基于微變電容腔油水比例測(cè)量原理的油膜厚度測(cè)量傳感系統(tǒng)

賈輝軍

(天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院，天津　300350)

?

基于微變電容腔油水比例測(cè)量原理的油膜厚度測(cè)量傳感系統(tǒng)

賈輝軍

(天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院，天津300350)

海水受到油的污染后，可形成三層不同介質(zhì)，即空氣、油、水。測(cè)定油氣界面和油水界面之間的距離即為油膜的厚度。常見(jiàn)產(chǎn)生污染的油品，其介電常數(shù)為空氣的2倍以上，若在污染物上方設(shè)一探測(cè)電極，以污染物下面的海水為另一電極，則二電極之間會(huì)形成一個(gè)電容。當(dāng)上電極接近油膜甚至接觸到油膜時(shí)，由于介電常數(shù)的突然增加，電容值突然提高。測(cè)量電路由555定時(shí)器及其外圍電路構(gòu)成多諧振蕩器，通過(guò)精確測(cè)量油氣界面、油水界面位置x1、x0相應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)，得到x1、x0位置數(shù)據(jù)，其差值即為油膜厚度。

油膜厚度；介電常數(shù)；頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)

油污染是一種嚴(yán)重的世界性環(huán)境污染，不僅威脅海洋生態(tài)環(huán)境，同時(shí)對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。對(duì)于溢油事故，國(guó)際上根據(jù)其規(guī)模和所需的資源進(jìn)行分級(jí)：

一級(jí)指能夠通過(guò)使用該地溢油反應(yīng)資源加以處理和控制的較小的溢油事故；

二級(jí)指需要地區(qū)內(nèi)其他溢油反應(yīng)資源協(xié)助處理和控制的較大型的溢油事故；

三級(jí)指需要國(guó)內(nèi)甚至國(guó)際溢油反應(yīng)力量協(xié)助處理和控制的大型或?yàn)?zāi)難性的溢油事故。

國(guó)內(nèi)溢油級(jí)別按照溢油量進(jìn)行定位，其具體定位是：

小型溢油：溢油量10噸以下；

中型溢油：溢油量10-100噸；

大型溢油：溢油量100噸以上。

國(guó)際上開(kāi)展溢油信息系統(tǒng)的研究，主要有挪威、美國(guó)、英國(guó)的IKU、ADIOS和OSIS模型，雖然為溢油預(yù)測(cè)和模擬提供了良好的指導(dǎo)，但由于模型中公式和參數(shù)的實(shí)驗(yàn)性和經(jīng)驗(yàn)性成分較大，其精準(zhǔn)度較差，難以對(duì)溢油造成的環(huán)境危害進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)和索賠評(píng)估。

對(duì)海洋油污染溢油量探測(cè)，國(guó)外均采取衛(wèi)星遙測(cè)評(píng)估計(jì)算，近十年主要集中在以高端微波雷達(dá)測(cè)量對(duì)污染域的油膜厚度的研究，以此原理制作的探測(cè)裝備性?xún)r(jià)比較低。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)各類(lèi)油污染的溢油量基本采取人工采樣方式，不能做到在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)突發(fā)事件響應(yīng)不及時(shí)，對(duì)油膜厚度則是根據(jù)油膜色彩運(yùn)用光學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式評(píng)估，數(shù)據(jù)可靠性比較差。

近年來(lái)，我國(guó)海域飽受船舶和海上石油鉆井平臺(tái)及海上輸油管線(xiàn)溢油之害，由于缺乏完善的定量監(jiān)測(cè)探測(cè)油污染溢油量的手段，海域被污染后經(jīng)常處于無(wú)量化索賠的尷尬境地。海事部門(mén)急需測(cè)定海洋石油污染容積的裝備，作為《海域油污染賠償國(guó)際法規(guī)》量化賠償和處理的依據(jù)。一旦發(fā)生石油污染事件，立即啟動(dòng)探測(cè)設(shè)備進(jìn)行定量檢測(cè)，為應(yīng)急方案提供精確的數(shù)據(jù)，及時(shí)快速對(duì)海洋石油污染進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)探測(cè)，確定溢油等級(jí)，將海域油污染的危害降低到最小程度。油污染定量監(jiān)測(cè)探測(cè)裝備將提高我國(guó)海事部門(mén)海域權(quán)益監(jiān)管的能力，為我國(guó)海事部門(mén)處理海域油污染事故，制定應(yīng)急方案提供可靠的依據(jù)。

