油水界面檢測

1、 摘 要 原油剛開采出來的時候并不純，而是帶一些水分的，需要在加工過程中進行油與水的分離。因為水與油的密度不同，在重力的作用下，原油儲罐中的水會與油分開，水在下，油在上，這樣就產生了油與水的分界面，再通過把水層和油層分別引出的方法，就能實現(xiàn)油與水分離的目的。為了更好的把控整個油水分離過程，就必須對整個過程進行精密、準確的實時測量，掌握最精準的數據。國外雖然有一些精密的設備能夠更好的實現(xiàn)這一目的，但是其高昂的價格卻讓人不得不低頭，在國內，現(xiàn)今使用的還是比較原始的方法，目前已經有很多專家學者提出把傳統(tǒng)的電容傳感器改為一種新式的分段式電容傳感器來提高精確值。本文向大家介紹整個油水分離系統(tǒng)的結構組成，

2、以及目前國內在此系統(tǒng)中一些硬件、軟件方面的設計，并詳細論述小電容的精確檢測方法及信號檢測、處理電路的設計，分析一些目前國內專家學者所做實驗的實驗數據，探討分段電容傳感器在今后我國原油的油水分離中的前進意義。關鍵詞：油水界面；分段式電容傳感器 abstract When crude oil is not just pure mined，But with some of the moisture，Separation of oil and water in the process needs to be，Because of different densities of water and oil

3、 gravity of crude oil storage tanks in the water with the oil separated，In the following oil and water in the above，This produces oil and water interface，Then through the water and oil were exported methods，Will be able to achieve the purpose of the separation of oil and water。In order to better con

4、trol the oil and water separation，he whole process must be precise and accurate real-time measurement，Master the most accurate data。Although there are some sophisticated equipment abroad are better able to achieve this goal，But its high price is unacceptable，In the country，Currently in use is still

5、relatively primitive methods，There are already many experts put forward the traditional capacitive sensors to a new kind of segmented capacitance sensor to improve the precision values。In this paper, we introduce the structure of the entire oil and water separation system，And the current domestic de

6、sign in this system some of the hardware, software aspects，Discusses in detail the design of a small capacitor and the signal detecting precision detection method, the processing circuit，Some current experimental data analysis experts and scholars have done experiments，Explore the significance of se

7、gmented capacitance sensor in the future of China's crude oil and water separation in the。Keywords: oil-water interface; segmented capacitance sensor 第一章 緒論51.1油水分離界面檢測的當今背景以及意義51.2 幾種常用油水分離界面檢測方法介紹51.3 本文的主要內容7第2章 原油加工過程以及目前國內對電容式液面檢測法的研究成果82.1 生產中原油分離過程82.2 目前國內對電容式液面檢測法的研究9第3章 新型分段電容傳感器的優(yōu)勢113

8、.1 傳統(tǒng)的電容傳感器113.1.1 傳統(tǒng)的電容傳感器的檢測原理113.1.2 傳統(tǒng)電容傳感器的弊端123.2 分段電容傳感器133.2.1 分段電容傳感器的檢測原理133.2 分段電容傳感器結構圖143.2.2 分段電容傳感器與傳統(tǒng)電容器相比的優(yōu)越性15第四章 系統(tǒng)硬件設置174.2極板陣列控制電路184.2.1電路的設計184.2.2多路模擬開關的選擇184.3微小電容檢測電路設計194.3.1正弦波發(fā)生電路194.3.2C/V轉換電路224.3.3相敏解調電路和低通濾波器234.3.2低通濾波器244.3.4減法器和參考電壓電路244.3.5緩沖器274.4數據采集及處理系統(tǒng)274.4.

9、1 C8051F005單片機簡介274.4.2單片機資源的應用284.5顯示及鍵盤控制電路294.5.1顯示模塊294.5.2鍵盤控制模塊31第5章系統(tǒng)軟件的設計325.1單片機檢測程序325.1.1主程序325.1.2系統(tǒng)初始化325.1.3正弦波激勵335.1.4零點參數的設定345.1.5非易失存儲器的存取345.1.6數字濾波355.1.7油水界面高度判斷的算法355.1.7.1界面粗測365.2 PC機程序415.2.1 PC機串行通信415.2.2上位機界面42 第一章 緒論1.1油水分離界面檢測的當今背景以及意義 石油能源在世界的地位越來越高，現(xiàn)如今，石油能源已經被經濟企業(yè)、經濟

10、部門所廣泛的使用在居民的日常生活中，在一定程度上，可以說石油工業(yè)的水平代表這個國家的現(xiàn)代化發(fā)展水平。但是現(xiàn)有的石油開采量遠遠不能滿足世界60億人口的生活、生產需求，而且現(xiàn)有的石油開采技術也使得原油的開采量大打折扣，還造成很多資源浪費，鑒于此，研究如何提高原油開采率，降低原油浪費，改善開采技術已成為很多科學家的主要課題。 眾所周知，石油從發(fā)現(xiàn)到被使用到工業(yè)中要經過一系列的步驟：開采、分離、提煉等步驟一個不能少，在這些步驟過程中，僅僅就開采一項就需要很多繁雜工序，實際上，原油開采的時候，會帶出大量的水和氣，同時還有少量泥沙，這樣的原油并不是我們實際所需要的，要使用相關技術對這種混合油進行分離處理，

