油水界面檢測資料

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(jìn)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(chǎn)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(jìn)行精密、準(zhǔn)確的實時測量，掌握最精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。國外雖然有一些精密的設(shè)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(nèi)，現(xiàn)今使用的還是比較原始的方法,目前已經(jīng)有很多專家學(xué)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(jié)構(gòu)組成，以及目前國內(nèi)在此系統(tǒng)中一些硬件、軟件方面的設(shè)計，并詳細(xì)論述小電容的精確檢測方法及信號檢測、處理電路的設(shè)計，分析一些目前國內(nèi)專家學(xué)者所做實驗的實驗數(shù)據(jù)，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(jìn)意義。關(guān)鍵詞：油水界面；分段式電容傳感器abstractWhencrudeoilisnotjustpuremined,Butwithsomeofthemoisture,Separationofoilandwaterintheprocessneedstobe,Becauseofdifferentdensitiesofwaterandoilgravityofcrudeoilstoragetanksinthewaterwiththeoilseparated，Inthefollowingoilandwaterintheabove，Thisproducesoilandwaterinterface，Thenthroughthewaterandoilwereexportedmethods，WillbeabletoachievethepurposeoftheseparationofoilandwateroInordertobettercontroltheoilandwaterseparation，hewholeprocessmustbepreciseandaccuratereal-timemeasurement，Masterthemostaccuratedata。Althoughtherearesomesophisticatedequipmentabroadarebetterabletoachievethisgoal，Butitshighpriceisunacceptable，Inthecountry，Currentlyinuseisstillrelativelyprimitivemethods，Therearealreadymanyexpertsputforwardthetraditionalcapacitivesensorstoanewkindofsegmentedcapacitancesensortoimprovetheprecisionvalues。Inthispaper,weintroducethestructureoftheentireoilandwaterseparationsystem，Andthecurrentdomesticdesigninthissystemsomeofthehardware,softwareaspects，Discussesindetailthedesignofasmallcapacitorandthesignaldetectingprecisiondetectionmethod,theprocessingcircuit，Somecurrentexperimentaldataanalysisexpertsandscholarshavedoneexperiments，ExplorethesignificanceofsegmentedcapacitancesensorinthefutureofChina'scrudeoilandwaterseparationinthe。Keywords:oil-waterinterface;segmentedcapacitancesensorTOC\o"1-5"\h\z第一章緒論 51.1油水分離界面檢測的當(dāng)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(nèi)容 7第2章原油加工過程以及目前國內(nèi)對電容式液面檢測法的研究成果 82.1生產(chǎn)中原油分離過程 82.2目前國內(nèi)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 103.1傳統(tǒng)的電容傳感器 103.1.1傳統(tǒng)的電容傳感器的檢測原理 103.1.2傳統(tǒng)電容傳感器的弊端 113.2分段電容傳感器 123.2.1分段電容傳感器的檢測原理 123.2分段電容傳感器結(jié)構(gòu)圖 133.2.2分段電容傳感器與傳統(tǒng)電容器相比的優(yōu)越性 14第四章系統(tǒng)硬件設(shè)置 15極板陣列控制電路 161電路的設(shè)計 164.2.2多路模擬開關(guān)的選擇 164.3微小電容檢測電路設(shè)計 171正弦波發(fā)生電路 174.3.2C/V轉(zhuǎn)換電路 194.3.3相敏解調(diào)電路和低通濾波器 204.3.2低通濾波器 204.3.4減法器和參考電壓電路 214.3.5緩沖器 234.4數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng) 234.4.1C8051F005單片機(jī)簡介 234.4.2單片機(jī)資源的應(yīng)用 244.5顯示及鍵盤控制電路 254.5.1顯示模塊 254.5.2鍵盤控制模塊 26第5章系統(tǒng)軟件的設(shè)計 285.1單片機(jī)檢測程序 285.1.1主程序 285.1.2系統(tǒng)初始化 285.1.3正弦波激勵 295.1.4零點(diǎn)參數(shù)的設(shè)定 305.1.5非易失存儲器的存取 305.1.6數(shù)字濾波 315.1.7油水界面高度判斷的算法 315.1.7.1界面粗測 32PC機(jī)程序 375.2.1PC機(jī)串行通信 375.2.2上位機(jī)界面 38第一章緒論1.1油水分離界面檢測的當(dāng)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(jīng)被經(jīng)濟(jì)企業(yè)、經(jīng)濟(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足世界60億人口的生活、生產(chǎn)需求，而且現(xiàn)有的石油開采技術(shù)也使得原油的開采量大打折扣，還造成很多資源浪費(fèi)，鑒于此，研究如何提高原油開采率，降低原油浪費(fèi),改善開采技術(shù)已成為很多科學(xué)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(jīng)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(guān)技術(shù)對這種混合油進(jìn)行分離處理，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(guān)的油水分離技術(shù)。