國(guó)外海洋油污染測(cè)量裝備成本很高，本文融合微變電容腔油水比例測(cè)量技術(shù)，研討了一種新型低成本能夠裝備各類(lèi)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的油污染監(jiān)測(cè)探測(cè)傳感系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上形成完整的海域油污染定量探測(cè)裝備。考慮到海水受到油的污染后，會(huì)形成三層不同介質(zhì)，即空氣、油、水，測(cè)定油氣界面和油水界面之間的距離即為油膜的厚度。由此，若能精確測(cè)量上述兩個(gè)界面的位置，即可得到油膜的準(zhǔn)確厚度。掌握了溢油油膜厚度，配合航空遙測(cè)或其它方式(如雷達(dá))測(cè)量污染海域面積便可實(shí)時(shí)在線(xiàn)掌握溢油量，從而估計(jì)溢油的危害程度。

一、基本原理

以微變電容腔油水比例測(cè)量技術(shù)為基礎(chǔ)，新型在線(xiàn)介質(zhì)傳感器基本原理為：海水受到油的污染后，可形成介電常數(shù)不同的空氣、油、海水三層不同介質(zhì)。通過(guò)傳感器電極的運(yùn)動(dòng)，電極逐漸接觸含油液面，隨液面厚度變化，傳感器振蕩器振蕩頻率亦相應(yīng)變化，振蕩頻率在電極通過(guò)油氣界面和油水界面時(shí)有一突變，突變時(shí)設(shè)備會(huì)測(cè)定相應(yīng)位置。測(cè)定油氣界面和油水界面之間的距離即得到油膜的準(zhǔn)確厚度。

海洋油污染主要由海上鉆井平臺(tái)泄露或油輪泄露造成，污染物為石油、柴油、汽油、煤油等，基本為絕緣體。真空、純水及常見(jiàn)油品的介電常數(shù)如下：

真空或空氣1.0

食用油2.0-4.0

汽油1.9

柴油2.1

重油2.6-3.0

純水48.0-80.0

由上述數(shù)據(jù)可見(jiàn)，常見(jiàn)產(chǎn)生污染的油品，其介電常數(shù)為空氣的2倍以上，若在污染物上方設(shè)一探測(cè)電極(上電極)，以污染物下面的海水為另一電極，則二電極之間會(huì)形成一個(gè)電容。結(jié)構(gòu)如圖一所示。

圖1　電極結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中x0為油水界面，x1為油氣界面，x為上電極位置。d1為上電極與油氣界面距離，即空氣介質(zhì)的厚度；d2為油膜介質(zhì)厚度。

電極之間介質(zhì)的介電常數(shù)、電極之間的距離、電極的面積等因素決定了電容值。根據(jù)一般物理學(xué)原理，二電極之間的電容值為：

1-1

其中g(shù)為介電常數(shù)，S為極板面積，單位m2，d為極板距離，單位m；電容單位法拉。

若電極之間有二層介質(zhì)，如圖1所示，則電容值為

1-2

其中g(shù)1，g2分別為二層介質(zhì)的介電常數(shù)；S為極板面積，單位m2； d1，d2分別為二層介質(zhì)的厚度，單位m；電容單位法拉。

設(shè)空氣介電常數(shù)為g1，油膜介電常數(shù)為g2。為簡(jiǎn)化分析，設(shè)g2遠(yuǎn)大于g1，d1遠(yuǎn)大于 d2，則式1-2簡(jiǎn)化為：

1-3

也即當(dāng)上電極位置x距油水界面x0較遠(yuǎn)時(shí)，滿(mǎn)足條件g2遠(yuǎn)大于g1、 d1遠(yuǎn)大于 d2時(shí)，二電極間電容值基本取決于空氣的介電常數(shù)g1，電容值可近似按式1-3計(jì)算。由于空氣介電常數(shù)較小，距離引起的電容變化曲線(xiàn)斜率亦較小，如圖2所示。當(dāng)上電極接近油膜甚至接觸到油膜時(shí)，由于油膜介電常數(shù)較大，電容值突然提高，電容值可近似由式1-2決定。電容的近似折線(xiàn)化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2?？梢?jiàn)當(dāng)上電極接近或到達(dá)油水界面位置時(shí)，距離引起的電容變化曲線(xiàn)斜率有一明顯增加。由此可見(jiàn)，判斷隨上電極的運(yùn)動(dòng)電容變化曲線(xiàn)斜率的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，可以準(zhǔn)確測(cè)量此點(diǎn)的電極位置，即可得到油氣界面位置。

