油罐多液位测量系统研究毕业设计(论文).doc

毕业设计(论文)题目名称： 油罐多液位测量系统研究 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目录长江大学毕业论文(设计)任务书I毕业设计(论文)开题报告III长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语X长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定XI【摘要】XII【ABSTRACT】XIII第一章 前言1第二章 选题背景2第三章 方案论述（各部分简介）3第三章 整体方案论证（各部分简介3.1 油田现场工作情况3.2 移动式电容法的确定 3.2.1 检测原理第四章 系统的整体设计4.1 系统原理图4.2 系统工作过程4.3 系统构成4.3.1 位移变送器 4.3.2 电容变送器第五章 电容变送器的设计5.1 电容法理论基础5.1.1电容传感器的工作原理5.1.2电容传感器的特点 5.2 电容变送器的设计 5.2.1电容变送器设计首先考虑的问题 5.2.2电容变送器的形状和材质 5.2.3电容信号检测电路 5.2.4电容变送器的结构和设计 5.2.5本设计中针对边缘效应和泄漏电容问题的解决第六章 实验结果及分析 6.1 空气、柴油和水中实验和分析 6.2 测量界面的试验和分析第七章 结论致谢 长江大学毕业设计(论文)任务书学院（系） 电信 专业 自动化 班级 10802 学生姓名 胡九零 指导教师/职称 朱清祥副教授 1. 毕业设计(论文)题目：油罐多液位测量系统的研究2. 毕业设计（论文）起止时间：2012年2月27日2012年6月10日3毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）油罐计量技术的革命超高精度磁致伸缩液位仪赵辉，中国仪器仪表，2001增刊:非电量检测技术何远虑，电子科技大学出版社，2000.1020余种液位测量方法分析任开春、涂亚庆，工业仪表与自动化装置，2003 (1)原油储罐动态油量在线、实时计量技术的研究. 陈祥光、薛锦诚，仪表技术与传感器，2003 （3）原油储罐液位测量系统及位移变送器的设计王楠，学位论文l.沈阳工业大学，20024毕业设计(论文)应完成的主要内容原油脱水过程是油田联合站生产过程的重要环节之一，其主要功能是将高含水率原油进行油水分离，加工处理成低含水率的成品原油，而原油储罐内的油水界面高度的准确测量是保证脱水正常运行的最重要参数。设计一个原油储油罐多液位测量装置，实现储罐油层上界面和下界面的测量，当前和历史数据的存储、曲线的显示等。测量精度在1%以内。- -5毕业设计(论文)的目标及具体要求（1） 传感器设计；（2） 检测系统硬件框图及主要单元电路设计；（3） 软件流程图及部分程序设计（4） 6、完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求 须计算机仿真，上机时数60小时。任务书批准日期 2012年 1 月 13 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 2012 年 1 月 13 日 指导教师(签字) 完成任务日期 2012 年 6 月 10 日 学生（签名） 长江大学毕业设计(论文)开题报告 题 目 名 称 油罐多液位测量系统研究 题 目 类 别 毕业设计 院 （系） 电子信息学院 专 业 班 级 自动化10802 学 生 姓 名 胡九零 指 导 教 师 朱清祥/讲师 辅 导 教 师 朱清祥/讲师 开题报告日期 : 2011年3月12日 油罐多液位测量系统研究 学 生： 胡九零，电信学院 指导老师： 朱清祥，电信学院1 题目来源 生产/社会实际；2 研究目的和意义地处偏僻的油田单井罐的多液位测量是油田生产中迫切需要解决的问题，本文针对单井油罐，使用移动式电容测量法对其多液位进行了研究。近年来，许多高新技术、新方法和新型仪表如计算机、微电子、光纤、超声波、雷达传感器等高新技术己应用到油罐的计量领域，使油罐的自动计量进入到一个多功能、高精度的新阶段。但在油田原油生产中很少应用，主要原因有：原油检测条件恶劣，罐内油水界面是随时间变化而变化等。