采用介質(zhì)變化型電容傳感器實(shí)現(xiàn)UIT油水界面探測(cè)器的設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)際海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)1980年6月13日通過(guò)的MEPC.5（XⅢ）決議要求：為快速和準(zhǔn)確地測(cè)定污油水艙的油水界面，必須在油船上安裝主管機(jī)關(guān)所批準(zhǔn)的有效的油水界面探測(cè)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(yīng)該有這種探測(cè)器。為填補(bǔ)國(guó)內(nèi)本項(xiàng)空白，研制本UIT油水界面探測(cè)器。

概述

油水界面探測(cè)器具備如下功能：

油水界面探測(cè)器可探測(cè)氣油界面、油水界面的位置。測(cè)量氣體溫度，油溫度和水溫度。

采用系統(tǒng)自校正設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)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(cè)量精度。

數(shù)字式液面數(shù)據(jù)處理顯示儀表可對(duì)系統(tǒng)測(cè)量精度進(jìn)行校正，數(shù)據(jù)處理，顯示、報(bào)訊。

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

油水界面探測(cè)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(cè)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://www.wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容傳感器、電容量測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、串行接口及微型開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源（圖中未示出）等組成。

本探測(cè)器較之其他現(xiàn)有液位、液面測(cè)量?jī)x表，具備以下特長(zhǎng)：

采用高性能的電容量測(cè)量及調(diào)理集成電路，提高測(cè)量精度，而且不受周?chē)h(huán)境的影響。

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

傳感器配備微處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理后，以數(shù)字形式進(jìn)行傳輸。

主機(jī)的微處理器接收到數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行后處理后再顯示和報(bào)訊。

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

采用微型高效率開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)的油水界面探測(cè)器采用介質(zhì)變化型電容傳感器。假設(shè)電容器為兩平極結(jié)構(gòu)，作絕緣處理后的電容器兩極間浸入不同的界質(zhì)中，由于電容器中的介質(zhì)相對(duì)介電系數(shù)不同，電容量是不同的;而當(dāng)電容器兩極處在兩不同介質(zhì)的界面處，當(dāng)液體介質(zhì)的液面發(fā)生變化，也將導(dǎo)致電容器的電容C也發(fā)生變化。作為界面探測(cè)器其重點(diǎn)是后者，即檢測(cè)電容傳感器在氣油界面、油水界面位置變化導(dǎo)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(zhuān)用的信號(hào)調(diào)理電路把電容量轉(zhuǎn)換比例電壓輸出。在大氣中相對(duì)介電常數(shù)為1，電容傳感器的電容量為C0，經(jīng)調(diào)理轉(zhuǎn)換后輸出電壓為V0，在油品中相對(duì)介電常數(shù)變大，在水中相對(duì)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(diào)理轉(zhuǎn)換后輸出電壓也將隨之變大。這電壓信號(hào)再經(jīng)放大器放大和A/D轉(zhuǎn)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(zhì)或淹沒(méi)入油、水介質(zhì)的深度。

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

油水界面探測(cè)器的關(guān)鍵器件是電容信號(hào)調(diào)理電路CAV414。CAV414是一種專(zhuān)為電容傳感器而設(shè)計(jì)的通用性強(qiáng)、多用途集成電路，該芯片內(nèi)包含有完整的信號(hào)處理單元。（見(jiàn)圖二）CAV414芯片內(nèi)含基準(zhǔn)振蕩器，其振蕩頻率可由基準(zhǔn)振蕩電容Cosc和Rosc來(lái)調(diào)整，基準(zhǔn)振蕩器驅(qū)動(dòng)2個(gè)同步積分器，而在電阻（Rcx1+W0）和Rcx2值相同時(shí)，電容Cx1和（Cx2+Cx）則決定2個(gè)被驅(qū)動(dòng)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(duì)容量差。CAV414具有很高的共模抑制比和分辯率。它的差分信號(hào)端可由低通濾波器來(lái)進(jìn)行處理和限定，而低通濾波器的角頻率和增益也由幾個(gè)外接元器件來(lái)調(diào)節(jié)，輸出信號(hào)幅度也可由內(nèi)部放大器進(jìn)行預(yù)放大，放大倍數(shù)可由RL1/RL2及R1/R2確定。

