油水界面检测

摘要原油刚开采出来的时候并不纯，而是带一些水分的，需要在加工过程中进行油与水的分离。因为水与油的密度不同，在重力的作用下，原油储罐中的水会与油分开，水在下，油在上，这样就产生了油与水的分界面，再通过把水层和油层分别引出的方法，就能实现油与水分离的目的。为了更好的把控整个油水分离过程，就必须对整个过程进行精密、准确的实时测量，掌握最精准的数据。国外虽然有一些精密的设备能够更好的实现这一目的，但是其高昂的价格却让人不得不低头，在国内，现今使用的还是比较原始的方法，目前已经有很多专家学者提出把传统的电容传感器改为一种新式的分段式电容传感器来提高精确值。本文向大家介绍整个油水分离系统的结构组成，以及目前国内在此系统中一些硬件、软件方面的设计，并详细论述小电容的精确检测方法及信号检测、处理电路的设计，分析一些目前国内专家学者所做实验的实验数据，探讨分段电容传感器在今后我国原油的油水分离中的前进意义。关键词：油水界面；分段式电容传感器abstractWhencrudeoilisnotjustpuremined，Butwithsomeofthemoisture，Separationofoilandwaterintheprocessneedstobe，Becauseofdifferentdensitiesofwaterandoilgravityofcrudeoilstoragetanksinthewaterwiththeoilseparated，Inthefollowingoilandwaterintheabove，Thisproducesoilandwaterinterface，Thenthroughthewaterandoilwereexportedmethods，Willbeabletoachievethepurposeoftheseparationofoilandwater。Inordertobettercontroltheoilandwaterseparation，hewholeprocessmustbepreciseandaccuratereal-timemeasurement，Masterthemostaccuratedata。Althoughtherearesomesophisticatedequipmentabroadarebetterabletoachievethisgoal，Butitshighpriceisunacceptable，Inthecountry，Currentlyinuseisstillrelativelyprimitivemethods，Therearealreadymanyexpertsputforwardthetraditionalcapacitivesensorstoanewkindofsegmentedcapacitancesensortoimprovetheprecisionvalues。Inthispaper,weintroducethestructureoftheentireoilandwaterseparationsystem，Andthecurrentdomesticdesigninthissystemsomeofthehardware,softwareaspects，Discussesindetailthedesignofasmallcapacitorandthesignaldetectingprecisiondetectionmethod,theprocessingcircuit，Somecurrentexperimentaldataanalysisexpertsandscholarshavedoneexperiments，ExplorethesignificanceofsegmentedcapacitancesensorinthefutureofChina'scrudeoilandwaterseparationinthe。Keywords:oil-waterinterface;segmentedcapacitancesensorTOC\o"1-3"\h\u25338第一章绪论 569641.1油水分离界面检测的当今背景以及意义 5289651.2几种常用油水分离界面检测方法介绍 574621.3本文的主要内容 721143第2章原油加工过程以及目前国内对电容式液面检测法的研究成果 8320232.1生产中原油分离过程 8306052.2目前国内对电容式液面检测法的研究 919196第3章新型分段电容传感器的优势 11138643.1传统的电容传感器 11313403.1.1传统的电容传感器的检测原理 11147753.1.2传统电容传感器的弊端 12161963.2分段电容传感器 13279713.2.1分段电容传感器的检测原理 13195843.2分段电容传感器结构图 14172943.2.2分段电容传感器与传统电容器相比的优越性 1528360第四章系统硬件设置 1740604.2极板阵列控制电路 1821824.2.1电路的设计 18323274.2.2多路模拟开关的选择 18254674.3微小电容检测电路设计 19285214.3.1正弦波发生电路 19113104.3.2C/V转换电路 22232014.3.3相敏解调电路和低通滤波器 23198874.3.2低通滤波器 24131234.3.4减法器和参考电压电路 24226504.3.5缓冲器 27287794.4数据采集及处理系统 27137044.4.1C8051F005单片机简介 2752004.4.2单片机资源的应用 28119824.5显示及键盘控制电路 29141514.5.1显示模块 29247534.5.2键盘控制模块 3131711第5章系统软件的设计 3210945.1单片机检测程序 32155355.1.1主程序 32164615.1.2系统初始化 3225155.1.3正弦波激励 33243955.1.4零点参数的设定 34315415.1.5非易失存储器的存取 34315375.1.6数字滤波 35179245.1.7油水界面高度判断的算法 35295455.1.7.1界面粗测 36140955.2PC机程序 41267045.2.1PC机串行通信 412265.2.2上位机界面 42