因此提高储油效率的多相液面测量这个重要措施市场前景很好。三阅读的主要参考文献及资料名称 （1）感测技术基础.孙传友孙晓斌.电子工业出版社（2）模拟电子技术基本教程.华成英。清华大学出版社（3）单片机原理及接口技术.朱定华。电子工业出版社（4）过程控制原理及装置.杨三青。华中科技大学出版社。（4）中国知识网，百度知道等网络。（5）长江大学电子图书馆。四国内外发展现状及趋势 当前非接触式的如雷达法、激光法等局限在研究阶段或者在测量油罐上液面使用的比较多，接触式的液位测量仪如浮子式、浮筒式、磁致伸缩法虽然可以用在测量上液面和下液面但是他们的致命缺点都是传感器的浮子部分要沿着滑动杆上下移动，在粘稠油品中，传感器被敷住容易失灵。曼彻斯特理工的电容法比较好，解决了上下液面测量的问题，也不会因为传感器敷在滑动杆上，但是它对电容的制作工艺要求很高，多个电容的安装维护比较复杂。针对我国多数油田高腊、高粘、高凝“三高”的特点，必须找到一种方法解决了述的问题，完成油层各层各个界面的测量。5. 主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路 1.主要研究内容移动式电容法的检测，参数的测定及计算。总体设计框图如下所示：传输电路电容变送器 计算机数据采集卡驱动控制电路电机 传输电路信号变换电路位移变送器 2. 研究过程中的关键问 系统的工作过程以及参数的测定，其大致示意图如下：3.完成毕业设计所具备的工作条件及解决办法。 （1）PC机一台 （2）计算机辅助软件：组态王6.53 （3）运行环境：windowsXP五.工作的主要阶段.进度及时间安排 （1）准备阶段 3月5日-3月12日 （2）收集信息阶段 3月12日-4月2日 （3）设计阶段 4月3日-5月2日 （4）调试阶段 5月3日-5月17日 （5）完成阶段 5月18日-6月2日 （6）论文答辩阶段 6月3日-6月10日八指导教师审查意见长江大长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见学生姓名胡九零专业班级自动化10802班毕业论文(设计)题目油罐多液位测量系统研究指导教师朱清祥职 称副教授评审日期2011.6.7评审参考内容：毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见：。 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定学生姓名专业班级毕业论文(设计)题目答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章)油罐多液位测量系统研究 学 生：胡九零，电信学院 指导老师：朱清祥，电信学院【摘要】 原油脱水过程是油田联合站生产过程的重要环节之一，其主要功能是将高含水率原油进行油水分离，加工处理成低含水率的成品原油，而原油储罐内的油水界面高度的准确测量是保证脱水正常运行的最重要参数。因此，快速准确地检测出油水界面是确定出水量、出油量的关键，同时这个参数也为了解油井产量，油井寿命等提供可靠的依据。 本文详细地分析了国内外原油界面检测技术，其应用多在测量成品油的上液位，目前多界面测量的方法多存在传感器容易被敷住，成本高的缺点。本设计针对这些问题，采用移动式电容法，提出了利用不同油层的含水体积百分率不同引起的界面处介质的介电常数的跳变实现原油上界面(气/油界面)和下界面高度(油/水界面)测量的在线检测技术。此技术不但解决了传感器容易被敷住的问题、高成本的问题，还具有响应速度快、结构简单、安全性能好、可维护性好的优点，是一种有实用和推广价值的技术，基于这种技术研制出了移动式电容法原油储油罐多液位测量装置。 关键词: 电容法，介电常数，油罐，多界面测量。