【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 法的原理應(yīng)用于每一段的電容傳感器中，這樣就解決了傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量方法 不適宜用于三種介質(zhì)油氣、油水雙界面的測(cè)量的問題。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。 將每一段電容傳感器的電容值測(cè)量出之后，因?yàn)?1C 和 2C 為純空氣段 , 45CC、濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 和 6C 為純油段 , 8 9 10C C C、 、 為純水 段，根據(jù)這幾個(gè)電容值，通過公式 2． 1分別 可以計(jì)算出當(dāng)前環(huán)境空氣、油和水的介電常數(shù)，然后將獲得的介電常數(shù)實(shí)時(shí)的用 于測(cè)量 3C 段油氣界面的位置 HX和 7C 段油水界面的位置 HY。 這樣就解決了因?yàn)榻橘|(zhì)的介電常數(shù)隨外界各種條件變化而變化對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響，實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時(shí)自 標(biāo)定自校正，從而提高了測(cè)量精度。 幾種特殊情況的處理 在油氣界面和油水界面測(cè)量時(shí)還會(huì)遇到以下幾種特殊情況。 (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。為了防止這種情況出現(xiàn)，當(dāng)傳感器開始使用時(shí)或者使用環(huán)境改變時(shí)進(jìn)行一次初始化，首先將十段電容傳感器空管，測(cè)量空管電容值，然后將十段電容傳感器充滿所測(cè)油品，測(cè)量滿油電容值，最后將十段電容傳感器充滿水，測(cè)量滿水電容值，測(cè)量得到的 30個(gè)初始值將存入單片機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，供液位計(jì)算使用。在測(cè)量過程中，遇到該段充滿空氣、油或者水時(shí)實(shí)時(shí)的更新單片機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的數(shù)值。 (2)油與水的界面是一個(gè)隨含水率變化的非清晰的界面，即乳化層的問題，在分段電容式傳感器中處于乳化層的每一段電容傳感器測(cè)量到的電容值是一個(gè)隨含水率變化而變化的值，由油到水的過程即是含水率逐漸變大的過程，電容值也隨之而變大。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] 。 微小電容測(cè)量原理 由于在分段電容式液位測(cè)量中被測(cè)電容很小，而線間寄生電容等各種雜散電容較大，因此對(duì)電容測(cè)量提出了極為嚴(yán)格的要求。 分段電容式液位 測(cè)量系統(tǒng)中的雜散電容主要來自三個(gè)方面： (1)連接電容內(nèi)外極板與測(cè)量電路電線的寄生電容，其值大約為 100pF／ m。 (2)測(cè)量電路中使用的 CMOS模擬開關(guān)產(chǎn)生的耦合電容。 (3)內(nèi)外極板之間使用的聚四氟乙烯絕緣管形成的電容。 因此電容測(cè)量電路必須滿足以下要求： 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 (1)測(cè)最小電容、動(dòng)態(tài)范圍大、線性度好。 (2)測(cè)量靈敏度高、低噪聲、低漂移。 (3)能抑制寄生電容和 CMOS 模擬開關(guān)產(chǎn)生的耦合電容 [8] 。 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 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。 為了能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的反映溢油回收裝置中氣、油、水的狀態(tài)，了解溢油回收裝置的狀態(tài)，要求液位測(cè)量裝置能夠連續(xù)的將油氣，油水界面的位置測(cè)量出來，同時(shí)為了控制油泵抽油，還需要計(jì)算出油層的厚度，即油氣界面與油水界面的差值。為了精確控制抽油裝置，需要液位測(cè)量裝置具有較高的測(cè)量精度。抽油泵在向外抽油時(shí)速度比較快 ，因此需要液位測(cè)量裝置具有較快的測(cè)量速度。 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。 收油裝置用于海上環(huán)境，海面情況復(fù)雜，有各種隨機(jī)信號(hào)的干擾，因此傳感器需要具有較強(qiáng)的抗干擾能力。海水中含有各種具有腐蝕性的礦物質(zhì)，兇此傳感器需要具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力 [9] 。 系統(tǒng)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) (I)測(cè)量參數(shù)：油氣界面和油水界面位置，其中油水界面屬于油／ 乳化層界面和乳化層／水界面混合的界面 (2)測(cè)量范圍： 100cm (3)測(cè)量精度：177。 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） 12 (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。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 傳感器結(jié)構(gòu) 傳感器 截面圖 如圖 圖 截面圖 示意圖 整個(gè)傳感器 可 以分為上下兩部分：上部為數(shù)據(jù)采集與處理模塊，下部為 十 段電容傳感器和電容傳感器外電極。 上部包括電源模塊， ATmega16單 片機(jī)、人機(jī)交互模塊和通訊模塊。 全 部安裝在傳感器頂部的防水盒中。