质 称为介质对 射线的吸收系数 介质厚 度 x 一定时 强度 N 与介质的吸收系数有关 不同的介质对射线的吸收系数不同 油的吸收系数比水的吸收系数小 即水对 射线的吸收能力院大于油对 射 0 x 线的吸收能力 对于水和油的混合介质可用等效吸收系数来表示它对 射线的吸 x 收能力 而取决于水和油的相对比分 由公式 2 1 可以得出 x 2 2 式中 N0和 x 是已知常数 只要测定 Nx值 即可求得 从而得到油和水的相对比 x 分 也就确定了含水量 2 1 2 微波衰减法 微波衰减法的检测原理就是通过测量微波的功率 找到油品含水量和微波功率 之间的对应关系 从而达到测量油品含水量的目的 12 微波衰减测量法是对待测油 品施加高频电场 不同的外加电场频率 使物质分子消耗能量的原因不尽相同 13 从低频到超短波频段 主要为正负电荷迁移所引起的导电损耗 在微波频段 主要 0 ln X x NN x 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第二章 系统总体方案设计 8 为偶极子的取向极化损耗 波长为 1cm 时 这种损耗最大 如果物质的分子式极性 分子 当电场作用在这物质上 分子取向极化 使介质上出现极化电荷 从而显示 了物质的导电性能 所以将这种物质成为电介质 用表示物质的介电常数 r 水是强极性分子 在外加电场作用下将产生强的取向极化 同时还将产生位移 极化 极化的结果就是将从外电场获得的能量储存起来 可以用表示 由于水分 1r 子运动的惰性 转向极化运动相对于外加电场有一定的滞后 滞后的宏观效果就是 使水分子产生损耗 可以用表示 水的静介电常数约为 80 当外加电场频率在 2r 10GHZ 时 水的值为 64 的值为 29 而对于油品和其中的颗粒杂质来说 1r 2r 它们都是弱极性分子 通常 10 1 由于水和油的介电常数相差悬殊 所 1r 2r 以 油品如果含有微量水分将显著影响其介电常数 因此 测量通过油品的微波的 功率衰减 相位变化 谐振频率等相关介电常数的物理量 就能测出油品中的微量 水分含量 这就是微波衰减法测量油品含水量的理论基础 微波在介质中传递应符合以下公式 21 ax PPe 2 3 式中 衰减后的微波功率 W 2 P 输入的微波功率 W 1 P 衰减常数 a 微波发射和接收装置之间的距离 mm x 当微波通过待测的油品时 其功率随衰减常数做指数衰减 可以推出衰减量 A 的大小如下 11 21 10ln 10ln ax PP Akax Pp e 2 4 如果能对衰减量做出精确的测量 经过标定和线性化处理之后 就可以在线测 出油品含水量 2 1 3 电容法 电容法测量是采用适合测量液态物质含水量的同轴筒型电容传感器 14 利用油 品的介电常数和油品含水量有关的原理来实现油品含水量的测量 根据传感器探头 的测量原理主要分为电容测量法和射频电容法 1 电容测量法 对于一个电容传感器来说 其电容量的大小取决于传感器的几何尺寸 制造材 料和传感器中被测介质的介电常数 15 16 当电容传感器的几何尺寸和制造材料一 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第二章 系统总体方案设计 9 定时 其电容量的大小就反映了被测介质的介电常数 它们的关系如下 Ck 2 5 而被测介质的介电常数是依赖于含水量的 如果忽略油品中所含杂质的影响 可近似地看作纯油和纯水 油水混合介质的等效介电常数可表示为 2 6 21 1 DD r 式中 混合介质的介电常数 r 纯水的介电常数 1 纯油的介电常数 2 介质水的体积百分率 D 油属于非极性物质 介电常数在2 3左右 而水是极性电介质 其介电常数为80 左右 油品中含水量的变化将显著影响其等效介电常数的变化 从而引起电容的变 化 因此 通过检测电容即可测量出油品含水量 2 射频电容法 采用射频电容法来测量油品的含水量 即测量时将电容传感器置于含水的油中 其基本测量原理如下 忽略油品中所含杂质的影响 含水的油品可近似看作纯油和 纯水两种介质的混合 其有效介电常数可用下式表示 2 7 21 1 DD r 式中 混合介质的介电常数 r 纯水的介电常数 1 纯油的介电常数 2 介质水的体积百分率 D 纯油是由多种碳氢化合物混合而成 属于非极性电介质 其介电常数约为2 3左 右 而纯水是极性电介质 其介电常数为80左右 显然 油品含水量的变化将显著 地影响油品的介电常数的变化 因而所呈现的射频阻抗特性差异也很大 当传感电容器的结构及外形尺寸一定时 电容量为 2 