基于单片机的分段电容式液位测量的研究_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的分段电容式液位测量的研究_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

所在段。 每一段的等效电 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0C C C C C C C C C C、 、 、 、 、 、 、 、 、。 因为每一段 电容传感器的内电极直径 d、外电极直径 D、传感器高度 L都是固 定的．而且在常温环境下．空气的介电常数为 l，水的介电常数为 80左右，纯净原油的介电常数为 ．水和油两者介电常数相差将近 40倍．比较易于区分，报据公式 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0C C C C C C C C C C        ,由此可以判断油气界面位于 3C 段，油水界面位于 7C 段。 这样两个界面分布在不同的电容传感器中，每一段电容传感器可以独立测量该段的电容值，将传统电容式液位测量方法的原理应用于每一段的电容传感器中，这样就解决了传统电容式液位测量方法不适宜用于三种介质油气、油水双界面的测量的问题。 对于油气界面和油水界面在同一段电容传感器，即油层厚度小于电容传感器高度 L的情况将在下文阐述，尝试对于这种情况进行处理。 将每一段电容传感器的电容值测量出之后，因为 1C 和 2C 为纯空气段 , 45CC、潍坊学院本科毕业设计（论文） 7 和 6C 为纯油段 , 8 9 10C C C、 、 为纯水段，根据这几个电容值，通过公式 2． 1分别 可以计算出当前环境空气、油和水的介电常数，然后将获得的介电常数实时的用 于测量 3C 段油气界面的位置 HX和 7C 段油水界面的位置 HY。 这样就解决了因为介质的介电常数随外界各种条件变化而变化对测量准确度的影响，实现了在线实时自 标定自校正，从而提高了测量精度。 几种特殊情况的处理 在油气界面和油水界面测量时还会遇到以下几种特殊情况。 (1)每次测量时分别需要测量每一段电容传感器的空管电容值、充满油的电容值和充满水的电容值，但是测量过程中并不一定每一种介质会充满该段电容传感器，显然这在实际应用中这很难做到。 为了防止这种情况出现，当传感器开始使用时或者使用环境改变时进行一次初始化，首先将十段电容传感器空管，测量空管电容值，然后将十段电容传感器充满所测油品，测量满油电容值，最后将十段电容传感器充满水，测量满水电容值，测量得到的 30个初始值将存入单片机内的数据存储器中，供液位计算使用。 在测量过程中，遇到该段充满空气、油或者水时实时的更新单片机内数据存 储器中的数值。 (2)油与水的界面是一个随含水率变化的非清晰的界面，即乳化层的问题，在分段电容式传感器中处于乳化层的每一段电容传感器测量到的电容值是一个随含水率变化而变化的值，由油到水的过程即是含水率逐渐变大的过程，电容值也随之而变大。 在纯油到纯水的变化过程中，只需要确定一个值，当含水率低于此值时为油，含水率高于此值时为水 [7]。 微小电容测量原理 由于在分段电容式液位测量中被测电容很小，而线间寄生电容等各种杂散电容较大，因此对电容测量提出了极为严格的 要求。 分段电容式液位测量系统中的杂散电容主要来自三个方面： (1)连接电容内外极板与测量电路电线的寄生电容，其值大约为 100pF／ m。 (2)测量电路中使用的 CMOS模拟开关产生的耦合电容。 (3)内外极板之间使用的聚四氟乙烯绝缘管形成的电容。 因此电容测量电路必须满足以下要求： 潍坊学院本科毕业设计（论文） 8 (1)测最小电容、动态范围大、线性度好。 (2)测量灵敏度高、低噪声、低漂移。 (3)能抑制寄生电容和 CMOS 模拟开关产生的耦合电容 [8]。 潍坊学院本科毕业设计（论文） 9 第三章 系统总体设计 课题需要实 现的功能及要求 系统实现的功能及要求 通过溢油回收过程的描述可以知道溢油装置工作过程最后一个环节就是在油液积累到一定厚度时控制油泵将油抽出，因此油液厚度的测量是溢油回收实现的重要环节，液位测量装置是溢油回收装置中的核心。 