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分類號： TP212 單位代碼：107 密 級： 一般 學(xué) 號：1072005014008 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目：原油含水率檢測電路設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 電子信息工程 姓 名 指導(dǎo)教師： 職 稱： 答辯日期： 原油含水率檢測電路設(shè)計(jì) 摘要：含水率是原油檢測中一重要技術(shù)指標(biāo)，在我國，原油的開采、生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的含水率測量水平還很低。本文主要介紹了一種基于電容式傳感器，利用電荷轉(zhuǎn)移法測量原油含水率的工作電路，本設(shè)計(jì)中含水率測量范圍可達(dá)到0～100%，誤差＜1％，線性度好，靈敏度高，穩(wěn)定性好，漂移小。性能可靠的軟件設(shè)計(jì)既保證系統(tǒng)盡量全的智能化測量功能，又保證寬測量范圍的線性化，以及系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性。 關(guān)鍵詞：原油含水率；敏感探頭；電容傳感器；8051 The 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 paper, 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 ensure full functionality of 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 石油化工行業(yè)中，原油含水率是原油生產(chǎn)和加工過程中的主要計(jì)量參數(shù)之一，含水率數(shù)據(jù)的測量是否準(zhǔn)確和及時(shí)，對原油生產(chǎn)和管理具有極其重要的意義。 目前，檢測原油含水率的方法很多，有傳統(tǒng)的定時(shí)取樣蒸餾化驗(yàn)的人工方法、射線法、短波法、微波法、電容法等。在原油含水率檢測中，電容式傳感器以其結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。運(yùn)用電荷轉(zhuǎn)移法可實(shí)現(xiàn)電容—電壓的轉(zhuǎn)換,再利用電壓—頻率轉(zhuǎn)換電路,同時(shí)應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換,最終得到原油的含水率。 1．測量元件的基本原理 1.1電容傳感器的探頭基本原理 電容傳感器的敏感探頭是一變介電常數(shù)式電容傳感器。該探頭對被測含水原油的介電常數(shù)敏感，而含水原油的介電常數(shù)隨原油含水率變化而變化，敏感探頭置于被測含水原油中，如果忽略原油中所含雜質(zhì)的影響，可近似看作純油和純水的混合物。純油屬非極性電解質(zhì)，介電常數(shù)在2.3左右。而純水是極性電解質(zhì)，其介電常數(shù)為80左 右。顯然，原油中含水率的變化將顯著影響原油介電常數(shù)的變化。將敏感探頭（電容傳感器）置于含水原油中，原油含水率的變化即轉(zhuǎn)化成敏感探頭電容量的變化，電容傳感器送出一個和含水率相對應(yīng)的電信號，由此可以測出原油的含水率。 1.2電容式傳感器探頭的測量機(jī)制 傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為，用電容式傳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。當(dāng)含水率在30%～50%范圍時(shí)，由于大量導(dǎo)電離子水構(gòu)成兩電容極板間的導(dǎo)體，從而失去對含水率的分辨能力。本儀器采用同心套筒電容結(jié)構(gòu)，且在其內(nèi)電極涂敷鈦氟綸絕緣層，消除含水導(dǎo)電效應(yīng)，使儀器在0～100%含水率測量范圍均有良好的工作特性。輸油管線中的流體，雖經(jīng)攪拌混合，但流經(jīng)電容式傳感探頭時(shí)仍為非均勻流體，為使其具有很好的自均流作用，探頭與流體方向相對插入，并在外電極板上開均勻分布排列的圓孔。 　　圖1是電容探頭示意圖。