本設(shè)計(jì)的油水界面探測(cè)器采用介質(zhì)變化型電容傳感器,。假設(shè)電容器為兩平極結(jié)構(gòu)，作絕緣處理后的電容器兩極間浸入不同的界質(zhì)中,，由于電容器中的介質(zhì)相對(duì)介電系數(shù)不同,，電容量是不同的;而當(dāng)電容器兩極處在兩不同介質(zhì)的界面處，當(dāng)液體介質(zhì)的液面發(fā)生變化,，也將導(dǎo)致電容器的電容C也發(fā)生變化,。作為界面探測(cè)器其重點(diǎn)是后者，即檢測(cè)電容傳感器在氣油界面,、油水界面位置變化導(dǎo)致電容器的電容C變化情況,。

      電容傳感器處在大氣中、浸入不同液體或浸入不同液體深度不同,，其電容量的變化,，采用專用的信號(hào)調(diào)理電路把電容量轉(zhuǎn)換比例電壓輸出。在大氣中相對(duì)介電常數(shù)為1,，電容傳感器的電容量為C0,，經(jīng)調(diào)理轉(zhuǎn)換后輸出電壓為V0，在油品中相對(duì)介電常數(shù)變大,，在水中相對(duì)介電常數(shù)更大,，電容傳感器的電容量將隨著浸入不同液體深度加大而變大，經(jīng)調(diào)理轉(zhuǎn)換后輸出電壓也將隨之變大,。這電壓信號(hào)再經(jīng)放大器放大和A/D轉(zhuǎn)換,，得到不同的A/D值,。A/D值的大小表明傳感電容器所處的介質(zhì)或淹沒入油、水介質(zhì)的深度,。

      本油水界面探測(cè)器采用兩通道A/D轉(zhuǎn)換器,，其中一通道用于測(cè)量傳感電容傳感器的輸出電壓，另一通道用于溫度信號(hào)的測(cè)量,。微處理器控制數(shù)據(jù)的采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后,，以數(shù)字形式用一定格式通過串行接口把兩個(gè)數(shù)據(jù)傳送往顯示儀表。

      油水界面探測(cè)器的關(guān)鍵器件是電容信號(hào)調(diào)理電路CAV414,。CAV414是一種專為電容傳感器而設(shè)計(jì)的通用性強(qiáng),、多用途集成電路，該芯片內(nèi)包含有完整的信號(hào)處理單元,。(見圖二)CAV414芯片內(nèi)含基準(zhǔn)振蕩器,，其振蕩頻率可由基準(zhǔn)振蕩電容Cosc和Rosc來調(diào)整，基準(zhǔn)振蕩器驅(qū)動(dòng)2個(gè)同步積分器,，而在電阻(Rcx1+W0)和Rcx2值相同時(shí),，電容Cx1和(Cx2+Cx)則決定2個(gè)被驅(qū)動(dòng)的積分器的積分電壓幅度，即積分器的積分電壓幅度差別反映了電容Cx1和(Cx2+Cx)的相對(duì)容量差,。CAV414具有很高的共模抑制比和分辯率,。它的差分信號(hào)端可由低通濾波器來進(jìn)行處理和限定，而低通濾波器的角頻率和增益也由幾個(gè)外接元器件來調(diào)節(jié),，輸出信號(hào)幅度也可由內(nèi)部放大器進(jìn)行預(yù)放大,，放大倍數(shù)可由RL1/RL2及R1/R2確定。

      用CAV414來測(cè)量電容,，其電路如圖2所示,，圖2中，Cx為電容傳感器,，其值很小,，應(yīng)用中可將電容傳感器置在大氣中，調(diào)節(jié)電位器W1,，使(Rcx1+W0)和Rcx2在電容Cx1和(Cx2+Cx)的初始值時(shí)使Vout輸出0電壓,。那么，當(dāng)電容傳感器在氣油界面,、油水界面位置變化導(dǎo)致電容器的電容Cx變化情況,，使輸出電壓Vout發(fā)生變化。其從小到大變化規(guī)律是：

      電容傳感器(1)在大氣中→(2)逐步浸入油品,，越浸越深→(3)全部浸入油品中→(4)逐步浸入水中,，越浸越深→(5)全部浸入水中。確定RL1/RL2及R1/R2適當(dāng)數(shù)值后,，不難區(qū)別電容傳感器以上五個(gè)位置,。位置(2)即氣油界面,、位置(4)即油水界面，這是界面探測(cè)器測(cè)定重點(diǎn),，可以將位置(2)和位置(4)中的特定浸入線的A/D值存儲(chǔ),，用數(shù)字法比較電容傳感器浸入該液體是否超過特定浸入線，便可確定氣油界面或油水界面,。