8 r KC 式中 混合介质的有效介电常数 r 常数 由电容器的结构 尺寸决定 K 当射频信号传到以油水混合物为介质的电容式射频传感器时 其混合介质的射 频阻抗为 2 9 CjRZ z 1 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第二章 系统总体方案设计 10 式中 射频信号角频率 f 10MHz 电容量 C 传感器等效电阻 z R 由 2 7 2 8 2 9 式可见 油中含水量 D 不同 则传感器的射频阻抗 Z 就 不同 因此 通过电容器敏感探头可将油品的含水量转换为探头的电容量 当射频 信号传到以油为介质的电容式射频传感器负载时 该负载阻抗随着混合液中不同油 水比而变化 使电容传感器输出一个和含水量相应的电信号 由此检测出油品的含 水量 2 2 检测方法论证 以上是几种目前较为可行的油品含水量检测方法 它们各有特点 射线法的优点是 1 量程宽 2 采取非接触测量方式 适合在各种恶 劣环境条件下工作 避免了管道内结垢 结蜡对仪表工作的影响 使仪表稳定性好 安全可靠 3 在线连续测量 易于操作 便于生产自动化管理 4 采用单片 机进行控制 功耗低 体积小 成本低 适合大规模推广 但是由于对60MeV的 射线来说 油和水的吸收系数仅差20 因此测量精度不高 而且存在射线辐射 造价高 使用和维修困难等问题 微波衰减法的优点是测量精度高 缺点是对于功率衰减量的精确测量实现起来 很难 并且由于油品中含有大量的微小金属颗粒 他们也是强极性分子 引起的微 波衰减甚至比水分子的还要大 这就给油品含水量的测量带来了极大的误差 使得 测量结果不准 电容测量法的优点是测量范围大 灵敏度高 动态响应时间短 机械损失小 结构简单 适应性强 成本低等 但是由于电容传感器的电容量一般很小 传感器 的测量电路往往受到寄生电容和环境变化的影响 具有非线性输出特性 难以实现 高精度测量 射频电容法是测量油品含水率的新方法 该法基于射频阻抗理论 测量范围大 重复性好 体积小 响应快等特点 即拥有电容测量法的优点 而且可以实现高精 度测量 只要建立相应的标定表 射频电容传感器同样可用于其它油品低含水量的 测量 综上所述 射频电容法不仅具有测量精度高 结构简单 而且易于实现在线测 量 因此 本系统采用射频电容法测量油品含水量 2 3 系统主要性能指标 为完成对油品含水量快速检测系统的设计 对该检测系统提出了以下设计要达 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第二章 系统总体方案设计 11 到的主要性能指标 1 测量范围 0 15 2 测量精度 1 3 响应时间 5s 2 4 系统总体设计方案 根据系统设计的要求 系统的主要性能指标和系统的测量方法 系统的硬件采 用北京市北斗星工业化学研究所研制的 MS1024 射频电容传感器 设计水分电压和 温度电压测量放大电路 采用的数据采集卡是 NI 公司生产的一种 E 系列插卡式数 据采集卡 PCI 6024E 由其读取放大后的水分电压和温度电压并进行 A D 转换 送 入计算机 系统的软件程序设计由虚拟仪器开发平台 LabVIEW 编程实现对数据的 处理 显示及存储 本系统的总体设计框图如 2 1 所示 U t U w RS 232 图2 1 油品含水量检测系统框图 2 4 1 系统工作流程 本系统对油品含水量的检测设计了两种方案 1 方案一 测量时将射频传感器探头插入样品油中 射频电源产生稳定的高频振荡电压 经电感耦合到谐振电路 敏感探头电容器作为谐振回路的一部分 在油品含水量发 生变化时 谐振回路阻抗发生变化 谐振回路的固有频率发生变化 使之与射频振 荡器谐振程度发生变化 谐振程度不同 决定了其检波电压的大小亦有所不同 因 此传感器输出两路电压信号 水分电压Uw和温度电压Ut 该两路电压信号经滤波电 路和高精度仪用放大器AD620放大处理后 送入PCI 6024E数据采集卡进行A D转换 再由计算机上的LabVIEW8 2进行数据处理 显示和打印等 2 方案二 本系统作为上位机 与下位机 单片机系统 通信 由下位机采集水分电压信 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第二章 系统总体方案设计 12 号和温度电压信号 通过串口通信 把数据送到计算机里 由LabVIEW8 2编程实 现对数据进行处理 显示与存储 完成对油品含水量的检测 2 4 2 温度补偿原理 利用反映含水量的测量信号电压Uw即可推算出油品的含水量W 