郭毅斐，張曉鐘，孟凡芹，王杰輝，張一鳴

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院軍需與燃料系，江蘇徐州 221000；2.中國人民解放軍93558部隊(duì)，河北石家莊 050000； 3.空軍指揮學(xué)院研究生大隊(duì)三隊(duì)，北京 100081)

0 引言

在野外油庫收、發(fā)油管路中安裝的過濾分離器采用臥式結(jié)構(gòu)，流量范圍在100～150 m3/h，實(shí)時(shí)流量大，作業(yè)時(shí)間長，一次性收發(fā)量大，且由于油源復(fù)雜、質(zhì)量較差，所過濾出的游離水含量較多，水分會(huì)逐漸積聚在底部沉淀槽中，若游離水超過一定量后，使得過濾分離器油水分離性能下降，影響過濾出的燃料質(zhì)量[1]，因此需對此類過濾分離器沉積水進(jìn)行監(jiān)控。

過濾分離器集水槽水位的檢測屬于油水界面的檢測問題，目前油水界面的檢測方法有多種，各有優(yōu)缺點(diǎn)。過濾分離器本身的實(shí)際工況及條件對油水界面檢測提出了具體需求：在有工作壓力的動(dòng)態(tài)工況條件下，實(shí)現(xiàn)對油水界面的水位檢測；量程應(yīng)滿足集水槽的高度要求；其不能出現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，以確保穩(wěn)定工作。綜上，很難找到一種完全適用于過濾分離器集水槽油水界位檢測的方法。因此，本文針對實(shí)際問題，設(shè)計(jì)了過濾分離器集水槽油水界位傳感器，主要解決過濾分離器集水槽水位在線、實(shí)時(shí)檢測問題，為實(shí)現(xiàn)過濾分離器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控以及實(shí)現(xiàn)排水的自動(dòng)控制提供一種檢測方法。

1 分段陣列式極板電容油水界位傳感器設(shè)計(jì)方案

文獻(xiàn)[2-4]及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，油和水的相對介電常數(shù)存在較大差異，室溫下，二者之間存在將近40倍的比例關(guān)系，因此，基于介質(zhì)相對介電常數(shù)不同的原理進(jìn)行油水分界面的液位檢測是可行的。但實(shí)際上，針對過濾分離器的使用工況，這種方法仍然不能滿足實(shí)際要求。溫度會(huì)影響介質(zhì)的相對介電常數(shù)，噴氣燃料和水的介電常數(shù)都會(huì)隨溫度的變化發(fā)生改變；存在著電容值與液位高度間的非嚴(yán)格線性關(guān)系的測量原理誤差，且無法得知實(shí)時(shí)介電常數(shù)。

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

利用多組極板陣列取代單一極板對的形式，邏輯上將測油段、測水段、測油水分界面段分開，各段獨(dú)立，幾段同時(shí)測量各相。根據(jù)實(shí)際使用量程，從上至下，共分為5段1/5量程(均為30 mm)的極板電容，每個(gè)電容結(jié)構(gòu)相同，相互絕緣并獨(dú)立引線，每段獨(dú)立檢測電容，通過多個(gè)極板型電容傳感器的測量結(jié)果判斷并最終計(jì)算油水分界面的位置，如圖1所示。

圖1 分段陣列式極板電容傳感器結(jié)構(gòu)圖

電容極板材質(zhì)選擇銅金屬片；傳感器極板結(jié)構(gòu)采用雙面PCB板，PCB板的材料為環(huán)氧玻纖；為保證極板間相互絕緣、不漏電，在整塊極板表面噴涂一層絕緣材料，絕緣材料的選擇應(yīng)防止極板間油、水兩種介質(zhì)不會(huì)在極板上停留，以造成“虛假”液位。綜合考慮，選擇聚四氟乙烯作為絕緣材料。聚四氟乙烯性能優(yōu)異：溫度適用范圍廣，防粘性好，化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性強(qiáng)，可滿足使用要求，保證傳感器的穩(wěn)定性。

1.2 檢測原理

由設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，傳感器等效為在量程范圍內(nèi)劃分成m個(gè)1/m的獨(dú)立微小液位計(jì)來共同測量整個(gè)量程范圍內(nèi)的總液位，通過m個(gè)極板電容的測量結(jié)果，最終判斷油水界面的位置和對應(yīng)的水位高度。

當(dāng)極板上噴涂絕緣材料后，充滿介質(zhì)油部分和充滿介質(zhì)水部分的每個(gè)極板電容都被分成了3部分。當(dāng)極板中充滿油時(shí)，如圖2所示，該極板的電容由電容C10(介質(zhì)為油)、C11(介質(zhì)為絕緣涂層)、C12(介質(zhì)為絕緣涂層)3部分組成，極板間含介質(zhì)油的總電容值C1可以看做是以上3個(gè)電容并聯(lián)而成，同理，極板間含介質(zhì)水的總電容值C2可以看做是C20(介質(zhì)為水)、C21(介質(zhì)為絕緣涂層)、C22(介質(zhì)為絕緣涂層)3個(gè)電容并聯(lián)而成。則總電容值C的值為