A Study of the Instrument for Measuring Crude 0il Multi-interface in oil Tank with the Method of Capacitor 【ABSTRACT】The process of crude oil is one of the most important chains in the productive process of the combination station of oil field.Through the Poreess water can be separated from crude oil and the finished crude oil contaimng low water can be gotten.at the same time ,the heihgt of oil-Water interface is the most important parameter.Therefore，fast and accurate detection of the interface is the key to make clear the quantity of water and oil output,and it also provide evidence to know the quantity and life of oil wellAfter the careful study of the present methods on crude oil interface detection at home and aboard and the character of our domestic crude oil,it is easy to kown many of the methods are applied to measure the upper interface in finished oil tank,And their sensors are apt to be capured and are ofen high in price.As to such problem，this disation puts up with the method,which takes ntageof the change of dielectric constant in the interface medium to survey the altitude between upper oil interface (gas/oil) and lower one (oil/water).This technique not only has the advantage of solving the work problem and high price,but also has the merits of being fast in response,simple in structure and good in security,so it is a technique that has great value of practice and population. Based on this technique,the paper develops the instrument for measuring crude oil multi-interface in oil tank with the method of capacitor.Keyword Capacitiant Dielectric constant Oil tank,Interface measurement. 一.前言；地处偏僻的油田单井罐的多液位测量是油田生产中迫切需要解决的问题，本文针对单井油罐，使用移动式电容测量法对其多液位进行了研究。近年来，许多高新技术、新方法和新型仪表如计算机、微电子、光纤、超声波、雷达传感器等高新技术己应用到油罐的计量领域，使油罐的自动计量进入到一个多功能、高精度的新阶段。但在油田原油生产中很少应用，主要原因有：原油检测条件恶劣，罐内油水界面是随时间变化而变化等。因此提高储油效率的多相液面测量这个重要措施市场前景很好。二.选题背景及意义；石油素有“工业的血液”之称，是当今世界最重要的能源，又是近代有机化工的重要原料，石油工业的发展极大的影响了经济的发展。从伊拉克入侵科威特，到海湾战争，到今天的美国占领伊拉克，里面无不渗透着石油的因素。近十年来，随着我国经济的持续快速增长，石油产出量的增长已远远不能满足国民经济发展对石油的需求，石油及油品进口量已占我国石油消费量的30%。