基于嵌入式系統(tǒng)的油水液位檢測系統(tǒng)的設(shè)計

周岐瑋，張廣明

(南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院，江蘇南京 211816)

0 引言

在工業(yè)化生產(chǎn)過程中排放多種微量氣體，比如甲烷、臭氧、一氧化碳、二氧化硫等，雖然它們的濃度很低，但是對人類的生存環(huán)境卻有著重要的影響[1]。石油是應用最廣泛的能源之一。石油的開采、提煉到工業(yè)生產(chǎn)是一個極其復雜的過程，通常情況下，剛開采出來的石油包是油、水、氣體以及泥沙的混合物質(zhì)，需要對此混合物進行分離以提煉想要的石油。目前,對油氣的分離采用的是重力沉降原理，把原油輸送到儲存罐中經(jīng)過長時間的靜置，利用油、水的密度以及油水與泥沙的重力不同，使得油、水、氣以及泥沙在存儲罐中分層以達到分離油水的目的[2]。在這個過程中，準確檢測出油、水的分離界面至關(guān)重要，針對這一難點，本文設(shè)計了一種基于嵌入式系統(tǒng)的油水界面檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用電容傳感器檢測油水分界面時電容值的變化，通過轉(zhuǎn)換電路把電容值轉(zhuǎn)換為電壓值，再根據(jù)大量實驗擬定油水分界面與系統(tǒng)輸出電壓的關(guān)系曲線來準確定位出油水分界面的位置，該系統(tǒng)把檢測技術(shù)與微型計算機技術(shù)相結(jié)合，提高了系統(tǒng)的測量精度，具有廣闊的應用前景[3]。

1 系統(tǒng)概述

原油的開采是一個非常復雜的過程，將開采出來的原油提煉為成品油的工序同樣非常繁瑣。原油開采出來后，首先進行加熱然后送到專門檢測中心計量稱重，然后將原油輸送到沉降罐中，經(jīng)過數(shù)次沉降后就能提煉出成品油[4]。一般原油提煉到成品油大致需要經(jīng)過2次沉降過程，沉降罐的底部有一個排水口，當原油被輸送到沉降罐中時，原油中的泥沙、氣體、水、油等物質(zhì)的密度不同，密度小的油會上浮到沉降罐的上部，而泥沙、水等密度較大的就會下降到沉降罐的底部，經(jīng)過長時間的靜置后原油中的混合物就會在沉降罐中分層，基本就可以得到油水的分離界面。把分段式電容傳感器插入沉降罐中，相鄰電極的間距為x，則油水分界面的高度可以表示為H=h1+h2，若水下有n個電極，則H=nx+h2，因此只需要知道h2高度就能計算出油水分界面的高度，h2高度對應的電極中有油和水2種介質(zhì)，h2的高度是通過實驗獲得的電壓值與高度的特性曲線來求得的。油水分界面檢測原理圖如圖1所示。

圖1中，當原油中的混合物在沉降罐中沉降后，就可以通過底部的排水口排除原油的水從而得到純凈的原油，分離出沉降罐中的泥沙層比較容易，而準確分離出水、乳化層就會比較困難。由于不同物質(zhì)的介電常數(shù)不同，因此本系統(tǒng)利用分段式電容傳感器檢測油、水分界面的介電常數(shù)不同來定位出油水分界面的位置。系統(tǒng)測量示意圖如圖2所示，利用分段式電容傳感器將油、水分界面處的位置信息轉(zhuǎn)換為傳感器輸出電容信號的差值，再利用檢測電路將電容值的變化轉(zhuǎn)換為電壓值的變化，通過單片機A/D采集并把模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為可被計算機處理的數(shù)字信號，最后找出系統(tǒng)測得的電壓值與油、水分界面高度的對應關(guān)系來準確定位出油水分界面的位高度。