要分離油中的雜質(zhì)，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(jìn)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(yán)謹(jǐn)、認(rèn)真去操作的環(huán)節(jié)，如果測量不準(zhǔn)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(fèi)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(jīng)有一些專門運(yùn)用于檢測油水界面的儀器，但是這些儀器中很多技術(shù)都的運(yùn)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(jìn)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(nèi)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(shù)越來越關(guān)注，而且隨著各種高新技術(shù)，如：雷達(dá)、微電子、超聲波、光纖以及其他各種高新技術(shù)傳感器等的快速發(fā)展，各式各樣的新的檢測技術(shù)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(jīng)廣泛運(yùn)用到各式各樣的油罐中，隨著這些高新檢測技術(shù)的引入，使得油水檢測到達(dá)一個高精度、多功能全新的境界。然而這么多高新技術(shù)確實各有千秋，任何一種技術(shù)或者儀器都不能被另外一 種技術(shù)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(jìn)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(yīng)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(jìn)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(shù)字并且，由于破乳劑、 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(bǔ) 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(dá)連在一起，并將這種特定的浮子放在油罐中的油 水中，當(dāng)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(dá)也相應(yīng) 的做出正反轉(zhuǎn)，通過這種方式就將油罐內(nèi)的界面高度體現(xiàn)在彈簧馬達(dá)上，彈簧馬達(dá)將這種改變轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)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(diǎn)在于方法簡單且精度較準(zhǔn)，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較為簡便使用，但是長期用不好維護(hù)。 （3） 磁致伸縮式界面檢測方法 運(yùn)用磁致伸縮效應(yīng)，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(chǎn)生磁場，此時浮子隨著油罐內(nèi)的油水界面而不斷波動，這是，浮子內(nèi)安裝的磁鐵所產(chǎn)生的磁場與電流磁場相遇，碰撞出波導(dǎo)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(jìn)行油水界面檢測。磁致伸縮式界面檢測方法的 有點(diǎn)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(diǎn)，其缺點(diǎn)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(diǎn)，優(yōu)點(diǎn) 是不像其他方法那樣會掛油，缺點(diǎn)是因裝置的原因?qū)е戮炔桓摺?（5） 光纖技術(shù)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(shù)界面檢測法利用的是介質(zhì)折射率不同導(dǎo)致光纖在里面的傳輸功率也不同的特點(diǎn)。光纖式界面檢測法的優(yōu)點(diǎn)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(dǎo)致精確度降低，但是光纖式法適合在易燃易爆場合進(jìn)行測量。（6）電容式界面檢測方法電容式界面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(nèi)部，上層為油下層為水，兩種電介質(zhì)呈并聯(lián)狀變?yōu)閮煞N電容器，合成一個電容，容量公式為：TOC\o"1-5"\h\z2成€ 2?€€C,C+C,^0riH+—（L-H），C+kH\o"CurrentDocument"i2ln（D/d） ln（D/d） 。式（1.1）中，€為真空介質(zhì)電常數(shù)，€是水的想對介電常數(shù)，€為油的0 r1 r2相對介電常數(shù)，L為柱型金屬容器的高度，D為外徑，d為內(nèi)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(diǎn)在于精確度高、靈敏性強(qiáng)，缺點(diǎn)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(shù)的有效發(fā)展，油水界面測量儀器中的技術(shù)現(xiàn)在到達(dá)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(shù)引進(jìn)之后。這大大的提高了我國原油開采中油水界面檢測技術(shù)，使得我國原油開采實現(xiàn)質(zhì)的飛越，但是發(fā)達(dá)國家相比，我們的技術(shù)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(nèi)容（1） 對目前我國以及其他發(fā)達(dá)國家中常用的原油開采黃總液面檢測技術(shù)以及原理進(jìn)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(xué)者提出的電容式界面檢測方式進(jìn)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(shè)計，并分析其可行性。第2章原油加工過程以及目前國內(nèi)對電容式液面檢測法的研究成果2.1生產(chǎn)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(chǎn)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(jīng)過一系列繁雜工作程序得來的，原油開采出來后要經(jīng)過采油站，中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)站負(fù)責(zé)初步分離，聯(lián)合站負(fù)責(zé)計量、加熱，一級分離罐負(fù)責(zé)沉降分離，中間罐負(fù)責(zé)脫水，二級分離罐進(jìn)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(shù)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(dāng)原油進(jìn)入罐中時，經(jīng)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(fù)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(jù)離水層距離變化而變化，離水層近的含水量高，電常數(shù)就高，離油層近的含水量低、，則電常數(shù)就低，變化趨勢最大可達(dá)到80最小可達(dá)到，正是這原因，使得油水界面檢測變得更加復(fù)雜更加需要技術(shù)含量。