  　
圖2 電容傳感器信號(hào)調(diào)理電路圖

卷尺和顯示儀表

      卷尺既作為液面測(cè)量的刻度尺,，又是向界面探測(cè)傳感器供電和數(shù)據(jù)通訊傳輸線。卷尺中的金屬刻度尺與數(shù)據(jù)傳輸線采用高強(qiáng)度絕緣材料相互間及與外界絕緣,。

      油水界面探測(cè)器的顯示儀表不但用于顯示界面探測(cè)傳感器所處之處的界面,、溫度信息，而且還可測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn),，其采用的點(diǎn)陣式LCD顯示屏不但顯示界面信息和溫度數(shù)據(jù),，而且測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)采用中文進(jìn)行必要的提示。使操作簡明方便,。顯示儀表還帶有斷電保持的Fiash存儲(chǔ)器,，用于存儲(chǔ)校正數(shù)據(jù)及必要的參數(shù)。為了進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)校準(zhǔn),，顯示儀表設(shè)置了一個(gè)按鍵,，鍵功能及配合操作如下流程：

      把JP1短接到ON 后按第一按鍵，顯示屏顯示<調(diào)試>,，儀表進(jìn)入數(shù)據(jù)校準(zhǔn)狀態(tài),。

      按第二下按鍵,顯示器顯示<氣油界面>后,應(yīng)把探測(cè)傳感器浸入油中,刻度線對(duì)準(zhǔn)氣油界面,穩(wěn)定步動(dòng),。

      探測(cè)傳感器開始測(cè)量處在氣油界面時(shí)傳感電容的A/D轉(zhuǎn)換值,，傳送到顯示儀表。

      過一分鐘待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后按第三下按鍵;顯示器顯示<油水界面>時(shí),應(yīng)把探測(cè)傳感器浸入油水中,刻度線對(duì)準(zhǔn)油水界面, 穩(wěn)定步動(dòng),。

      一分鐘內(nèi),，顯示儀表已得到穩(wěn)定的氣油界面?zhèn)鞲须娙莸腁/D值(A/D1)，將值存儲(chǔ)進(jìn)Fiash存儲(chǔ)器,，同時(shí),，探測(cè)傳感器開始測(cè)量處在油水界面時(shí)的傳感電容A/D轉(zhuǎn)換值，傳送到顯示儀表,。

      過一分鐘待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后按第四下按鍵; 顯示器顯示<冰水混合物>時(shí),應(yīng)把探頭浸入冰水混合物中, 穩(wěn)定步動(dòng),。

      一分鐘內(nèi)，顯示儀表已得到穩(wěn)定的油水界面?zhèn)鞲须娙莸腁/D值(A/D2),，將值存儲(chǔ)進(jìn)Fiash存儲(chǔ)器,，同時(shí)，探測(cè)傳感器開始測(cè)量處在0℃時(shí)溫度傳感器的A/D轉(zhuǎn)換值,，傳送到顯示儀表,。

      過一分鐘待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后按第五下按鍵,回到測(cè)量狀態(tài),。

      一分鐘內(nèi)，顯示儀表已得到穩(wěn)定的在0℃時(shí)溫度傳感器的A/D轉(zhuǎn)換值(A/D3),，將值存儲(chǔ)進(jìn)Fiash存儲(chǔ)器,。

      溫度傳感器采用與絕對(duì)溫度成比的傳感器AD590，其零點(diǎn)在-273.15℃,，用0℃的A/D值作斜率校準(zhǔn)點(diǎn),。

      顯示儀表只用一個(gè)按鍵，配合LCD顯示屏界面信息顯示,，解決了油水界面探測(cè)器的問題測(cè)量數(shù)據(jù)校準(zhǔn)問題,，使用明了方便。

      之后在進(jìn)行氣油界面,、油水界面的位置探測(cè)時(shí),，顯示儀表中的微處理器只需把探測(cè)傳感器傳送來的傳感電容A/D值與A/D1及A/D2相比較，就可探測(cè)出傳感器所到位置,，在界面處讀取卷尺刻度,，探測(cè)的氣油界面和油水界面。

      測(cè)量氣體溫度,，油溫度和水溫度時(shí),，將溫度傳感器的A/D值應(yīng)用A/D3進(jìn)行斜率校正、運(yùn)算得出溫度值送顯示,。同時(shí),，溫度測(cè)量值還利用在對(duì)傳感電容A/D值進(jìn)行修正，以使界面位置測(cè)量更加精確,。

結(jié)語

      UIT油水界面探測(cè)器已通過上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測(cè)試所的多項(xiàng)檢測(cè),，獲得國家級(jí)儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗(yàn)站發(fā)給的《防爆合格證》 ;完全達(dá)到國家技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《船用油水界面探測(cè)器技術(shù)條件》，獲中國船級(jí)社頒發(fā)的《型式認(rèn)可證書》,。已申請(qǐng)了專利,，目前處在公示中。產(chǎn)品投入生產(chǎn)一年多來,，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,。