第一章绪论1.1油水分离界面检测的当今背景以及意义石油能源在世界的地位越来越高，现如今，石油能源已经被经济企业、经济部门所广泛的使用在居民的日常生活中，在一定程度上，可以说石油工业的水平代表这个国家的现代化发展水平。但是现有的石油开采量远远不能满足世界60亿人口的生活、生产需求，而且现有的石油开采技术也使得原油的开采量大打折扣，还造成很多资源浪费，鉴于此，研究如何提高原油开采率，降低原油浪费，改善开采技术已成为很多科学家的主要课题。众所周知，石油从发现到被使用到工业中要经过一系列的步骤：开采、分离、提炼等步骤一个不能少，在这些步骤过程中，仅仅就开采一项就需要很多繁杂工序，实际上，原油开采的时候，会带出大量的水和气，同时还有少量泥沙，这样的原油并不是我们实际所需要的，要使用相关技术对这种混合油进行分离处理，沙石与油的分离相对较为简单，然而油和水的分离就不是那么简单了，这里就出现了相关的油水分离技术。要分离油中的杂质，原油要被输送到油田脱水站，脱水站使用高温分离罐对油进行高温处理，静置48小时后，油就会在分离罐中分成几个界面，最下面是水和泥沙，中间为油和水，上面为气和油。这时，就要通过精确计算、测量油和水的分界面，这样才能放出分离罐中不含油的水，这是一项需要很严谨、认真去操作的环节，如果测量不准确，分离后的油中水分太多，容易造成炼厂冲塔事故；如果分离后将太多的油连同水放掉容易造成资源浪费和环境的污染，因此，油的分离过程对每一个开采场都是十分被重视的。截止到现在我国已经有一些专门运用于检测油水界面的仪器，但是这些仪器中很多技术都的运用率都还很低，还需要继续开发研究，外国虽然有一些较为先进的仪器，能够在一定程度上提高油水界面的检测效果但是其高昂的价格让人望而却步。鉴于以上种种原因，研究和开发出一种效率、精确度更高的鉴定原油中油水界面的仪器对世界尤其是国内的油田开采具有重大的意义。1.2几种常用油水分离界面检测方法介绍伴随着科技的发展，人们对原油中油水分离界面检测技术越来越关注，而且随着各种高新技术，如：雷达、微电子、超声波、光纤以及其他各种高新技术传感器等的快速发展，各式各样的新的检测技术也源源不断的出现。目前各种光纤式、压力式、浮力式超声波式的计量和仪表已经广泛运用到各式各样的油罐中，随着这些高新检测技术的引入，使得油水检测到达一个高精度、多功能全新的境界。然而这么多高新技术确实各有千秋，任何一种技术或者仪器都不能被另外一种技术或者仪器完全取代，他们都有自己的长处和短处，下面对这些油水界面检测方法分别进行简述：压力差值式界面检测方法水的密度与油的密度相差很多，密度不同相应的压力也就不同，这就可以对油罐中的每个位置的油水混合物进行压力测量来推算出这个位置的混合物的密度，从客观角度上来说，通过这种压力检测，不仅可以测量出油罐中的油中含水的位置，还可以通过一定量的计算得出这个位置的含水量，但是，到目前为止，市面上的一些压力检测仪器很难测出计算所需要的精确数字，并且，由于破乳剂、矿化度等各种聚合物的干扰，水和油的密度相差变小，同时，仪表很难实时的补偿出油的一直变化着的密度。浮子式界面检测方法将浮子与特定的弹簧马达连在一起，并将这种特定的浮子放在油罐中的油水中，当油罐中的浮子随着界面有上下改变时，与浮子相连着的弹簧马达也相应的做出正反转，通过这种方式就将油罐内的界面高度体现在弹簧马达上，弹簧马达将这种改变转换成电信号进一步处理。在一些比较大的油罐中，还需要加装钢丝。浮子式界面检测方法的优点在于方法简单且精度较准，但有些原油粘度比较大，使得浮子检测精度大大降低，并且打的油罐中加装的钢带会因为油水页面的波动而断裂，维修非常不方便，因此，浮子式虽然在一定程度上较为简便使用，但是长期用不好维护。磁致伸缩式界面检测方法运用磁致伸缩效应，使用带有磁致伸缩线的传感装置去检测，这就是磁致伸缩式界面检测方法。工作原理为检测仪与浮子共同工作，检测仪发出低电流脉冲，低电流产生磁场，此时浮子随着油罐内的油水界面而不断波动，这是，浮子内安装的磁铁所产生的磁场与电流磁场相遇，碰撞出波导扭曲的脉冲，通过两次脉冲发生的时间来确定浮子的位置，进行油水界面检测。磁致伸缩式界面检测方法的有点为稳定性好，精确度高，是无损伤性检测，但是其同样存在缺点，其缺点与浮子式界面检测方法一样原油粘性高的时候其精确度大大降低。（4）超声波探测式界面检测方法油罐中油水混合物中油和水的密度不同，超声波在其中的传播速度也不同。超声波探测式界面检测方法就是将超声波仪器：发生器和接收器放到油罐中，利用传播速度的诧异来判定油水混合物界面，这种方法同样有自己的优缺点，优点是不像其他方法那样会挂油，缺点是因装置的原因导致精度不高。光纤技术界面检测方法美国是利用光纤检测油水界面最多的国家，在此方面的研发专利也是最多。光纤技术界面检测法利用的是介质折射率不同导致光纤在里面的传输功率也不同的特点。