原油含水率检测电路设计

1、分类号： TP212 单位代码：107 密 级： 一般 学 号：1072005014008 本科毕业论文（设计） 题 目：原油含水率检测电路设计专 业： 电子信息工程姓 名 指导教师： 职 称： 答辩日期： 原油含水率检测电路设计 摘要：含水率是原油检测中一重要技术指标，在我国，原油的开采、生产、运输等环节的含水率测量水平还很低。本文主要介绍了一种基于电容式传感器，利用电荷转移法测量原油含水率的工作电路，本设计中含水率测量范围可达到0100%，误差1，线性度好，灵敏度高，稳定性好，漂移小。性能可靠的软件设计既保证系统尽量全的智能化测量功能，又保证宽测量范围的线性化，以及系统的快速响应特性。 关

2、键词：原油含水率；敏感探头；电容传感器；8051The Detect Circuit Design of Moisture content in crude oil Abstract: Moisture content is an important technical indicators in Oil detection. In China, Crude oil extraction, production, transportation and other aspects of measuring moisture content is still very low. In this p

3、aper, Mainly Introduced a working circuit for Moisture content measurement of crude oil. In this paper, Moisture content measuring range up to 0 100%, p <1%, Good linearity, high sensitivity, good stability, and drift small. The design of reliable software systems as much as possible not only to

4、ensure full functionality of the intelligent measurement and to ensure wide range of linear measurement, as well as the system's rapid response characteristics.Key words: water content in crude oil;Sensitive probe;Capacitance sensor;8051石油化工行业中，原油含水率是原油生产和加工过程中的主要计量参数之一，含水率数据的测量是否准确和及时，对原油生产和管理具

5、有极其重要的意义。目前，检测原油含水率的方法很多，有传统的定时取样蒸馏化验的人工方法、射线法、短波法、微波法、电容法等。在原油含水率检测中，电容式传感器以其结构简单、响应快、灵敏度高等优点被广泛使用。运用电荷转移法可实现电容电压的转换,再利用电压频率转换电路,同时应用单片机进行数值转换,最终得到原油的含水率。1测量元件的基本原理1.1电容传感器的探头基本原理 电容传感器的敏感探头是一变介电常数式电容传感器。该探头对被测含水原油的介电常数敏感，而含水原油的介电常数随原油含水率变化而变化，敏感探头置于被测含水原油中，如果忽略原油中所含杂质的影响，可近似看作纯油和纯水的混合物。纯油属非极性电解质，介

6、电常数在2.3左右。而纯水是极性电解质，其介电常数为80左右。显然，原油中含水率的变化将显著影响原油介电常数的变化。将敏感探头（电容传感器）置于含水原油中，原油含水率的变化即转化成敏感探头电容量的变化，电容传感器送出一个和含水率相对应的电信号，由此可以测出原油的含水率。1.2电容式传感器探头的测量机制传统观点认为，用电容式传感器作含水率一次敏感元件，在低含水率段有良好工作特性。当含水率在30%50%范围时，由于大量导电离子水构成两电容极板间的导体，从而失去对含水率的分辨能力。本仪器采用同心套筒电容结构，且在其内电极涂敷钛氟纶绝缘层，消除含水导电效应，使仪器在0100%含水率测量范围均有良好的工

7、作特性。输油管线中的流体，虽经搅拌混合，但流经电容式传感探头时仍为非均匀流体，为使其具有很好的自均流作用，探头与流体方向相对插入，并在外电极板上开均匀分布排列的圆孔。图1是电容探头示意图。电容中心电极半径为，内电极涂氟的绝缘层厚度为，绝缘材料介电常数为，传感器外电极内表面半径为，电极长度为，为混合液介电常数，根据同轴柱状电容器容量计算公式，可得绝缘层和混合液对应的电容C1、C2分别为：（1）（2）电容式传感器的C可视为C1、C2的串联，因此:（3）图1 电容探头示意图因2与原油含水率有关，因此由式（3）可知，根据测得的电容可换算出含水率。1.3温度传感器的工作原理 温度传感器选取AD590温度

8、传感器，AD590温度传感器是一种IC化的温度感测器，它会将温度转化为电流，其规格如下：1. 温度每增加1，它会增加1A的输出电流。2. 可测量范围-55至150。3. 供电电压范围+4V至+30V。AD590的管脚图及元件符号如图2所示。图2 AD590的管脚图及元件符号AD590温度传感器的输出电流值说明如下：其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准，每增加1，它会增加1A的输出电流，因此在室温25时，其输出电流=（273+25）=298A。AD590基本应用电路如图3所示。图3 AD590基本应用电路注意事项：1. Vo的值为Io乘上10K，以室温25而言，输出值为：10K×

9、;298A=2.98V。2. 测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。AD590实际应用电路如图4所示。图4 AD590实际应用电路电路分析：1.AD590的输出电流=（273+T）A（T为摄氏温度），因此测量的电压为（273+T）A×10K=（2.73+T/100）V。为了将电压测量出来又务须使输出电流不分流出来，我们使用电压跟随器其输出电压等于输入电压。2.由于一般电源供应较多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，其输出电压需调整至2.73V。3.接下来我们使用差动放大器其输出为（100K/10K）×（）=T/10，如