電容中心電極半徑為，內(nèi)電極涂氟的絕緣層厚度為δ，絕緣材料介電常數(shù)為，傳感器外電極內(nèi)表面半徑為，電極長度為，為混合液介電常數(shù)，根據(jù)同軸柱狀電容器容量計(jì)算公式，可得絕緣層和混合液對應(yīng)的電容C1、C2分別為： 　?。?） 　（2） 電容式傳感器的C可視為C1、C2的串聯(lián)，因此: ?。?） 圖1 電容探頭示意圖 因ε2與原油含水率有關(guān)，因此由式（3）可知，根據(jù)測得的電容可換算出含水率。 1.3溫度傳感器的工作原理 溫度傳感器選取AD590溫度傳感器，AD590溫度傳感器是一種IC化的溫度感測器，它會將溫度轉(zhuǎn)化為電流，其規(guī)格如下： 1. 溫度每增加1℃，它會增加1μA的輸出電流。 2. 可測量范圍-55℃至150℃。 3. 供電電壓范圍+4V至+30V。 AD590的管腳圖及元件符號如圖2所示。 圖2 AD590的管腳圖及元件符號 AD590溫度傳感器的輸出電流值說明如下： 其輸出電流是以絕對溫度零度（-273℃）為基準(zhǔn)，每增加1℃，它會增加1μA的輸出電流，因此在室溫25℃時(shí)，其輸出電流=（273+25）=298μA。 AD590基本應(yīng)用電路如圖3所示。 圖3 AD590基本應(yīng)用電路 注意事項(xiàng)： 1. Vo的值為Io乘上10K，以室溫25℃而言，輸出值為：10K298μA=2.98V。 2. 測量Vo時(shí)，不可分出任何電流，否則測量值會不準(zhǔn)。 AD590實(shí)際應(yīng)用電路如圖4所示。 圖4 AD590實(shí)際應(yīng)用電路 電路分析： 1.AD590的輸出電流=（273+T）μA（T為攝氏溫度），因此測量的電壓為（273+T）μA10K=（2.73+T/100）V。為了將電壓測量出來又務(wù)須使輸出電流不分流出來，我們使用電壓跟隨器其輸出電壓等于輸入電壓。 2.由于一般電源供應(yīng)較多器件之后，電源是帶雜波的，因此我們使用齊納二極管作為穩(wěn)壓元件，再利用可變電阻分壓，其輸出電壓需調(diào)整至2.73V。 3.接下來我們使用差動放大器其輸出為（100K/10K）（）=T/10，如果現(xiàn)在為攝氏28℃，輸出電壓為2.8V，輸出電壓接AD轉(zhuǎn)換器，那么AD轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量就和攝氏溫度成線形比例關(guān)系。 1.4 8051單片機(jī) 8051芯片是INTEL公司推出的采用HMOS工藝制造的雙列直插(DIP)式芯片。8051是在一塊芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多功能I/O等一臺計(jì)算機(jī)所需要的基本功能部件。引腳功能如表1所示，其片內(nèi)有4個可編程的程序存儲器、具有256個字節(jié)的片內(nèi)RAM、具有32條可編程的I/0端口線、具有2個16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器、有5個中斷源和一個全雙工串行通信口，最高工作頻率可達(dá)24MHz，完全可以滿足本系統(tǒng)的需要。 表1 8051引腳功能 引腳號 引腳名 功能 1～8 P1.0～P1.7 8位準(zhǔn)雙向I/O口 39～32 P0.0～P0.7 雙向8位三態(tài)I/O口 21～28 P2.0～P2.7 8位準(zhǔn)雙向I/O口 10～17 P3.0～P3.7 8位準(zhǔn)雙向I/O口 40 VCC 接+5V電源 20 VSS 接地 19 XTAL1 接外部晶體的一個引腳 18 XTAL2 接外部晶體的另一端 9 RST/VPD 復(fù)位信號輸入端 30 ALE 為地址鎖存信號 29 PSEN 程序存儲允許輸出控制端 31 EA/VPP 內(nèi)/外程序存儲器選擇控制端 8051有2個16位計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器寄存器。作為一個定時(shí)器，每個機(jī)器周期，寄存器增加1，這樣寄存器即可為計(jì)數(shù)機(jī)器周期。因?yàn)橐粋€機(jī)器周期有12個振蕩器周期，所以計(jì)數(shù)率是振蕩器頻率的1/12。作為一個計(jì)數(shù)器，該寄存器在相應(yīng)的外部輸入腳P3.4/T0和P3.5/T1上出現(xiàn)從1至0的變化時(shí)增1。由于需要2個機(jī)器周期來辨認(rèn)一次1到0的變化，所以最大的計(jì)數(shù)率是振蕩器頻率的1/24，可以對外部的輸入端P3.2/INT0和P3.3/INT1編程，便于測量脈沖寬度的門。 