2.2目前國內(nèi)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(diǎn)在于可以根據(jù)分離罐中的每對電容極板的值，用差分法計算油罐中結(jié)蠟造成的誤差，不需要知道分離罐中沒個地方介質(zhì)的電介常數(shù)。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(jīng)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(dá)指定位置后，停止倒入，進(jìn)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(jī)、油罐中的電容極板開始工作，單片機(jī)接收C/V轉(zhuǎn)換電路處理后再次經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換形成的信息，單片機(jī)處理接收到的信息，傳送至顯示裝置，同時傳送至計算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步計算。這樣，最終接收到信息的計算機(jī)就可以在遠(yuǎn)端得到油罐中的高度信息，分層信息，進(jìn)行自動控制。圖2.2系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)模型

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(jù)是，原油在油罐中分層后，不同的介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)，并且是在同一個油罐中，可以排除其他因素的十?dāng)_，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(shù)，進(jìn)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(chǔ)，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(nèi)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當(dāng)油罐內(nèi)分層好后，在同一種介質(zhì)中，電容值計算公式為:C=毛Hln萬(3.1)Dmln—dln萬(3.1)式中￡=￡￡為介質(zhì)的介電常數(shù)，％為真空介質(zhì)常數(shù)，￡為相對介質(zhì)常數(shù),0r 0 rD為罐的內(nèi)徑，d為檢測電極的外徑，H為檢測電池的長度。m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(nèi)部環(huán)境構(gòu)成一個檢測系統(tǒng)，整根H就m

是電極覆蓋長度。當(dāng)油水倒入后，水位高H,則導(dǎo)電液體就是電容的另一極板的一部分。在高度H范圍內(nèi)，作為電容外電極的液體部分的內(nèi)徑為。，內(nèi)電極TOC\o"1-5"\h\zx 0m介電常數(shù)8改變，電容值C就會發(fā)生變化，這r x直』油層高度為H~Hm介電常數(shù)8改變，電容值C就會發(fā)生變化，這r x與罐內(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)成正比。時電容的計算公式為：In-InV\o"CurrentDocument"d d (3.2)其中:2花€C= 0r2H0Dm(3.3)ln一(3.3)cd€r1€r1r2K= o（€(3.4) C為高度H1C2為高度為（(3.4) C為高度H1C2為高度為（H-H）的介質(zhì)2產(chǎn)生mx為介質(zhì)2的想對介電常數(shù)，由公式（3.2）的介質(zhì)1產(chǎn)生的電容，的電容，€為介質(zhì)1的想對介電常數(shù),€r可見，總電容C與介質(zhì)1的高度呈線性關(guān)系，只要檢測出C的大小。就可以算x x出H的值。x3.1.2傳統(tǒng)電容傳感器的弊端在檢測的時候，理論上可以根據(jù)原油和水的介電常數(shù)不同來檢測油罐中油水的分層情況，因為原油的介電常數(shù)大概是水的介電常數(shù)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(shù)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、成分等個方面的因素影響，介電常數(shù)變得不穩(wěn)定，這樣,最后測量的C變化與預(yù)期相差很大，所最終得到精確度也大打折扣，不夠理想。x（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(zhì)常數(shù)，進(jìn)而通過電介質(zhì)常數(shù)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(shù)據(jù)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(zhì)容易在電極板或者油罐內(nèi)壁中形成滯留,被測液1010體會因為這些蠟塊兒而引起電介質(zhì)的常數(shù)發(fā)生變化，這也直接影響了最后的測量結(jié)果，影響測量的精確度。3.2分段電容傳感器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。原油層乳化層~\\~C7乳化層水層3.2分段電容傳感器結(jié)構(gòu)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（圖上標(biāo)明的十段，實際需要的時候可以根據(jù)實際需要增加或者減少），這些檢測電容是相互獨(dú)立的卻又相互協(xié)調(diào)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(zhì)，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(zhì)，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：C6^C5^C4^C3^C2；又根據(jù)圖3.2容易得出在C8、C9、C10中滿滿的都是介質(zhì)水，所以又容易推出C10RC9RC8工作時，以單片機(jī)為主體，進(jìn)行切換電容、C/V轉(zhuǎn)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(jù)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(biāo)準(zhǔn),這樣根據(jù)傳感器的測量數(shù)據(jù)就能有效得出在油罐中的分層情況（不同介質(zhì)的電介質(zhì)不同），再通過相應(yīng)的計算，就能算出油罐內(nèi)每個介質(zhì)的高度，對于油水界面高度表示為：H=3L+L （3.5）0x對于分段電容傳感器，分段電容的區(qū)域?qū)挾扰c傳感器的制作工藝有關(guān)，因此式中的L就比較固定，得到的數(shù)字較為精確，這樣與傳統(tǒng)的電容傳感器相比克0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L，繼而如何解決H精度和L的問題成為關(guān)鍵。