光纤式界面检测法的优点很多：体积小、灵敏度高、范围大，但是它与其他接触式测量一样，也受外界环境的影响而导致精确度降低，但是光纤式法适合在易燃易爆场合进行测量。电容式界面检测方法电容式界面检测方法适用在圆柱型的金属容器中，立电极于金属圆柱中间，这样就与金属壁形成电容器。在金属油罐内部，上层为油下层为水，两种电介质呈并联状变为两种电容器，合成一个电容，容量公式为：式（1.1）中，为真空介质电常数，是水的想对介电常数，为油的相对介电常数，L为柱型金属容器的高度，D为外径，d为内径。通过此公式，可得到金属油罐中油水位置。电容式界面检测方法的有点在于精确度高、灵敏性强，缺点为受外界因素干扰程度大，且整个仪器的价格相对高。随着时间流逝，各项科技技术的有效发展，油水界面测量仪器中的技术现在到达自动化的高度，精度也越来越高，功能也越来越自动化、一体化，特别是在微处理器技术引进之后。这大大的提高了我国原油开采中油水界面检测技术，使得我国原油开采实现质的飞越，但是发达国家相比，我们的技术还是相对弱后的，因此，我们还有很长一段路要走。1.3本文的主要内容（1）对目前我国以及其他发达国家中常用的原油开采黄总液面检测技术以及原理进行较为详尽的分析，对比优劣。（2）从各方面对目前各专家学者提出的电容式界面检测方式进行分析，介绍小电容的精确检测方法及信号检测、处理电路的设计，并分析其可行性。第2章原油加工过程以及目前国内对电容式液面检测法的研究成果2.1生产中原油分离过程为了更好的解释整体，带大家看看原油生产最初过程。原油的发现到最后的使用，这个过程兵不像想象的那么简单，而是经过一系列繁杂工作程序得来的，原油开采出来后要经过采油站，中转站，联合站，一级分离罐，中间罐，脱水泵，二级分离罐，成品罐，采油站要计量原油，中转站负责初步分离，联合站负责计量、加热，一级分离罐负责沉降分离，中间罐负责脱水，二级分离罐进行最后加工，其中二级分离罐的温度比一级分离罐更高200摄氏度左右，一级分离罐为600摄氏度左右，二级分离罐为800摄氏度左右。油水检测技术需要在一级分离罐和二级分离罐中使用，两个分离罐的高度大约都在13m左右，如图所示，罐顶端有溢流孔，底部有排水孔，当原油进入罐中时，经过一定的时间的分离，加上重力、破乳剂等的影响，在理论上能形成一个油水分界面。图2.1油水分离罐工况图整个工序解释起来相对简单，但是实际操作确实一个非常复杂的过程，因为上述所说的分离实际上是一个理论上的分离状态，现实中原料、破乳剂等带来的影响，使得原油在分离罐中并不呈现理想的分离状态，而是会多出一个油水分离过渡层，也就是所谓的乳化层，乳化层的含水率根据离水层距离变化而变化，离水层近的含水量高，电常数就高，离油层近的含水量低、，则电常数就低，变化趋势最大可达到80最小可达到，正是这原因，使得油水界面检测变得更加复杂更加需要技术含量。2.2目前国内对电容式液面检测法的研究本文展现的是电容式液面检测法，优点在于可以根据分离罐中的每对电容极板的值，用差分法计算油罐中结蜡造成的误差，不需要知道分离罐中没个地方介质的电介常数。电容传感器、控制、检测、显示、通信等单元组成一个较为完善的分离罐的原油油水液面检测仪器。具体工作流程如下：油水混合物经过处理后放在分离罐中，先入一级分离罐再入二级分离罐，观察油水混合物的界面到达指定位置后，停止倒入，进行静置，在一定时间的静置后，油水混合物会形成三层：油、水、空气，分层好之后，单片机、油罐中的电容极板开始工作，单片机接收C/V转换电路处理后再次经过A/D转换形成的信息，单片机处理接收到的信息，传送至显示装置，同时传送至计算机进行进一步计算。这样，最终接收到信息的计算机就可以在远端得到油罐中的高度信息，分层信息，进行自动控制。图2.2系统总体设计结构模型

第3章新型分段电容传感器的优势3.1传统的电容传感器传统的电容传感器在界面检测中使用的理论依据是，原油在油罐中分层后，不同的介质具有不同的介电常数，并且是在同一个油罐中，可以排除其他因素的干扰，这样就可以利用电容传感器测出油罐中每个位置的介电常数，进而掌握油罐中的分层情况。但是传统的电容传感器在实际使用中具有很多局限，这就为分段电容传感器的研究奠定了基础，本文从传统到新型的分段电容传感器逐步为大家介绍传感器在油水界面检测中的使用。3.1.1传统的电容传感器的检测原理传统电容传感器，依赖一根完整的检测电极来检测油罐内的液面分层情况。（如图3.1所示）。图3.1传统电容传感器使用方法当油罐内分层好后，在同一种介质中，电容值计算公式为：(3.1)式中为介质的介电常数，为真空介质常数，为相对介质常数，D为罐的内径，d为检测电极的外径，为检测电池的长度。在图3.1的原理图中，把聚四氟乙烯套在检测电极中以起到绝缘的作用，在原油还没有倒入油罐的时候，整个油罐内部环境构成一个检测系统，整根就是电极覆盖长度。当油水倒入后，水位高，则导电液体就是电容的另一极板的一部分。在高度范围内，作为电容外电极的液体部分的内径为，内电极直油层高度为-，由公式可知，在D、d、不变的条件下，电容大小与罐内介质的介电常数成正比。介电常数改变，电容值就会发生变化，这时电容的计算公式为：（3.2） 其中：（3.3）（3.4）为高度的介质1产生的电容，为高度为（-）的介质2产生的电容，为介质1的想对介电常数，为介质2的想对介电常数，由公式（3.2）可见，总电容与介质1的高度呈线性关系，只要检测出的大小。就可以算出的值。