为了能够实现实时的反映溢油回收装置中气、油、水的状态，了解溢油回收装置的状态，要求液位测量装置能够连续的将油气，油水界面的位置测量出来，同时为了控制油泵抽油，还需要计算出油层的厚度，即油气界面与油水界面的差值。 为了精确控制抽油装置，需要液位测量装置具有较高的测量精度。 抽油泵在向外 抽油时速度比较快，因此需要液位测量装置具有较快的测量速度。 为了便于操作人员观察，需要将油气界面与油水界面的位置和油层的厚度通过 LCD显示屏显示出来， I司时将数据通过 RS一 485通讯方式传送出去，便 于 二次仪表的使用。 收油装置用于海上环境，海面情况复杂，有各种随机信号的干扰，因此传感器需要具有较强的抗干扰能力。 海水中含有各种具有腐蚀性的矿物质，凶此传感器需要具有较强的抗腐蚀能力 [9]。 系统的主要技术标准 (I)测量参数：油气界面和油水界面位置，其中 油水界面属于油／乳化层界面和乳化层／水界面混合的界面 (2)测量范围： 100cm (3)测量精度：177。 3cm (4)测量速度： 5／ s (5)环境温度： 10℃一 60℃ (6)电源电压： 24V (7)显示方式： LCD显示油气界面和油水界面位置、油层厚度 潍坊学院本科毕业设计（论文） 10 (8)通讯接口： RS485 (9)单片机功能：能够实现自动保护防止程序跑飞、能够对测量装置进行初 始化校准，将初始化参数保存并控制整个测量系统的运行。 系统总体结构设计 传感器结构 传感器 截面图 如图 图 截面图 示意图 整个传感器 可 以分为上下两部分：上部为数据采集与处理模块，下部为 十 段电容传感器和电容传感器外电极。 上部包括电源模块， ATmega16单 片机、人机交互模块和通讯模块。 全 部安装在传感器顶部的防水盒中。 防水盒采用航空插头外接电线，接入 24V电源的输入以及 RS一 485串行通讯线缆。 防水盒上方安装有状态指示灯、按键和 LCD显示屏，实现传感器工作指示和人机交互。 下部包括 十 段独立的电容传感器和电容传感器外电极。 电容传感器外电极公用．套在整个电容传感器外部。 中曰足聚四氟乙 烯绝缘管将所测介质与电容传感器隔离。 十段独立的电容传感器每一段的结构如下图：聚四氟乙烯绝缘管内是电容传感器内电极，高为 10cm， 中 间 是电容测量电路板，包括 ATmega8单片机、电潍坊学院本科毕业设计（论文） 11 容测量电路和通讯电路，其中电容测量电路分别和电容传感器内、外电极相接。 这利独立的电容测量模块的设计虽然增加了整体复杂度和开发成本，但是这 样设计可以极大的缩小连接电容测量模块和电容极板的导线距离，从而极大的减小了导线电容对丁测量的影响，提高了液位测量的精度 [10]。 最关键的是每一段电 容传感器都具有独立的电容检测模块，可以进行高速电容测量， ATmegal6单片机可以实时的读取每一段的电容值用于计算。 如果通过电子开关选通通道然后进行电容测量，不但电子开关需要等待一段时间，每一次通道通断后还需要更长的时间等待电容测量模块稳定，之后才能测最到正确的电容值，这样就达不到系统要求的测量速度。 采用独立的电容测量模块就可以使被测电容一直接入并处于稳定状态而不需要电子开关选通通道．也不需要等待电容测量模块的稳定，从而减小了总体测量时间，提高 测 量频率。 系统功能模块划分 系统按照功能可以划分为以 下模块： (1)电源模块：将 +24V输入电源转换为系统正常工作使用的 +5V电源，采用 双电源工作。 一路给十段电容传感器，称为传感器电源；另一路给电容传感器之外的所有电路供电，称为主电源。 (2)数据采集与处理模块：该模块以 ATmegal6单片机为核心，通过串行通信收集十段电容传感器测量得到的电容数值，通过计算得到油气界面和油水界面的何置。 同时摔制整个系统的运行，包括系统初始化、电容传感器初始化、采集并处理十段电容传感器测量得到的电容值、液位计算、 T作指示及测量结果显示、参数设定、串行通信等 [11]。 (3)电容测量模块：包括方波产生电路、。