(1)

式中：ε0為真空的介電常數(shù)；ε0=8.854×10-12F/m；ε1、ε2、ε3分別為油、水、極板絕緣層的相對介電常數(shù)。

如圖2所示，極板從上到下5段電容的等效電容分別為C1、C2、C3、C4、C5，介質(zhì)油處在上部兩塊極板中，電容值為C1、C2，介質(zhì)水處在下部兩塊極板中C4、C5，而中間段中含有油、水兩種介質(zhì)，存在一油水分界面，對應(yīng)的電容值為C3。根據(jù)油、水的介電常數(shù)的差異，則不同段的電容值也會(huì)不同，由于水的相對介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于油的相對介電常數(shù)，則可得到：C1=C2

A0=LX+2H+2d0

(2)

式中：d0為豎直方向上兩塊相鄰極板的距離；H為一組平行極板的高度；LX為油水分界面所在段的水位高度。

圖2 電容傳感器結(jié)構(gòu)及等效電路圖

最終液位值A(chǔ)0與LX、H、d0相關(guān)，H、d0也可認(rèn)為常數(shù)，則A0只與LX的測量精度有關(guān)，這極大提升了油水界面的液位測量精度。

為得水位位置及高度，需據(jù)各段電容值求得介電常數(shù)，此過程較復(fù)雜且中間環(huán)節(jié)多、雜散及寄生電容都會(huì)影響到精度，故提出一種界面計(jì)算方法。據(jù)式(1)及圖2，通過極板滿油、滿水及有油、水兩種介質(zhì)的實(shí)時(shí)電容值間的差值、比值運(yùn)算，消除雜散、寄生電容的影響，即：

(3)

化簡可得：

(4)

式中：C測為油水分界面所在段測量得到的混合介質(zhì)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的總電容值；C1為油水分界面所在段充滿介質(zhì)油時(shí)的電容值；C2為油水分界面所在段充滿介質(zhì)水時(shí)的電容值。

2 分段陣列式極板電容油水界位傳感器的實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感器的總體構(gòu)成

傳感器的總體系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示，分段陣列極板電容作為敏感元件實(shí)現(xiàn)液位到電容的轉(zhuǎn)換，通過Pcap01芯片進(jìn)行電容的高精度檢測，數(shù)據(jù)通過SPI總線送至ATmega128a主控芯片處理并經(jīng)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)成RS485信號(hào)制，嚴(yán)格遵循Modbus RTU 協(xié)議，最終送至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過濾波處理和算法計(jì)算得到最終的液位值，數(shù)值通過4.3″(1″=2.54 cm)電容觸摸LCD屏進(jìn)行顯示；同時(shí)將數(shù)據(jù)送至PC機(jī)，通過Modbus Slave軟件對傳感器傳出的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，對傳感器進(jìn)行測試和調(diào)試。

圖3 傳感器總體系統(tǒng)框架

2.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括動(dòng)態(tài)微小電容采集模塊、主控芯片模塊、RS485轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊，這幾部分構(gòu)成了傳感器系統(tǒng)的下位機(jī)。其中電容檢測模塊是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，直接影響到傳感器檢測的線性度、精度和重復(fù)性等指標(biāo)。

2.2.1 動(dòng)態(tài)微小電容檢測模塊

動(dòng)態(tài)微小電容檢測模塊主要由Pcap01_AD芯片構(gòu)成檢測電路，如圖4所示。根據(jù)前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，基本確定了所設(shè)計(jì)分段陣列檢測極板的電容范圍大致處于[18～2 000 pF]區(qū)間；所選芯片基于PICOCAP專利技術(shù)，內(nèi)置48biteDSP處理器，通過簡單的外圍電路配置，就可實(shí)現(xiàn)低功耗、高精度微小電容的快速檢測；檢測精度可達(dá)6 aF(在5 Hz和10 pF基礎(chǔ)電容下)，檢測范圍從幾fF到幾百nF級(jí)，完全滿足實(shí)際測量要求。

圖4 Pcap01_AD動(dòng)態(tài)微小電容檢測電路

為提升抗干擾特性，傳感器的連接選擇單一傳感器的漂移模式，極板電容和參考電容分別與芯片的PC引腳連接；利用內(nèi)置的RDC測溫模塊的片上電阻測溫，PTOUT外接33 nF的COG電容后并接地，PT0、PT2REF引腳懸空；極板電容與參考電容組成一個(gè)Low-Pass濾波，芯片通過測量充放電時(shí)間來測量微小電容，直接輸出24位數(shù)字信號(hào)，無需AD轉(zhuǎn)換，并通過MOSI_SDA、SCK_SCL、SSN_PG0、MINO_PG1四條SPI總線跟單片機(jī)完成通信，以實(shí)現(xiàn)對芯片的讀寫控制和電容數(shù)據(jù)的傳輸；通過連接接地電容，補(bǔ)償內(nèi)、外部寄生電容，減少PCB板的走線，進(jìn)一步減小寄生電容[5]。