在这种情况下，开发采收率高的油田化学品，提高石油钻采开发技术，将剩留在枯竭油层的原油开采出来，是当前紧迫而具有战略意义的任务。特别是我国东部的大庆，辽河等油田到了开发的后期，石油不能象初期那样，在岩石下受到很大的压力，自己喷出来。面一前通常采用注水法，使枯竭油层的油飘浮起来同时也增大了压力，进行开采，然而这样的另一个后果就是原油的含水率一般都很高，最高达到80%左右，使得原油必须从油井出来后经过分离罐，分离出大量的水，然后才能进行传输，冶炼等。一般说来，刚开采出来的原油包含了大量的水、泥沙、天然气，为了分离水和气体及泥沙，原油应输送到储油罐中高温(80)存储48小时以上进行分离(油田中完成这项工作的部门是油田脱水站)，通过加热，水/泥沙、水/油、气/油等界面就会在储油罐中形成。为了提高储油罐的效率，了解储油罐中油层的高度，就必须准确的测量出原油的上界面(气/油界面)，以便安全地输入原油，防止溢出;同时也必须准确地测量出原油的下界面(油/水)，以便放出不含油的水。目一前，在油田(如辽河油田油气集输公司脱水站)仍沿用土办法操作员用取样桶每隔四小时到罐顶手工测量一次，再作记录，这样其结果不仅误差大，而且有很大的人身危险(按规定，四级风以上不能上罐顶测量)，因此，设计和开发远程全自动原油储罐多界面测量装置新产品，实现远程无人值守，全自动的多界面测量装置，并能进行自动记录、存储、显示、打印就尤为重要。近年来，国内外学者对油罐液位检测技术及装置的研究取得了巨大的发展，发明了许多新的测试方法，研制了许多新的产品。当前，国内外油罐液位测量仪表根据测量方式的不同可分为接触式和非接触式两种类型。接触式是指测量用传感器直接与罐内存储介质相接触，从而获得测量参数的方法。60年代末至80年代初，国外主要研制和使用的是各种钢带浮子液位计，大多是每个罐独立安装，现场显示。这类仪表主要缺点是机械摩擦影响计量精度，浮子在滑动杆上容易被敷住，随着对计量精度要求的不断提高，出现了伺服式液位计。由于使用了伺服马达，消除了因机械摩擦而引起的误差，提高了灵敏度和复现性，其液位计量精度得到极大的提高。这一时期的典型产品是美国vAREc公司生产的2500型钢带浮子液位计，6500伺服式液位计，荷兰NRAF公司的811型伺服动力液位计等。德国的ENRAF一NONUIS公司于80年代末期推出了电容串式物位测量系统，该系统采用多级电容串式液位传感器。90年代中期，曼彻斯特理工大学电子工程系研制的分段电容阵列法4l，但是这种方法的电容传感器制作传感器的工艺要求很高，而且安装维护要求很高。近几年，美国研制出磁致伸缩液位计，沈阳工业大学硕_上学位论文这种传感器可以同时测温，具有很高的精度，但是其致命的缺点是不适合测量粘稠的原油。在国内，80年代初，大连第五仪表厂研制成功浮子钢带液位计，80年代后期，北京自动化仪表四厂又引进美国VAREC公司制造技术生产的钢片式液位计。90年代初，中科院声学所研制成功CJY一2型光导液位计。该表的特点是将浮子式钢带液位计的钢带改为钢丝，力平衡仍用盘簧，计量通过钢丝的鼓轮转角计量高度。这些测量方法存在着几个主要问题，如油罐面积一般是非线性的;油罐内油的存在是分层的，其密度不是一常数，很难准确测量油的平均密度:测量时也将产生较大的误差。浮子式液位计，在测量油高和油重在实际使用中也存在以下问题:机械传动结构复杂，摩擦力影响力运动，影响精确度;钢带自重需要补偿，但很难做到完全自动补偿:温度补偿因素;油罐罐底下沉影响测量精度。综上所述，基于高度法的浮子式流量计，不能满足油罐测量的精度要求。近年以来国内外对非接触式液位测量进行了大量的研究和试验，并有产品问世。如德国NERAF一ONIus公司开发的微波液位计。非接触式液位测量技术及装置主要有:微波雷达技术及微波雷达式液位计；激光技术及激光液位计；光纤技术及光纤液位计和超声技术及超声液位计等。其特点是测量手段不是采用浮子之类的固态物，而是采用声、光、射线的能量，液位计不和被测介质接触，但目前这些工作多数仍处在实验室研究阶段，即便有适用的产品问世，也多用来测量油罐的上液位。总之，当前非接触式的如雷达法、激光法等局限在研究阶段或者在测量油罐上液面使用的比较多，接触式的液位测量仪如浮子式、浮筒式、磁致伸缩法虽然可以用在测量上液面和下液面但是他们的致命缺点都是传感器的浮子部分要沿着滑动杆上下移动，在粘稠油品中，传感器被敷住容易失灵。