1．5 74LS164單片機(jī) 采用74LS164與單片機(jī)連接，進(jìn)行I/O口擴(kuò)充，并通過74LS164與LED連接達(dá)到顯示的目的。74LS164是8位串入并出移位寄存器，當(dāng)單片機(jī)串行口工作在方式0的發(fā)送狀態(tài)時(shí)，串行數(shù)據(jù)由P3.0（RXD）送出，移位時(shí)鐘由P3.1（TXD）送出。在移位時(shí)鐘的作用下，串行口發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)一位一位地移入74LS164中。需要指出的是，由于74LS164無并行輸出控制端，因而在串行輸入過程中，其輸出端的狀態(tài)會不斷的變化，故在某些應(yīng)用場合，在74LS164的輸出端應(yīng)加接輸出三態(tài)控制 。 其傳輸方式采用串行口方式0的數(shù)據(jù)傳送，可采用中斷方式，也可采用查詢方式，無論哪種方式，都要借助于TI或RI標(biāo)志。串行發(fā)送時(shí)，可以靠TI置位（發(fā)完一幀數(shù)據(jù)后）引起中斷申請，在中斷服務(wù)程序中發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。在串行接收時(shí)，則由RI引起中斷或?qū)I查詢來確定何時(shí)接收下一幀數(shù)據(jù)。無論采用什么方式，在開始通訊之前，都要先對寄存器SCON進(jìn)行初始化。在方式0中，將00H送SCON就可以了。 2．測量電路的工作原理 2．1 電荷轉(zhuǎn)移法測量電容原理 安裝在輸油管道內(nèi)的傳感器電容變化量很小，一般在幾十到幾百pF范圍，因此，電容測量電路要求具有0.1pF的分辨率，且要求有良好的零點(diǎn)和長期工作穩(wěn)定性。電荷轉(zhuǎn)移法的電容轉(zhuǎn)換電路的特點(diǎn)是漂移小，測量準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好，并且?guī)缀醪皇懿⒙?lián)漏電阻的影響。 　　圖5所示為將電容上的靜電容變換成電壓的電路。為參考用的基準(zhǔn)電壓，為被測電容，為參考電容。開關(guān)S1、S2、S3可以聯(lián)動，且由外部集成電路NE 555提供的2 kHz時(shí)鐘脈沖驅(qū)動。由在一定時(shí)間充電，其充電電荷為： ?。?） 　　若將開關(guān)連續(xù)交替接到相反的一側(cè)，中的電荷移動到基準(zhǔn)電容上。這時(shí)若不考慮電荷損耗，則： 　　（5） 由式（4）、（5）得： 　(6) 由式（6）知，輸出電壓是頻率為2kHz、幅度與成反比的脈寬信號。 圖5變換電路 2．2 電壓-頻率轉(zhuǎn)換 　　在探頭端檢測電路中，由轉(zhuǎn)換電路輸出的脈寬信號經(jīng)3 Hz有源低通濾波器，使輸出變?yōu)?～5 V的電壓信號，送至LM331電壓-頻率轉(zhuǎn)換芯片。如圖6所示。其輸出到8051計(jì)數(shù)器T1端的頻率與的關(guān)系為： ?。?） 圖6　電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路 當(dāng)調(diào)節(jié)=15 kΩ時(shí), =2.0695 V，即輸入信號達(dá)到10 kHz滿量程。圖中=6.0 kΩ，=0.01μF以及=10 kΩ均為典型設(shè)計(jì)值。使用中不用變動，和分別是零點(diǎn)遷移和量程調(diào)節(jié)電阻，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)。 2．3 溫度補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟? 溫度變化給傳感器實(shí)際測量帶來的誤差表現(xiàn)在傳感器的輸入輸出特性曲線上產(chǎn)生非線性變化。為解決這樣問題，必須使問題簡單化，找出它們之間的關(guān)系，建立對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，傳感器特性曲線,如圖7所示。 圖7 傳感器特性曲線 可以把曲線按一定要求分成若干段，在此設(shè)分成n段，然后把相鄰兩段點(diǎn)之間的曲線用直線近似，這樣可以利用線性方法求出輸入值所對應(yīng)的輸出值，這就是線性插值法。