11、沙石與油的分離相對較為簡單，然而油和水的分離就不是那么簡單了，這里就出現(xiàn)了相關的油水分離技術。要分離油中的雜質，原油要被輸送到油田脫水站，脫水站使用高溫分離罐對油進行高溫處理，靜置48小時后，油就會在分離罐中分成幾個界面，最下面是水和泥沙，中間為油和水，上面為氣和油。這時，就要通過精確計算、測量油和水的分界面，這樣才能放出分離罐中不含油的水，這是一項需要很嚴謹、認真去操作的環(huán)節(jié)，如果測量不準確，分離后的油中水分太多，容易造成煉廠沖塔事故；如果分離后將太多的油連同水放掉容易造成資源浪費和環(huán)境的污染，因此，油的分離過程對每一個開采場都是十分被重視的。截止到現(xiàn)在我國已經有一些專門運用于檢測油水界面的

12、儀器，但是這些儀器中很多技術都的運用率都還很低，還需要繼續(xù)開發(fā)研究，外國雖然有一些較為先進的儀器，能夠在一定程度上提高油水界面的檢測效果但是其高昂的價格讓人望而卻步。鑒于以上種種原因，研究和開發(fā)出一種效率、精確度更高的鑒定原油中油水界面的儀器對世界尤其是國內的油田開采具有重大的意義。1.2 幾種常用油水分離界面檢測方法介紹伴隨著科技的發(fā)展，人們對原油中油水分離界面檢測技術越來越關注，而且隨著各種高新技術，如：雷達、微電子、超聲波、光纖以及其他各種高新技術傳感器等的快速發(fā)展，各式各樣的新的檢測技術也源源不斷的出現(xiàn)。目前各種光纖式、壓力式、浮力式超聲波式的計量和儀表已經廣泛運用到各式各樣的油罐中，

13、隨著這些高新檢測技術的引入，使得油水檢測到達一個高精度、多功能全新的境界。然而這么多高新技術確實各有千秋，任何一種技術或者儀器都不能被另外一種技術或者儀器完全取代，他們都有自己的長處和短處，下面對這些油水界面檢測方法分別進行簡述：（1） 壓力差值式界面檢測方法水的密度與油的密度相差很多，密度不同相應的壓力也就不同，這就可以對油罐中的每個位置的油水混合物進行壓力測量來推算出這個位置的混合物的密度，從客觀角度上來說，通過這種壓力檢測，不僅可以測量出油罐中的油中含水的位置，還可以通過一定量的計算得出這個位置的含水量，但是，到目前為止，市面上的一些壓力檢測儀器很難測出計算所需要的精確數字，并且，由于破

14、乳劑、礦化度等各種聚合物的干擾，水和油的密度相差變小，同時，儀表很難實時的補償出油的一直變化著的密度。（2） 浮子式界面檢測方法將浮子與特定的彈簧馬達連在一起， 并將這種特定的浮子放在油罐中的油水中，當油罐中的浮子隨著界面有上下改變時，與浮子相連著的彈簧馬達也相應的做出正反轉，通過這種方式就將油罐內的界面高度體現(xiàn)在彈簧馬達上，彈簧馬達將這種改變轉換成電信號進一步處理。在一些比較大的油罐中，還需要加裝鋼絲。浮子式界面檢測方法的優(yōu)點在于方法簡單且精度較準，但有些原油粘度比較大，使得浮子檢測精度大大降低，并且打的油罐中加裝的鋼帶會因為油水頁面的波動而斷裂，維修非常不方便，因此，浮子式雖然在一定程度上

15、較為簡便使用，但是長期用不好維護。（3） 磁致伸縮式界面檢測方法 運用磁致伸縮效應，使用帶有磁致伸縮線的傳感裝置去檢測，這就是磁致伸縮式界面檢測方法。工作原理為檢測儀與浮子共同工作，檢測儀發(fā)出低電流脈沖，低電流產生磁場，此時浮子隨著油罐內的油水界面而不斷波動，這是，浮子內安裝的磁鐵所產生的磁場與電流磁場相遇，碰撞出波導扭曲的脈沖，通過兩次脈沖發(fā)生的時間來確定浮子的位置，進行油水界面檢測。磁致伸縮式界面檢測方法的有點為穩(wěn)定性好，精確度高，是無損傷性檢測，但是其同樣存在缺點，其缺點與浮子式界面檢測方法一樣原油粘性高的時候其精確度大大降低。（4）超聲波探測式界面檢測方法油罐中油水混合物中油和水的密度

16、不同，超聲波在其中的傳播速度也不同。超聲波探測式界面檢測方法就是將超聲波儀器：發(fā)生器和接收器放到油罐中，利用傳播速度的詫異來判定油水混合物界面，這種方法同樣有自己的優(yōu)缺點，優(yōu)點是不像其他方法那樣會掛油，缺點是因裝置的原因導致精度不高。（5） 光纖技術界面檢測方法美國是利用光纖檢測油水界面最多的國家，在此方面的研發(fā)專利也是最多。光纖技術界面檢測法利用的是介質折射率不同導致光纖在里面的傳輸功率也不同的特點。光纖式界面檢測法的優(yōu)點很多：體積小、靈敏度高、范圍大，但是它與其他接觸式測量一樣，也受外界環(huán)境的影響而導致精確度降低，但是光纖式法適合在易燃易爆場合進行測量。（6） 電容式界面檢測方法電容式界面