3.1.2传统电容传感器的弊端在检测的时候，理论上可以根据原油和水的介电常数不同来检测油罐中油水的分层情况，因为原油的介电常数大概是水的介电常数的四十分之一，水位80左右，油为2.3左右，但是再操作的时候，遇到诸多困难：首先是原理性的误差，也就是无法避免的误差，原因是传统的传感器对介电常数的要求很高，不能发生范围以外的变动，但是再野外条件艰难的地方，开采出来的油受温度、成分等个方面的因素影响，介电常数变得不稳定，这样，最后测量的变化与预期相差很大，所最终得到精确度也大打折扣，不够理想。（2）乳化层的影响。乳化层中油水的分离并不清晰，而是一个逐渐过渡的过程，这样就无法确定乳化层的电介质常数，进而通过电介质常数计算的传统的电容传感器也就无法精确得出乳化层的位置，只能得出近似界面，所以如何处理乳化层测量得出的数据也是一大难题。（3）长期使用电容器粘滞滞留带来的误差。长期在粘度高的原油中使用传统电容传感器一些含蜡高的介质容易在电极板或者油罐内壁中形成滞留，被测液体会因为这些蜡块儿而引起电介质的常数发生变化，这也直接影响了最后的测量结果，影响测量的精确度。3.2分段电容传感器3.2.1分段电容传感器的检测原理分段电容传感器很好的解决了传统电容传感器遇到的困难。分段电容传感器里面有很多小的、相互孤立的电容传感器，不再像传统电容器那样用一根电容器去测量，同时分段电容传感器在极板方面也做很大改变，不使用分离罐壁作为极板的另一端，而是使用小电容器的极板，这样就形成了很多个小电容器来共同测量油水界面。3.2分段电容传感器结构图本课题研究的是十个极板的，相邻的两个极板，一个起激励作用，一个起接收作用，共同组成一个电容，这样就有九个电容值（共组成九个极板对），就是这样的一个改变，将原来落后的那种使用一根检测电容的方式改为现在的相同长度的从上到下的十个检测电容（图上标明的十段，实际需要的时候可以根据实际需要增加或者减少），这些检测电容是相互独立的却又相互协调工作的小液位计，共同来检测总量程的全液位，图3.2显示，除了最上面的电容传感器以外，下部的所有的电容传感器有的充满了原油，有的充满了矿物质，有的充满了水，但是不管哪种全部除了最上部的那个以外，其他的都有充满介质，从图3.2中很容易看出，C2、C3、C4、C5、C6全都都被原油所填满，因此，又因为他们所处环境相同，并且电容的间距、电容的大小等都是一样的，所以容易推断出：C6≈C5≈C4≈C3≈C2；又根据图3.2容易得出在C8、C9、C10中满满的都是介质水，所以又容易推出C10≈C9≈C8工作时，以单片机为主体，进行切换电容、C/V转换、采样，油罐中的液面分布从上到下分别为空气、油、乳化层、水层，如图3.2四个区域的分层情况可以很好的根据分段电容显示出来。每个传感器的接线划分均以传感器中间位标准，这样根据传感器的测量数据就能有效得出在油罐中的分层情况（不同介质的电介质不同），再通过相应的计算，就能算出油罐内每个介质的高度，对于油水界面高度表示为：H=3+（3.5）对于分段电容传感器，分段电容的区域宽度与传感器的制作工艺有关，因此式中的就比较固定，得到的数字较为精确，这样与传统的电容传感器相比克服了许多困难，现在对于油水界面的检测问题，即怎样的精确的去求得，继而如何解决H精度和的问题成为关键。根据图3.2，首先要解决的问题是判断需要检测的油水界面究竟在哪个区域，这个可以根据相应的数字进行推断，因为空气的和水以及原油的介电常数不同，空气的约为1，水的为空气的80倍，约为80，原油的介电常数为水的两倍到三倍，约为2.3~3.0，根据这些信息，容易判断在图3.2中每个电容区的电容值关系为：C1<C2≈C3≈C4≈C5≈C6<C7<C8≈C9≈C10，这个过程共发生两次突变，分别在两个界面相交处，第一个界面相交处是原油和空气，第二个界面界面相交处是油和水。是需要通过各种计算得出的一个数值，通过上述的分段电容检测器可以检测得到C1~C10的电容值，检测出相应的电容值之后，将所需要计算的C2~C6代入公式3.3，前面已经介绍。因为公式3.3中的除了以外的其他的因素均为条件一样的常数，所以计算出来之后得到相对应的6个相关的数值，这个就是C2~C6中每个分段电容中检测到的介质的介电常数，通常，为了提高检测到的数值的准确性，将前面计算得到的六个进行取平均值，得到。再次利用公式3.3以同样的办法仪C8、C9、C10为条件求的所需要的平均数值，这样，将计算求得的、代入公式3.2中得出所需要的油水检测液面的高度H=3。利用这种分段电容式检测法的出的结果，牢牢的将误差控制在图3.2中油水界面的C7段，这样分段电容的优点就充分显现出来，解决了原来一根电容检测而不能解决的水和油的因距离油水界面的距离不同而介电常数不同而带来的误差，以一种实时检测水和需要测量的原油的介电常数并且巧妙的先优化检测的数值再计算的组合方法，提高最终测得的数字的精确值，对原油开采中油水界面检测有很重要的额意义。3.2.2分段电容传感器与传统电容器相比的优越性分段电容传感器精度更高，因为传统电容器在实际使用中，电容电压受实际因素影响大，不会呈现理想的线性关系，而分段电容克服了这点。有效克服乳化层对界面检测的影响。乳化层中油水的分离并不清晰，而是一个逐渐过渡的过程，这样就无法确定乳化层的电介质常数，进而通过电介质常数计算的传统的电容传感器也就无法精确得出乳化层的位置，分段电容很好解决这一难题，小电容在工作时相当于将油罐中的油水分界面进行一个一个微小而复杂的等效平均，这样测量得来的数据就符合油水界面检测的要求。分段电容也能有效解决长期使用电容器粘滞滞留带来的误差。长期在粘度高的原油中使用传统电容传感器一些含蜡高的介质容易在电极板或者油罐内壁中形成滞留，被测液体会因为这些蜡块儿而引起电介质的常数发生变化，在分段电容具体的使用时，分段电容不会像整根电脑那样出现数据误差，只是表现为电压极板不正常，进行逻辑判断即可排除。

