基于电容式传感器的油水界面探测器的研制

根据国际海上环境保护委员会1980年6月13日通过的MEPC.5(XⅢ)决议要求：为快速和准确地测定污油水舱的油水界面，必须在油船上安装主管机关所批准的有效的油水界面探测器，在油水分离受影响的和打算把水直接排到海里去的其他舱也应该有这种探测器。为填补国内本项空白，研制本UIT油水界面探测器。
　　
概述
　　
油水界面探测器具备如下功能：
　
油水界面探测器可探测气油界面、油水界面的位置。测量气体温度，油温度和水温度。
　　
采用系统自校正设计方案简化生产工艺，并提高气油界面、油水界面的位置及气体温度，油温度和水温度测量精度。
　　
数字式液面数据处理显示仪表可对系统测量精度进行校正，数据处理，显示、报讯。
　　
利用液晶显示器显示各种校正或测量提示信息、测量数值及状态信息。
　　
油水界面探测器包括带微处理器液面传感器、数字式液面数据处理显示仪表及绝缘卷尺组成。
 

　　
图1 油水界面探测器的系统组成图
　　
图1中所示, 带微处理器液面传感器由电容传感器、电容量测量信号调理电路、放大器、A/D转换器、微处理器、串行接口及微型开关电源(图中未示出)组成;数字式液面数据处理显示仪表由串行接口、微处理器、液晶显示屏及微型开关电源(图中未示出)等组成。
　　
本探测器较之其他现有液位、液面测量仪表，具备以下特长：
　　
采用高性能的电容量测量及调理集成电路,提高测量精度，而且不受周围环境的影响。
　　
用双CPU组成测试系统,以数字形式进行传输,提高仪表的可靠性。
　　
传感器配备微处理器对信号进行预处理后,以数字形式进行传输。
　　
主机的微处理器接收到数字信号,进行后处理后再显示和报讯。
　　
在传感器中只需增加极少的硬件开支，便可附加其他传感器，如温度传感器测量温度，压力式液位传感器测量液体深度，以实现多参数的同时测量。
　　
采用微型高效率开关电源集成电路,提高干电池的电源利用效率。
　　
液面传感器可以有继电器输出控制型和串行数据输出型，作为付产品。
　　
液面传感器
　　
本设计的油水界面探测器采用介质变化型电容传感器。假设电容器为两平极结构，作绝缘处理后的电容器两极间浸入不同的界质中，由于电容器中的介质相对介电系数不同，电容量是不同的;而当电容器两极处在两不同介质的界面处，当液体介质的液面发生变化，也将导致电容器的电容C也发生变化。作为界面探测器其重点是后者，即检测电容传感器在气油界面、油水界面位置变化导致电容器的电容C变化情况。
　　
电容传感器处在大气中、浸入不同液体或浸入不同液体深度不同，其电容量的变化，采用专用的信号调理电路把电容量转换比例电压输出。在大气中相对介电常数为1，电容传感器的电容量为C0，经调理转换后输出电压为V0，在油品中相对介电常数变大，在水中相对介电常数更大，电容传感器的电容量将随着浸入不同液体深度加大而变大，经调理转换后输出电压也将随之变大。这电压信号再经放大器放大和A/D转换，得到不同的A/D值。A/D值的大小表明传感电容器所处的介质或淹没入油、水介质的深度。
　　
本油水界面探测器采用两通道A/D转换器，其中一通道用于测量传感电容传感器的输出电压，另一通道用于温度信号的测量。微处理器控制数据的采集并进行数据预处理后，以数字形式用一定格式通过串行接口把两个数据传送往显示仪表。
　　
油水界面探测器的关键器件是电容信号调理电路CAV414。CAV414是一种专为电容传感器而设计的通用性强、多用途集成电路，该芯片内包含有完整的信号处理单元。(见图二)CAV414芯片内含基准振荡器，其振荡频率可由基准振荡电容Cosc和Rosc来调整，基准振荡器驱动2个同步积分器，而在电阻(Rcx1+W0)和Rcx2值相同时，电容Cx1和(Cx2+Cx)则决定2个被驱动的积分器的积分电压幅度，即积分器的积分电压幅度差别反映了电容Cx1和(Cx2+Cx)的相对容量差。CAV414具有很高的共模抑制比和分辩率。它的差分信号端可由低通滤波器来进行处理和限定，而低通滤波器的角频率和增益也由几个外接元器件来调节，输出信号幅度也可由内部放大器进行预放大，放大倍数可由RL1/RL2及R1/R2确定。
　　
用CAV414来测量电容，其电路如图2所示，图2中，Cx为电容传感器，其值很小，应用中可将电容传感器置在大气中，调节电位器W1，使(Rcx1+W0)和Rcx2在电容Cx1和(Cx2+Cx)的初始值时使Vout输出0电压。那么，当电容传感器在气油界面、油水界面位置变化导致电容器的电容Cx变化情况，使输出电压Vout发生变化。其从小到大变化规律是：