17、檢測方法適用在圓柱型的金屬容器中，立電極于金屬圓柱中間，這樣就與金屬壁形成電容器。在金屬油罐內部，上層為油下層為水，兩種電介質呈并聯(lián)狀變?yōu)閮煞N電容器，合成一個電容，容量公式為： 式（1.1）中，為真空介質電常數，是水的想對介電常數，為油的相對介電常數，L為柱型金屬容器的高度，D為外徑，d為內徑。通過此公式，可得到金屬油罐中油水位置。電容式界面檢測方法的有點在于精確度高、靈敏性強，缺點為受外界因素干擾程度大，且整個儀器的價格相對高。隨著時間流逝，各項科技技術的有效發(fā)展，油水界面測量儀器中的技術現(xiàn)在到達自動化的高度，精度也越來越高，功能也越來越自動化、一體化，特別是在微處理器技術引進之后。這大大的

18、提高了我國原油開采中油水界面檢測技術，使得我國原油開采實現(xiàn)質的飛越，但是發(fā)達國家相比，我們的技術還是相對弱后的，因此，我們還有很長一段路要走。1.3 本文的主要內容（1）對目前我國以及其他發(fā)達國家中常用的原油開采黃總液面檢測技術以及原理進行較為詳盡的分析，對比優(yōu)劣。（2）從各方面對目前各專家學者提出的電容式界面檢測方式進行分析，介紹小電容的精確檢測方法及信號檢測、處理電路的設計，并分析其可行性。 第2章 原油加工過程以及目前國內對電容式液面檢測法的研究成果2.1 生產中原油分離過程為了更好的解釋整體，帶大家看看原油生產最初過程。原油的發(fā)現(xiàn)到最后的使用，這個過程兵不像想象的那么簡單，而是經過一系

19、列繁雜工作程序得來的，原油開采出來后要經過采油站，中轉站，聯(lián)合站，一級分離罐，中間罐，脫水泵，二級分離罐，成品罐，采油站要計量原油，中轉站負責初步分離，聯(lián)合站負責計量、加熱，一級分離罐負責沉降分離，中間罐負責脫水，二級分離罐進行最后加工，其中二級分離罐的溫度比一級分離罐更高200攝氏度左右，一級分離罐為600攝氏度左右，二級分離罐為800攝氏度左右。油水檢測技術需要在一級分離罐和二級分離罐中使用，兩個分離罐的高度大約都在13m左右，如圖所示，罐頂端有溢流孔，底部有排水孔，當原油進入罐中時，經過一定的時間的分離，加上重力、破乳劑等的影響，在理論上能形成一個油水分界面。 圖2.1 油水分離罐工況圖

20、整個工序解釋起來相對簡單，但是實際操作確實一個非常復雜的過程，因為上述所說的分離實際上是一個理論上的分離狀態(tài)，現(xiàn)實中原料、破乳劑等帶來的影響，使得原油在分離罐中并不呈現(xiàn)理想的分離狀態(tài)，而是會多出一個油水分離過渡層，也就是所謂的乳化層，乳化層的含水率根據離水層距離變化而變化，離水層近的含水量高，電常數就高，離油層近的含水量低、，則電常數就低，變化趨勢最大可達到80最小可達到，正是這原因，使得油水界面檢測變得更加復雜更加需要技術含量。2.2 目前國內對電容式液面檢測法的研究本文展現(xiàn)的是電容式液面檢測法，優(yōu)點在于可以根據分離罐中的每對電容極板的值，用差分法計算油罐中結蠟造成的誤差，不需要知道分離罐中

21、沒個地方介質的電介常數。電容傳感器、控制、檢測、顯示、通信等單元組成一個較為完善的分離罐的原油油水液面檢測儀器。具體工作流程如下：油水混合物經過處理后放在分離罐中，先入一級分離罐再入二級分離罐，觀察油水混合物的界面到達指定位置后，停止倒入，進行靜置，在一定時間的靜置后，油水混合物會形成三層：油、水、空氣，分層好之后，單片機、油罐中的電容極板開始工作，單片機接收C/V轉換電路處理后再次經過A/D轉換形成的信息，單片機處理接收到的信息，傳送至顯示裝置，同時傳送至計算機進行進一步計算。這樣，最終接收到信息的計算機就可以在遠端得到油罐中的高度信息，分層信息，進行自動控制。 圖2.2 系統(tǒng)總體設計結構模

22、型 第3章 新型分段電容傳感器的優(yōu)勢3.1 傳統(tǒng)的電容傳感器傳統(tǒng)的電容傳感器在界面檢測中使用的理論依據是，原油在油罐中分層后，不同的介質具有不同的介電常數，并且是在同一個油罐中，可以排除其他因素的干擾，這樣就可以利用電容傳感器測出油罐中每個位置的介電常數，進而掌握油罐中的分層情況。但是傳統(tǒng)的電容傳感器在實際使用中具有很多局限，這就為分段電容傳感器的研究奠定了基礎，本文從傳統(tǒng)到新型的分段電容傳感器逐步為大家介紹傳感器在油水界面檢測中的使用。3.1.1 傳統(tǒng)的電容傳感器的檢測原理傳統(tǒng)電容傳感器，依賴一根完整的檢測電極來檢測油罐內的液面分層情況。（如圖3.1所示）。 圖3.1 傳統(tǒng)電容傳感器使用方法

