基于單片機的分段電容式液位測量的研究畢業設計(論文)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 法的原理應用于每一段的電容傳感器中，這樣就解決了傳統電容式液位測量方法 不適宜用于三種介質油氣、油水雙界面的測量的問題。對于油氣界面和油水界面在同一段電容傳感器，即油層厚度小于電容傳感器高度 L的情況將在下文闡述，嘗試對于這種情況進行處理。 將每一段電容傳感器的電容值測量出之后，因為 1C 和 2C 為純空氣段 , 45CC、濰坊學院本科畢業設計（論文） 9 和 6C 為純油段 , 8 9 10C C C、 、 為純水 段，根據這幾個電容值，通過公式 2． 1分別 可以計算出當前環境空氣、油和水的介電常數，然后將獲得的介電常數實時的用 于測量 3C 段油氣界面的位置 HX和 7C 段油水界面的位置 HY。 這樣就解決了因為介質的介電常數隨外界各種條件變化而變化對測量準確度的影響，實現了在線實時自 標定自校正，從而提高了測量精度。 幾種特殊情況的處理 在油氣界面和油水界面測量時還會遇到以下幾種特殊情況。 (1)每次測量時分別需要測量 每一段電容傳感器的空管電容值、充滿油的電容值和充滿水的電容值，但是測量過程中并不一定每一種介質會充滿該段電容傳感器，顯然這在實際應用中這很難做到。為了防止這種情況出現，當傳感器開始使用時或者使用環境改變時進行一次初始化，首先將十段電容傳感器空管，測量空管電容值，然后將十段電容傳感器充滿所測油品，測量滿油電容值，最后將十段電容傳感器充滿水，測量滿水電容值，測量得到的 30個初始值將存入單片機內的數據存儲器中，供液位計算使用。在測量過程中，遇到該段充滿空氣、油或者水時實時的更新單片機內數據存儲器中的數值。 (2)油與水的界面是一個隨含水率變化的非清晰的界面，即乳化層的問題，在分段電容式傳感器中處于乳化層的每一段電容傳感器測量到的電容值是一個隨含水率變化而變化的值，由油到水的過程即是含水率逐漸變大的過程，電容值也隨之而變大。在純油到純水的變化過程中，只需要確定一個值，當含水率低于此值時為油，含水率高于此值時為水 [7] 。 微小電容測量原理 由于在分段電容式液位測量中被測電容很小，而線間寄生電容等各種雜散電容較大，因此對電容測量提出了極為嚴格的要求。 分段電容式液位 測量系統中的雜散電容主要來自三個方面： (1)連接電容內外極板與測量電路電線的寄生電容，其值大約為 100pF／ m。 (2)測量電路中使用的 CMOS模擬開關產生的耦合電容。 (3)內外極板之間使用的聚四氟乙烯絕緣管形成的電容。 因此電容測量電路必須滿足以下要求： 濰坊學院本科畢業設計（論文） 10 (1)測最小電容、動態范圍大、線性度好。 (2)測量靈敏度高、低噪聲、低漂移。 (3)能抑制寄生電容和 CMOS 模擬開關產生的耦合電容 [8] 。 濰坊學院本科畢業設計（論文） 11 第三章 系統總體設計 課題需要實現的功能及要求 系統實現的功能及要求 通過溢油回收過程的描述可以知道溢油裝置工作過程最后一個環節就是在油液積累到一定厚度時控制油泵將油抽出，因此油液厚度的測量是溢油回收實現的重要環節，液位測量裝置是溢油回收裝置中的核心。 為了能夠實現實時的反映溢油回收裝置中氣、油、水的狀態，了解溢油回收裝置的狀態，要求液位測量裝置能夠連續的將油氣，油水界面的位置測量出來，同時為了控制油泵抽油，還需要計算出油層的厚度，即油氣界面與油水界面的差值。為了精確控制抽油裝置，需要液位測量裝置具有較高的測量精度。抽油泵在向外抽油時速度比較快 ，因此需要液位測量裝置具有較快的測量速度。 為了便于操作人員觀察，需要將油氣界面與油水界面的位置和油層的厚度通過 LCD顯示屏顯示出來， I司時將數據通過 RS一 485通訊方式傳送出去，便 于 二次儀表的使用。 收油裝置用于海上環境，海面情況復雜，有各種隨機信號的干擾，因此傳感器需要具有較強的抗干擾能力。海水中含有各種具有腐蝕性的礦物質，兇此傳感器需要具有較強的抗腐蝕能力 [9] 。 系統的主要技術標準 (I)測量參數：油氣界面和油水界面位置，其中油水界面屬于油／ 乳化層界面和乳化層／水界面混合的界面 (2)測量范圍： 100cm (3)測量精度：177。 3cm (4)測量速度： 5／ s (5)環境溫度： 10℃一 60℃ (6)電源電壓： 24V (7)顯示方式： LCD顯示油氣界面和油水界面位置、油層厚度 濰坊學院本科畢業設計（論文） 12 (8)通訊接口： RS485 (9)單片機功能：能夠實現自動保護防止程序跑飛、能夠對測量裝置進行初 始化校準，將初始化參數保存并控制整個測量系統的運行。 