第四章系统硬件设置几个模块共同组成整套油水界面检测系统，如下图4.1所示。可以从五个主要模块来分析以上框图：电容检测传感器及信号转换这个模块的主要作用是设计出可行的检测方法，在具体检测时，由单片机控制10段传感器的其中一对极板对接入电路，正弦波发生器激励激励极板，C/V转换电路转换接收极板收到的信号，相敏解调器解调接收极板收到的信号和正弦波激励，输出直流、二倍频信号，最后，单片机接收低通转换的信号。单片机采样、通信模块一检测到并通过转换给单片机的电压信号，单片机通过数据处理，计算液位值，连同收到的电压值一起传给上位机，这样，将单片机与上位机衔接起来。上位机上位机与下位机通信，发出要求数据传输的命令，后者接收命令发出相应数据，上位机接收数据，进行相应的数据处理，上位机工作人员通过人机交界面知道数据，并做出相应的判断，并把相关判断通过上位机反馈给下位机。控制单片机根据油罐中的液位值，若达到要求，发出电压信号，V/I转换成电流信号后，接收到电流信号的油罐阀门控制系统将会关闭阀门，对油罐中的油水进行控制。显示油罐内的液位值，将从两个方面被显示出来，一是以发光柱的形式显示，二是直观的以数字形式在数码管中显示，两者结合，共同为油罐内的液面高度提供便捷的观察途径。4.2极板阵列控制电路4.2.1电路的设计串行检测和并行检测两种方案都适用于此次的10极板分段电容的检测，两种检测方案都有优缺点，并行检测法结构复杂、花费相对较高，不适用与此次检测，串行检测法虽然不像并行检测法那样每块极板都有自己的C/V转换，是10极板电容检测共用一个C/V转换电路，实时性不如并行检测，但此次检测不需要高实时性，对速度要求不高，并且，串行检测法中各支路相对紧密，不易造成其他影响，且价格相对低廉，所以，本次检测采用串行检测法。采用串行检测法，既在一个C/V转换的极板对中，激励、接收极板可以相互对换，10极板的相互切换需要一个极板阵列控制电路来控制，具体如图4.2,图中的4片模拟开关，分别作为基数、偶数的极板激励和极板接收，激励与接收的切换由极板中的模拟开关控制，具体布线需要谨慎，模拟开关的400k的高频信号有可能相互干扰，实际布线要把激励和接收尽量分开，不要让两条线平行，布线完毕之后覆盖铜，提高测量结果的精确度。4.2.2多路模拟开关的选择多路模拟开关控制此次检测极板对的转换，一个极板对中，两个极板分别为激励和接收极板，这需要模拟开关的控制。市场上的模拟开关各式各样，选择时需符合以下几个性能：（1）多路开关通断方式的选择不选用市场上常用的断先通后的多路开关，因为此次检测的程控增益放大器目的是改变放大器的增益，不需要像自动数据采集那样考虑发生通道短接现象，选用先通后断的多路开关，保障放大器的正常工作，保证电路的正常工作。通道数量选择有合适通道数量的集成模拟开关，减少通道之间的相互干扰，因为在集成开关控制一路工作时，其他通道会以高阻的形式继续工作，这样高阻状态产生的泄漏电流会对传输信号的精确度产生直接的影响，所以选择合适数量通道数量的开关也是减小误差的重要步骤。泄漏电流一般的开关在断开和导通时并不是像理想那样电阻无限大或者电阻为零，而是存在约为1nA的漏电流，在信号源内阻很高的情况下就要对模拟开关的漏电流提成特别要求，以提高精度。开关速度在特别的情况下，开关的切换速度也对实验结果具有一定影响，开关速度，既要满足满足处理快信号，还要考虑适应后级电路的A/D转换器。消除抖动引起的误差多路开关的抖动可能会使测得的结果产生很大误差，因为多路模拟开关不可避免的也会像机械开关那样才生抖动过程，多路开关切换时抖动后还未稳定下来就会传送数据，如果这时将抖动的数据作为最终数据就将造成误差，一般解决的办法有从硬件和软件两个方面进行，即用滤波器和延时采集来解决。根据以上5项指标，本次检测油水界面将采用Maxim公司生产的MAX306模拟开关。此模拟开关导通电阻小（具体<100），漏电流小,（一般漏电流为0.02nA），开关切换时间快（一般为40ns），各项指标符合要求。4.3微小电容检测电路设计由模拟开关控制接入的极板对，正弦波激励激励极板，C/V转换接收极板的信号为电压信号，下个流程，相敏解调器解调激励极板和接收极板的信号，输出的两个有用信号其中一个为二倍频信号。单片机接收由低通等转换的信号，整个检测过程大致如此。4.3.1正弦波发生电路激励源是基于DirectDigitalSynthesizer（简称DDS）分频器的一个可调正弦波，DDS芯片的幅值、频率可调，DDS通过平率控制字的频率来控制最终需要的频率，DDS的工作优点主要集中在两个方面，第一，频率因为频率控制字的宽度宽而变高；第二，跳频速率相对于其他同类型芯片更高。4.3.1.1DDS芯片的选用综合考虑，ADI公司的AD9833款的可编程发生器符合条件，这款低功耗发生器能够产生多种波形，满足此次设计要求，另外，AD9833调节简便，不需要从芯片外接入其他元器件，所需要的输出频率可由编程控制，AD9833芯片的将不适用模块的休眠功能同样很便捷，AD9833还具有以下特点。频率寄存器位数28位主频时钟25MHz工作电压范围2.3V~5.5V输出频率范围0MHz~12.5MHz可输出波形正弦波、三角波、方波是否需要外界接口否温度范围零下40摄氏度~105摄氏度串口最高频率40MNzAD9833芯片集成性强，高达12.5MHz的正弦波只需要一些低精度的电阻器、去耦电容、参考时钟，由电压调整器、相位调节器、频率调节器、数控振荡器构成内部电路，相位寄存器和加法器构成AD9833芯片的核心。