23、當油罐內分層好后，在同一種介質中，電容值計算公式為： (3.1) 式中為介質的介電常數，為真空介質常數，為相對介質常數，D為罐的內徑，d為檢測電極的外徑，為檢測電池的長度。在圖3.1的原理圖中，把聚四氟乙烯套在檢測電極中以起到絕緣的作用，在原油還沒有倒入油罐的時候，整個油罐內部環(huán)境構成一個檢測系統(tǒng)，整根就是電極覆蓋長度。當油水倒入后，水位高，則導電液體就是電容的另一極板的一部分。在高度范圍內，作為電容外電極的液體部分的內徑為，內電極直油層高度為-，由公式可知，在D、d、不變的條件下，電容大小與罐內介質的介電常數成正比。介電常數改變，電容值就會發(fā)生變化，這時電容的計算公式為：（3.2） 其中：

24、（3.3） （3.4） 為高度的介質1產生的電容，為高度為（-）的介質2產生的電容，為介質1的想對介電常數，為介質2的想對介電常數，由公式（3.2）可見，總電容與介質1的高度呈線性關系，只要檢測出的大小。就可以算出的值。3.1.2 傳統(tǒng)電容傳感器的弊端在檢測的時候，理論上可以根據原油和水的介電常數不同來檢測油罐中油水的分層情況，因為原油的介電常數大概是水的介電常數的四十分之一，水位80左右，油為2.3左右，但是再操作的時候，遇到諸多困難：（1） 首先是原理性的誤差，也就是無法避免的誤差，原因是傳統(tǒng)的傳感器對介電常數的要求很高，不能發(fā)生范圍以外的變動，但是再野外條件艱難的地方，開采出來的油受溫度

25、、成分等個方面的因素影響，介電常數變得不穩(wěn)定，這樣，最后測量的變化與預期相差很大，所最終得到精確度也大打折扣，不夠理想。（2）乳化層的影響。乳化層中油水的分離并不清晰，而是一個逐漸過渡的過程，這樣就無法確定乳化層的電介質常數，進而通過電介質常數計算的傳統(tǒng)的電容傳感器也就無法精確得出乳化層的位置，只能得出近似界面，所以如何處理乳化層測量得出的數據也是一大難題。（3）長期使用電容器粘滯滯留帶來的誤差。長期在粘度高的原油中使用傳統(tǒng)電容傳感器一些含蠟高的介質容易在電極板或者油罐內壁中形成滯留，被測液體會因為這些蠟塊兒而引起電介質的常數發(fā)生變化，這也直接影響了最后的測量結果，影響測量的精確度。3.2 分

26、段電容傳感器3.2.1 分段電容傳感器的檢測原理 分段電容傳感器很好的解決了傳統(tǒng)電容傳感器遇到的困難。分段電容傳感器里面有很多小的、相互孤立的電容傳感器，不再像傳統(tǒng)電容器那樣用一根電容器去測量，同時分段電容傳感器在極板方面也做很大改變，不使用分離罐壁作為極板的另一端，而是使用小電容器的極板，這樣就形成了很多個小電容器來共同測量油水界面。 3.2 分段電容傳感器結構圖本課題研究的是十個極板的，相鄰的兩個極板，一個起激勵作用，一個起接收作用，共同組成一個電容，這樣就有九個電容值（共組成九個極板對），就是這樣的一個改變，將原來落后的那種使用一根檢測電容的方式改為現(xiàn)在的相同長度的從上到下的十個檢測電容

27、（圖上標明的十段，實際需要的時候可以根據實際需要增加或者減少），這些檢測電容是相互獨立的卻又相互協(xié)調工作的小液位計，共同來檢測總量程的全液位，圖3.2顯示，除了最上面的電容傳感器以外，下部的所有的電容傳感器有的充滿了原油，有的充滿了礦物質，有的充滿了水，但是不管哪種全部除了最上部的那個以外，其他的都有充滿介質，從圖3.2中很容易看出，C2、C3、C4、C5、C6全都都被原油所填滿，因此，又因為他們所處環(huán)境相同，并且電容的間距、電容的大小等都是一樣的，所以容易推斷出：C6C5C4C3C2；又根據圖3.2容易得出在C8、C9、C10中滿滿的都是介質水，所以又容易推出C10C9C8工作時，以單片機為

28、主體，進行切換電容、C/V轉換、采樣，油罐中的液面分布從上到下分別為空氣、油、乳化層、水層，如圖3.2四個區(qū)域的分層情況可以很好的根據分段電容顯示出來。每個傳感器的接線劃分均以傳感器中間位標準，這樣根據傳感器的測量數據就能有效得出在油罐中的分層情況（不同介質的電介質不同），再通過相應的計算，就能算出油罐內每個介質的高度，對于油水界面高度表示為： H=3+ （3.5）對于分段電容傳感器，分段電容的區(qū)域寬度與傳感器的制作工藝有關，因此式中的就比較固定，得到的數字較為精確，這樣與傳統(tǒng)的電容傳感器相比克服了許多困難，現(xiàn)在對于油水界面的檢測問題，即怎樣的精確的去求得，繼而如何解決H精度和的問題成為關鍵。