設(shè)輸入值在之間，則對應(yīng)的輸出值可由下式求得： 簡化后得：式中: 為第段 直線斜率=。 從上式可知，只要n取的足夠大就可獲得良好的精度。 圖8 修正曲線 若傳感器的輸入和輸出之間的特性曲線的斜率變化很大，采用線性插值法，誤差就很大，這時(shí)可采用二次曲線插值法，用此曲線代替原來的曲線，如圖8所示。曲線方程為一元二次方程，一般形式為： 式中為待定系數(shù)可用曲線的三個點(diǎn)A,B,C的二元一次方程組求解，這就需要解聯(lián)立方程組，計(jì)算較復(fù)雜，列出的程序比較復(fù)雜，應(yīng)此可以用另一種形式： （8） 式中、、根據(jù)A、B、C三點(diǎn)很容易求出。 當(dāng)時(shí)，，代入（1）式可得，又根據(jù)式時(shí)，可知： 把和代入式（8）得： （9） 把，代入式（9）中得 由此可見，利用3個已知點(diǎn)A,B,C的數(shù)值求出系數(shù)后，存放在相應(yīng)的內(nèi)存單元，然后根據(jù)某點(diǎn)的值帶入式（8）即可求出被側(cè)值。 以上是對傳感器建立溫度誤差的數(shù)學(xué)模型，用此模型可實(shí)現(xiàn)傳感器溫度補(bǔ)償。 3．整機(jī)工作原理 圖9 總體框圖 如圖9所示，通過電容/電壓，電壓/頻率的轉(zhuǎn)化，通過測量頻率的變化來得到檢測電容變化的目的。同時(shí)，溫度傳感器AD590將原油即時(shí)溫度進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)對原油含水率進(jìn)行溫度補(bǔ)償。這樣原油含水信號通過自身特性曲線修正和溫度補(bǔ)償曲線修正，保證了該原油含水檢測儀器的精度。 4．測量系統(tǒng)的總體電路設(shè)計(jì) 圖10 測量系統(tǒng)電路圖 總體電路圖主要有5部分組成，分別是：C/V轉(zhuǎn)換模塊、V/F轉(zhuǎn)換模塊、溫度補(bǔ)償模塊、單片機(jī)模塊還有數(shù)碼顯示模塊。 利用C/V轉(zhuǎn)換模塊將被測電容量轉(zhuǎn)化為電壓輸出。將輸出電壓是頻率為2kHz、幅度與成反比的脈寬信號經(jīng)3 Hz有源低通濾波器，使輸出變?yōu)?～5 V的電壓信號，送至LM331電壓-頻率轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)V/F轉(zhuǎn)換，將獲得的頻率信號送到8051計(jì)數(shù)器T1端。 另一部分，利用溫度補(bǔ)償電路測得外界溫度的變化，將轉(zhuǎn)化得到的電壓信號進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號輸入到單片機(jī)的P1.0～P1.7口，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。 5．原油含水率檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 5.1測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 利用單片機(jī)外部脈沖觸發(fā)INTO和定時(shí)器T0、T1，通過硬件電路的轉(zhuǎn)換，在軟件的控制下即可得到與C對應(yīng)的f。測量軟件流程圖如圖11所示：把振蕩脈沖輸入到INTO端，在主程序里啟動T0（設(shè)置為16位計(jì)數(shù)方式），T1(設(shè)置為定時(shí)方式)，在定時(shí)T1結(jié)束時(shí)刻停止T0計(jì)數(shù)，讀取TH0和TL0的值，同時(shí)把T0清零進(jìn)入下一次測量。轉(zhuǎn)換16進(jìn)制位十進(jìn)制即可得到f值，即對應(yīng)C的值。 圖11測量軟件流程圖 程序如下： CLR EA ； 禁止所有中斷 CLR TR1 ； 停止定時(shí)器T1 MOV A，#LOW(-1000+7) ； 期望數(shù)的低位字節(jié) ADD A，TL1 ； 進(jìn)行修正 MOV TL1，A ； 重裝載低位字節(jié) MOV A，#HIGH(-1000+7) ；對高位字節(jié)處理 ADDC A，TH1 MOV TH1，A SETB TR1 ； 重啟動定時(shí)器 SETB EA ； 重開中斷 5.2溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 首先給定K個溫度值()測出每個溫度點(diǎn)上傳感器靜態(tài)特性曲線在u軸上的截距(),每個溫度點(diǎn)上傳感器特性曲線的數(shù)據(jù)要精確，必要時(shí)應(yīng)在恒溫箱內(nèi)進(jìn)行，這需要較大的工作量，如圖12所示。 