圖2 系統(tǒng)測量示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)通過分段式電容傳感器來檢測油水分界面的位置，并利用電容-電壓轉(zhuǎn)換電路將油水分界面的位置信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，再通過單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采集此電壓信號，經(jīng)過單片機分析處理后將計算結(jié)果發(fā)生到上位機中，由上位機根據(jù)計算結(jié)果控制排水閥的開關(guān)[5]。系統(tǒng)硬件部分主要設(shè)計了電容傳感器正弦波發(fā)生電路、C-V轉(zhuǎn)換電路、相敏解調(diào)電路、低通濾波電路以及串口通訊電路等，具體硬件框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 正弦波信號發(fā)生電路

本系統(tǒng)采用正弦波交流信號對分段式電容傳感器進行激勵來測量油水分界面的高度[6]。由于激勵信號的精確度決定著系統(tǒng)測量的準確性，一般RC振蕩電路、LC振蕩電路產(chǎn)生的正弦波信號不穩(wěn)定、精度較差，為了克服這些弊端，本文設(shè)計了一種基于CPLD和AD9754的高精度正弦信號發(fā)生器。由于采用的是相敏解調(diào)方法來提取有效信號，因此本系統(tǒng)共設(shè)計了2路正弦波發(fā)生信號，一路用于驅(qū)動傳感器，另一路作為相敏解調(diào)電路的參考信號。通過CPLD編程把信號源的頻率、幅值、相位寫入到CPLD內(nèi)部，每過一個時鐘周期就輸出一個14位的數(shù)字量給AD9754，AD9754是將CPLD輸出的離散的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為連續(xù)的正弦波信號，輸出的波形再經(jīng)過低通濾波電路濾除諧波分量得到光滑的曲線，產(chǎn)生需要的激勵信號源。具體電路如圖4所示。

圖4 AD975產(chǎn)生正弦交流信號

由于AD9754輸出的信號并不能直接去驅(qū)動電容傳感器，需要進行適當放大，本系統(tǒng)采用AD8610組成的差分放大電路對AD9754輸出的正弦波信號進行放大，再利用二階低通濾波電路對差分放大電路輸出的信號進行濾波，使得輸出的激勵信號更加精確，從而提高系統(tǒng)的檢測精度。

2.2 C-V轉(zhuǎn)換電路

C-V轉(zhuǎn)換電路是系統(tǒng)的重要組成部分，它是將電容傳感器檢測到的電容信號轉(zhuǎn)換為可被分析處理的電壓信號[7]。電容檢測電路主要有直流充放電電容檢測電路和交流法電池檢測電路2種，本文選用的是交流法電容檢測電路，其與直流法相比具有靈敏度高、可抑制雜散電容、低溫漂以及高信噪比等優(yōu)點[8]。交流法電容檢測電路原理圖如圖5所示。

圖5 交流法電容檢測原理圖

C-V轉(zhuǎn)換電路由反饋電阻Rf，反饋電容Cf和運算放大器構(gòu)成。C-V轉(zhuǎn)換電路將傳感器兩極板之間的待測電容值Cx轉(zhuǎn)換為對應的交流信號，且交流信號的峰值電壓與Cx的大小成正比。為了防止運算放大電路產(chǎn)生飽和失真，引入了直流負反饋電阻Rf。圖5中Cs1和Cs2為系統(tǒng)的等效雜散電容(主要是極板與屏蔽罩之間、極板連線與地之間的電容)。C-V轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓只與被測電容成比例，與激勵信號的頻率無關(guān)，因此就完成了傳感器輸出電容量到電壓量轉(zhuǎn)換。

2.3 可調(diào)增益放大電路

每個電極經(jīng)C-V轉(zhuǎn)換電路后輸出的電壓不同，相鄰電極的經(jīng)C-V轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓稍大，而當激勵電極與檢測電極相距較遠時其輸出的電壓就很低[9]。為了滿足不同電極的放大倍數(shù)，本系統(tǒng)采用ADG436與AD817組成的可調(diào)增益放大器對C-V轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓進行可調(diào)放大，系統(tǒng)具有10和90兩級可調(diào)放大倍數(shù)，進而使系統(tǒng)具體較高的適用性。具體電路圖如圖6所示。