29、根據圖3.2，首先要解決的問題是判斷需要檢測的油水界面究竟在哪個區(qū)域，這個可以根據相應的數字進行推斷，因為空氣的和水以及原油的介電常數不同，空氣的約為1，水的為空氣的80倍，約為80，原油的介電常數為水的兩倍到三倍，約為2.33.0，根據這些信息，容易判斷在圖3.2中每個電容區(qū)的電容值關系為：C1<C2C3C4C5C6<C7<C8C9C10，這個過程共發(fā)生兩次突變，分別在兩個界面相交處，第一個界面相交處是原油和空氣，第二個界面界面相交處是油和水。是需要通過各種計算得出的一個數值，通過上述的分段電容檢測器可以檢測得到C1C10的電容值，檢測出相應的電容值之后，將所需要計算的C2

30、C6代入公式3.3，前面已經介紹。因為公式3.3中的除了以外的其他的因素均為條件一樣的常數，所以計算出來之后得到相對應的6個相關的數值，這個就是C2C6中每個分段電容中檢測到的介質的介電常數，通常，為了提高檢測到的數值的準確性，將前面計算得到的六個進行取平均值，得到。再次利用公式3.3以同樣的辦法儀C8、C9、C10為條件求的所需要的平均數值，這樣，將計算求得的、代入公式3.2中得出所需要的油水檢測液面的高度H=3。利用這種分段電容式檢測法的出的結果，牢牢的將誤差控制在圖3.2中油水界面的C7段，這樣分段電容的優(yōu)點就充分顯現(xiàn)出來，解決了原來一根電容檢測而不能解決的水和油的因距離油水界面的距離不

31、同而介電常數不同而帶來的誤差，以一種實時檢測水和需要測量的原油的介電常數并且巧妙的先優(yōu)化檢測的數值再計算的組合方法，提高最終測得的數字的精確值，對原油開采中油水界面檢測有很重要的額意義。 3.2.2 分段電容傳感器與傳統(tǒng)電容器相比的優(yōu)越性（1） 分段電容傳感器精度更高，因為傳統(tǒng)電容器在實際使用中，電容電壓受實際因素影響大，不會呈現(xiàn)理想的線性關系，而分段電容克服了這點。（2） 有效克服乳化層對界面檢測的影響。 乳化層中油水的分離并不清晰，而是一個逐漸過渡的過程，這樣就無法確定乳化層的電介質常數，進而通過電介質常數計算的傳統(tǒng)的電容傳感器也就無法精確得出乳化層的位置，分段電容很好解決這一難題，小電容

32、在工作時相當于將油罐中的油水分界面進行一個一個微小而復雜的等效平均，這樣測量得來的數據就符合油水界面檢測的要求。（3） 分段電容也能有效解決長期使用電容器粘滯滯留帶來的誤差。長期在粘度高的原油中使用傳統(tǒng)電容傳感器一些含蠟高的介質容易在電極板或者油罐內壁中形成滯留，被測液體會因為這些蠟塊兒而引起電介質的常數發(fā)生變化，在分段電容具體的使用時，分段電容不會像整根電腦那樣出現(xiàn)數據誤差，只是表現(xiàn)為電壓極板不正常，進行邏輯判斷即可排除。 第四章 系統(tǒng)硬件設置幾個模塊共同組成整套油水界面檢測系統(tǒng)，如下圖4.1所示?？梢詮奈鍌€主要模塊來分析以上框圖：（1） 電容檢測傳感器及信號轉換 這個模塊的主要作用是設計出

33、可行的檢測方法，在具體檢測時，由單片機控制10段傳感器的其中一對極板對接入電路，正弦波發(fā)生器激勵激勵極板，C/V轉換電路轉換接收極板收到的信號，相敏解調器解調接收極板收到的信號和正弦波激勵，輸出直流、二倍頻信號，最后，單片機接收低通轉換的信號。（2） 單片機采樣、通信 模塊一檢測到并通過轉換給單片機的電壓信號，單片機通過數據處理，計算液位值，連同收到的電壓值一起傳給上位機，這樣，將單片機與上位機銜接起來。（3） 上位機 上位機與下位機通信，發(fā)出要求數據傳輸的命令，后者接收命令發(fā)出相應數據，上位機接收數據，進行相應的數據處理，上位機工作人員通過人機交界面知道數據，并做出相應的判斷，并把相關判斷通

34、過上位機反饋給下位機。（4） 控制 單片機根據油罐中的液位值，若達到要求，發(fā)出電壓信號，V/I轉換成電流信號后，接收到電流信號的油罐閥門控制系統(tǒng)將會關閉閥門，對油罐中的油水進行控制。（5） 顯示油罐內的液位值，將從兩個方面被顯示出來，一是以發(fā)光柱的形式顯示，二是直觀的以數字形式在數碼管中顯示，兩者結合，共同為油罐內的液面高度提供便捷的觀察途徑。4.2極板陣列控制電路4.2.1電路的設計串行檢測和并行檢測兩種方案都適用于此次的10極板分段電容的檢測，兩種檢測方案都有優(yōu)缺點，并行檢測法結構復雜、花費相對較高，不適用與此次檢測，串行檢測法雖然不像并行檢測法那樣每塊極板都有自己的C/V轉換，是10極板

