基于電容式傳感器的油水界面探測器的研制(08-100)

　　液面傳感器

　　本設(shè)計的油水界面探測器采用介質(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(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，采用專用的信號調(diào)理電路把電容量轉(zhuǎn)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(diào)理轉(zhuǎn)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(diào)理轉(zhuǎn)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(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)或淹沒入油、水介質(zhì)的深度。

　　本油水界面探測器采用兩通道A/D轉(zhuǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)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(guān)鍵器件是電容信號調(diào)理電路CAV414。CAV414是一種專為電容傳感器而設(shè)計的通用性強(qiáng)、多用途集成電路，該芯片內(nèi)包含有完整的信號處理單元。(見圖二)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來調(diào)整，基準(zhǔn)振蕩器驅(qū)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(qū)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(jìn)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(diào)節(jié)，輸出信號幅度也可由內(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(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(diào)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(qiáng)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(jìn)行校準(zhǔn)，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(jìn)行校準(zhǔn)時采用中文進(jìn)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(jìn)行測量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，顯示儀表設(shè)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(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)把探測傳感器浸入油中,刻度線對準(zhǔn)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(zhuǎn)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(yīng)把探測傳感器浸入油水中,刻度線對準(zhǔn)油水界面, 穩(wěn)定步動。

　　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)，將值存儲進(jìn)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(zhuǎn)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(yīng)把探頭浸入冰水混合物中, 穩(wěn)定步動。

　　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)，將值存儲進(jìn)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(zhuǎn)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(nèi)，顯示儀表已得到穩(wěn)定的在0℃時溫度傳感器的A/D轉(zhuǎn)換值(A/D3)，將值存儲進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)問題，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(yīng)用A/D3進(jìn)行斜率校正、運(yùn)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(jìn)行修正，以使界面位置測量更加精確。

　　結(jié)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(dá)到國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《船用油水界面探測器技術(shù)條件》，獲中國船級社頒發(fā)的《型式認(rèn)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(jì)效益和社會效益。