【正文】 4 第二章 分段電容式液位測(cè)量原理及方法 2． 1 傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量的介紹 傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量的原理 傳統(tǒng)的電容式液位測(cè)量法一般使用兩個(gè)內(nèi)外電極相套的圓柱形電容傳感器 , 電容傳感器 高度為 L，內(nèi)電極直徑為 d，外電極直徑為 D，當(dāng)電容傳感器內(nèi)外電極之間充滿介電常數(shù)為 ε 的介質(zhì)時(shí)，其電容值的計(jì)算表達(dá)式如下： C=02lnd LD??? (21) 其中 , 0? 為真空的介電常數(shù) ,0? = 10? F/m。對(duì)于海上溢油清除，物理法中的機(jī)械回收方法是最好的，不但清除了溢油，消除了溢油的危害，還回收了溢油，即保護(hù)了環(huán)境又保護(hù)了資源。通過闡述分段電容 式液位測(cè)量的原理分析、實(shí)現(xiàn)、以及解決的問題，從硬件和軟件兩個(gè)方面詳細(xì)介紹了液位測(cè)量所需傳感器的設(shè)計(jì)和制作過程，最后是對(duì)傳感器的實(shí)驗(yàn)及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析總結(jié)，從而驗(yàn)證分段電容式測(cè)量液位的方法在本課題應(yīng)用中的選擇是正確的。 本論文首先介紹了各種液位測(cè)量的方法，然后對(duì)課題中所提的測(cè)量要求進(jìn)行分析給出了液位測(cè)量的需水分析，通過對(duì)比各種測(cè)量的方法選定了基丁分段電容的測(cè)量方式。 溢油的處理方式基本有三種：生物法、化學(xué)法和物理法。這種方法不但對(duì)環(huán)境以及被測(cè)介質(zhì)要求不高，而且可以很好的測(cè)量油氣和油水雙界面 [3] 。 原油或者其他油品的介電常數(shù)與其含水率有關(guān)，在正常環(huán)境下，油水混合之后靜止一段時(shí)間后，因?yàn)橛退ゲ幌嗳芮矣秃退拿芏炔煌瑢?dǎo)致油水分離，油浮于水的上方，兩者界面分明，油中的含水率相對(duì)固定，通過測(cè)量我們可以根據(jù)公式 3． 1計(jì)算出此時(shí)油的介電常數(shù)。傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量方法依靠的濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 是介電常數(shù)進(jìn)行計(jì)算，乳化層的介電常數(shù)無法確定，兇此該方法很難確定乳化層的位置，傳感器所能夠檢測(cè)到的只是一個(gè)近似的界面，兇此如何處理近似晃面并確定油水界面的位置是一個(gè)必須要考慮的問題。對(duì)于油氣界面和油水界面在同一段電容傳感器，即油層厚度小于電容傳感器高度 L的情況將在下文闡述，嘗試對(duì)于這種情況進(jìn)行處理。在純油到純水的變化過程中，只需要確定一個(gè)值，當(dāng)含水率低于此值時(shí)為油，含水率高于此值時(shí)為水 [7] 。 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 課題需要實(shí) 現(xiàn)的功能及要求 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能及要求 通過溢油回收過程的描述可以知道溢油裝置工作過程最后一個(gè)環(huán)節(jié)就是在油液積累到一定厚度時(shí)控制油泵將油抽出，因此油液厚度的測(cè)量是溢油回收實(shí)現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，液位測(cè)量裝置是溢油回收裝置中的核心。 3cm (4)測(cè)量速度： 5／ s (5)環(huán)境溫度： 10℃一 60℃ (6)電源電壓： 24V (7)顯示方式： LCD顯示油氣界面和油水界面位置、油層厚度 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 (8)通訊接口： RS485 (9)單片機(jī)功能：能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)保護(hù)防止程序跑飛、能夠?qū)y(cè)量裝置進(jìn)行初 始化校準(zhǔn)，將初始化參數(shù)保存并控制整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行。中曰足聚四氟乙 烯絕緣管將所測(cè)介質(zhì)與電容傳感器隔離。 (2)數(shù)據(jù)采集與處理模塊：該模塊以 ATmegal6單片機(jī)為核心，通過串行通信收集十段電容傳感器測(cè)量得到的電容數(shù)值，通過計(jì)算得到油氣界面和油水界面的何置。這些都保證了用戶能夠簡(jiǎn)單快捷的設(shè)定、使用、維護(hù)傳感器，提高用戶的 操作體驗(yàn)。硬件設(shè)計(jì)中要求原理正確，參數(shù)設(shè)計(jì)適中，線路布局合理，避免元器件之間的電磁耦合，還應(yīng)當(dāng)利用必要的技術(shù)削弱外部干擾對(duì)儀表正常運(yùn)行的影響。 硬件電路設(shè)計(jì)劃分 硬件電路設(shè)計(jì)分為三部分進(jìn)行闡述： (1)電容測(cè)量 電路部分：包括直流充放電式電容測(cè)量電路、 A／ D轉(zhuǎn)換電路和ATmega8單片機(jī)電路。 