35、電容檢測共用一個C/V轉換電路，實時性不如并行檢測，但此次檢測不需要高實時性，對速度要求不高，并且，串行檢測法中各支路相對緊密，不易造成其他影響，且價格相對低廉，所以，本次檢測采用串行檢測法。采用串行檢測法，既在一個C/V轉換的極板對中，激勵、接收極板可以相互對換，10極板的相互切換需要一個極板陣列控制電路來控制，具體如圖4.2,圖中的4片模擬開關，分別作為基數、偶數的極板激勵和極板接收，激勵與接收的切換由極板中的模擬開關控制，具體布線需要謹慎，模擬開關的400k的高頻信號有可能相互干擾，實際布線要把激勵和接收盡量分開，不要讓兩條線平行，布線完畢之后覆蓋銅，提高測量結果的精確度。4.2.2多路

36、模擬開關的選擇多路模擬開關控制此次檢測極板對的轉換，一個極板對中，兩個極板分別為激勵和接收極板，這需要模擬開關的控制。市場上的模擬開關各式各樣，選擇時需符合以下幾個性能：（1）多路開關通斷方式的選擇 不選用市場上常用的斷先通后的多路開關，因為此次檢測的程控增益放大器目的是改變放大器的增益，不需要像自動數據采集那樣考慮發(fā)生通道短接現(xiàn)象，選用先通后斷的多路開關，保障放大器的正常工作，保證電路的正常工作。（2） 通道數量選擇有合適通道數量的集成模擬開關，減少通道之間的相互干擾，因為在集成開關控制一路工作時，其他通道會以高阻的形式繼續(xù)工作，這樣高阻狀態(tài)產生的泄漏電流會對傳輸信號的精確度產生直接的影響，

37、所以選擇合適數量通道數量的開關也是減小誤差的重要步驟。（3） 泄漏電流 一般的開關在斷開和導通時并不是像理想那樣電阻無限大或者電阻為零，而是存在約為1nA的漏電流，在信號源內阻很高的情況下就要對模擬開關的漏電流提成特別要求，以提高精度。（4） 開關速度在特別的情況下，開關的切換速度也對實驗結果具有一定影響，開關速度，既要滿足滿足處理快信號，還要考慮適應后級電路的A/D轉換器。（5） 消除抖動引起的誤差多路開關的抖動可能會使測得的結果產生很大誤差，因為多路模擬開關不可避免的也會像機械開關那樣才生抖動過程，多路開關切換時抖動后還未穩(wěn)定下來就會傳送數據，如果這時將抖動的數據作為最終數據就將造成誤差，

38、一般解決的辦法有從硬件和軟件兩個方面進行，即用濾波器和延時采集來解決。根據以上5項指標，本次檢測油水界面將采用Maxim公司生產的MAX306模擬開關。此模擬開關導通電阻小（具體<100），漏電流小,（一般漏電流為0.02nA），開關切換時間快（一般為40ns），各項指標符合要求。4.3微小電容檢測電路設計由模擬開關控制接入的極板對，正弦波激勵激勵極板，C/V轉換接收極板的信號為電壓信號，下個流程，相敏解調器解調激勵極板和接收極板的信號，輸出的兩個有用信號其中一個為二倍頻信號。單片機接收由低通等轉換的信號，整個檢測過程大致如此。4.3.1正弦波發(fā)生電路激勵源是基于Direct Digit

39、al Synthesizer（簡稱DDS）分頻器的一個可調正弦波，DDS芯片的幅值、頻率可調，DDS通過平率控制字的頻率來控制最終需要的頻率，DDS的工作優(yōu)點主要集中在兩個方面，第一，頻率因為頻率控制字的寬度寬而變高；第二，跳頻速率相對于其他同類型芯片更高。4.3.1.1 DDS芯片的選用綜合考慮，ADI公司的AD9833款的可編程發(fā)生器符合條件，這款低功耗發(fā)生器能夠產生多種波形，滿足此次設計要求，另外，AD9833調節(jié)簡便，不需要從芯片外接入其他元器件，所需要的輸出頻率可由編程控制，AD9833芯片的將不適用模塊的休眠功能同樣很便捷，AD9833還具有以下特點。頻率寄存器位數28位主頻時鐘2

40、5MHz工作電壓范圍2.3V5.5V輸出頻率范圍0MHz12.5MHz可輸出波形正弦波、三角波、方波是否需要外界接口否溫度范圍零下40攝氏度105攝氏度串口最高頻率40MNzAD9833芯片集成性強，高達12.5MHz的正弦波只需要一些低精度的電阻器、去耦電容、參考時鐘，由電壓調整器、相位調節(jié)器、頻率調節(jié)器、數控振蕩器構成內部電路，相位寄存器和加法器構成AD9833芯片的核心。輸出正弦波頻率為： （4.1）公式中外部編程給定M頻率控制字的值，范圍為。4.3.1.2正弦波波發(fā)生電路的設計正弦信號發(fā)生電路如圖4.3 圖4.3 正弦信號發(fā)生電路 圖4.3中，因為輸出頻率和相位噪聲的要求，需要圖中20