當(dāng)上電極運(yùn)行到油水界面時(shí)，由于海水是良導(dǎo)體，上下電極短路，此時(shí)的電極位置即油水界面位置。

油氣界面位置與油水界面位置間距離即油膜厚度。

圖2　電極間距離與電容值之間關(guān)系

二、技術(shù)特征、技術(shù)方法和難點(diǎn)

與以往常見(jiàn)的雷達(dá)掃描、油膜色彩判斷等方法不同，本文研究采用另外一種方法：利用油品介電常數(shù)與空氣、海水介電常數(shù)較大差異的特點(diǎn)，以海水為下電極，另外設(shè)置一上電極，二者之間形成一可變電容?？刂蒲b置控制上電極向下運(yùn)動(dòng)，在上電極到達(dá)油氣界面和油水界面時(shí)，根據(jù)電容的隨位置變化的變化率(即圖2中的曲線(xiàn)斜率)的改變，可判斷出兩個(gè)界面。分別測(cè)量并記錄上電極在兩個(gè)界面的位置，兩個(gè)位置之差即油膜厚度。此方法尚未見(jiàn)有文獻(xiàn)資料發(fā)表。

(一)本方案的難點(diǎn)

1.上電極運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精確性。包括：電極的水平安裝精度、垂直安裝精度；

2.上電極位置檢測(cè)的精度；

3.油氣界面、油水界面檢測(cè)的精度；

4.因電極之間電容較小，導(dǎo)線(xiàn)的寄生電容造成的寄生電容影響。

(二)解決上述難點(diǎn)

1.提高機(jī)械加工精度；

2.上電極位置檢測(cè)采用高精度滑動(dòng)變阻器，且兩個(gè)界面的檢測(cè)采用相對(duì)檢測(cè)方法，重點(diǎn)在于檢測(cè)兩個(gè)界面的差值，如此將測(cè)量的絕對(duì)誤差抵消掉。

3.為排除寄生電容的影響，檢測(cè)兩個(gè)界面時(shí)，主要檢測(cè)電容有明顯變化時(shí)的拐點(diǎn)位置而不是檢測(cè)電容的絕對(duì)值，如此排除了寄生電容的干擾。同時(shí)設(shè)計(jì)振蕩電路，將電容的變化轉(zhuǎn)化為頻率變化，使用微機(jī)測(cè)量頻率的變化值，較為方便地得到所需信號(hào)。

三、技術(shù)路線(xiàn)和實(shí)現(xiàn)途徑

系統(tǒng)分為三大部分：

(一)機(jī)械機(jī)構(gòu)

包括支架、電動(dòng)推桿安裝于支架上。上電極安裝于推桿端頭，隨推桿運(yùn)動(dòng)而上下運(yùn)動(dòng)；

(二)測(cè)量電路

包括多諧振蕩器、電源電路等。主要功能是將電極間電容的變化轉(zhuǎn)化為頻率的變化，然后將頻率信號(hào)送至單片機(jī)電路。

(三)單片機(jī)控制系統(tǒng)

接收檢測(cè)電路送來(lái)的頻率信號(hào)并對(duì)其計(jì)數(shù)，判斷頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)，與上位機(jī)聯(lián)絡(luò)并按上位機(jī)的指令執(zhí)行動(dòng)作，控制推桿的運(yùn)動(dòng)。

(四)上位機(jī)

為通用PC機(jī)。主要用于人機(jī)界面、向下位機(jī)傳輸指令、顯示測(cè)量狀態(tài)和測(cè)量結(jié)果。

四、測(cè)量電路

測(cè)量電路如圖3。其主要結(jié)構(gòu)與功能為：由555定時(shí)器及其外圍電路構(gòu)成多諧振蕩器，其振蕩周期為

T=0.7(R1+2R2)C

1-4

振蕩頻率則為1/T。式1-4中，為兩探測(cè)電極間電容，隨上電極位置和被測(cè)油品介電常數(shù)而變化?？刂齐娐吩跍y(cè)量開(kāi)始后控制上電極向下緩慢移動(dòng)，則電容隨之按圖2所示規(guī)律變化。