圖 ATmega8單片機(jī) 主控電路設(shè)計(jì) ATmegal6 單片機(jī)電路設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集與處理模塊是整個(gè)主控電路的核心，而數(shù)據(jù)采集與處理模塊又以 ATmegal6單片機(jī)為核心， ATmegal6單片機(jī)通過串行通信收集十段電容傳感器測(cè) 量得 到的電容數(shù)值，通過計(jì)算得到油氣界面和油水界面的位置。根據(jù)需求分析的要求，明確所要解決的問題，將一個(gè)總的問題，明確為若干個(gè)部分，對(duì)每個(gè)部分給出軟件解決方案，模塊化設(shè)計(jì)有利于程序設(shè)計(jì)任務(wù)的劃分，各獨(dú)立模塊允許被任意調(diào)用，使得整個(gè)程序結(jié)構(gòu)清晰，組合靈活，維護(hù)調(diào)試方便 [15] 。 ⑤定時(shí)檢測(cè)各個(gè)電容傳感器的工作狀態(tài)，如出現(xiàn)錯(cuò)誤通過 LED指示燈報(bào)警， 并在 LCD顯示出錯(cuò)電容傳感器為第幾段。通過改進(jìn)傳感器結(jié)構(gòu)，采用數(shù)字信號(hào)傳送，極大的減小了線路電容。幾個(gè)月以來， 老師在指導(dǎo)我們做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)那種兢兢業(yè)業(yè)、孜孜不倦 、無怨無悔的精神給我們留下了深刻的印象，使我們學(xué)到了很多書 本上學(xué)不到的知識(shí)，使我們明白了很多書本上學(xué)不到的道理。例如高速、高集成度的 AVR系列單片機(jī)，使用方便的 4路模擬開 關(guān)74HC4066。 ③通過串行通信接收 ATmegal6單片機(jī)的控制信息，傳送本段電容傳感器的 測(cè)量值 [18] 。 ③通過串行通信控制電容傳感器傳送本段電容測(cè)量值，從而獲取十段電容傳感器的測(cè)量值對(duì)測(cè)量值進(jìn)行處理，并計(jì)算出油氣界面位置和油水界面位置，計(jì)算油層厚度并通過 LCD進(jìn)行顯示。 LED運(yùn)行狀態(tài)分別采用了五個(gè) LED指示燈，分別指示系統(tǒng)電源、傳感器電源、 系統(tǒng)運(yùn)行、系統(tǒng)出錯(cuò)報(bào)警和數(shù)據(jù)傳輸指示。因此單片機(jī)的選擇是否恰當(dāng)，直接影響測(cè)量系 統(tǒng)的功能和性能。如果安裝工藝粗糙，調(diào)試不嚴(yán)格，仍有可能影響系統(tǒng)的可靠性。影響系統(tǒng)可靠性的內(nèi)部因素有： (1)元器件的性能與可靠性。 (4)人機(jī)交互模塊：包括工作指示、按鍵和 LCD顯示。如果通過電子開關(guān)選通通道然后進(jìn)行電容測(cè)量，不但電子開關(guān)需要等待一段時(shí)間，每一次通道通斷后還需要更長(zhǎng)的時(shí)間等待電容測(cè)量模塊穩(wěn)定，之后才能測(cè)最到正確的電容值，這樣就達(dá)不到系統(tǒng)要求的測(cè)量速度。防水盒采用航空插頭外接電線，接入 24V電源的輸入以及 RS一 485串行通訊線纜。 為了便于操作人員觀察，需要將油氣界面與油水界面的位置和油層的厚度通過 LCD顯示屏顯示出來， I司時(shí)將數(shù)據(jù)通過 RS一 485通訊方式傳送出去，便 于 二次儀表的使用。 (3)內(nèi)外極板之間使用的聚四氟乙烯絕緣管形成的電容。 (1)每次測(cè)量時(shí)分別需要測(cè)量每一段電容傳感器的空管電容值、充滿油的電容值和充滿水的電容值，但是測(cè)量過程中并不一定每一種介質(zhì)會(huì)充滿該段電容傳感器，顯然這在實(shí)際應(yīng)用中這很難做到。 分段電容式液位 測(cè)量 傳感器總共十段，每段高為 L．假設(shè)第 2段為空氣段 ，第 3段 為油氣界面所在段．第 6段為純油段，第 7段為油水界面所在段，第 10段為純水所在段。因此油水界面檢測(cè)中溫度對(duì)介電常數(shù)變化的影 響所導(dǎo)致的測(cè)量誤差是必須要考慮的 [4] 。 當(dāng)電容傳感器內(nèi)外電極之間充滿 兩種介質(zhì)時(shí)，比如油和氣，此時(shí)會(huì)有一個(gè)油氣界面 ,下部為油 ,高度為 H,介電常數(shù)為 l? ，上部為空氣，高度為 (LH)，介電常數(shù)為 2? ， 此時(shí)相當(dāng)于將兩個(gè)電容傳感器并聯(lián)，電容值的計(jì)算表達(dá)式如下： 00 022+ = + ) kl n l nddC C C H L H C HDD? ? ?? ? ?? ? ? ?空 氣油油 空 氣 （ (22) 其中： 002ln dCLD?? ?? 空 氣 02k= ln dD?? ??油 空 氣（ ） C油 為油部分所產(chǎn)生的電容 ， C空 氣 為空氣部分所產(chǎn)生的電容， 0C 為電容傳感器中充滿空氣時(shí)的電 容值 ,?油 為油的介電常數(shù)， ?空 氣 為空氣的介電常數(shù)。因此需要設(shè)計(jì)一種液位傳感器，能夠檢測(cè)油氣、油水兩個(gè)界面的位置，而且要求傳感器具有較高的精度和良好的動(dòng)態(tài)特性。我國進(jìn)口的石油 90％是通過海上船舶運(yùn)輸來完成的。濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 基于單片機(jī)的分段電容式液位測(cè)量的研究 目錄 第一章 前言 .....................................