【文章內(nèi)容簡介】 所在段。 每一段的等效電 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0C C C C C C C C C C、 、 、 、 、 、 、 、 、。 因為每一段 電容傳感器的內(nèi)電極直徑 d、外電極直徑 D、傳感器高度 L都是固 定的．而且在常溫環(huán)境下．空氣的介電常數(shù)為 l，水的介電常數(shù)為 80左右，純凈原油的介電常數(shù)為 ．水和油兩者介電常數(shù)相差將近 40倍．比較易于區(qū)分，報據(jù)公式 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0C C C C C C C C C C? ? ? ? ? ? ? ? ?,由此可以判斷油氣界面位于 3C 段，油水界面位于 7C 段 。 這樣兩個界面分布在不同的電容傳感器中，每一段電容傳感器可以獨立測量該段的電容值，將傳統(tǒng)電容式液位測量方法的原理應(yīng)用于每一段的電容傳感器中，這樣就解決了傳統(tǒng)電容式液位測量方法不適宜用于三種介質(zhì)油氣、油水雙界面的測量的問題。對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，嘗試對于這種情況進(jìn)行處理。 將每一段電容傳感器的電容值測量出之后，因為 1C 和 2C 為純空氣段 , 45CC、濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 和 6C 為純油段 , 8 9 10C C C、 、 為純水段，根據(jù)這幾個電容值，通過公式 2． 1分別 可以計算出當(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)實時的用 于測量 3C 段油氣界面的位置 HX和 7C 段油水界面的位置 HY。 這樣就解決了因為介質(zhì)的介電常數(shù)隨外界各種條件變化而變化對測量準(zhǔn)確度的影響，實現(xiàn)了在線實時自 標(biāo)定自校正，從而提高了測量精度。 幾種特殊情況的處理 在油氣界面和油水界面測量時還會遇到以下幾種特殊情況。 (1)每次測量時分別需要測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，但是測量過程中并不一定每一種介質(zhì)會充滿該段電容傳感器，顯然這在實際應(yīng)用中這很難做到。為了防止這種情況出現(xiàn)，當(dāng)傳感器開始使用時或者使用環(huán)境改變時進(jìn)行一次初始化，首先將十段電容傳感器空管，測量空管電容值，然后將十段電容傳感器充滿所測油品，測量滿油電容值，最后將十段電容傳感器充滿水，測量滿水電容值，測量得到的 30個初始值將存入單片機內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲器中，供液位計算使用。在測量過程中，遇到該段充滿空氣、油或者水時實時的更新單片機內(nèi)數(shù)據(jù)存 儲器中的數(shù)值。 (2)油與水的界面是一個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量到的電容值是一個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，只需要確定一個值，當(dāng)含水率低于此值時為油，含水率高于此值時為水 [7] 。 微小電容測量原理 由于在分段電容式液位測量中被測電容很小，而線間寄生電容等各種雜散電容較大，因此對電容測量提出了極為嚴(yán)格的 要求。 分段電容式液位測量系統(tǒng)中的雜散電容主要來自三個方面： (1)連接電容內(nèi)外極板與測量電路電線的寄生電容，其值大約為 100pF／ m。 (2)測量電路中使用的 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。 因此電容測量電路必須滿足以下要求： 濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 (1)測最小電容、動態(tài)范圍大、線性度好。 (2)測量靈敏度高、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（論文） 9 第三章 系統(tǒng)總體設(shè)計 課題需要實 現(xiàn)的功能及要求 系統(tǒng)實現(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環(huán)節(jié)就是在油液積累到一定厚度時控制油泵將油抽出，因此油液厚度的測量是溢油回收實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，液位測量裝置是溢油回收裝置中的核心。 為了能夠?qū)崿F(xiàn)實時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)，要求液位測量裝置能夠連續(xù)的將油氣，油水界面的位置測量出來，同時為了控制油泵抽油，還需要計算出油層的厚度，即油氣界面與油水界面的差值。為了精確控制抽油裝置，需要液位測量裝置具有較高的測量精度。抽油泵在向外 抽油時速度比較快，因此需要液位測量裝置具有較快的測量速度。 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，有各種隨機信號的干擾，因此傳感器需要具有較強的抗干擾能力。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的抗腐蝕能力 [9] 。 系統(tǒng)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) (I)測量參數(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)測量范圍： 100cm (3)測量精度：177。 3cm (4)測量速度： 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（論文） 10 (8)通訊接口： RS485 (9)單片機功能：能夠?qū)崿F(xiàn)自動保護(hù)防止程序跑飛、能夠?qū)y量裝置進(jìn)行初 始化校準(zhǔn)，將初始化參數(shù)保存并控制整個測量系統(tǒng)的運行。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 傳感器結(jié)構(gòu) 傳感器 截面圖 如圖 圖 截面圖 示意圖 整個傳感器 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、人機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，實現(xiàn)傳感器工作指示和人機交互。 下部包括 十 段獨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．套在整個電容傳感器外部。中曰足聚四氟乙 烯絕緣管將所測介質(zhì)與電容傳感器隔離。十段獨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 是電容測量電路板，包括 ATmega8單片機、電濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 容測量電路和通訊電路，其中電容測量電路分別和電容傳感器內(nèi)、外電極相接。 這利獨立的電容測量模塊的設(shè)計雖然增加了整體復(fù)雜度和開發(fā)成本，但是這 樣設(shè)計可以極大的縮小連接電容測量模塊和電容極板的導(dǎo)線距離，從而極大的減小了導(dǎo)線電容對丁測量的影響，提高了液位測量的精度 [10] 。 最關(guān)鍵的是每一段電 容傳感器都具有獨立的電容檢測模塊，可以進(jìn)行高速電容測量， ATmegal6單片機可以實時的讀取每一段的電容值用于計算。如果通過電子開關(guān)選通通道然后進(jìn)行電容測量，不但電子開關(guān)需要等待一段時間，每一次通道通斷后還需要更長的時間等待電容測量模塊穩(wěn)定，之后才能測最到正確的電容值，這樣就達(dá)不到系統(tǒng)要求的測量速度。采用獨立的電容測量模塊就可以使被測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量模塊的穩(wěn)定，從而減小了總體測量時間，提高 測 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單片機為核心，通過串行通信收集十段電容傳感器測量得到的電容數(shù)值，通過計算得到油氣界面和油水界面的何置。同時摔制整個系統(tǒng)的運行，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量得到的電容值、液位計算、 T作指示及測量結(jié)果顯示、參數(shù)設(shè)定、串行通信等 [11] 。 (3)電容測量模塊：包括方波產(chǎn)生電路、