x根據(jù)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(jù)相應(yīng)的數(shù)字進(jìn)行推斷，因為空氣的和水以及原油的介電常數(shù)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(shù)為水的兩倍到三倍，約為2.3~3.0,根據(jù)這些信息，容易判斷在圖3.2中每個電容區(qū)的電容值關(guān)系為：C1<C2^C3^C4^C5^C6<C7<C8^C9^C10,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。L是需要通過各種計算得出的一個數(shù)值，通過上述的分段電容檢測器可以x檢測得到C1~C10的電容值，檢測出相應(yīng)的電容值之后，將所需要計算的C2~C6代入公式3.3,前面已經(jīng)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(shù)，所以計算出來之后得到相對應(yīng)的6個相關(guān)的數(shù)值€,這個就是 C2~C6中每個分段電容中檢測到的介質(zhì)的介電常數(shù)，通常，為了提高檢測到的數(shù)值的準(zhǔn)確性，將前面計算得到的六個€進(jìn)行取平均值，得到廠。再次利用公式 油 3.3以同樣的辦法儀C8、C9、C10為條件求的所需要的平均數(shù)值廠，這樣，將 水計算求得的廠、廠代入公式3.2中得出所需要的油水檢測液面的高度H=31+l。油水0工 利用這種分段電容式檢測法的出的結(jié)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(diǎn)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同而介電常數(shù)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(shù)并且巧妙的先優(yōu)化檢測的數(shù)值再計算的組合方法，提高最終測得的數(shù)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。2.2分段電容傳感器與傳統(tǒng)電容器相比的優(yōu)越性 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(guān)系，而分段電容克服了這點(diǎn)。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(zhì)常數(shù)，進(jìn)而通過電介質(zhì)常數(shù)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，小電容在工作時相當(dāng)于將油罐中的油水分界面進(jìn)行一個一個微小而復(fù) 雜的等效平均，這樣測量得來的數(shù)據(jù)就符合油水界面檢測的要求。 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(zhì)容易在電極板或者油罐內(nèi)壁 中形成滯留，被測液體會因為這些蠟塊兒而引起電介質(zhì)的常數(shù)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(shù)據(jù)誤差,只是表現(xiàn)為電壓極板不正常，進(jìn)行邏輯判斷即可排除。第四章系統(tǒng)硬件設(shè)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。圖41映件給佝的盛體框圖可以從五個主要模塊來分析以上框圖：電容檢測傳感器及信號轉(zhuǎn)換這個模塊的主要作用是設(shè)計出可行的檢測方法，在具體檢測時，由單片機(jī)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(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換接收極板收到的信號，相敏解調(diào)器解調(diào)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(jī)接收低通轉(zhuǎn)換的信號。單片機(jī)米樣、通信模塊一檢測到并通過轉(zhuǎn)換給單片機(jī)的電壓信號，單片機(jī)通過數(shù)據(jù)處理，計算液位值，連同收到的電壓值一起傳給上位機(jī)，這樣，將單片機(jī)與上位機(jī)銜接起來。上位機(jī)上位機(jī)與下位機(jī)通信，發(fā)出要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿睿笳呓邮彰畎l(fā)出相應(yīng)數(shù)據(jù),上位機(jī)接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，上位機(jī)工作人員通過人機(jī)交界面知道數(shù)據(jù)，并做出相應(yīng)的判斷，并把相關(guān)判斷通過上位機(jī)反饋給下位機(jī)。控制單片機(jī)根據(jù)油罐中的液位值，若達(dá)到要求，發(fā)出電壓信號，V/I轉(zhuǎn)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(guān)閉閥門，對油罐中的油水進(jìn)行控制。顯示油罐內(nèi)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(shù)字形式在數(shù)碼管中顯示，兩者結(jié)合，共同為油罐內(nèi)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(shè)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(diǎn)，并行檢測法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、花費(fèi)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(zhuǎn)換，是10極板電容檢測共用一個C/V轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)，分別作為基數(shù)、偶數(shù)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(guān)控制，具體布線需要謹(jǐn)慎，模擬開關(guān)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(jié)果的精確度。2.2多路模擬開關(guān)的選擇多路模擬開關(guān)控制此次檢測極板對的轉(zhuǎn)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(guān)的控制。