曼彻斯特理工的电容法比较好，解决了上下液面测量的问题，也不会因为传感器敷在滑动杆上，但是它对电容的制作工艺要求很高，多个电容的安装维护比较复杂。针对我国多数油田高腊、高粘、高凝“三高”的特点，必须找到一种方法解决了上述的问题，完成油层各个界面的测量。三.整体方案论证；3.1 油田现场油罐工况；油田开采过程中注入大量的水，开采出来的含水原油通过输油管道送入沉降罐(分离罐)，以辽河油田为例，沉降罐一般高为15米，直径为30米，每个采油厂均有数个到数十个沉降罐。为完成石油和水和气体及泥沙的分离，沉降罐中要投入适量的降粘剂、乳化剂、破乳剂，并采用高温蒸气管路或电加热法对罐内原油加热(一般在50一80，平均为78)。经过一定时间，就实现了油水分离，由于比重不同，使水沉积到底层，纯油浮现上层，原油储罐的工况如图1示。图1 原油储罐工况示意图气层泡沫层油层乳化层水层泥沙3.2移动式电容方法的确定； 3.2.1检测原理; 原油是由多种碳氢化合物混和而成，属于非极性物质，其相对介电常数为2一3。而水是极性分子，由水分子组成的液态水为极性电介质，其相对介电常数是80，两者相差很大。气体的相对介电常数为1，和原油的差别也很大。因此我们利用检测出的相对介电常数的不同就能区分出不同的介质，然而气、油、水的相对介电常数受湿度，温度等因素的影响，准确值很难测得，而我们只是为了区分出界面，利用不同介质介电常数不同的特点，不需测量出气、油、水的介电常数的准确值，利用界面介质的介电常数的跳变点实现原油上界面和下界面的分辨，再联合测量高度的信号，就可以完成界面的高度定位和准确测量。这是本装置的核心，也是本装置的一大特点。忽略原油中含有的杂质的影响，含水原油可近似看成纯油和纯水两种介质的混和，其有效介电常数可用下式表示： （3-1）3.1式中： 混和介质的有效介电常数； 纯油的介电常数； D原油中水的体积百分比。 由上式可见，混和介质的有效介电常数介于纯油介电常数和纯水介电常数二者之间，原油中含水的体积百分比的变化将显著地影响原油的有效介电常数。电容器置于含水原油中，当电容器的结构及外形尺寸一定时，电容量： （3-2）3.2式中：介质的介电常数;K常数，由电容器的结构、尺寸确定。由3.1，3.2式可见，原油中含水量不同，则传感器的电容值就不同。这样就可以把反映含水率的相对介电常数的变化转化为电容信号的变化，再联合位移信号就可以实现储油罐油/水界面、油/气界面的识别，并经过计算机的处理，实现显示和控制等。一般说来，含水率95%左右认为是水和乳化层的分界面，含水率介于95%到5%之间是乳化层，%5以下认为是纯油。在各个层内部，基本性质相对稳定，大体成分线性分布，所以可以大体描绘出油位高度和原油相对介电常数的理论曲线(如图2)。图2 油位高度与相对介电常数之间的理论关系曲线 在20情况下，根据理论曲线可以看到2个明显的拐点，在纯水层的介质相对介电常数是80，水和油的混和层相对介电常数介于80和2.5之间，纯油的介电常数是2.5，气层的介电常数是1。因此第一个拐点可以看成是水/油的界面，第二个拐点是油/界面。四.系统的整体设计；4.1系统原理框图； 整个测量系统由传感器，位移变送器，电容变送器，信号转换电路，主机等组成，以单个的油罐为例，其整体系统结构图如下所示： 图3 系统原理框图 数据传输电路电容变送器 计算机数据采集卡电机 驱动控制电路 传输电路信号变换电路位移变送器 硬件系统主要分为位移变送器，电容变送器，传输电路，标定接触器，电动机及驱动电路，采集板计算机组成，其中位移变送器主要由编码器和处理电路组成把电动机带动钢带移动的距离转换成数字脉冲经过传输电路送入采集板卡计数实现，然后送至上位工控机进行处理；另一路电容变送器由电容传感器和电容/频率变换电路组成，把在钢带的带动下电容探头采集的反映介电常数变化的信号经过信号处理变换成频率信号，经传输电路送至上位机的数字信号采集板卡，至计算机完成数据的采集；计算机通过采集板卡对电动机驱动电路发出复位、正转、反转或者停止的信号；标定接触器使得开始测量的每次都使传感器处于同一个位置，这样就消除了由于初始基准位不固定造成的误差，消除了误差的积累；保护接触器是为了电动机发生故障到了标定位依然向上移动造成事故设置的，当电动机带动传感器到保护接触器位置，自动给电动机强制断电，防止事故的发生；计算机主要完成数据的处理、存储、历史当前数据的查询、显示，用户的登录和各种设置功能等。