基于電容式傳感器的油水界面探測(cè)器的研制(08-100)

　　液面傳感器

　　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》。已申請(qǐng)了專利，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。