圖3　油膜測(cè)量電路

隨著上電極向下移動(dòng)，電容變化引起555振蕩頻率的變化。上電極移動(dòng)至位置x1時(shí)，電容值有一突變(突然變低)，移動(dòng)至x0位置時(shí)，因海水導(dǎo)電性能很好，兩電極短路，振蕩頻率降為零。由此，須解決的兩個(gè)問(wèn)題是：

(一)精確測(cè)量位置x0、x1相應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)

(二)精確測(cè)量位置x0、x1

由此，位置x0、x1的差值即為油膜厚度。

測(cè)量電路的核心為定時(shí)器555構(gòu)成的多諧振蕩器。決定振蕩頻率的阻容元件分別為R1、R2和C。其中C即上下電極之間的電容值。其振蕩周期為：

測(cè)量電路的核心為定時(shí)器555構(gòu)成的多諧振蕩器。決定振蕩頻率的阻容元件分別為、和。其中即上下電極之間的電容值。其振蕩周期為：

1-5

單位為HZ。由式1—5可見(jiàn)，隨電容的變化，振蕩頻率隨之變化。兩個(gè)運(yùn)算放大器U2A、U2B與阻容元件構(gòu)成跟隨、濾波、放大電路，用于將電極電容上的鋸齒波濾波放大后形成一直流電壓，當(dāng)上電極達(dá)到油水界面時(shí)，此電壓為零?？刂齐娐窓z測(cè)到此零電壓后，即說(shuō)明上電極已到達(dá)油水界面。

頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)由單片機(jī)計(jì)數(shù)器在一定周期內(nèi)對(duì)555定時(shí)器的振蕩頻率計(jì)數(shù)，之后測(cè)量頻率突變點(diǎn)相應(yīng)的位置x0、x1，并不直接測(cè)量二電極之間的電容。這是因?yàn)殡姌O間電容受空氣的溫度、濕度、當(dāng)?shù)睾０蔚纫蛩赜绊?，同時(shí)被測(cè)油品介電常數(shù)也不同，加之電路、導(dǎo)線(xiàn)寄生電容的影響，很難對(duì)電容作精確測(cè)定，因而振蕩頻率亦難以與油膜厚度成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系?，F(xiàn)將此問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)油氣界面和油水界面位置的測(cè)定，即在位置x0、x1確定的情況下，由單片機(jī)記錄下相應(yīng)位置，巧妙地避開(kāi)了電容測(cè)量的不穩(wěn)定性。

五、單片機(jī)控制系統(tǒng)

控制電路如圖4。上電極的運(yùn)動(dòng)由單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)推桿控制，控制電路包括單片機(jī)PWM發(fā)生器、MOS管全橋構(gòu)成的主回路、以及一些輔助電路。電動(dòng)推桿的位置則由高精度直線(xiàn)電阻測(cè)量后將與位置相應(yīng)的電壓送至單片機(jī)AD輸入端，AD精度為10位，即分辨率為1/1024。因推桿行程為50mm，則位置測(cè)量分辨率位50mm/1024=0.049mm。但因測(cè)量到的油膜厚度為位置d1、d2的差值，將絕對(duì)位置測(cè)量轉(zhuǎn)化為相對(duì)位置的測(cè)量，二者的測(cè)量偏差可以在一定程度上相互抵消，故實(shí)際測(cè)量精度還要高一些。

單片機(jī)控制系統(tǒng)以先進(jìn)的51系列單片機(jī)12C5410AD為核心，輔之以外圍電路構(gòu)成。如圖4所示。該單片機(jī)為國(guó)內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)，具有高速、寬電壓、低功耗特點(diǎn)，且在軟硬件方面與國(guó)際最流行的51系列單片機(jī)兼容。同時(shí)該單片機(jī)具有可在線(xiàn)編程、8位10路AD轉(zhuǎn)換器、16位計(jì)數(shù)器、4通道捕獲/比較單元、PWM信號(hào)輸出、2路多模式可選串行通訊等功能，可方便地實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)推桿控制、推桿位置檢測(cè)、信號(hào)頻率檢測(cè)、數(shù)據(jù)上傳及接收以及數(shù)據(jù)計(jì)算等功能。主要功能為：