4.2 系统工作过程；系统的工作过程示意图如下图所示：图4 系统工作过程示意图 由图3，图4可见，当对某个储油罐进行测量时，由主控计算机首先根据标定接触器的状态驱动电动机转动，使测量从基准位为开始，发出正转指令，通过采集板卡输出相应的控制信号驱动电动机系统，从而驱动电容变送器在原油罐中垂直向下运动，实时测量介电常数的变化，并配以位移变送器。根据设计参数的要求，每隔6间隔采集一个介电常数数据，同时一记录高度数据，送至主控计算机，由主控计算机经过数据处理，存入数据库。在正程测量完成即运行到最低点后，主控计算机发出电动机停止指令，使电容变送器在最低点停止5分钟。然后主控计算机发出反转信号，使电容变送器在相同的各个位置再测量一组数据，这样在同样的高度就可以得到两组数据，两次求平均值就当成是该点的相对介电常数，可以减小滞后效应造成的误差。可以看出主控计算机在整个测量中的作用主要包括以下5个方面:(1)控制电容变送器在每一次测量过程中，电容变送器自上而下降至罐底一定高度时自动停住，然后电容变送器自动自下而上升至预定位置自动停住。(2)读取标定接触器的状态，确定是否开始一次新的测量。(3)根据保护接触器的状态，确定是否给电动机强制断电。(4)实时读取电容变送器在油罐中的位置，并把位移信号、相对介电常数信号和日期时间存入数据库。(5)绘制液面高度与原油含水率关系的相对介电常数分布曲线，从而将上界面(气/油界面)和下界面(油/水界面)结果显示出来。4.3 系统构成； 4.3.1 位移变送器 本设计中的测量位移变送器要求测量范围大、精度高、较强的抗干扰能力，并且可以容易地实现模数转换，所以采用光栅尺，其优点在于:(1) 高精度:随着光栅划刻技术及电子技术的发展以及莫尔条纹对光栅栅距具有局部消差的作用，在大量程测长方面光栅检测装置的精度仅次于激光测量装置。(2) 具有高分辨率、大量程两个特性。(3) 可实现动态测量、自动测试和数字显示功能。(4) 有较强的抗干扰能力，对环境的要求低于激光干涉测量方法，在环境较为恶劣的工业现场其稳定性优于电感式传感器。(5) 具有较高的测量速度。位移变送器可以把传感器在油罐内移动的位移通过光栅和摩尔条文细分技术转化为数字脉冲，然后通过在采集板卡中计数并且配以电动机正反转的信号就可以实现位移的测量。4.3.2 电容变送器电容变送器由电容传感器、电容/频率变换电路、传输电路等组成可以实时测量油罐内反映原油含水率的介电常数的变化。这部分是本论文设计的重点，将在下一章做详细的介绍。传输电路，采集板选择，主机的选择等不是本文重点就不做具体介绍。五.电容变送器的设计；5.1电容法理论基础；5.1.1电容式传感器工作原理；电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，通过电容传感元件，将被测物理量的变化转换为电容量的变化。因此电容式传感器的基本工作原理可以用图5所示的平板电容器来说明。图5 电容式传感器基本工作原理 Ad当忽略边缘效应时，平板电容的电容为： （5-1）式5.1中：A极板面积； d极板间距离； 相对介电常数； 真空介电常数，=8.85F；由式5.1可知，当d、A和。;中的某一项或某几项有变化时，就改变了电容C。C的变化在交流工作时，就改变了容抗Xc，从而使输出电压或者电流得以变化。D和A的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映弹力、压力等变化。的变化，则可以反映液面的高度、材料的湿度等的变化。实际应用电 容式传感器时，常使d、A、三个参数中的两个保持不变，而改变其中一个参数来使电容发生变化。所以电容式可以分为三个种类:改变极板距离d的变间隙式；改变极板面积A的变面积式；改变介电常数的变介电常数式。变间隙式一般用来测量微小的线位移(小至.001微米一零点几毫米);变面积式一般采用测角位移(自一角秒至几十度)或较大的线位移;变介电常数式常用于固体或者液体的物位测量以及各种介质的湿度、密度的测定。在多数情况下，电容式传感器可以看作成一纯电容。表5.1列出了一些电容器的基本公式。表5.1一些电容器的基本公式几何形状 电容公式 备注5.1.2 电容式传感器的特点；电容式传感器是由电极板和间隙组成的，电极间既要相互绝缘，又有机械连接，其结构性能直接影响传感器的工作性能。