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(hù)委員會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)該有這種探測器。為填補(bǔ)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(shè)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(jìn)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(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(jìn)行傳輸,提高儀表的可靠性。
　　
傳感器配備微處理器對信號進(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,進(jìn)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(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。
　　
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本設(shè)計的油水界面探測器采用介質(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(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(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數(shù)據(jù)傳送往顯示儀表。
　　
油水界面探測器的關(guān)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(shè)計的通用性強(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(jìn)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(jìn)行預(yù)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(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：