市場上的模擬開關(guān)各式各樣，選擇時需符合以下幾個性能： （1） 多路開關(guān)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(guān)，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(shù)據(jù)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(guān)，保障放大器的正常工作，保證電路的正常工作。（2） 通道數(shù)量選擇有合適通道數(shù)量的集成模擬開關(guān)，減少通道之間的相互干擾，因為在集成開關(guān)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(chǎn)生的泄漏電流會對傳輸信號的精確度產(chǎn)生直接的影響，所以選擇合適數(shù)量通道數(shù)量的開關(guān)也是減小誤差的重要步驟。（3） 泄漏電流一般的開關(guān)在斷開和導(dǎo)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(nèi)阻很高的情況下就要對模擬開關(guān)的漏電流提成特別要求，以提高精度。（4） 開關(guān)速度在特別的情況下，開關(guān)的切換速度也對實驗結(jié)果具有一定影響，開關(guān)速度,既要滿足滿足處理快信號，還要考慮適應(yīng)后級電路的A/D轉(zhuǎn)換器。（5）消除抖動引起的誤差多路開關(guān)的抖動可能會使測得的結(jié)果產(chǎn)生很大誤差，因為多路模擬開關(guān)不可避免的也會像機(jī)械開關(guān)那樣才生抖動過程，多路開關(guān)切換時抖動后還未穩(wěn)定下來就會傳送數(shù)據(jù)，如果這時將抖動的數(shù)據(jù)作為最終數(shù)據(jù)就將造成誤差，一般解決的辦法有從硬件和軟件兩個方面進(jìn)行，即用濾波器和延時采集來解決。根據(jù)以上5項指標(biāo)，本次檢測油水界面將采用Maxim公司生產(chǎn)的MAX306模擬開關(guān)。此模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻小（具體＜100€），漏電流小，（一般漏電流為0.02nA）,開關(guān)切換時間快（一般為40ns）,各項指標(biāo)符合要求。4.3微小電容檢測電路設(shè)計由模擬開關(guān)控制接入的極板對，正弦波激勵激勵極板，C/V轉(zhuǎn)換接收極板的信號為電壓信號，下個流程，相敏解調(diào)器解調(diào)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(jī)接收由低通等轉(zhuǎn)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DirectDigitalSynthesizer（簡稱DDS）分頻器的一個可調(diào)正弦波，DDS芯片的幅值、頻率可調(diào)，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(diǎn)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。4.3.1.1DDS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(chǎn)生多種波形，滿足此次設(shè)計要求，另外，AD9833調(diào)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(diǎn)。頻率寄存器位數(shù)28位主頻時鐘25MHz工作電壓范圍2.3V~5.5V輸出頻率范圍0MHz~12.5MHz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40MNz

AD9833芯片集成性強(qiáng)，高達(dá)12.5MHz的正弦波只需要一些低精度的電阻器、去耦電內(nèi)部公式4.3.po2.I[Oiln||]U1FiClfi1。.訶I，C15丄?QlufJ?耦電內(nèi)部公式4.3.po2.I[Oiln||]U1FiClfi1。.訶I，C15丄?QlufJ?SDATfcTOUTSCLKACNDF5￥^DCNDVDDCAP03MFMCLK4VCCFBEWCGNDL2GM￡747DnF5L0.JTL6YIK-1.EgN+]5VTFu嗚bxx.HI~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20M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(dá)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(jīng)過放大才能實現(xiàn)激勵作用，為使最終數(shù)據(jù)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(diǎn)如下：低噪聲80nV(0.1Hz到10Hz)、3nV/屜@1KHzp-p低漂移0.2卩V/oc轉(zhuǎn)換率17V/時增益寬帶63MHz低偏置輸入電壓10卩V開環(huán)增益1.8萬

0P37的各項數(shù)據(jù)符合此次電路設(shè)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0P37放大器。4.3.2C/V轉(zhuǎn)換電路4.3.2.1C/V轉(zhuǎn)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(diǎn)，下面簡述C/V轉(zhuǎn)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(guān)、屏蔽電纜等方面產(chǎn)生，對電容的檢測產(chǎn)生影響，可能導(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路如圖4.8,交流激勵法用正弦信號激勵被測電容，并轉(zhuǎn)為交流電壓。在圖4.8 中c和c是極板連線，c和C/V轉(zhuǎn)換電路不相連，c兩端無電位差，故c和c、sis2 sis2sis2 c對輸出沒有影響，用此電路可有效抑制雜散電容。圖4.8C/V轉(zhuǎn)換電路第一級放大器UI的輸出卩(t)為:0V(t)ijwRCV(t)if1 ￥jwRC+1fifl(4.2)當(dāng)jwRC>>1時，則上式可簡化為：fifi c(t)，-—^V(t) (4.3)0Cif1圖中第二級放大器對第一級輸出繼續(xù)放大：R(t),--f2V(t) (4.4)2o R04.3.3相敏解調(diào)電路和低通濾波器相敏解調(diào)電路解調(diào)C/V后的正弦波激勵和交流電壓。4.3.3.1相敏解調(diào)電路數(shù)字解調(diào)和模擬解調(diào)是相敏解調(diào)常用的兩種方法。模擬解調(diào)電路簡單，轉(zhuǎn)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(diào)簡單實用；數(shù)字解調(diào)器內(nèi)部有FPGA、DSP的高速數(shù)字處理器件，處理起來精度高、速度快，但是復(fù)雜且成本高，所以本次設(shè)計采用模擬解調(diào)。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(shù)，滿足此次設(shè)計的需求。它還具有以下特點(diǎn)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(diào)電路工作之后，用低通濾波器(截止頻率小于2①)將沒用的二倍頻交流成分去除，留下有用的直流分量。本設(shè)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(shè)計中的作用是減掉電容傳感器的本體電容，使被測電容中只有電容的變化量，提高數(shù)值精度，減小誤差。如圖4.10所示。?財0?財0圖4.11減法器電路V為經(jīng)過解調(diào)的直流分量,V為本體電容電壓，V為電容變化量值得電壓低 DAC0 表達(dá)式如下：V=卩-V0低DAC4.3.4.2參考電壓電路對于減法器中的卩，即本體電容折算的電壓值，簡稱為參考電壓。它既可DAC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(diào)整各個極板對應(yīng)的參考電壓；電阻分壓通過電位器調(diào)節(jié)參考電壓值，各個極板共用同—個參考電壓。