用CAV414來(lái)測(cè)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(yīng)用中可將電容傳感器置在大氣中，調(diào)節(jié)電位器W1，使（Rcx1+W0）和Rcx2在電容Cx1和（Cx2+Cx）的初始值時(shí)使Vout輸出0電壓。那么，當(dāng)電容傳感器在氣油界面、油水界面位置變化導(dǎo)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(dāng)數(shù)值后，不難區(qū)別電容傳感器以上五個(gè)位置。位置（2）即氣油界面、位置（4）即油水界面，這是界面探測(cè)器測(cè)定重點(diǎn)，可以將位置（2）和位置（4）中的特定浸入線的A/D值存儲(chǔ)，用數(shù)字法比較電容傳感器浸入該液體是否超過(guò)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(hào)調(diào)理電路圖

卷尺和顯示儀表

卷尺既作為液面測(cè)量的刻度尺，又是向界面探測(cè)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(qiáng)度絕緣材料相互間及與外界絕緣。

油水界面探測(cè)器的顯示儀表不但用于顯示界面探測(cè)傳感器所處之處的界面、溫度信息，而且還可測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，其采用的點(diǎn)陣式LCD顯示屏不但顯示界面信息和溫度數(shù)據(jù)，而且測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)采用中文進(jìn)行必要的提示。使操作簡(jiǎn)明方便。顯示儀表還帶有斷電保持的Fiash存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)校正數(shù)據(jù)及必要的參數(shù)。為了進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，顯示儀表設(shè)置了一個(gè)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(diào)試》，儀表進(jìn)入數(shù)據(jù)校準(zhǔn)狀態(tài)。

按第二下按鍵，顯示器顯示《氣油界面》后，應(yīng)把探測(cè)傳感器浸入油中，刻度線對(duì)準(zhǔn)氣油界面，穩(wěn)定步動(dòng)。

探測(cè)傳感器開(kāi)始測(cè)量處在氣油界面時(shí)傳感電容的A/D轉(zhuǎn)換值，傳送到顯示儀表。

過(guò)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(shí)，應(yīng)把探測(cè)傳感器浸入油水中，刻度線對(duì)準(zhǔn)油水界面， 穩(wěn)定步動(dòng)。

一分鐘內(nèi)，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(chǔ)進(jìn)Fiash存儲(chǔ)器，同時(shí)，探測(cè)傳感器開(kāi)始測(cè)量處在油水界面時(shí)的傳感電容A/D轉(zhuǎn)換值，傳送到顯示儀表。

過(guò)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(shí)，應(yīng)把探頭浸入冰水混合物中， 穩(wěn)定步動(dòng)。

一分鐘內(nèi)，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(chǔ)進(jìn)Fiash存儲(chǔ)器，同時(shí)，探測(cè)傳感器開(kāi)始測(cè)量處在0℃時(shí)溫度傳感器的A/D轉(zhuǎn)換值，傳送到顯示儀表。

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

一分鐘內(nèi)，顯示儀表已得到穩(wěn)定的在0℃時(shí)溫度傳感器的A/D轉(zhuǎn)換值（A/D3），將值存儲(chǔ)進(jìn)Fiash存儲(chǔ)器。

溫度傳感器采用與絕對(duì)溫度成比的傳感器AD590，其零點(diǎn)在-273.15℃，用0℃的A/D值作斜率校準(zhǔn)點(diǎn)。

顯示儀表只用一個(gè)按鍵，配合LCD顯示屏界面信息顯示，解決了油水界面探測(cè)器的問(wèn)題測(cè)量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)問(wèn)題，使用明了方便。

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

測(cè)量氣體溫度，油溫度和水溫度時(shí)，將溫度傳感器的A/D值應(yīng)用A/D3進(jìn)行斜率校正、運(yùn)算得出溫度值送顯示。同時(shí)，溫度測(cè)量值還利用在對(duì)傳感電容A/D值進(jìn)行修正，以使界面位置測(cè)量更加精確。

結(jié)語(yǔ)

UIT油水界面探測(cè)器已通過(guò)上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測(cè)試所的多項(xiàng)檢測(cè)，獲得國(guó)家級(jí)儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗(yàn)站發(fā)給的《防爆合格證》 ;完全達(dá)到國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《船用油水界面探測(cè)器技術(shù)條件》，獲中國(guó)船級(jí)社頒發(fā)的《型式認(rèn)可證書(shū)》。已申請(qǐng)了專(zhuān)利，目前處在公示中。產(chǎn)品投入生產(chǎn)一年多來(lái)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

責(zé)任編輯：gt