输出正弦波频率为：（4.1）公式中外部编程给定M频率控制字的值，范围为。4.3.1.2正弦波波发生电路的设计正弦信号发生电路如图4.3图4.3正弦信号发生电路图4.3中，因为输出频率和相位噪声的要求，需要图中20M有源晶振的稳定作用，端口添加去耦电容避免波形失真，AD9833输出电压达不到激励条件，需要放大电路放大电压，满足激励电压要求。图4.4频率为5k的正弦波图4.5频率为50k的正弦波4.3.1.3放大器的选用激励源小信号需要经过放大才能实现激励作用，为使最终数据能减小硬件误差，对放大器的选用也有很多要求。此次检测选用ADI公司的OP37放大器，具体特点如下：低噪声低漂移转换率增益宽带63MHz低偏置输入电压开环增益1.8万OP37的各项数据符合此次电路设计的放大要求和精确要求，所以电路中的放大器均使用ADI公司的OP37放大器。4.3.2C/V转换电路4.3.2.1C/V转换电路的性能要求电桥法、交流激励法等微小电容检测方法各有各的优缺点，下面简述C/V转换所需要的条件。油水界面检测对电容检测的要求极高，因为电容变化小、杂散电容大，，不容易被检测到，杂散电容主要从模拟开关、屏蔽电缆等方面产生，对电容的检测产生影响，可能导致误差。因此，具体选用C/V电路的时候尽量选用信噪比高、温漂低、测量灵敏度高的电路。电路简单、抗杂散电容的直流充放电电容检测电路和信噪比高、漂移低的交流电路是目前常见的一直杂散的C/V转化电路，但是交流法电路相对于直流法电路使用性能更高，交流法C/V转换不受注入电荷的影响，抗杂性能较高。4.3.2.2交流C/V转换电路如图4.8，交流激励法用正弦信号激励被测电容，并转为交流电压。在图4.8中是极板连线，和C/V转换电路不相连，两端无电位差，故、对输出没有影响，用此电路可有效抑制杂散电容。图4.8C/V转换电路第一级放大器UI的输出为：（4.2）当jw（4.3）图中第二级放大器对第一级输出继续放大：（4.4）4.3.3相敏解调电路和低通滤波器相敏解调电路解调C/V后的正弦波激励和交流电压。4.3.3.1相敏解调电路数字解调和模拟解调是相敏解调常用的两种方法。模拟解调电路简单，转换电压信号和A/D测量受模拟器件限制较大，总体来说，模拟解调简单实用；数字解调器内部有FPGA、DSP的高速数字处理器件，处理起来精度高、速度快，但是复杂且成本高，所以本次设计采用模拟解调。AD734芯片输出稳定，高速四象限模拟乘法器与AD534引脚兼容不需要外部元件来定义使用的函数，满足此次设计的需求。它还具有以下特点全功率值（峰峰值）20V峰峰值带宽10MHZ总静态误差全量程0.1%控制失真保证典型失真小于-80dBc4.3.2低通滤波器相敏解调电路工作之后，用低通滤波器（截止频率小于2）将没用的二倍频交流成分去除，留下有用的直流分量。本设计中，截止频率选为1KHz，具体如图4.9。图4.9压控电压源二阶低通滤波电路4.3.4减法器和参考电压电路4.3.4.1减法器减法器在本设计中的作用是减掉电容传感器的本体电容，使被测电容中只有电容的变化量，提高数值精度，减小误差。如图4.10所示。图4.11减法器电路表达式如下：4.3.4.2参考电压电路对于减法器中的，即本体电容折算的电压值，简称为参考电压。它既可以通过DAC输出又可以通过电阻分压的形式得到一个直流分量（通过短路块实现两种方式的选择），参考电压电路如图4.12所示。DAC输出可以通过程控调整各个极板对应的参考电压；电阻分压通过电位器调节参考电压值，各个极板共用同一个参考电压。图4.11参考电压电路在硬件调试过程中发现，如果显示电路和参考电压电路共用5V电源时，无论采用电阻分压还是DA输出形式获得参考电压，经PGA放大输出的波形都有将近20mV的波动，如图4.12、4.13所示。如果显示电路独立供电时，参考电压电路的供电电源也比较稳定，经PGA放大输出的波形大约在3mV波动，较显示和参考电路共用电源时，输出曲线波动大大减小，如图4.14、4.15所示。因此，考虑到显示板供电对参考电压电路的影响，给显示板单独供电。这样大大提高了波形的稳定性，减小了曲线的波动。图4.12共用电源时电压分压图4.14共用电源时DA输出图4.14独立供电时电压分压图4.15独立供电时DA输出4.3.5缓冲器经减法器处理后的电压为最后电容变化量反应的电压值，在进入采样之前，由于需要很长的电缆线，无形中就减小了有用信号。鉴于此，在减法器后面加上个电压跟随器作为缓冲器，这样就大大提高电路的带负载能力。图4.15精密的单增益缓冲器4.4数据采集及处理系统本设计中的数据采集及处理系统是基于CYGNAL公司的C8051F005卑片机，它是一款资源非常强大的单片机，下面对这款芯片进行详细的介绍。4.4.1C8051F005单片机简介C8051F005是一个全集成混合信号在片系SOC(SystemOnChip)单片机具有与8051单片机兼容的微控制器内核，与MCS-51指令系统完全兼容。除具有标准8051的数字外设部件外，片内还具有数据采集和控制系统中常用的模拟部件及其他数字外设部件。该单片机中增加的外设或功能部件包括：可编程增益放大器、模拟多路选择器、DAC、ADC、电压基准、电压比较器、温度传感器、增强型UART、SPI、SMBUS/I2C、定时器阵列（PCA)、可编程计数器、电源监视器、时钟振荡器和看门狗定时器（WDT)等。它具有内置的FLASH程序存储器（闪存）、256B的内部RAM和位于外部数据存储器空间的RAM，即XRAM。