电容式传感器的电容量很小，一般为几十到几百皮法，小的甚至只有几个皮法，因此，这种传感器具有高的输出阻抗和小的输出功率。由于这样，它的绝缘问题需要特别的注意，一般极间绝缘电阻应在数百兆欧以上。环境条件变化将影响电容量的变化。例如，温度变化可引起极板尺寸、间隙大小和介电常数的变化;湿度变化可引起介电常数及绝缘电阻的变化;而极板面上潮气凝结的薄膜将引起很大的电容改变;在振动、加速度条件下，会引起极板的移动，从而影响电容量等等。因此，传感器的绝缘材料必须具有高的绝缘性能，足够的机械强度，高的形状稳定性，良好的抗湿性能。电容极板的内表面必须保持清洁，应防尘、防湿、防凝露以及防腐蚀。 5.2电容变送器的设计； 5.2.1电容变送器设计首要考虑的问题；电容变送器的构成包括电容传感器，信号处理电路组成，其功能是将检测到的信号时通过传输电路送到上位机采集板卡。由于本设计的电容变送器是采集非电信号的工具，它需要长时间在油罐工作，同时油罐内的温度较高，而原油很粘稠，具有很强的附着性，测量的范围很大等特殊条件要求设计必须考虑以下的问题:(1)电容是否可以在粘稠原油中正常工作；(2)工作范围:2m一14m，引线电容的影响(3)工作温度:80左右，元器件的选取；(4)电容边缘效应的影响；(5)温度对介电常数的影响问题；(6)测量装置的防爆问题；(7)长期工作的稳定性，防腐，密封；5.2.2 电容变送器形状和材质；一般工程上采用圆柱形同心圆筒式电容进行油品的介电常数或者含水率测量，圆筒的内壁和外壁作为电容的两个电极，油品在两个圆筒之间流过引起电容的变化就可完成参数的测量，但是这种传感器的结构设计复杂，特别是内圆筒很难固定，圆筒在原油油罐中做来回的运动时，极容易出现挂料的可能，使得测量的精度极大的受影响，严重时还可能会被原油敷住而不能正常工作。所以本设计采用矩形平行板电容传感器，原油在两个平行板之间通过，结构简单，制作方便，容易维护，只要选择合适的距离就可以极大的减小挂料的可能。 对于电容的极板材质，选取的原则是:电阻率要小，对介质的化学和电化学性质的老化和催化作用要小，价格低，机械性能好，压延性好，柔韧，机械强度高，导热系数和热容量要大，密度小，容易焊接，熔点和沸点要适当。常见的金属极板材料有:银、铜、金、铝、青铜、锌、黄铜等。本设计采用铜，也是制作PCB板的材料，因为铜与金和银在元素周期表中同属一族，因而具有与贵金属相似的优异物理和化学性能。它塑性好、易加工、耐腐蚀、无磁性、美观耐用。特别是，铜的导电和导热性除略逊于银以外，是所有金属中最好的。由于银比较昂贵，因而铜是被广泛应用的最佳导电体和导热体。5.2.3 电容信号检测电路；对于电容的检测方法一般分为直流充放电法、交流电容测量法和直接电容/频率变换法。()l直流充放电法直流充放电方法1261是利用充放电引起电荷的转移的原理把被测电容转换为电压值，然后通过电因频率转换电路把模拟量转换为数字量。如图5.2所示，传感器电容的静电容变换成电压的电路。图中，Vl为基准直流电压，Cf为参考电容，Cp价为被测电容，V0为输出电压，K、凡、凡为CMOS电子开关，Kl和K3联动，且由外部555提供2KHz时钟脉冲驱动，使Kl与K3跟K2成为交互启闭，启闭时间与V0的波形见图.43。当K1与K3闭合时，Q由Vl充电，其充电电荷为： （5-2） 此时CF被短路，无电荷储存。当K2闭合时，显然有： （5-3）由式5.2和式5.3，得： （5-4）由上式表明，输出电压Vo幅值与价成正比。图6 开关电容转换原理 图7 转换电路中各点波形然后以LM331为核心的电路实现v压变换电路28，将电压转换成频率进行远端传输。这种测量电路具有0.lpF的分辨率，良好的零点和长期工作稳定性，开关电容转换电路的特点漂移小，测量准确度高，稳定性好，并且几乎不受并联漏电阻的影响。(2)交流电容测量法交流电容测量法是在高频交流激励源的作用下，将电容信号转化为交流电压量，然后通过模拟乘法器和低通滤波器经过刀D转换为数字量可以送到上位机。CV浑转换的具体电路如图5.4所示。图中第一级为检测级，作用是将电容量变成与此相对应的交流电压量。检测器在电路设计上以电容反馈为主，反馈电阻凡的作用是用来防止直流偏置电流向C充放电而导致运放饱和。