但是W与Uw之 间的关系是非线性的 实验发现 环境温度的变化会影响传感器的输出值 当被检 测对象是同一油品时 当油品温度不同 其测量出的水分电压值不同 因为油品温 度变化时 介电常数会发生变化 同时还会影响射频信号的频率 幅度 导致测量 的输出值发生变化 为了提高被测目标参量的测量精度 消除温度带来的测量误差 图2 1中加入温度传感器来检测油品温度 通过曲面拟合算法进行系统温度补偿 17 2 4 3 曲面拟合算法的原理及应用 本系统需要对水分 温度两个参量同时监测 然后进行两种数据的融合处理 多传感器信息融合的算法有多种 考虑到 LabVIEW8 2 软件里信息融合算法程序的 实现 本系统采用曲面拟合算法 即二维回归分析法 曲面拟合算法 即二维回归分析法 的基本原理是 由二维回归方程来建立被 测目标参量与传感器输出量之间的对应关系 然后 按最小二乘法原理 由实验标 定 校准数据计算出均方误差最小条件下的回归方程中的系数 18 19 20 这样 测量时 当测得了传感器的输出值时 就可由已知系数的二维回归方程来计算出相应的输入 目标参数 在油品含水量快速检测系统中 传感器可分别测量水分和温度两个参量 得到 两个参量的信息 已知水分传感器的输出是电压 Uw 且存在温度灵敏度 因此只 对水分传感器进行一维标定实验 并由获得的输入 水分 W 输出 电压 Uw 特性曲线来求取被测含水量会有较大误差 因为被测含水量 W 不是输出值 Uw 的一元函数 现在由另一温度传感器输出电压 Ut代表温度信息 因此含水量 W 可 以用 Uw和 Ut二元函数来表示 即 wt Wf UU 2 10 由二维坐标 Uw Ut 决定的含水量 W 在一个曲面上 可利用二次曲面拟合方 程 即二维回归方程来描述 22 012345wtwwtt WaaUa Ua Ua U Ua U 2 11 式中 为常系数 为高阶无穷小量 0 a 5 a 如果上述曲面拟合方程的常系数已知 那么用于含水量 W 和输出 Uw的二元输 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第二章 系统总体方案设计 13 入输出特性 即 2 11 式就确定了 当采集到传感器的输出值 Uw和 Ut时 代入 2 11 式就可以计算传感器的被测含水量 W 因此 首先要进行二维标定实验 然后根据标定的输入 输出值由最小二乘法原理确定常系数 0 a 5 a 1 二维数据标定 在射频电容传感器的量程范围内确定 n 个水分标定点 在工作温度范围内确定 m 个温度标定点 对应于上述各标定点的输入值读取相应的输出值 Uw 和 Ut 在 m 个不同温度 状态下对传感器进行静态标定 可得到如表 2 1 所示的二维实验标定数据 表 2 1 传感器的二维实验标定数据 油品含水量 温度电压 W1W2 Wn UwUw11Uw12 Uw1 n T1 UtUt11Ut12 Ut1 n UwUw21Uw22 Uw2 n T2 UtUt21Ut22 Ut2 n UwUwm1Uwm 2 Uwm n Tm UtUtm1Utm2 Utm n 2 二次曲面拟合方程待定常数的确定 为确定 2 11 式所表征的曲面拟合方程的系数 利用最小二乘法原理 求得 的系数值均满足均方误差最小条件 即由二次曲面拟合方程计算得到的 W Uwk Utk 与标定值 Wk之间存在误差 其方差为 2 1 2 kwktk kWW UUkm n 2 12 总计有 m n 个标定点 其均方差 R 应为最小 即 222 012345 1 012345 1 wk m n kwktkwktktk k RWaaUa Ua Ua U Ua U m n R a a a a a a 2 13 由 2 13 式可知 均方差 R 是常系数的函数 根据多元函数求极值条件 0 0 1 5 i R i a 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第二章 系统总体方案设计 14 2 14 可得如下 6 个方程 012345 012345 012345 012345 012345 012345 a la Aa Ba Ca Da EO a AaCa Da Fa Ga HP a Ba Da Ea Ga Ha IQ a Ca Fa Ga Ja Ka LR a DaGa Ha Ka Ka MS a Ea Ha Ia La Ma NT 2 15 式 2 15 中 lm n 1 l wk k AU 1 l tk k BU 2 1 l wk k CU 1 l wktk k