10、果现在为摄氏28，输出电压为2.8V，输出电压接AD转换器，那么AD转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。1.4 8051单片机8051芯片是INTEL公司推出的采用HMOS工艺制造的双列直插(DIP)式芯片。8051是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等一台计算机所需要的基本功能部件。引脚功能如表1所示，其片内有4个可编程的程序存储器、具有256个字节的片内RAM、具有32条可编程的I/0端口线、具有2个16位的可编程定时/计数器、有5个中断源和一个全双工串行通信口，最高工作频率可达24MHz，完全可以满足本系统的需要。表1 8051引脚功能引脚号引

11、脚名功能18P1.0P1.78位准双向I/O口3932P0.0P0.7双向8位三态I/O口2128P2.0P2.78位准双向I/O口1017P3.0P3.78位准双向I/O口40VCC接+5V电源20VSS接地19XTAL1接外部晶体的一个引脚18XTAL2接外部晶体的另一端9RST/VPD复位信号输入端30ALE为地址锁存信号29PSEN程序存储允许输出控制端31EA/VPP内/外程序存储器选择控制端8051有2个16位计时/计数器寄存器。作为一个定时器，每个机器周期，寄存器增加1，这样寄存器即可为计数机器周期。因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。作为一个计

12、数器，该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1。由于需要2个机器周期来辨认一次1到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门。15 74LS164单片机采用74LS164与单片机连接，进行I/O口扩充，并通过74LS164与LED连接达到显示的目的。74LS164是8位串入并出移位寄存器，当单片机串行口工作在方式0的发送状态时，串行数据由P3.0（RXD）送出，移位时钟由P3.1（TXD）送出。在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入74LS164

13、中。需要指出的是，由于74LS164无并行输出控制端，因而在串行输入过程中，其输出端的状态会不断的变化，故在某些应用场合，在74LS164的输出端应加接输出三态控制 。其传输方式采用串行口方式0的数据传送，可采用中断方式，也可采用查询方式，无论哪种方式，都要借助于TI或RI标志。串行发送时，可以靠TI置位（发完一帧数据后）引起中断申请，在中断服务程序中发送下一帧数据。在串行接收时，则由RI引起中断或对RI查询来确定何时接收下一帧数据。无论采用什么方式，在开始通讯之前，都要先对寄存器SCON进行初始化。在方式0中，将00H送SCON就可以了。2测量电路的工作原理21 电荷转移法测量电容原理安装在

14、输油管道内的传感器电容变化量很小，一般在几十到几百pF范围，因此，电容测量电路要求具有0.1pF的分辨率，且要求有良好的零点和长期工作稳定性。电荷转移法的电容转换电路的特点是漂移小，测量准确度高，稳定性好，并且几乎不受并联漏电阻的影响。图5所示为将电容上的静电容变换成电压的电路。为参考用的基准电压，为被测电容，为参考电容。开关S1、S2、S3可以联动，且由外部集成电路NE 555提供的2 kHz时钟脉冲驱动。由在一定时间充电，其充电电荷为：（4）若将开关连续交替接到相反的一侧，中的电荷移动到基准电容上。这时若不考虑电荷损耗，则：（5）由式（4）、（5）得：(6)由式（6）知，输出电压是频率为2

15、kHz、幅度与成反比的脉宽信号。图5变换电路22 电压-频率转换在探头端检测电路中，由转换电路输出的脉宽信号经3 Hz有源低通滤波器，使输出变为05 V的电压信号，送至LM331电压-频率转换芯片。如图6所示。其输出到8051计数器T1端的频率与的关系为：（7）图6电压-频率转换电路当调节=15 k时, =2.0695 V，即输入信号达到10 kHz满量程。图中=6.0 k，=0.01F以及=10 k均为典型设计值。使用中不用变动，和分别是零点迁移和量程调节电阻，可根据需要调节。23 温度补偿的工作原理温度变化给传感器实际测量带来的误差表现在传感器的输入输出特性曲线上产生非线性变化。为解决这样

16、问题，必须使问题简单化，找出它们之间的关系，建立对应的数学模型，传感器特性曲线,如图7所示。图7 传感器特性曲线可以把曲线按一定要求分成若干段，在此设分成n段，然后把相邻两段点之间的曲线用直线近似，这样可以利用线性方法求出输入值所对应的输出值，这就是线性插值法。设输入值在之间，则对应的输出值可由下式求得： 简化后得：式中: 为第段 直线斜率=。从上式可知，只要n取的足够大就可获得良好的精度。图8 修正曲线若传感器的输入和输出之间的特性曲线的斜率变化很大，采用线性插值法，误差就很大，这时可采用二次曲线插值法，用此曲线代替原来的曲线，如图8所示。曲线方程为一元二次方程，一般形式为：式中为待定系数可

