原油含水率检测电路设计

1、分类号：TP212密级： 一般单位代码：107 学 号：_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 V1%，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。关键词：原油含水率；敏感探头；电容传感器；805

2、1The Detect Circuit Design of Moisture content in crude oilAbstract: 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 paper, Mainly Introduced

3、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 ensure full functionality of

4、 the intelligent measurement and to ensure wide range of linear measurement, as well as the systems 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

5、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一电压的转换, 再利用电压一频率转换电路，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，介电常数在2.3左右。而纯水是极性电解质，其介电

6、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 工作特性。输油管线中的流体，虽经搅拌

7、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r，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A，电极长度为h， 2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C】、 C2分别为：2双hln()r(1)(2)电容式传感器的C可视为Cc2的串联，因此:厂 CCC =12C1 + C22K8 8 hz:18 ln( ) + 8 ln()1 r+o 2 r(3)图1电容探头示意图因力与原油含水率有关，因此由式

8、（3）可知，根据测得的电痢可换算出含水率 1 12。1.3温度传感器的工作原理温度传感器选取AD590温度传感器，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：温度每增加1C，它会增加1pA的输出电流。可测量范围-55C至150C。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（-273C）为基准，每增加1C，它会增加1心 的 输出电流，因此在室温25C时，其输出电流1折（273+25） =298四A。AD590基本应用电路如图3所示

9、。图3 AD590基本应用电路C注意事项：Vo的值为Io乘上10K,以室温25C而言，输出值为：10Kx298四A=2.98V。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:AD590的输出电流I =(273+T)!iA(T为摄氏温度)，因此测量的电压V为(273+T) 四Ax10K= (2.73+T/100) V。为了将电压测量出来又务须使输出电流I不分流出来，我 们使用电压跟随器其输出电压匕等于输入电压V。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

10、压V需调整至2.73V。1接下来我们使用差动放大器其输出匕为(100K/10K) x (匕匕)=T/10，如果 现在为摄氏28C，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7。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

11、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引脚功能引脚号引脚名功能18P1.0 P1.78位准双向I/O 口39 32P0.0 P0.7双向8位二态I/O 口21 28P2.0 P2.78位准双向I/O 口10 17P3.0 P3.78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

12、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3 4 8。1. 5 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

13、，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 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

14、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8。 2.测量电路的工作原理2. 1电荷转移法测量电容原理安装在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。V为参考用的基准电压，C为 被测电容，C为参考电容。开关S1、S2、S3可以联动，且由外部集成电路NE 5

15、55 提供的2 kHz时钟脉冲驱动。匕由V在一定时间充电，其充电电荷Q为：Q = CV（4）若将开关连续交替接到相反的一侧C中的电荷移动到基准电容CS上。这时若不 考虑电荷损耗，则：Q = CV0（5）由式（4）、（5）得：V0 = %(6)由式（6）知，输出电压V是频率为2kHz、幅度与C成反比的脉宽信号。 05图5变换电路2. 2电压-频率转换在探头端检测电路中，由C-匕转换电路输出的脉宽信号经3 Hz有源低通滤波器，c使输出变为05 V的电压信号V，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f与V的关系为：CL1uFf = * 2.09 R RC(

16、7)R1，VCH10 0K0. 1 ujLM3310. 01uF-fRL5 1 K3TitleR s5_KSizeN u mb erRevisio nDate:File:Sh eet o f7-Jun-2009C:PR OGRAM FILE SDE SIGN EX PLORErRWn9BSEEX AMP LESMy Desig n1 .ddb5图6电压-频率转换电路当调节R =15 kQ时，V =2.0695 V,即输入信号达到10 kHz满量程。图中R =6.0kQ, C =0.01此以及R =10 kQ均为典型设计值。使用中不用变动，R和R分别是零L 0L 0s点迁移和量程调节电阻，可根据

17、需要调节5 7 9。2. 3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y = f 3),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x所对应的输出值，这就是线性 插值法。设输入值在(气,X +1)之间，则对应的输出值y可由下式求得：y - y + (x - x )ii X - X简化后得：y = y. + K (x-x )式中：K为第i段直线斜

18、率=22孔。x. x.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：y = K +Kx+Kx2式中K0,K；K2为待定系数可用曲线y = f (x)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：01B、C三点很容易求出。(1)式可得m = y，又根据式x = x时y = y，可知:0011y = m + m (x-x ) + m

19、(x-x )(x-x )(8)式中m、m、m根据A、当x = x时，y =，代入m = 441 x - x把m和m代入式(8)得： TOC o 1-5 h z y = y + 1_4o(x-x ) + m (x-x )(x-x )(9)0 x - y 0201把x = x2，y-y2代入式(9)中得y y y y 】 HYPERLINK l bookmark71 o Current Document L 0 m = %-x0 x1 -x0 2 x - x由此可见，利用3个已知点A,B,C的数值求出系数m0,m1，m2后，存放在相应的内 存单元，然后根据某点的x值带入式(8)即可求出被侧值y。以

20、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.整机工作原理电容传感器温度佳感器单 片 机 数 据 进理LED显示如图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。 BA4 .测量系统的总体电路设计NG4L_230 12 3 4 5 6 70 12 3 4 5 6 7P P P P P P P PP P P P P P P P-1 1 I-1DXT

21、NESF RW DRDDDNN_._NGG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C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 V，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

22、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 ；停止定时器T1MOV A，#LOW（-1000+7）； 期望数的低位字节ADD A, TL1 ；进行修

23、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, TH1MOV TH1, ASETB 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 TOC o 1-5 h z 首先给定K个温度值(T ,T,T，,T )测出每个温度点上传感器静态特性曲线 0 1 2K-1在u轴上的截距(U0,匕,U2,., UK)，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J被测物理量，u为输出电压，利用最小二乘法曲线拟合截距u的多项式：u = b +

24、bT + bT2 +. + b Tk(10)012K将b ,b ,b .,b和计算上式的子程序送入内存，温度值T ,T，,T和传感器对应的 0 1 2 K0 1K-1输出电压值u ,u，,u按顺序分配方式存入内存，构成一个线性表，采集数据时，CPU 0 1K-1按线性查找对应温度的电压值u，并按下式计算对应的被测物理量y = (u -U)tga。式中U是温度直线在坐标上的截距，可用线性插值由输入的T求得，a是温度直 线与纵坐标u的夹角7。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。读散T和Li7= tea图13温度补偿程序流程图程序如下:OR

25、G 000H ;程序复位后从000H 单兀开始执行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 单兀开始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 ACCPUSH DPHPUSH DPLMOV R2，#08HMOV R0，#32HDL0：MOV A，R0MOV DPTR，#TABMOVC A，A+DPTRMOV SBUF，ADL1：JNB TI，DL1CLR TIJNC R0DJNZ R2，DL0POP DPLPOP DPHPOP ACCRET0A4H，0