采用介質變化型電容傳感器實現(xiàn)UIT油水界面探測器的設計

根據(jù)國際海上環(huán)境保護委員會1980年6月13日通過的MEPC.5（XⅢ）決議要求：為快速和準確地測定污油水艙的油水界面，必須在油船上安裝主管機關所批準的有效的油水界面探測器，在油水分離受影響的和打算把水直接排到海里去的其他艙也應該有這種探測器。為填補國內本項空白，研制本UIT油水界面探測器。

概述

油水界面探測器具備如下功能：

油水界面探測器可探測氣油界面、油水界面的位置。測量氣體溫度，油溫度和水溫度。

采用系統(tǒng)自校正設計方案簡化生產(chǎn)工藝，并提高氣油界面、油水界面的位置及氣體溫度，油溫度和水溫度測量精度。

數(shù)字式液面數(shù)據(jù)處理顯示儀表可對系統(tǒng)測量精度進行校正，數(shù)據(jù)處理，顯示、報訊。

利用液晶顯示器顯示各種校正或測量提示信息、測量數(shù)值及狀態(tài)信息。

油水界面探測器包括帶微處理器液面傳感器、數(shù)字式液面數(shù)據(jù)處理顯示儀表及絕緣卷尺組成。

圖1 油水界面探測器的系統(tǒng)組成圖

圖1中所示， 帶微處理器液面?zhèn)鞲衅饔?a href="http://srfitnesspt.com/tags/電容/" target="_blank">電容傳感器、電容量測量信號調理電路、放大器、A/D轉換器、微處理器、串行接口及微型開關電源（圖中未示出）組成;數(shù)字式液面數(shù)據(jù)處理顯示儀表由串行接口、微處理器、液晶顯示屏及微型開關電源（圖中未示出）等組成。

本探測器較之其他現(xiàn)有液位、液面測量儀表，具備以下特長：

采用高性能的電容量測量及調理集成電路，提高測量精度，而且不受周圍環(huán)境的影響。

用雙CPU組成測試系統(tǒng)，以數(shù)字形式進行傳輸，提高儀表的可靠性。

傳感器配備微處理器對信號進行預處理后，以數(shù)字形式進行傳輸。

主機的微處理器接收到數(shù)字信號，進行后處理后再顯示和報訊。

在傳感器中只需增加極少的硬件開支，便可附加其他傳感器，如溫度傳感器測量溫度，壓力式液位傳感器測量液體深度，以實現(xiàn)多參數(shù)的同時測量。

采用微型高效率開關電源集成電路，提高干電池的電源利用效率。

液面?zhèn)鞲衅骺梢杂欣^電器輸出控制型和串行數(shù)據(jù)輸出型，作為付產(chǎn)品。

液面?zhèn)鞲衅?/p>

本設計的油水界面探測器采用介質變化型電容傳感器。假設電容器為兩平極結構，作絕緣處理后的電容器兩極間浸入不同的界質中，由于電容器中的介質相對介電系數(shù)不同，電容量是不同的;而當電容器兩極處在兩不同介質的界面處，當液體介質的液面發(fā)生變化，也將導致電容器的電容C也發(fā)生變化。作為界面探測器其重點是后者，即檢測電容傳感器在氣油界面、油水界面位置變化導致電容器的電容C變化情況。

電容傳感器處在大氣中、浸入不同液體或浸入不同液體深度不同，其電容量的變化，采用專用的信號調理電路把電容量轉換比例電壓輸出。在大氣中相對介電常數(shù)為1，電容傳感器的電容量為C0，經(jīng)調理轉換后輸出電壓為V0，在油品中相對介電常數(shù)變大，在水中相對介電常數(shù)更大，電容傳感器的電容量將隨著浸入不同液體深度加大而變大，經(jīng)調理轉換后輸出電壓也將隨之變大。這電壓信號再經(jīng)放大器放大和A/D轉換，得到不同的A/D值。A/D值的大小表明傳感電容器所處的介質或淹沒入油、水介質的深度。

本油水界面探測器采用兩通道A/D轉換器，其中一通道用于測量傳感電容傳感器的輸出電壓，另一通道用于溫度信號的測量。微處理器控制數(shù)據(jù)的采集并進行數(shù)據(jù)預處理后，以數(shù)字形式用一定格式通過串行接口把兩個數(shù)據(jù)傳送往顯示儀表。

油水界面探測器的關鍵器件是電容信號調理電路CAV414。CAV414是一種專為電容傳感器而設計的通用性強、多用途集成電路，該芯片內包含有完整的信號處理單元。（見圖二）CAV414芯片內含基準振蕩器，其振蕩頻率可由基準振蕩電容Cosc和Rosc來調整，基準振蕩器驅動2個同步積分器，而在電阻（Rcx1+W0）和Rcx2值相同時，電容Cx1和（Cx2+Cx）則決定2個被驅動的積分器的積分電壓幅度，即積分器的積分電壓幅度差別反映了電容Cx1和（Cx2+Cx）的相對容量差。CAV414具有很高的共模抑制比和分辯率。它的差分信號端可由低通濾波器來進行處理和限定，而低通濾波器的角頻率和增益也由幾個外接元器件來調節(jié)，輸出信號幅度也可由內部放大器進行預放大，放大倍數(shù)可由RL1/RL2及R1/R2確定。