41、M有源晶振的穩(wěn)定作用，端口添加去耦電容避免波形失真，AD9833輸出電壓達不到激勵條件，需要放大電路放大電壓，滿足激勵電壓要求。 圖4.4 頻率為5k的正弦波 圖4.5 頻率為50k的正弦波 4.3.1.3放大器的選用激勵源小信號需要經過放大才能實現(xiàn)激勵作用，為使最終數據能減小硬件誤差，對放大器的選用也有很多要求。此次檢測選用ADI公司的OP37放大器，具體特點如下： 低噪聲 低漂移 轉換率 增益寬帶63MHz 低偏置輸入電壓 開環(huán)增益1.8萬OP37的各項數據符合此次電路設計的放大要求和精確要求，所以電路中的放大器均使用ADI公司的OP37放大器。4.3.2C/V轉換電路4.3.2.1C/V

42、轉換電路的性能要求電橋法、交流激勵法等微小電容檢測方法各有各的優(yōu)缺點，下面簡述C/V轉換所需要的條件。油水界面檢測對電容檢測的要求極高，因為電容變化小、雜散電容大，不容易被檢測到，雜散電容主要從模擬開關、屏蔽電纜等方面產生，對電容的檢測產生影響，可能導致誤差。因此，具體選用C/V電路的時候盡量選用信噪比高、溫漂低、測量靈敏度高的電路。電路簡單、抗雜散電容的直流充放電電容檢測電路和信噪比高、漂移低的交流電路是目前常見的一直雜散的C/V轉化電路，但是交流法電路相對于直流法電路使用性能更高，交流法C/V轉換不受注入電荷的影響，抗雜性能較高。4.3.2.2交流C/V轉換電路如圖4.8，交流激勵法用正弦

43、信號激勵被測電容，并轉為交流電壓。在圖4.8中是極板連線，和C/V轉換電路不相連，兩端無電位差，故、對輸出沒有影響，用此電路可有效抑制雜散電容。 圖4.8 C/V轉換電路 第一級放大器UI的輸出為： （4.2） 當jw （4.3） 圖中第二級放大器對第一級輸出繼續(xù)放大： （4.4）4.3.3相敏解調電路和低通濾波器相敏解調電路解調C/V后的正弦波激勵和交流電壓。4.3.3.1相敏解調電路數字解調和模擬解調是相敏解調常用的兩種方法。模擬解調電路簡單，轉換電壓信號和A/D測量受模擬器件限制較大，總體來說，模擬解調簡單實用；數字解調器內部有FPGA、DSP的高速數字處理器件，處理起來精度高、速度快，

44、但是復雜且成本高，所以本次設計采用模擬解調。AD734芯片輸出穩(wěn)定，高速四象限模擬乘法器與AD534引腳兼容不需要外部元件來定義使用的函數，滿足此次設計的需求。它還具有以下特點全功率值（峰峰值）20V峰峰值帶寬10MHZ總靜態(tài)誤差全量程0.1%控制失真保證典型失真小于-80dBc4.3.2低通濾波器 相敏解調電路工作之后，用低通濾波器（截止頻率小于2）將沒用的二倍頻交流成分去除，留下有用的直流分量。本設計中，截止頻率選為1KHz，具體如圖4.9。 圖4.9 壓控電壓源二階低通濾波電路4.3.4減法器和參考電壓電路4.3.4.1減法器減法器在本設計中的作用是減掉電容傳感器的本體電容，使被測電容中

45、只有電容的變化量，提高數值精度，減小誤差。如圖4.10所示。 圖4.11 減法器電路 表達式如下： 4.3.4.2參考電壓電路 對于減法器中的，即本體電容折算的電壓值，簡稱為參考電壓。它既可以通過DAC輸出又可以通過電阻分壓的形式得到一個直流分量（通過短路塊實現(xiàn)兩種方式的選擇），參考電壓電路如圖4.12所示。DAC輸出可以通過程控調整各個極板對應的參考電壓；電阻分壓通過電位器調節(jié)參考電壓值，各個極板共用同一個參考電壓。 圖4.11 參考電壓電路在硬件調試過程中發(fā)現(xiàn)，如果顯示電路和參考電壓電路共用5V電源時，無論采用電阻分壓還是DA輸出形式獲得參考電壓，經PGA放大輸出的波形都有將近20mV的波

46、動，如圖4.12、4.13所示。如果顯示電路獨立供電時，參考電壓電路的供電電源也比較穩(wěn)定，經PGA放大輸出的波形大約在3mV波動，較顯示和參考電路共用電源時，輸出曲線波動大大減小，如圖4.14、4.15所示。因此，考慮到顯示板供電對參考電壓電路的影響，給顯示板單獨供電。這樣大大提高了波形的穩(wěn)定性，減小了曲線的波動。 圖4.12 共用電源時電壓分壓 圖4.14共用電源時DA輸出 圖4.14 獨立供電時電壓分壓 圖4.15 獨立供電時DA輸出4.3.5緩沖器 經減法器處理后的電壓為最后電容變化量反應的電壓值，在進入采樣之前，由于需要很長的電纜線，無形中就減小了有用信號。鑒于此，在減法器后面加上個電