圖4.11參考電壓電路圖4.11參考電壓電路在硬件調(diào)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(jīng)PGA放大輸出的波形都有將近20mV的波動，如圖4.12、4.13所示。如果顯示電路獨(dú)立供電時，參考電壓電路的供電電源也比較穩(wěn)定，經(jīng)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(dú)供電。這樣大大提高了波形的穩(wěn)定性，減小了曲線的波動。罕三EK二史SW1E罕三EK二史SW1EUm一二ME—WK苔壬E一=黑黑苞mIQcEws_7JMdcltmqTMsMm據(jù)釘一石日EM-w三三一一三=一_爲(wèi)￡苞鷹帕一％w第切脩曲圖4.圖4.12共用電源時電壓分壓圖4.14共用電源時DA輸出I—sw.二-TKS-Imn"基E-IVU■?為U孫=I—sw.二-TKS-Imn"基E-IVU■?為U孫=會::蜀l-tw.■??u*t5:Hifl百?L8電m二.0二上玉冬--二enIKWloE-wi圖4.14圖4.14獨(dú)立供電時電壓分壓圖4.15獨(dú)立供電時DA輸出4.3.5緩沖器經(jīng)減法器處理后的電壓為最后電容變化量反應(yīng)的電壓值，在進(jìn)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壓跟隨器作為緩沖器，這樣就大大提高電路的帶負(fù)載能力。圖4.15精密的單增益緩沖器4.4數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)本設(shè)計中的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)是基于CYGNAL公司的C8051F005卑片機(jī)，它是一款資源非常強(qiáng)大的單片機(jī)，下面對這款芯片進(jìn)行詳細(xì)的介紹。4.4.1C8051F005單片機(jī)簡介C8051F005是一個全集成混合信號在片系SOC（SystemOnChip）單片機(jī)具有與8051單片機(jī)兼容的微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令系統(tǒng)完全兼容。除具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還具有數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件及其他數(shù)字外設(shè)部件。該單片機(jī)中增加的外設(shè)或功能部件包括：可編程增益放大器、模擬多路選擇器、DAC、ADC、電壓基準(zhǔn)、電壓比較器、溫度傳感器、增強(qiáng)型UART、SPI、SMBUS/I2C.定時器陣列（PCA）、可編程計數(shù)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(nèi)置的FLASH程序存儲器（閃存）、256B的內(nèi)部RAM和位于外部數(shù)據(jù)存儲器空間的RAM,即XRAMoC8051F005單片機(jī)具有如下幾個重要的特點(diǎn)：⑴采用流水線結(jié)構(gòu)，機(jī)器周期由標(biāo)準(zhǔn)的12個系統(tǒng)時鐘周期降為一個系統(tǒng)時鐘周期，7成的指令的執(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(dá)25MIPS的速度，處理能力大大提高，比標(biāo)準(zhǔn)8051快20倍以上；（2） 有多達(dá)8路12位ADC（速度為100kHz）或高達(dá)500kHz的8位ADC、兩路12位精DAC兩路模擬比較器、高精度基準(zhǔn)電壓、程控放大器和溫度傳感器；（3） 大容量的在片內(nèi)存儲器，多達(dá)32KB的可在系統(tǒng)（ISP）和在應(yīng)用（IAP）編程的FLASH存儲器，其中的部分可以作為數(shù)據(jù)存儲器用。同時，片內(nèi)有256B的內(nèi)部RAM和多達(dá)2KB的外部RAM存儲器；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(dú)特的是具有數(shù)字開關(guān)陣列(DigitalCrossbar),可以將內(nèi)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(zhuǎn)換輸入、比較器輸出定向到P0、P1和P2;4.4.2單片機(jī)資源的應(yīng)用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)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(zhuǎn)換、顯示及控制等環(huán)節(jié)。A/D采樣模擬電路處理后的信號通過單片機(jī)的A/D進(jìn)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(guān)AMUX一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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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或16,復(fù)位時的增益默認(rèn)值為1。本釆樣系統(tǒng)中，采用了單端輸入方式進(jìn)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(nèi)部的PGA對電壓進(jìn)行放大，不同極板對的靈敏度也是不同的，需要分別設(shè)置其放大倍數(shù)(PGA值)，這里各個極板對對應(yīng)的PGA統(tǒng)一放大4倍，實驗效果比較好，靈敏度較高。D/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(yīng)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(shè)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V/I轉(zhuǎn)換的輸入端。