电容传感器(1)在大气中→(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。确定RL1/RL2及R1/R2适当数值后，不难区别电容传感器以上五个位置。位置(2)即气油界面、位置(4)即油水界面，这是界面探测器测定重点，可以将位置(2)和位置(4)中的特定浸入线的A/D值存储，用数字法比较电容传感器浸入该液体是否超过特定浸入线，便可确定气油界面或油水界面。
 

　
图2 电容传感器信号调理电路图
　　
卷尺和显示仪表
　　
卷尺既作为液面测量的刻度尺，又是向界面探测传感器供电和数据通讯传输线。卷尺中的金属刻度尺与数据传输线采用高强度绝缘材料相互间及与外界绝缘。
　　
油水界面探测器的显示仪表不但用于显示界面探测传感器所处之处的界面、温度信息，而且还可测量数据进行校准，其采用的点阵式LCD显示屏不但显示界面信息和温度数据，而且测量数据进行校准时采用中文进行必要的提示。使操作简明方便。显示仪表还带有断电保持的Fiash存储器，用于存储校正数据及必要的参数。为了进行测量数据校准，显示仪表设置了一个按键，键功能及配合操作如下流程：
　　
把JP1短接到ON 后按第一按键，显示屏显示<调试>，仪表进入数据校准状态。
　　
按第二下按键,显示器显示<气油界面>后,应把探测传感器浸入油中,刻度线对准气油界面,稳定步动。
　　
探测传感器开始测量处在气油界面时传感电容的A/D转换值，传送到显示仪表。
　　
过一分钟待数据稳定后按第三下按键;显示器显示<油水界面>时,应把探测传感器浸入油水中,刻度线对准油水界面, 稳定步动。
　　
一分钟内，显示仪表已得到稳定的气油界面传感电容的A/D值(A/D1)，将值存储进Fiash存储器，同时，探测传感器开始测量处在油水界面时的传感电容A/D转换值，传送到显示仪表。
　　
过一分钟待数据稳定后按第四下按键; 显示器显示<冰水混合物>时,应把探头浸入冰水混合物中, 稳定步动。
　　
一分钟内，显示仪表已得到稳定的油水界面传感电容的A/D值(A/D2)，将值存储进Fiash存储器，同时，探测传感器开始测量处在0℃时温度传感器的A/D转换值，传送到显示仪表。
　　
过一分钟待数据稳定后按第五下按键,回到测量状态。
　　
一分钟内，显示仪表已得到稳定的在0℃时温度传感器的A/D转换值(A/D3)，将值存储进Fiash存储器。
　　
温度传感器采用与绝对温度成比的传感器AD590，其零点在-273.15℃，用0℃的A/D值作斜率校准点。
　　
显示仪表只用一个按键，配合LCD显示屏界面信息显示，解决了油水界面探测器的问题测量数据校准问题，使用明了方便。
　　
之后在进行气油界面、油水界面的位置探测时，显示仪表中的微处理器只需把探测传感器传送来的传感电容A/D值与A/D1及A/D2相比较，就可探测出传感器所到位置，在界面处读取卷尺刻度，探测的气油界面和油水界面。
　　
测量气体温度，油温度和水温度时，将温度传感器的A/D值应用A/D3进行斜率校正、运算得出温度值送显示。同时，温度测量值还利用在对传感电容A/D值进行修正，以使界面位置测量更加精确。
　　
结语
　　
UIT油水界面探测器已通过上海仪器仪表自控系统检验测试所的多项检测，获得国家级仪器仪表防爆安全监督检验站发给的《防爆合格证》 ;完全达到国家技术监督局发布的《船用油水界面探测器技术条件》，获中国船级社颁发的《型式认可证书》。已申请了专利，目前处在公示中。产品投入生产一年多来，取得了良好的经济效益和社会效益。