用CAV414來測量電容，其電路如圖2所示，圖2中，Cx為電容傳感器，其值很小，應用中可將電容傳感器置在大氣中，調節(jié)電位器W1，使（Rcx1+W0）和Rcx2在電容Cx1和（Cx2+Cx）的初始值時使Vout輸出0電壓。那么，當電容傳感器在氣油界面、油水界面位置變化導致電容器的電容Cx變化情況，使輸出電壓Vout發(fā)生變化。其從小到大變化規(guī)律是：

電容傳感器（1）在大氣中→（2）逐步浸入油品，越浸越深→（3）全部浸入油品中→（4）逐步浸入水中，越浸越深→（5）全部浸入水中。確定RL1/RL2及R1/R2適當數(shù)值后，不難區(qū)別電容傳感器以上五個位置。位置（2）即氣油界面、位置（4）即油水界面，這是界面探測器測定重點，可以將位置（2）和位置（4）中的特定浸入線的A/D值存儲，用數(shù)字法比較電容傳感器浸入該液體是否超過特定浸入線，便可確定氣油界面或油水界面。

圖2 電容傳感器信號調理電路圖

卷尺和顯示儀表

卷尺既作為液面測量的刻度尺，又是向界面探測傳感器供電和數(shù)據(jù)通訊傳輸線。卷尺中的金屬刻度尺與數(shù)據(jù)傳輸線采用高強度絕緣材料相互間及與外界絕緣。

油水界面探測器的顯示儀表不但用于顯示界面探測傳感器所處之處的界面、溫度信息，而且還可測量數(shù)據(jù)進行校準，其采用的點陣式LCD顯示屏不但顯示界面信息和溫度數(shù)據(jù)，而且測量數(shù)據(jù)進行校準時采用中文進行必要的提示。使操作簡明方便。顯示儀表還帶有斷電保持的Fiash存儲器，用于存儲校正數(shù)據(jù)及必要的參數(shù)。為了進行測量數(shù)據(jù)校準，顯示儀表設置了一個按鍵，鍵功能及配合操作如下流程：

把JP1短接到ON 后按第一按鍵，顯示屏顯示《調試》，儀表進入數(shù)據(jù)校準狀態(tài)。

按第二下按鍵，顯示器顯示《氣油界面》后，應把探測傳感器浸入油中，刻度線對準氣油界面，穩(wěn)定步動。

探測傳感器開始測量處在氣油界面時傳感電容的A/D轉換值，傳送到顯示儀表。

過一分鐘待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后按第三下按鍵;顯示器顯示《油水界面》時，應把探測傳感器浸入油水中，刻度線對準油水界面， 穩(wěn)定步動。

一分鐘內，顯示儀表已得到穩(wěn)定的氣油界面?zhèn)鞲须娙莸腁/D值（A/D1），將值存儲進Fiash存儲器，同時，探測傳感器開始測量處在油水界面時的傳感電容A/D轉換值，傳送到顯示儀表。

過一分鐘待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后按第四下按鍵; 顯示器顯示《冰水混合物》時，應把探頭浸入冰水混合物中， 穩(wěn)定步動。

一分鐘內，顯示儀表已得到穩(wěn)定的油水界面?zhèn)鞲须娙莸腁/D值（A/D2），將值存儲進Fiash存儲器，同時，探測傳感器開始測量處在0℃時溫度傳感器的A/D轉換值，傳送到顯示儀表。

過一分鐘待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后按第五下按鍵，回到測量狀態(tài)。

一分鐘內，顯示儀表已得到穩(wěn)定的在0℃時溫度傳感器的A/D轉換值（A/D3），將值存儲進Fiash存儲器。

溫度傳感器采用與絕對溫度成比的傳感器AD590，其零點在-273.15℃，用0℃的A/D值作斜率校準點。

顯示儀表只用一個按鍵，配合LCD顯示屏界面信息顯示，解決了油水界面探測器的問題測量數(shù)據(jù)校準問題，使用明了方便。

之后在進行氣油界面、油水界面的位置探測時，顯示儀表中的微處理器只需把探測傳感器傳送來的傳感電容A/D值與A/D1及A/D2相比較，就可探測出傳感器所到位置，在界面處讀取卷尺刻度，探測的氣油界面和油水界面。

測量氣體溫度，油溫度和水溫度時，將溫度傳感器的A/D值應用A/D3進行斜率校正、運算得出溫度值送顯示。同時，溫度測量值還利用在對傳感電容A/D值進行修正，以使界面位置測量更加精確。

結語

UIT油水界面探測器已通過上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗測試所的多項檢測，獲得國家級儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗站發(fā)給的《防爆合格證》 ;完全達到國家技術監(jiān)督局發(fā)布的《船用油水界面探測器技術條件》，獲中國船級社頒發(fā)的《型式認可證書》。已申請了專利，目前處在公示中。產(chǎn)品投入生產(chǎn)一年多來，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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