圖12 溫度補(bǔ)償曲線 圖中被測物理量，為輸出電壓，利用最小二乘法曲線擬合截距的多項(xiàng)式： （10） 將和計(jì)算上式的子程序送入內(nèi)存，溫度值和傳感器對應(yīng)的輸出電壓值按順序分配方式存入內(nèi)存，構(gòu)成一個線性表，采集數(shù)據(jù)時(shí)，CPU按線性查找對應(yīng)溫度的電壓值，并按下式計(jì)算對應(yīng)的被測物理量。 式中是溫度直線在坐標(biāo)上的截距，可用線性插值由輸入的求得，是溫度直線與縱坐標(biāo)的夾角。 按圖13流程編制補(bǔ)償程序，并作為子程序與監(jiān)控程序一并使用，以便采集數(shù)據(jù)時(shí)按流程圖自動溫度補(bǔ)償。 圖13溫度補(bǔ)償程序流程圖 程序如下： ORG 000H ; 程序復(fù)位后從[000H]單元開始執(zhí)行 JMP START ; 執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令 ORG 004H ; 中斷入口 JMP ISR_0 ; 跳轉(zhuǎn)到中斷子程序 ORG 020H ; 偽指令，程序位置從[020H]單元開始 START: NOP ; 空操作 MOV A,0FH ; 給A 賦0FH內(nèi)容 CALL TEST ; 調(diào)用子程序TEST LOOP: NOP ; 空操作 JMP LOOP ; 跳到LOOP，執(zhí)行死循環(huán). 5.3 顯示電路 顯示采用4位共陽LED靜態(tài)顯示方式，顯示內(nèi)容有距離的十位、個位、十分位，百分位，這樣可以只用P3.0（RXD）口來輸出顯示數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了單片機(jī)端口資源，在P3.1（TXD）的控制下通過74LS164來實(shí)現(xiàn)4位靜態(tài)顯示。就是每一個顯示器都占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口用于筆劃段字形代碼。只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機(jī)中CPU的開銷較小。 顯示程序如下： DIR： PUSH ACC ；保護(hù)現(xiàn)場 PUSH DPH PUSH DPL MOV R2，#08H ；顯示8個數(shù) MOV R0，#32H ；顯示緩沖區(qū)地址送入R0 DL0： MOV A，@R0 ；取要顯示的數(shù)作查表偏移量 MOV DPTR，#TAB ；指向字形碼 MOVC A，@A+DPTR ；查表得字形碼 MOV SBUF，A ；發(fā)送顯示 DL1： JNB TI，DL1 ；等待發(fā)送完一幀數(shù)據(jù) CLR TI ；清標(biāo)志，準(zhǔn)備繼續(xù)發(fā)送 JNC R0 ；更新顯示單元 DJNZ R2，DL0 ；重復(fù)顯示所有數(shù)碼管 POP DPL ；恢復(fù)現(xiàn)場 POP DPH POP ACC RET TAB DB 0C0H，0F9H，0A4H，0B0H，99H ；0，1，2，3，4 DB 92H 82H 0F8H，80H，90H ；5，6，7，8，9 6.結(jié)論 以自均流效應(yīng)為目標(biāo)函數(shù)的靈巧電容式傳感器設(shè)計(jì)，圓筒內(nèi)電極涂敷絕緣層以及非電極開孔，使儀表的含水量測量范圍達(dá)到0～100%，誤差＜1％；電荷轉(zhuǎn)移法的電容轉(zhuǎn)換電路具有良好的測試功能，線性度好，靈敏度高，性能可靠；基于電容－頻率轉(zhuǎn)換原理研制的含水率測量儀，可用于輸油管道中原油含水率的在線準(zhǔn)確測量，儀表的重復(fù)性、穩(wěn)定性好，漂移?。卉浖O(shè)計(jì)既保證系統(tǒng)盡量全的智能化測量功能，又保證寬測量范圍的線性化，以及系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性。 參考文獻(xiàn) [1] 陳杰,黃鴻，傳感器與檢測技術(shù)[M].高等教育出版社,2002年. 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