2.2.2 主控芯片模塊

主控芯片選擇ATMEL的基于AVR內(nèi)核RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗、高性能配置單片機(jī)，內(nèi)置128K可編程Flash、2個(gè)可編程串行USART、4KE2PROM、4KSRAM等豐富的片上資源，運(yùn)算速度快，穩(wěn)定性極佳，適合在野外極端惡劣條件下使用，符合過濾分離器的實(shí)際使用條件。

主控芯片模塊電路如圖5所示。由ATmega128芯片構(gòu)成最小系統(tǒng)，通過SPI接口電路與Pcap01芯片連接，配置外部晶振電路和按鍵復(fù)位電路。該模塊主要實(shí)現(xiàn)與Pcap01芯片的通訊，控制測量循環(huán)過程，對測量數(shù)據(jù)的讀取與處理，并打包發(fā)送，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。

圖5 ATmega128主控芯片電路

2.2.3 通訊模塊

數(shù)據(jù)采集與處理流程大致為：電容檢測芯片測量得到電容值的數(shù)字量，由主控芯片處理，電容檢測電路接口遵循標(biāo)準(zhǔn)ModBus協(xié)議RTU模式，通過RS485接口通訊將電容信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。主控芯片對采集到的電容數(shù)字量按照ModBus協(xié)議進(jìn)行處理，采用MAX3485芯片組成RS485轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)低功耗、高效率的無差錯(cuò)信號(hào)傳輸；RS485串口通過兩線制的半雙工方式工作，抗干擾能力強(qiáng)，傳輸距離長，最終上位機(jī)通過轉(zhuǎn)換后將信號(hào)進(jìn)行處理顯示[6]。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括電容檢測芯片Pcap01的基本配置、主控芯片ATmega128與電容芯片通訊及數(shù)據(jù)處理、上位機(jī)液位計(jì)算程序等。軟件的總體流程如圖6所示。首先，對Pcap01芯片完成基本寄存器和標(biāo)準(zhǔn)固件固化等配置，然后配置主控芯片ATmega128時(shí)鐘、I2C模塊等實(shí)現(xiàn)與芯片的控制和通訊，通過芯片將電容數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，遵循Modbus RTU協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送至基于STM32F407的開發(fā)板，開發(fā)板通過Keil軟件使用C語言進(jìn)行數(shù)據(jù)接收處理、液位判斷計(jì)算等相關(guān)程序編寫，配置顯示屏實(shí)現(xiàn)液位數(shù)據(jù)顯示；同時(shí)數(shù)據(jù)傳至PC機(jī)通過Modbus Slave監(jiān)測。各部分間的通訊基于Modbus通訊協(xié)議，并按照RTU通訊模式進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)包含液位信息的電容數(shù)據(jù)從下位機(jī)順利傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示。根據(jù)檢測原理，根據(jù)五段電容值的比較判斷確定油水分界值，根據(jù)分界線計(jì)算固定補(bǔ)償值，并根據(jù)分界線最終計(jì)算得到油、水均值以得到實(shí)際液位值[7]。

圖6 軟件總體流程圖

圖7 軟件顯示界面示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

將設(shè)計(jì)好的硬件連接，軟件調(diào)試完成，軟、硬件結(jié)合，進(jìn)行油水分界面液位高度的實(shí)際測量，通過PC端Modbus Slave對傳感器傳出的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，對傳感器進(jìn)行測試和調(diào)試。如圖7所示，系統(tǒng)可成功運(yùn)行，傳出五段極板的實(shí)時(shí)電容值和最終的油水界位值，并通過LCD電容顯示屏進(jìn)行顯示。

3.2 結(jié)果與誤差

通過自制的模擬容器加入3號(hào)噴氣燃料，利用漏斗逐漸加注蒸餾水，油水界面也隨之升高，分別記錄顯示屏內(nèi)實(shí)際油水界面的液位值，并記錄容器內(nèi)壁標(biāo)注的界面實(shí)際高度，兩者對比可得液位測量的誤差，最終得到多組數(shù)據(jù)，選擇其中20組數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

表1 油水界面液位測量誤差分析

前10組數(shù)據(jù)驗(yàn)證在一塊極板內(nèi)傳感器的精度，后10組數(shù)據(jù)梯度較大，顯示在水位較高時(shí)傳感器的精度，整個(gè)測量范圍覆蓋傳感器的設(shè)計(jì)量程；通過實(shí)際測量，傳感器系統(tǒng)的靈敏度較高，測量精度較高，相對誤差較小，整體控制在3%以內(nèi)，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中對電容液位計(jì)3.5%的誤差規(guī)定。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了新型傳感器并搭建了系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，選用了高精度電容測量Pcap01_AD芯片實(shí)現(xiàn)微小電容檢測，軟件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)接收處理、液位判斷計(jì)算最終通過顯示屏進(jìn)行液位顯示并可通過PC端軟件進(jìn)行監(jiān)測。系統(tǒng)搭建后成功運(yùn)行，多組實(shí)驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)的傳感器系統(tǒng)精度較高，靈敏度較好，測量精度控制在3%以內(nèi)，可滿足過濾分離器集水槽油水界位液位的快速、高精度、在線測量的要求。