基于電容式傳感器的油水界面探測(cè)器的研制
根據(jù)國際海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)1980年6月13日通過的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, 帶微處理器液面傳感器由電容傳感器、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,而且不受周圍環(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?br />
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(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:
評(píng)論