47、壓跟隨器作為緩沖器，這樣就大大提高電路的帶負載能力。 圖4.15 精密的單增益緩沖器4.4數據采集及處理系統(tǒng)本設計中的數據采集及處理系統(tǒng)是基于CYGNAL公司的C8051F005卑片機，它是一款資源非常強大的單片機，下面對這款芯片進行詳細的介紹。4.4.1 C8051F005單片機簡介 C8051F005是一個全集成混合信號在片系SOC(SystemOn Chip)單片機具有與8051單片機兼容的微控制器內核，與MCS-51指令系統(tǒng)完全兼容。除具有標準8051的數字外設部件外，片內還具有數據采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件及其他數字外設部件。該單片機中增加的外設或功能部件包括：可編程增益放大器、

48、模擬多路選擇器、DAC、ADC、電壓基準、電壓比較器、溫度傳感器、增強型UART、SPI、SMBUS/I2C、定時器陣列（PCA)、可編程計數器、電源監(jiān)視器、時鐘振蕩器和看門狗定時器（WDT)等。它具有內置的FLASH程序存儲器（閃存）、256B的內部RAM和位于外部數據存儲器空間的RAM，即XRAM。C8051F005單片機具有如下幾個重要的特點：(1)采用流水線結構，機器周期由標準的12個系統(tǒng)時鐘周期降為一個系統(tǒng)時鐘周期，70%的指令的執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期。峰值速度可達25MIPS的速度，處理能力大大提高，比標準8051快20倍以上；(

49、2)有多達8路12位ADC(速度為lOOkHz)或高達500kHz的8位ADC、兩路12位精DAC兩路模擬比較器、高精度基準電壓、程控放大器和溫度傳感器；(3)大容量的在片內存儲器，多達32KB的可在系統(tǒng)（ISP)和在應用（IAP)編程的FLASH存儲器，其中的部分可以作為數據存儲器用。同時，片內有256B的內部RAM和多達2KB的外部RAM存儲器；(4) 有32位I/O口線，所有的口線可以編程為弱上拉或推挽輸出。更為獨特的是具有數字開關陣列（Digital Crossbar)，可以將內部系統(tǒng)資源定向到P0、P1和P2，即可以把定時器、串行總線，外部中斷源、AD轉換輸入、比較器輸出定向到P0、

50、P1和P2;4.4.2單片機資源的應用 單片機作為數據采集和處理系統(tǒng)的核心，主要負責A/D采樣、D/A輸出、存儲器、串口通信、極板陣列的切換、V/I轉換、顯示及控制等環(huán)節(jié)。4.4.2.1A/D 采樣 模擬電路處理后的信號通過單片機的A/D進行采樣，C8051F005的ADC子系統(tǒng)包括一個9通道的可配置模擬多路幵關AMUX 個可編程增益放大器PGA和一個lOOksps的12位分辨率逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器，AMUX、PGA數據轉換方式及窗口檢測器都可用軟件來配置。AMUX輸入對編程為工作在差分或單端方式，PGA增益可以用軟件編程為0.5、1、2、4、8

51、或16,復位時的增益默認值為1。本釆樣系統(tǒng)中，采用了單端輸入方式進行A/D釆樣。由于模擬電路處理后的直流電壓比較小，為了提高信號的靈敏度，在A/D采樣之前利用內部的PGA對電壓進行放大，不同極板對的靈敏度也是不同的，需要分別設置其放大倍數(PGA值)，這里各個極板對對應的PGA統(tǒng)一放大4倍，實驗效果比較好，靈敏度較高。4.4.2.2D/A 輸出 MCU有兩個12位的DAC。每個DAC的輸出擺幅均為0V到VREF-1LSB，對應的輸入碼范圍是0x000到OxFFF。DAC既可用于12位方式，又可用于8位方式。設計中使用了兩個DAC輸出，都工作在12位的方式下，一個作為參考電壓的輸入端，另一個作為

52、V/I轉換的輸入端。4.4.2.3FLASH 存儲器MCU內部有32k+128字節(jié)的可編程FLASH存儲器，用于程序代碼和非揚失性數據存儲，可以直接通過JTAG接口或是軟件使用MOVX指令對FLASH存儲器進行在系統(tǒng)編程。內部的非易失存儲器用來存儲各個極板的本體電容對應的電壓值、PGA放大倍數、及一些歷史數據。內部的非易失存儲器位于FLASH存儲器中附加的128字節(jié)的扇區(qū)0x8000 -OX807F。該扇區(qū)可用于存儲程序代碼或數據。然而它較小的扇區(qū)容量使其尤其適于作為通用的非易失性臨時存儲器。所以，由于該系統(tǒng)中需要存儲的數據量較大，所以需要在芯片外圍擴展一個非易失存儲器。4.4.2.4I/O 口 C8051F005的I/O較多，在該系統(tǒng)中，I/O資源廣泛的應用在DDS、顯示、非易失存儲器、極板陣列控制等電路中。32位I/O 口線，所有的口線可以編程為弱上拉或推挽輸出。使用起來更加方便，更為獨特的是具有數字開關陣列（Digital Crossbar)，可以將內部系統(tǒng)資源定向到P0、P1和P2。4.4.3非易失存儲器 非易失存儲器用來存儲各個極板的本體電容對應的電壓值、PGA放大倍數、及一些歷史數據。由于FLASH內部的只有128字節(jié)作為非易失存儲器，空間不夠，鑒于此，在原128字節(jié)的基礎上，擴展了