C8051F005单片机具有如下几个重要的特点：(1)采用流水线结构，机器周期由标准的12个系统时钟周期降为一个系统时钟周期，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。峰值速度可达25MIPS的速度，处理能力大大提高，比标准8051快20倍以上；(2)有多达8路12位ADC (速度为lOOkHz)或高达500kHz的8位ADC、两路12位精DAC两路模拟比较器、高精度基准电压、程控放大器和温度传感器；(3)大容量的在片内存储器，多达32KB的可在系统（ISP)和在应用（IAP)编程的FLASH存储器，其中的部分可以作为数据存储器用。同时，片内有256B的内部RAM和多达2KB的外部RAM存储器；有32位I/O 口线，所有的口线可以编程为弱上拉或推挽输出。更为独特的是具有数字开关阵列（DigitalCrossbar)，可以将内部系统资源定向到P0、P1和P2，即可以把定时器、串行总线，外部中断源、AD转换输入、比较器输出定向到P0、P1和P2;4.4.2单片机资源的应用单片机作为数据采集和处理系统的核心，主要负责A/D采样、D/A输出、存储器、串口通信、极板阵列的切换、V/I转换、显示及控制等环节。4.4.2.1 A/D采样模拟电路处理后的信号通过单片机的A/D进行采样，C8051F005的ADC子系统包括一个9通道的可配置模拟多路幵关AMUX—个可编程增益放大器PGA和一个lOOksps的12位分辨率逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路和可编程窗口检测器，AMUX、PGA数据转换方式及窗口检测器都可用软件来配置。AMUX输入对编程为工作在差分或单端方式，PGA增益可以用软件编程为0.5、1、2、4、8或16,复位时的增益默认值为1。本釆样系统中，采用了单端输入方式进行A/D釆样。由于模拟电路处理后的直流电压比较小，为了提高信号的灵敏度，在A/D采样之前利用内部的PGA对电压进行放大，不同极板对的灵敏度也是不同的，需要分别设置其放大倍数(PGA值)，这里各个极板对对应的PGA统一放大4倍，实验效果比较好，灵敏度较高。4.4.2.2 D/A输出MCU有两个12位的DAC。每个DAC的输出摆幅均为0V到VREF-1LSB，对应的输入码范围是0x000到OxFFF。DAC既可用于12位方式，又可用于8位方式。设计中使用了两个DAC输出，都工作在12位的方式下，一个作为参考电压的输入端，另一个作为V/I转换的输入端。4.4.2.3 FLASH存储器MCU内部有32k+128字节的可编程FLASH存储器，用于程序代码和非揚失性数据存储，可以直接通过JTAG接口或是软件使用MOVX指令对FLASH存储器进行在系统编程。内部的非易失存储器用来存储各个极板的本体电容对应的电压值、PGA放大倍数、及一些历史数据。内部的非易失存储器位于FLASH存储器中附加的128字节的扇区0x8000-OX807F。该扇区可用于存储程序代码或数据。然而它较小的扇区容量使其尤其适于作为通用的非易失性临时存储器。所以，由于该系统中需要存储的数据量较大，所以需要在芯片外围扩展一个非易失存储器。4.4.2.4 I/O口C8051F005的I/O较多，在该系统中，I/O资源广泛的应用在DDS、显示、非易失存储器、极板阵列控制等电路中。32位I/O口线，所有的口线可以编程为弱上拉或推挽输出。使用起来更加方便，更为独特的是具有数字开关阵列（DigitalCrossbar)，可以将内部系统资源定向到P0、P1和P2。4.4.3非易失存储器非易失存储器用来存储各个极板的本体电容对应的电压值、PGA放大倍数、及一些历史数据。由于FLASH内部的只有128字节作为非易失存储器，空间不够，鉴于此，在原128字节的基础上，扩展了非易失存储器。如图4.19所示。设计中使用了24C64，它是电可擦除的EEPROM,8K字节的存储空间，采用两线串行接口。图4.18非易失储存器4.5显示及键盘控制电路该系统中设计了完善的人机交互功能，包括显示和键盘控制两个模块。便于现场监控油水界面的高度变化。4.5.1显示模块单片机将实时的液位值以数码管和发光柱两种形式实时显示，6个数码管用来以数字的形式显示油水界面的高度和其他信息；而利用两排的发光柱，来模拟显示液位高度动态的变化。4.5.1.1数码显示LED数码显示电路采用CH451作为译码驱动芯片，它是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及I^P监控的多功能外围芯片。CH451内置RC振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64只LED发光管，具有BCD译码、闪烁、移位等功能；同时还可以进行64键的键盘扫描；CH451通过可以级联的串行接口与单片机等交换数据；并且提供上电复位和看门狗等监控功能。硬件电路如图4.22所示。图4.22LED数码显示电路4.5.1.2发光柱显示发光柱显示电路采用CH452作为译码驱动芯片，这款芯片与CH451是兼容的，时序和指令都是兼容的，唯一不同的就是CH452里面有64级光柱译码，这样就可以通过64个LED组成的光柱显示光柱值。电路如图4.23所示。图中为40个LED组成的发光柱。图4.23发光柱显示电路4.5.2键盘控制模块系统中设计了6个按键来完成仪表参数的设定，电路如图4.24所示。CH451的键盘扫描功能支持8X8矩阵的64键键盘。在键盘扫描期间，DIG7?DIGO引脚用于列扫描输出，SEG7?SEGO引脚都带有内部下拉电阻，用于行扫描输入。当启用键盘扫描功能后，4线串行接口中的DOUT引脚的功能由串行接口的数据输出变为键盘中断输出以及按键数据输出。图4.24键盘控制电路