图8 检测器和放大器 由电路可知检测器的输入输出关系为: （5-5） 其中，为激励电压耳的角频率。当Rf足够大，使得时（例如，当f=500kHz，Cf=10pf，Rf=10M，则）， 则式5.5可简化为： (5-6) 从式5.6可以看出，检测器的输出与被测电容成比例。这个电路的优点是电路的灵敏度独立于激励频率，只与激励电压和反馈电容有关。 转换电路的运放要具有宽频带、低漂移、响应速度快等特点。图中第二级为放大级，作用是进一步放大第一级的输出，提高系统的分辨率。 (5-7) 然后将所得到的信号通过模拟乘法器和低通滤波器经过通过A/D转换送入上位机。 (3)直接C压变换法以上两种方法都是将电容量转换成与之相对应的电压值，要想进一步处理还需采用电压频率转换电路将电压值转换成频率，需要两级转换电路，电路结构复杂，抗干扰能力差。而直接C压变换法是利用RC电路的充放电和集成运放或者集成电压比较器，将电容C直接转化为频率f，无需后接电路，结构简单，可靠性高。我的设计采用的就是这种方法了。我的设计采用的直接C/F变换法是利用RC电路的充放电和集成运放或者集成电压比较器，将电容C直接转化为频率f典型的是利用集成定时器555接成多谐振荡器来实现C/F用变换，如图9所示。电容上的电压Vc往复振荡，Vc与输出电压Vo的波形如图所示。电容充电回路为电源经R1和R2到电容C，放电回路为电容C经R2至7脚。所以此时的振荡周期为充电时间和放电时间之和。设周期为T，充电时间为tl，放电时间为t2。故图9 555接成多谐振荡器 图10 V0和Vc波形图 （5-8） （5-9） （5-10）由式5-10可看出，当R1.R2值固定，f与c成反比关系。而且输出电压电平与TTL电平兼容，Vo可以直接输入到后续信号处理电路中进行测量。采用直接C/F变换电路，结构十分简单，而且可以把信号变换电路和传感器做成一体，增强抗干扰能力。变送器做一体极大的减小了引线电容，设计所需要的元器件也很少，只是一个片子，几个电阻和两个二极管，如果不调占空比为0.5，就不需要二极管。另外这种方法只要一个5V电压，一根地线和一个信号线就可以完成信号测量和传输，容易满足防爆的要求。5.2.4 电容变送器的结构和设计；本文设计的电容变送器很好地解决了前面要考虑的问题。首先，电容是否可以在粘稠原油中正常工作以及长期工作的稳定性，防腐，密封的问题。输送到沉降罐中的原油需加热到80进行分离，此时原油的粘度系数大大降低，被缚住的可能性也大大降低。本设计利用了该特点，设计传感器极板间合适的距离，使传感器能够在原油储灌中垂直运动而不被粘住。本设计的电容变送器是一个平行的铜板结构，检测电极和激励电极上涂上一层绝缘漆，保证极板与介质绝缘，而且还会增强抗腐蚀性。而且由于绝缘漆使得电极的内壁比较光滑，挂料的可能性几乎为零。整个极板用环氧树脂封装，以保证其良好的密封性。在最外边用不锈钢做屏蔽层，避免电磁干扰，同时在整个传感器外边安装具有一定重量的钢块，主要目的是为了使传感器保持一定的重量，以使其在原油中能够依靠自身的重量落下。其次，电容边缘效应的影响。本文设计的带有保护环的平行极板结构，将极板的边缘效应转移到保护环上，可以保证有效极板面积之间是均匀的电场强度，从而提高了测量精度。如图11所示。 图11 电容变送器顶示图再次，引线电容与防爆问题的解决。目前常采用的消除引线电容的方法有:将电子线路的前级放在靠近传感器的地方，以减少电缆长度和电缆位置变化的影响;采用“双层屏蔽等电位传输”技术殆以及采用相应的测量电路，如藕合电感臂电桥等。由于本设计的传感器探头电容变化量很小，变换电路也十分简单所以考虑采用第一种方法，把V/F电路和电容传感器做成一体，这样很好的解决了引线电容的影响。本设计采用的V/F电路只需一根5V电源线，一根地线和一个信号线就可实现测量和传输，很容易满足防爆的要求。最后，温度对介电常数的影响。由于电容变送器工作在80高温的油罐内部，所以外界温度的变化不会影响油罐内部的温度。即使是油罐内的温度有上下变化，由于对各点温度的影响是相同的，而且系统只需测出介电常数变化的突变点就行了，所以，对整个系统来说，温度的变化不会有很大影响。这是本系统的一大优点。 5.2.5本设计中针对边缘效应和泄漏电容问题的解决； 电容传感器的电容在工作时的电容变化量很小的，往往受到边缘效应的影响和泄漏电容的影响。泄漏电容主要有两