FLASH存儲器 MCU內(nèi)部有32k+128字節(jié)的可編程FLASH存儲器，用于程序代碼和非揚(yáng)失性數(shù)據(jù)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(jìn)行在系統(tǒng)編程。內(nèi)部的非易失存儲器用來存儲各個極板的本體電容對應(yīng)的電壓值、PGA放大倍數(shù)、及一些歷史數(shù)據(jù)。內(nèi)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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)量較大，所以需要在芯片外圍擴(kuò)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(yīng)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(dú)特的是具有數(shù)字開關(guān)陣列(DigitalCrossbar,)可以將內(nèi)部系統(tǒng)資源定向至扣、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(yīng)的電壓值《A放大倍數(shù)、及一些歷史數(shù)據(jù)。由于FLASH內(nèi)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(chǔ)上，擴(kuò)展了非易失存儲器。如圖.19所示。設(shè)計中使用了24C64,它是電可擦除的EEPROM,8K字節(jié)的存儲空間，采用兩線串行接口。圖4.18非易失儲存器4.5顯示及鍵盤控制電路該系統(tǒng)中設(shè)計了完善的人機(jī)交互功能，包括顯示和鍵盤控制兩個模塊。便于現(xiàn)場監(jiān)控油水界面的高度變化。4.5.1顯示模塊單片機(jī)將實時的液位值以數(shù)碼管和發(fā)光柱兩種形式實時顯示，6個數(shù)碼管用來以數(shù)字的形式顯示油水界面的高度和其他信息；而利用兩排的發(fā)光柱，來模擬顯示液位高度動態(tài)的變化。4.5.1.1數(shù)碼顯示LED數(shù)碼顯示電路采用CH451作為譯碼驅(qū)動芯片，它是一個整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制以及「P監(jiān)控的多功能外圍芯片。CH451內(nèi)置RC振蕩電路，可以動態(tài)驅(qū)動8位數(shù)碼管或者64只LED發(fā)光管，具有BCD譯碼、閃爍、移位等功能；同時

還可以進(jìn)行64鍵的鍵盤掃描；CH451通過可以級聯(lián)的串行接口與單片機(jī)等交換數(shù)據(jù)；并且提供上電復(fù)位和看門狗等監(jiān)控功能。硬件電路如圖4.22所示。圖4.22LED數(shù)碼顯示電路4.5.1.2發(fā)光柱顯示發(fā)光柱顯示電路采用CH452作為譯碼驅(qū)動芯片,這款芯片與CH451是兼容的,時序和指令都是兼容的，唯一不同的就是CH452里面有64級光柱譯碼，這樣就可以通過64個LED組成的光柱顯示光柱值。電路如圖4.23所示。圖中為40個LED組成的發(fā)光柱。圖4.23發(fā)光柱顯示電路4.5.2鍵盤控制模塊系統(tǒng)中設(shè)計了6個按鍵來完成儀表參數(shù)的設(shè)定，電路如圖4.24所示°CH451的鍵盤掃描功能支持8X8矩陣的64鍵鍵盤。在鍵盤掃描期間，DIG79DIG0引腳用于列掃描輸出，SEG79SEG0引腳都帶有內(nèi)部下拉電阻，用于行掃描輸入。當(dāng)啟用鍵盤掃描功能后，4線串行接口中的DOUT引腳的功能由串行接口的數(shù)據(jù)輸出變?yōu)殒I盤中斷輸出以及按鍵數(shù)據(jù)輸出。圖4.24鍵盤控制電路第5章系統(tǒng)軟件的設(shè)計油水界面檢測系統(tǒng)的軟件程序，大致分為兩個部分，單片機(jī)檢測程序和PC機(jī)程序。5.1單片機(jī)檢測程序單片機(jī)在整個系統(tǒng)中負(fù)責(zé)極板陣列開關(guān)的選通、正弦波激勵頻率的設(shè)定、A/D采樣、D/A補(bǔ)償、放大倍數(shù)、標(biāo)定數(shù)據(jù)存儲、顯示、鍵盤控制，向PC機(jī)傳送數(shù)據(jù)等。單片機(jī)檢測程序除主程序外還包括一些重要的子程序，主要包括：AD9833頻率的輸出、數(shù)據(jù)采集及數(shù)字濾波、參數(shù)設(shè)定和FLASH存儲器編程，油水界面的判斷、串口通信。5.1.1主程序主程序一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、油水界面判斷;另一方面實現(xiàn)傳感器的標(biāo)定。山于傳感器的零點(diǎn)問題是界面檢測準(zhǔn)確與否的重要問題之一，所以在卑片機(jī)的程序中要配合上位機(jī)的程序，實現(xiàn)零點(diǎn)的自動標(biāo)定。傳感器的各極板對的零點(diǎn)值(即各極板對暴漏在空氣中的測量值)大小差異受到傳感器尺寸、環(huán)境、傳感器狀態(tài)等因素影響。傳感器尺寸，傳感器在制作的過程中，由于手工制作比較粗糙，極板尺寸不均等，從而造成零點(diǎn)存在差異。電路元器件布局和走線，對于高頻信號來說，電路元器件的布局和走線的不當(dāng)會引起不必要的串?dāng)_。如果激勵極板連接線和接收極板的連接線靠的太近，高頻激勵信號就會稱合到接收線上，從而導(dǎo)致串?dāng)_，反映到測量最后就是造成各極板對的零點(diǎn)值存在差異。單片機(jī)的工作流程如圖5.1所示。單片機(jī)上電執(zhí)行界面檢測程序，判斷油水界面的位置，并在檢測過程中記錄一些特征數(shù)據(jù)，用來實現(xiàn)液位的精細(xì)測量；當(dāng)系統(tǒng)滿足零點(diǎn)標(biāo)定條件時，單片機(jī)就執(zhí)行零點(diǎn)標(biāo)定程序，將調(diào)整合適的PGA放大倍數(shù)和零點(diǎn)值寫入非易失存儲器，從而以此來準(zhǔn)確有效的執(zhí)行界面檢測的程序。5.1.2系統(tǒng)初始化單片機(jī)系統(tǒng)的初始化過程包括：系統(tǒng)時鐘初始化、I/O端口初始化、串口初始化、A/D初始化、D/A初始化、正弦波激勵初始化、顯示初始化。如圖5.2所示。（開始]圖5.2初始化模塊程序流程圖5.1.3正弦波激勵首先，對單片機(jī)初始化，定義控制AD9833的SPI接口，接著初始化AD9833，讓它先不輸出任何波形，然后，寫頻率寄存器0的控制字（0x2000），緊接著對頻率寄存器0寫入想要輸出的正弦波頻率數(shù)。如果想要改變頻率或相位，需要再次對相應(yīng)的頻率寄存器或相位寄存器寫入控制字和想要輸出的頻率或相位數(shù)。流程圖如圖5.3所示。知j：r知j：r奇在專rV D麗輸機(jī)D麗輸機(jī)圖5.3激勵初始化程序流程圖5.1.4零點(diǎn)參數(shù)的設(shè)定由于不同傳感器極板對的零點(diǎn)值(即本體電容值)是不同的，因此單片機(jī)要針對不同的通道設(shè)定不同的補(bǔ)償電壓值(DAC值)，而且PGA的放大倍數(shù)需要根據(jù)補(bǔ)償電壓的大小來設(shè)置合適的放大倍數(shù)，從而獲得較高的靈敏度。這些參數(shù)需要通過程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)的Flash中?！宥?-撤阪對2樣踽3—摧板的4——股祗對5—鎖牌時E；極極對T概風(fēng)対!0—様版對II概風(fēng)対!0—様版對II——股板引12—棋板聲in梭極対15圖5.4零點(diǎn)值差異5.1.5非易失存儲器的存取對nash中128字節(jié)非易失存儲器的操作步驟如下：用FLSCL寄存器重的FLASCL為允許FLASH存儲器的寫/擦除操作;置位PSEE(PSCTL.1)允許FLASH扇區(qū)擦除；