DU U 2 1 l tk k EU 3 1 l wk k FU 2 1 l wktk k GU U 2 1 l wktk k HU U 3 1 l tk k IU 4 1 l wk k JU 3 1 l wktk k KU U 22 1 l wktk k LU U 3 1 l wktk k MU U 4 1 l wk k NU 1 l k k OW 1 l wkk k PU W 1 l tkk k QU W 2 1 l wkk k RU W 1 l wktkk k SU U W 2 1 l tkk k TU W 根据实验标定数据的输入值 Wk tk及相应的输出值 Uwk和 Utk 可以计算得到 A B T的值 从而联立求解方程式 2 15 得到曲面方程的常系数 0 a 5 a 2 4 4 系统用户界面 本系统是基于虚拟仪器技术设计的 因此其面板的设计可以在虚拟仪器开发平 台里的前面板上完成 该系统用于检测油品含水量 系统的用户界面必须能够对被 测油品的名称和检测人员选择 而且能够接收下位机传输过来的数据 进行检测并 实时显示被测油品的含水量 系统用户界面如图 2 2 所示 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第二章 系统总体方案设计 15 图 2 2 系统用户界面 通过对系统用户界面设计要求的分析 本系统的用户界面包括了以下三个部分 1 启动 其包括了启动按钮和指示灯 2 控制 其包括了油品名称和检测人员选择按钮 接收按钮及检测按钮 3 显示 其包括了油品含水量数值显示和容器直观显示 检测时间显示 2 5 本章小结 油品含水量在线测量方法有 射线法 微波衰减法和电容法 本章对其进行介 绍并比较 选择了射频电容法作为本系统的测量方法 本章介绍了该系统检测油品 含水量的两种方案 采用曲面拟合算法对采集的水分和温度电压信号进行数据融合 和温度补偿处理 以提高系统的测量精度 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第三章 系统硬件设计 16 第三章 系统硬件设计 本章介绍基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统的硬件电路设计方案 对射 频电容传感器 信号调理电路 数据采集卡PCI 6024E与PC机的接口电路和RS 232 串行通信接口进行了介绍 3 1 射频电容传感器 3 1 1 传感器探头 传感器探头结构如图 3 1 所示 21 探头终端中间为发射极 外导体上沿轴向为 4 根接收电极 发射极与接收极构成测量电路 射频电路和转换电路在探头内 加 上屏蔽铜套 以减少外界电磁干扰 在探头内还装有一个热敏电阻 用来测量介质 温度 以便对介质的温度误差进行补偿 温度对介质的状态有明显的影响 可用查 表法和插值运算 信息融合等方法进行温度补偿校正 22 钢套 接收极 发射极 热敏电阻 电缆 图 3 1 传感器探头结构示意图 3 1 2 射频频率的确定 射频电源的频率是根据介质的射频阻抗特性来确定的 因为油和水的阻抗特性 随射频信号频率 f 而变化 测量电路对纯油和纯水介质进行测量得到输出电压 U 随信号频率 f 变化的曲线如图 4 2 所示 23 由图 3 2 可见 在 10MHz 时油 和水的射频阻抗特性最大 所以把传感器的测试频率选在 10MHz 051015 100 200 300 400 500 U mv f MHz 纯油介质 纯水介质 图 3 2 f U 曲线图 基于虚拟仪器的油品含水量快速检测系统 第三章 系统硬件设计 17 3 1 3 传感器测量电路 传感器测量电路的等效原理如图3 3所示 图中R0为射频信号源等效输出阻抗 Cx为传感器测量电容器等效电容 Rx为传感器电容的漏电阻 当测量电容器的介质 不一样时 Cx的大小就随之变化 所呈现的阻抗也就不一样 RxCxC D V0 图3 3 传感器测量电路等效原理图 为了减少射频信号对其它电路的干扰 将射频信号源与传感器做成一体 R0应 满足 3 1 TCR xm 0 式中 射频信号源的周期 fT 1 传感器测量电容器等效电容为最大时电容量 xm C 射频信号源一般受温度影响较大 因此应采取稳频稳幅措施 温度对高电平的 影响可采用削波的方法 为了进一步减少温度对射频信号源的影响 可采用不平衡 电桥检测阻抗 如图3 4所示 D1 R0 R D2 D3 C C1 C Cx Rx R 6V 6V V0 R R1 图3 4 传感器测量电路改进原理图 图中D1 D2 D3