第5章系统软件的设计油水界面检测系统的软件程序，大致分为两个部分，单片机检测程序和PC机程序。5.1单片机检测程序单片机在整个系统中负责极板阵列开关的选通、正弦波激励频率的设定、A/D采样、D/A补偿、放大倍数、标定数据存储、显示、键盘控制，向PC机传送数据等。单片机检测程序除主程序外还包括一些重要的子程序，主要包括：AD9833频率的输出、数据采集及数字滤波、参数设定和FLASH存储器编程，油水界面的判断、串口通信。5.1.1主程序主程序一方面实现数据的采集、油水界面判断；另一方面实现传感器的标定。山于传感器的零点问题是界面检测准确与否的重要问题之一，所以在卑片机的程序中要配合上位机的程序，实现零点的自动标定。传感器的各极板对的零点值（即各极板对暴漏在空气中的测量值）大小差异受到传感器尺寸、环境、传感器状态等因素影响。传感器尺寸，传感器在制作的过程中，由于手工制作比较粗糙，极板尺寸不均等，从而造成零点存在差异。电路元器件布局和走线，对于高频信号来说，电路元器件的布局和走线的不当会引起不必要的串扰。如果激励极板连接线和接收极板的连接线靠的太近，高频激励信号就会稱合到接收线上，从而导致串扰，反映到测量最后就是造成各极板对的零点值存在差异。单片机的工作流程如图5.1所示。单片机上电执行界面检测程序，判断油水界面的位置，并在检测过程中记录一些特征数据，用来实现液位的精细测量；当系统满足零点标定条件时，单片机就执行零点标定程序，将调整合适的PGA放大倍数和零点值写入非易失存储器，从而以此来准确有效的执行界面检测的程序。5.1.2系统初始化单片机系统的初始化过程包括：系统时钟初始化、I/O端口初始化、串口初始化、A/D初始化、D/A初始化、正弦波激励初始化、显示初始化。如图5.2所示。图5.2初始化模块程序流程图5.1.3正弦波激励首先，对单片机初始化，定义控制AD9833的SPI接口，接着初始化AD9833，让它先不输出任何波形，然后，写频率寄存器0的控制字（0x2000)，紧接着对频率寄存器0写入想要输出的正弦波频率数。如果想要改变频率或相位，需要再次对相应的频率寄存器或相位寄存器写入控制字和想要输出的频率或相位数。流程图如图5.3所示。图5.3激励初始化程序流程图5.1.4零点参数的设定由于不同传感器极板对的零点值(即本体电容值)是不同的，因此单片机要针对不同的通道设定不同的补偿电压值（DAC值），而且PGA的放大倍数需要根据补偿电压的大小来设置合适的放大倍数，从而获得较高的灵敏度。这些参数需要通过程序写入单片机的Flash中。图5.4零点值差异5.1.5非易失存储器的存取对nash中128字节非易失存储器的操作步骤如下：(1)用FLSCL寄存器重的FLASCL为允许FLASH存储器的写/擦除操作；(2)置位PSEE (PSCTL.1)允许FLASH扇区擦除；(3)置位 PSWE(PSCTL.O)允许FLASH写；(4)用MOVX指令向待擦除扇区内的任何一个地址写入一个数据字节；5.1.6数字滤波由于输入的模拟信号中含有一定的噪声和干扰，他们來自被测信号源和外界干扰，大致可以分为两类：一类是周期性的，典型代表为50Hz的工频干扰，对于这类信号，尽管可以采用硬件滤波电路进行消除，但并不能够完全消除其影响。另一类是不规则随机性的，为随机信号，对于随机干扰，要采用数字滤波方法予以削减或消除，以保证准该方法的思想是：首先对多次采样作均值处理，然后将此值作为去极值平均滤波（将连续测量的n个采样值按照大小顺序排序，然后去掉最大值和最小值，最后对剩下的n-2个采样值求収平均值）中的一点进行第二重滤波。二次数字滤波后的结果作为一次采样结果。具体做法是40个采样值，每8个作一次均值处理，然后对这5个均值进行累加求和，同时找出最大值和最小值，减去最大值和最小之后，求其余3个数的平均值得到一次采样值，程序流程如图5.6所示。图5.6滤波程序流程图5.1.7油水界面高度判断的算法前面已经对分段电容传感器结构原理进行详细的说明，对于16极板的分段电容传感器，如果根据15个极板对的采样电压值能判断出油水界面在哪个极板，那么就可以计算出液面的高度：其中：h：界面高度ho:传感器底部距分离罐底部的高度：水层所淹没的区域的高度：界面所处的区域有水部分的高度L。：传感器0区下边界距传感器底部的高度根据以上的思想，算法中采用了粗测和细测两个骤，首先利用粗测來大致判断界面所在的区域，保证了基本误差在一个区域宽度范围内（区域宽度40mm)，然后再粗测的基础上进行细测判断，这样就可以在粗测误差一个区域宽度的基础上，进一步减小实际测量误差。5.1.7.1界面粗测为了实现界面的粗测，本设计基于分段电容传感器检测，提出了判断油水界面高度的差值算法。粗测程序流程图如图5.7所示。其中含有假界面的判定，主要是为了避免传感器粘污泥对测量造成误判断，如果界面超出处在测量量程范围，程序也能给出判断。图5.8中对应曲线，是以水为实验对象，向一个有机玻璃的桶中匀速滴水、使得水和空气的界面勻速上升，利用16极板分段电容传感器获得电压曲线。从图中可以很明显的看到随着水面上升依次的淹没极板，15个极板对输出电压也依次突变，由于水的勾速上升，各极板对电压曲线也是均勾分布的。图5.8中虚线部分为各个区的分界线，从左到右依次定义为-1区、0区、1