基于電容式傳感器的油水界面探測器的研制

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(nèi)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, 帶微處理器液面傳感器由電容傳感器、電容量測量信號調(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(diào)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。
　　
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本設計的油水界面探測器采用介質(zhì)變化型電容傳感器。假設電容器為兩平極結(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;而當電容器兩極處在兩不同介質(zhì)的界面處，當液體介質(zhì)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(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(diào)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(nèi)包含有完整的信號處理單元。(見圖二)CAV414芯片內(nèi)含基準振蕩器，其振蕩頻率可由基準振蕩電容Cosc和Rosc來調(diào)整，基準振蕩器驅(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(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：