17、用曲线的三个点A,B,C的二元一次方程组求解，这就需要解联立方程组，计算较复杂，列出的程序比较复杂，应此可以用另一种形式： （8）式中、根据A、B、C三点很容易求出。 当时，代入（1）式可得，又根据式时，可知： 把和代入式（8）得： （9）把，代入式（9）中得 由此可见，利用3个已知点A,B,C的数值求出系数后，存放在相应的内存单元，然后根据某点的值带入式（8）即可求出被侧值。以上是对传感器建立温度误差的数学模型，用此模型可实现传感器温度补偿。3整机工作原理图9 总体框图如图9所示，通过电容/电压，电压/频率的转化，通过测量频率的变化来得到检测电容变化的目的。同时，温度传感器AD590将原油即

18、时温度进行A/D转换后送到单片机对原油含水率进行温度补偿。这样原油含水信号通过自身特性曲线修正和温度补偿曲线修正，保证了该原油含水检测仪器的精度。4测量系统的总体电路设计图10 测量系统电路图总体电路图主要有5部分组成，分别是：C/V转换模块、V/F转换模块、温度补偿模块、单片机模块还有数码显示模块。利用C/V转换模块将被测电容量转化为电压输出。将输出电压是频率为2kHz、幅度与成反比的脉宽信号经3 Hz有源低通滤波器，使输出变为05 V的电压信号，送至LM331电压-频率转换芯片实现V/F转换，将获得的频率信号送到8051计数器T1端。另一部分，利用温度补偿电路测得外界温度的变化，将转化得到

19、的电压信号进行A/D转换，将转换得到的数字信号输入到单片机的P1.0P1.7口，由单片机实现温度补偿。5原油含水率检测系统的软件设计5.1测量系统的软件设计利用单片机外部脉冲触发INTO和定时器T0、T1，通过硬件电路的转换，在软件的控制下即可得到与C对应的f。测量软件流程图如图11所示：把振荡脉冲输入到INTO端，在主程序里启动T0（设置为16位计数方式），T1(设置为定时方式)，在定时T1结束时刻停止T0计数，读取TH0和TL0的值，同时把T0清零进入下一次测量。转换16进制位十进制即可得到f值，即对应C的值。图11测量软件流程图程序如下：CLR EA ； 禁止所有中断CLR TR1 ；

20、停止定时器T1MOV A，#LOW(-1000+7) ； 期望数的低位字节ADD A，TL1 ； 进行修正MOV TL1，A ； 重装载低位字节MOV A，#HIGH(-1000+7) ；对高位字节处理ADDC A，TH1 MOV TH1，A SETB TR1 ； 重启动定时器SETB EA ； 重开中断5.2温度补偿系统的软件设计首先给定K个温度值()测出每个温度点上传感器静态特性曲线在u轴上的截距(),每个温度点上传感器特性曲线的数据要精确，必要时应在恒温箱内进行，这需要较大的工作量，如图12所示。图12 温度补偿曲线图中被测物理量，为输出电压，利用最小二乘法曲线拟合截距的多项式： （10

21、）将和计算上式的子程序送入内存，温度值和传感器对应的输出电压值按顺序分配方式存入内存，构成一个线性表，采集数据时，CPU按线性查找对应温度的电压值，并按下式计算对应的被测物理量。式中是温度直线在坐标上的截距，可用线性插值由输入的求得，是温度直线与纵坐标的夹角。按图13流程编制补偿程序，并作为子程序与监控程序一并使用，以便采集数据时按流程图自动温度补偿。图13温度补偿程序流程图程序如下：ORG 000H ; 程序复位后从000H单元开始执行JMP START ; 执行跳转指令ORG 004H ; 中断入口JMP ISR_0 ; 跳转到中断子程序ORG 020H ; 伪指令，程序位置从020H单元

22、开始START: NOP ; 空操作MOV A,0FH ; 给A 赋0FH内容CALL TEST ; 调用子程序TESTLOOP: NOP ; 空操作JMP LOOP ; 跳到LOOP，执行死循环.5.3 显示电路显示采用4位共阳LED静态显示方式，显示内容有距离的十位、个位、十分位，百分位，这样可以只用P3.0（RXD）口来输出显示数据，从而节省了单片机端口资源，在P3.1（TXD）的控制下通过74LS164来实现4位静态显示。就是每一个显示器都占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因

23、此，使用这种方法单片机中CPU的开销较小。显示程序如下：DIR： PUSH ACC ；保护现场PUSH DPHPUSH DPLMOV R2，#08H ；显示8个数MOV R0，#32H ；显示缓冲区地址送入R0DL0： MOV A，R0 ；取要显示的数作查表偏移量MOV DPTR，#TAB ；指向字形码MOVC A，A+DPTR ；查表得字形码MOV SBUF，A ；发送显示DL1： JNB TI，DL1 ；等待发送完一帧数据CLR TI ；清标志，准备继续发送JNC R0 ；更新显示单元DJNZ R2，DL0 ；重复显示所有数码管POP DPL ；恢复现场POP DPHPOP ACCRETTAB D