置位PSWE(PSCTL.O)允許FLASH寫； 用MOVX指令向待擦除扇區(qū)內(nèi)的任何一個地址寫入一個數(shù)據(jù)字節(jié)；5.1.6數(shù)字濾波由于輸入的模擬信號中含有一定的噪聲和干擾，他們來自被測信號源和外界干擾，大致 可以分為兩類：一類是周期性的，典型代表為50Hz的工頻干擾，對于這類信號，盡管可以采用硬件濾波電路進(jìn)行消除，但并不能夠完全消除其影響。另一類是不規(guī)則隨機(jī)性的，為隨 機(jī)信號，對于隨機(jī)干擾，要采用數(shù)字濾波方法予以削減或消除，以保證準(zhǔn) 該方法的思想是：首先對多次采樣作均值處理，然后將此值作為去極值平均濾波(將連續(xù)測量的n個采樣值按照大小順序排序，然后去掉最大值和最小值，最后對剩下的n-2個 采樣值求収平均值)中的一點(diǎn)進(jìn)行第二重濾波。二次數(shù)字濾波后的結(jié)果作為一次采樣結(jié)果。具體做法是40個采樣值，每8個作一次均值處理，然后對這5個均值進(jìn)行累加求和，同時 找出最大值和最小值，減去最大值和最小之后，求其余3個數(shù)的平均值得到一次采樣值，程序流程如圖5.6所示。 [j USBi^JJiiiiiniir-fr&lnii計慷IttHW妝七珞鳳辿r+i舊_ 史妙_It— 上患tir[?|L富上患tir[?|L富Iy「 §I dill-H-丄站1|■二.ikilruxn"1-4^a 丄站1|■二.ikilruxn"1-4^a 圖5.6濾波程序流程圖 5.1.7油水界面高度判斷的算法 前面已經(jīng)對分段電容傳感器結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行詳細(xì)的說明，對于16極板的分段電容傳感器, 如果根據(jù)15個極板對的采樣電壓值能判斷出油水界面在哪個極板，那么就可以計算出液面的高度：h=h+h+h=h+(L+,Z1)+h0 1 2 0 0 2

其中:h：其中:h：界面咼度ho:傳感器底部距分離罐底部的高度”1：水層所淹沒的區(qū)域的高度 h2：界面所處的區(qū)域有水部分的高度Lo:傳感器0區(qū)下邊界距傳感器底部的高度根據(jù)以上的思想，算法中采用了粗測和細(xì)測兩個驟，首先利用粗測來大致判斷界面所在的區(qū)域，保證了基本誤差在一個區(qū)域?qū)挾确秶鷥?nèi)（區(qū)域?qū)挾?0mm）,然后再粗測的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)測判斷，這樣就可以在粗測誤差一個區(qū)域?qū)挾鹊幕A(chǔ)上，進(jìn)一步減小實際測量誤差。5.1.7.1界面粗測為了實現(xiàn)界面的粗測，本設(shè)計基于分段電容傳感器檢測，提出了判斷油水界面高度的差值算法。貿(mào)加兵心…、呻時1誓憚匪忡心底*:W絶MMI劉"■印貿(mào)加兵心…、呻時1誓憚匪忡心底*:W絶MMI劉"■印H舊二I」???14擔(dān)康電臨搆荊fi所制積的區(qū)域狀曲人粗測程序流程圖如圖5.7所示。其中含有假界面的判定，主要是為了避免傳感器粘污泥對測量造成誤判斷，如果界面超出處在測量量程范圍，程序也能給出判斷。

20D0］頗16001擁01200WIW3son匠tiOO-ZJt400戲存DJiT戲存DJiT2&一e_63^-唾1早UETM三S.宙為一蟲』一峪二2AH9=2青_r竺理ms“w-""w?霎二二2呉2W澎【客。102」當(dāng)?shù)囊?KKWBd一S含呂昌百晅ms運(yùn)I理豈。T島==?壬?毋rtHEH箜S-邑a-?WQT挺」5￡一圖5.8中對應(yīng)曲線，是以水為實驗對象，向一個有機(jī)玻璃的桶中勻速滴水、使得水和空氣的界面勻速上升，利用16極板分段電容傳感器獲得電壓曲線。從圖中可以很明顯的看到隨著水面上升依次的淹沒極板，15個極板對輸出電壓也依次突變，由于水的勾速上升，各極板對電壓曲線也是均勾分布的。圖5.8中虛線部分為各個區(qū)的分界線，從左到右依次定義為-1區(qū)、0區(qū)、1區(qū)、…、13區(qū)、14區(qū)。很明顯可以觀察到，當(dāng)界面處于0區(qū)時，極板對1和極板對2電壓差值的絕對值最大；當(dāng)界面處于1區(qū)時，極板對2和3電壓差值的絕對值最大；依次這樣，當(dāng)界面處于13區(qū)時，極板對14和極板對15電壓差值的絕對值最大。由于它們的對應(yīng)關(guān)系都是唯一、可逆的，所以反之依然成立。當(dāng)極板對1和極板對2電壓差值的絕對值最大時，界面處于0區(qū)；當(dāng)極板對2和極板對3電壓差值的絕對值最大時，界面處于1區(qū)；當(dāng)極板對14和極板對15電壓差值的絕對值最大時，界面處于13區(qū)。當(dāng)界面不在傳感器有效量程范圍內(nèi)，傳感器也能判斷。界面低于傳感器最低端極板時，進(jìn)入-1區(qū)；界面高于傳感器最頂部極板時，進(jìn)入14區(qū)。進(jìn)入這兩個區(qū)后，意味著界面己超量程，需報警提醒。實驗中發(fā)現(xiàn)由差值算法，標(biāo)定的區(qū)域均勻性比較好，除了-1區(qū)、0區(qū)、14區(qū)這些特殊區(qū)域之外，其余區(qū)域的寬度都在一個極板對間距（40mm）左右，而且重復(fù)性也比較好。傳感器粗測標(biāo)定表格如表5.1所示。該實驗同樣把水作為實驗對象，以滴水和漏水的方式，實現(xiàn)界面的勻速上升和下降。此時傳感器底部在標(biāo)尺63mni處，表中的數(shù)據(jù)也都是界面標(biāo)尺上的對應(yīng)值。然后分別在同一日期的不同時間、不同円期不同時間，作了上升和下降過程中的標(biāo)定。從表中可以很明顯的看到區(qū)域的間距基本都在40mm左右，而且上升和下降過程中的區(qū)域界線標(biāo)定重復(fù)性也比較好?；驹?mm范圍內(nèi)。由于上升下降存在一個讀數(shù)誤差和系統(tǒng)的延遲誤差，所以最后傳感器區(qū)域界限標(biāo)定以上升和下降的折中值為準(zhǔn)。如表5.2所示。

表5.1租測櫛定表I'^bk5,1Thet^blfrofbi鮮峠路沱焦圮dunugt自寸g7-8^H-5-919:3021:：J011:00區(qū)域界線標(biāo)定液液液液液［單位nun)P-傳.位位杭上下±下上卜升降升降魚!-D9493聽94o—i1041521館1153164163】T201202203203201疝2—3.3482432452422452443T2852S3284外3湖E341—3能6:倒案53243263245—63663633653643663656T40h■103疝4031051(15了一8444M24444424448—9花6484434485I。新&25和524□28灑10—11商5B756956756956711—U6H6舶310釦8劉］60S12—l：Jl547汕646644647海13一14.687695686脈68T洗5Table5.2-Thetablrofareaboundariesdeiranjutcd區(qū)域界線標(biāo)定界蟻值（單位：itm）負(fù)1—0940—1頂31—2?032—321-1：］42844—5淑55—S365(5—74057-8443宮一94859—1052610—11測11—1261012—136461314686表5.2中的區(qū)域界線都是以傳感器底部在標(biāo)尺63inm處基礎(chǔ)上的進(jìn)行的標(biāo)定，如果以傳感器底部作為基準(zhǔn)（也就表5.2中所示的區(qū)域界線都減去63mm