基于單片機(jī)的分段電容式液位測(cè)量的研究_畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-在線瀏覽
2024-09-11 20:05本頁(yè)面
【正文】 有較快的檢測(cè)速度。本課題正是研究這樣一種測(cè)量技術(shù)，通過(guò)測(cè)量電容，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)多界面液位測(cè)量。 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(guò)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。 關(guān)鍵詞 ：傳感器；分段電容；液位測(cè)量；單片機(jī) ABSTRACT： When separate oil from water at spilled oil recovery processing， the detection of oil— gas interface， oil— water interface and the oil thickness is a critical part， not only can detect oil gas interface and oilwater interface， but also need to ensure the results in real— time and continuous， requires faster detection speed． This issue is research a such of measurement that real我國(guó)進(jìn)口的石油 90％是通過(guò)海上船舶運(yùn)輸來(lái)完成的。石油本身具有毒性，進(jìn)入海洋后不僅會(huì)對(duì)海洋環(huán) 境、野生動(dòng)物和養(yǎng)殖資源等造成不同程度的危害，而且這種危害的周期往往是很長(zhǎng)的。 溢油的處理方式基本有三種：生物法、化學(xué)法和物理法。溢油回收裝置是一種機(jī)械回收裝置，是溢油發(fā)生后處理溢油的一種有效裝置， 能極大的減小溢油的危害并回收溢油，降低損失。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。通過(guò) 對(duì)國(guó)內(nèi)外液位測(cè)量方法的比較分析可以看出，大多數(shù) 方法雖然可以測(cè)量油氣和油水兩個(gè)界面，但是對(duì)環(huán)境以及被測(cè)介質(zhì)的要求比較高，而且需要在 油水界面比較清晰地情況下才能獲得比較準(zhǔn)確的液位數(shù)據(jù)。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] 。 由公式 (21)可知，在保持 D、 d和 L不變的情況下，電容的大小和介質(zhì)的介電常數(shù)ε呈線性關(guān)系。 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)。 將油的介電常數(shù) ?油 和空氣的介電常數(shù) ?空 氣 代入 (22)式 ,根據(jù)此時(shí)測(cè)量得到濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 的電容值就可以計(jì)算出油的高度 H。 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(guò)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)。 油水界面檢測(cè)中的另一介質(zhì)海水的介電常數(shù)也是變化的，由于海水中含有各種礦物質(zhì)和鹽分，不同區(qū)域的海水中含有的礦物質(zhì)和鹽分是不同的，即便是同一區(qū)域這些物質(zhì)的含量也會(huì)有輕微的變化，這 樣勢(shì)必會(huì)影響傳感器的測(cè)量 精度。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] 。因此，必須要對(duì)傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn)，使之適應(yīng)雙界面位置的測(cè)量。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(wú)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(wèn)題。因此，要將電容式液位測(cè)量方法應(yīng)用到油水界面檢測(cè) 中 ，需要對(duì)傳統(tǒng)電容式液位測(cè)量方法進(jìn)行改進(jìn) [5] 。 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?yàn)槊恳欢?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(bào)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 。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。 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。 (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(guò)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。在測(cè)量過(guò)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。在純油到純水的變化過(guò)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] 。 分段電容式液位測(cè)量系統(tǒng)中的雜散電容主要來(lái)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。 (3)內(nèi)外極板之間使用的聚四氟乙烯絕緣管形成的電容。 (2)測(cè)量靈敏度高、低噪聲、低漂移。 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(guò)溢油回收過(guò)程的描述可以知道溢油裝置工作過(guò)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。 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(guò) LCD顯示屏顯示出來(lái)， I司時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò) RS一 485通訊方式傳送出去，便 于 二次儀表的使用。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] 。 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。 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。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。 下部包括 十 段獨(dú)立的電容傳感器和電容傳感器外電極。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。 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(kāi)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] 。如果通過(guò)電子開(kāi)關(guān)選通通道然后進(jìn)行電容測(cè)量，不但電子開(kāi)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
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