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。防水盒上方安裝有狀態(tài)指示燈、按鍵和 LCD顯示屏，實(shí)現(xiàn)傳感器工作指示和人機(jī)交互。 下部包括 十 段獨(dú)立的電容傳感器和電容傳感器外電極。電容傳感器外電極公用．套在整個(gè)電容傳感器外部。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。十段獨(dú)立的電容傳感器每一段的結(jié)構(gòu)如下圖：聚四氟乙烯絕緣管內(nèi)是電容傳感器內(nèi)電極，高為 10cm， 中 間 是電容測(cè)量電路板，包括 ATmega8單片機(jī)、電濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 容測(cè)量電路和通訊電路，其中電容測(cè)量電路分別和電容傳感器內(nèi)、外電極相接。 這利獨(dú)立的電容測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)雖然增加了整體復(fù)雜度和開發(fā)成本，但是這 樣設(shè)計(jì)可以極大的縮小連接電容測(cè)量模塊和電容極板的導(dǎo)線距離，從而極大的減小了導(dǎo)線電容對(duì)丁測(cè)量的影響，提高了液位測(cè)量的精度 [10] 。 最關(guān)鍵的是每一段電容傳感器都具有獨(dú) 立的電容檢測(cè)模塊，可以進(jìn)行高速電容測(cè)量， ATmegal6單片機(jī)可以實(shí)時(shí)的讀取每一段的電容值用于計(jì)算。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。采用獨(dú)立的電容測(cè)量模塊就可以使被測(cè)電容一直接入并處于穩(wěn)定狀態(tài)而不需要電子開關(guān)選通通道．也不需要等待電容測(cè)量模塊的穩(wěn)定，從而減小了總體測(cè)量時(shí)間，提高 測(cè) 量頻率。 系統(tǒng)功能模塊劃分 系統(tǒng)按照功能可以劃分為以下模塊： (1)電源模塊：將 +24V輸入電源轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)正常工作使用的 +5V電源，采用 雙電源工作。一路給十段電容傳感器，稱為傳感器電源；另一路給電容傳感器之外的所有電路供電，稱為主電源。 (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。同時(shí)摔制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，包括系統(tǒng)初始化、電容傳感器初始化、采集并處理十段電容傳感器測(cè)量得到的電容值、液位計(jì)算、 T作指示及測(cè)量結(jié)果顯示、參數(shù)設(shè)定、串行通信等 [11] 。 (3)電容測(cè)量模塊：包括方波產(chǎn)生電路、電容電壓轉(zhuǎn)換電路、放大濾波電路、A／ D轉(zhuǎn)換電路和 ATmega8單片機(jī)電路， A／ D轉(zhuǎn)換電路使用 ATmega8自帶的 A／ D轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)。南 ATmega8作為中繼，接受 ATmegal6單片機(jī)的控制，進(jìn)行該段電容傳感器的初始化，電容測(cè)量、結(jié)果的傳送。 (4)人機(jī)交互模塊：包括工作指示、按鍵和 LCD顯示。 工作指示為 5個(gè) LED燈管，包括主電源指示、傳感器電源指示、運(yùn)行指示、數(shù)據(jù)傳輸指示、系統(tǒng)運(yùn)行異常指示。 四個(gè)按鍵實(shí)璣用戶輸入。 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 LCD顯示實(shí)現(xiàn)油氣油水界 面位置顯示、油層厚度顯示、不同功能狀態(tài)下內(nèi)容顯示。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)。 (5)通信模塊：包括兩部分，傳感器內(nèi)部串行通信和外部 RS． 485總線通信，兩者使用的都是 ATmegal6和 ATmega8自帶的串行通訊模塊實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)工作框圖： 圖 系統(tǒng)工作框圖 方波電路 電容電壓轉(zhuǎn)換 放大濾波 Atmega8 方波電路 電容電壓 轉(zhuǎn)換 放大濾波 Atmega8 電源模塊 LED 指示、 LCD顯示、按鍵 RS485 外部通信 Atmega16 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件電路的總體設(shè)計(jì) 硬件電路的可靠設(shè)計(jì) 系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定運(yùn)行是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中非常重要的一點(diǎn)，因此硬件電 路的設(shè)計(jì) 要考慮影響可靠性的因素。 影響系統(tǒng)的可靠性有內(nèi)部和外部?jī)煞矫?。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。元器件是組成系統(tǒng)的基本單元，其特性好壞和穩(wěn)定性與儀表的性能和可靠性息息相關(guān)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，要精心挑選元器件，使其能夠滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性的要求。 (2)硬件設(shè)計(jì)。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。關(guān)鍵部分可以采用冗余設(shè)計(jì)。 (3)安裝與調(diào)試。安裝調(diào)試過程也是保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要手 段。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