系統總體結構設計 傳感器結構 傳感器 截面圖 如圖 圖 截面圖 示意圖 整個傳感器 可 以分為上下兩部分：上部為數據采集與處理模塊，下部為 十 段電容傳感器和電容傳感器外電極。 上部包括電源模塊， ATmega16單 片機、人機交互模塊和通訊模塊。 全 部安裝在傳感器頂部的防水盒中。防水盒采用航空插頭外接電線，接入 24V電源的輸入以及 RS一 485串行通訊線纜。防水盒上方安裝有狀態指示燈、按鍵和 LCD顯示屏，實現傳感器工作指示和人機交互。 下部包括 十 段獨立的電容傳感器和電容傳感器外電極。電容傳感器外電極公用．套在整個電容傳感器外部。中曰足聚四氟乙烯絕緣管將所測介 質與電容傳感器隔離。十段獨立的電容傳感器每一段的結構如下圖：聚四氟乙烯絕緣管內是電容傳感器內電極，高為 10cm， 中 間 是電容測量電路板，包括 ATmega8單片機、電濰坊學院本科畢業設計（論文） 13 容測量電路和通訊電路，其中電容測量電路分別和電容傳感器內、外電極相接。 這利獨立的電容測量模塊的設計雖然增加了整體復雜度和開發成本，但是這 樣設計可以極大的縮小連接電容測量模塊和電容極板的導線距離，從而極大的減小了導線電容對丁測量的影響，提高了液位測量的精度 [10] 。 最關鍵的是每一段電容傳感器都具有獨 立的電容檢測模塊，可以進行高速電容測量， ATmegal6單片機可以實時的讀取每一段的電容值用于計算。如果通過電子開關選通通道然后進行電容測量，不但電子開關需要等待一段時間，每一次通道通斷后還需要更長的時間等待電容測量模塊穩定，之后才能測最到正確的電容值，這樣就達不到系統要求的測量速度。采用獨立的電容測量模塊就可以使被測電容一直接入并處于穩定狀態而不需要電子開關選通通道．也不需要等待電容測量模塊的穩定，從而減小了總體測量時間，提高 測 量頻率。 系統功能模塊劃分 系統按照功能可以劃分為以下模塊： (1)電源模塊：將 +24V輸入電源轉換為系統正常工作使用的 +5V電源，采用 雙電源工作。一路給十段電容傳感器，稱為傳感器電源；另一路給電容傳感器之外的所有電路供電，稱為主電源。 (2)數據采集與處理模塊：該模塊以 ATmegal6單片機為核心，通過串行通信收集十段電容傳感器測量得到的電容數值，通過計算得到油氣界面和油水界面的何置。同時摔制整個系統的運行，包括系統初始化、電容傳感器初始化、采集并處理十段電容傳感器測量得到的電容值、液位計算、 T作指示及測量結果顯示、參數設定、串行通信等 [11] 。 (3)電容測量模塊：包括方波產生電路、電容電壓轉換電路、放大濾波電路、A／ D轉換電路和 ATmega8單片機電路， A／ D轉換電路使用 ATmega8自帶的 A／ D轉換功能實現。南 ATmega8作為中繼，接受 ATmegal6單片機的控制，進行該段電容傳感器的初始化，電容測量、結果的傳送。 (4)人機交互模塊：包括工作指示、按鍵和 LCD顯示。 工作指示為 5個 LED燈管，包括主電源指示、傳感器電源指示、運行指示、數據傳輸指示、系統運行異常指示。 四個按鍵實璣用戶輸入。 濰坊學院本科畢業設計（論文） 14 LCD顯示實現油氣油水界 面位置顯示、油層厚度顯示、不同功能狀態下內容顯示。這些都保證了用戶能夠簡單快捷的設定、使用、維護傳感器，提高用戶的 操作體驗。 (5)通信模塊：包括兩部分，傳感器內部串行通信和外部 RS． 485總線通信，兩者使用的都是 ATmegal6和 ATmega8自帶的串行通訊模塊實現。 系統工作框圖： 圖 系統工作框圖 方波電路 電容電壓轉換 放大濾波 Atmega8 方波電路 電容電壓 轉換 放大濾波 Atmega8 電源模塊 LED 指示、 LCD顯示、按鍵 RS485 外部通信 Atmega16 濰坊學院本科畢業設計（論文） 15 第四章 系統硬件設計 硬件電路的總體設計 硬件電路的可靠設計 系統長期可靠穩定運行是系統硬件設計中非常重要的一點，因此硬件電 路的設計 要考慮影響可靠性的因素。 影響系統的可靠性有內部和外部兩方面。影響系統可靠性的內部因素有： (1)元器件的性能與可靠性。元器件是組成系統的基本單元，其特性好壞和穩定性與儀表的性能和可靠性息息相關。在系統設計當中，要精心挑選元器件，使其能夠滿足長期穩定性和可靠性的要求。 (2)硬件設計。硬件設計中要求原理正確，參數設計適中，線路布局合理，避免元器件之間的電磁耦合，還應當利用必要的技術削弱外部干擾對儀表正常運行的影響。關鍵部分可以采用冗余設計。 (3)安裝與調試。安裝調試過程也是保證系統可靠運行的重要手 段。如果安裝工藝粗糙，調試不嚴格，仍有可能影響系統的