上電極運(yùn)行控制；電極電路震蕩頻率的測(cè)定及相應(yīng)電極位置的測(cè)定；接收上位機(jī)控制信號(hào)以開(kāi)始及結(jié)束測(cè)量，向上位機(jī)傳輸相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)。

電路各部分結(jié)構(gòu)及功能：

逆變橋路及驅(qū)動(dòng)電路：由4個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS功率管Q1、Q2、Q3、Q4 構(gòu)成逆變橋路功率主回路，4個(gè)光電隔離驅(qū)動(dòng)集成電路TLP250 U4、U5、U6、U7構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路接收單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)主回路。PWM信號(hào)的占空比決定了驅(qū)動(dòng)電壓的大小和極性，使得推桿電機(jī)可隨需要正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

U2A、U2B為具有施密特特性的反相器，U3A、U3B為四輸入與非門(mén)。U2A接收單片機(jī)P1.0口輸出的控制信號(hào)，用于使能或封鎖PWM信號(hào)的輸出，以便必要時(shí)停止主回路工作，避免主回路橋路在故障時(shí)損壞。U2B用于將PWM信號(hào)反相，同相信號(hào)、反向信號(hào)分別送至U3A、U3B以前通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)主回路MOS管，因U3A、U3B在電路上互鎖，防止了主回路MOS管同側(cè)上下橋臂“穿通”致使系統(tǒng)短路。

PWM信號(hào)由單片機(jī)PCA0端輸出，其調(diào)制比由軟件控制。

與上位PC機(jī)的通訊通過(guò)串行端TX、RX端進(jìn)行，頻率計(jì)數(shù)脈沖由T0端接入。

六、上位機(jī)的功能

上位機(jī)為主控計(jì)算機(jī)，使用通用PC機(jī)即可。主要功能：

一是，作為人機(jī)界面，控制系統(tǒng)工作；

二是，計(jì)算下位機(jī)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并顯示數(shù)據(jù)；

三是，向下位機(jī)傳輸控制指令。

主控計(jì)算機(jī)的控制計(jì)算軟件包括數(shù)據(jù)檢測(cè)計(jì)算，數(shù)據(jù)顯示，控制代碼輸出，輸入數(shù)據(jù)接收、控制數(shù)據(jù)輸出等功能軟件包。

七、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以柴油作為被測(cè)介質(zhì)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到一系列數(shù)據(jù)，說(shuō)明本方案切實(shí)可行，精度亦好?？蓽y(cè)量的油膜厚度范圍由0.5mm至10mm，誤差約0.05mm。以后的改進(jìn)目標(biāo)是進(jìn)一步提高測(cè)量精度、將測(cè)量范圍擴(kuò)展至十微米數(shù)量級(jí)。

[1]周仲.集成電路應(yīng)用350例[M].北京：電子工業(yè)出版社，1988.

Film Thickness Measuring and Sensing System Based on the Theory of Differential Capacitance Water-oil Ratio Measurement

JIA Hui-jun

(TianjinMaritimeCollege,Tianjin, 300350)

after the seawater is contaminated, three different medias in three layers are formed: namely air, oil and water. The oil film thickness is the distance measured between oil-gas interface and the oil-water interface. The dielectric constant of the common polluting oil is twice or more of that of the air, if a detection electrode is set above the pollutants, and the seawater below the pollutant as another electrode, a capacitor is formed between the two electrodes. When the upper electrode is close to the oil film or even contact the oil film, due to a sudden increase in the dielectric constant, the capacitance value suddenly increased. Measuring circuit 555 timer and its peripheral circuits forms multivibrator, data at the position of x1, x0 is obtained and by accurately measuring the frequency transformation point of oil-gas interface and the oil-water interface at the position x1, x0 and the difference is the oil film thickness.

oil film thickness; dielectric constant; frequency transformation point

2016-07-05

賈輝軍(1948-)，男，天津市人，天津海運(yùn)職業(yè)學(xué)院教授，主要從事數(shù)學(xué)、半導(dǎo)體物理專(zhuān)業(yè)的教學(xué)與研究工作。

TP212.6

A

1673-582X(2016)09-0072-06