圖6 可調(diào)增益放大電路

ADG436具有導通電阻小、較低功耗、極短的開關(guān)延遲時間(小于200 ns)等特點。其結(jié)構(gòu)如圖6所示，IN1為外部輸入電壓，當IN為高電平時，D1與S1A導通；同理當IN1為低電平時D1與S1B導通。

2.4 相敏解調(diào)電路

相敏檢測電路的作用是對2個信號之間的相位進行檢測，具有選頻和鑒別調(diào)制信號相位的能力[10]。實際應用中，這2個信號的頻率相同或成倍數(shù)關(guān)系。一般一路信號作為輸入信號，另外一路信號作為參考信號，然后通過乘法器將二者相乘，經(jīng)過低通濾波器，濾掉高頻干擾，最后得到系統(tǒng)所需要的信號。這樣能夠?qū)㈦娙菪盘栔械脑肼暼コ玫揭粋€直流信號，其正比于2路信號的幅值與相位差的余弦之積。本系統(tǒng)設(shè)計的相敏檢測電路由AD734模擬乘法器和有源二階巴特沃斯低通濾波器構(gòu)成。PSD基本工作原理如圖7所示，具體電路圖如圖8所示。

圖7 相敏解調(diào)電路原理圖

圖8 相敏解調(diào)電路圖

2.5 串口通訊電路

本系統(tǒng)串口采用RS485通信方式，特點：半雙工異步通信接口，采用差分方式傳輸能夠有效抵抗共模噪聲的干擾，傳輸速率達到了10 Mbit/s，最遠的傳輸距離可以達到1.2 km。這些特點使RS485這種通訊方式被廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場中。電路圖如圖9所示。芯片供電范圍3～3.6 V，功耗低，圖9中在引腳7和引腳6間連接了1個電阻，主要是實現(xiàn)阻抗匹配的作用，以達到吸收總線上反射信號的目的，引腳2、3主要是控制芯片接收/發(fā)送數(shù)據(jù)的模式。

圖9 串口通訊電路

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分主要設(shè)計了正弦波信號產(chǎn)生程序、程控放大電路程序、數(shù)據(jù)接收處理程序、A/D轉(zhuǎn)換程序以及串口通訊程序等。由STM32控制CPLD的使能端使其產(chǎn)生固定頻率幅值的正弦交流信號，該信號驅(qū)動分段式電容傳感器，通過C-V轉(zhuǎn)換電路把電容傳感器中電容的變化量轉(zhuǎn)換為輸出的電壓值，再通過程控放大電路對C-V轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓幅值進行選擇放大，最后把放大后的信號輸入到STM32內(nèi)部A/D的轉(zhuǎn)換器中采樣，通過大量實驗求得電壓與油水分界面的高度曲線，最后把計算結(jié)果通過串口通訊的方式發(fā)送到上位機顯示，系統(tǒng)軟件流程圖如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實驗數(shù)據(jù)分析與處理

根據(jù)以上硬件和軟件，設(shè)計了基于嵌入式系統(tǒng)的油水液位檢測系統(tǒng)，采用的分段式電容傳感器為16個電極，即15個電極對。實驗時，用高度為100 cm、直徑為15 cm的亞克力玻璃管作為沉降罐，在玻璃管中倒入一定的自來水和油，模擬實際的油水分界面，在亞克力玻璃管的外部放置一個精度1 mm的標度尺，把標度尺測量的油水分界面的高度與系統(tǒng)測量得到的油水分界面的高度進行對比，驗證系統(tǒng)的測量精度。

4.1 數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性測試

本系統(tǒng)的電容檢測電路采用的是交流法，在分段式電容傳感器的周圍用銅箔包裹并進行接地處理，這樣可以有效屏蔽雜散電容。首先驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即空管測量時，每個電極對之間的電壓是否穩(wěn)定，采集電極對之間的電壓隨時間變化的曲線，觀察電壓的波動情況，本文連續(xù)采集30 min，電極對隨時間的波動曲線如圖11所示。

圖11 電極對間電壓隨時間變化曲線

從圖11可以得出，最大與最小的電壓差在10 mV之內(nèi)，2個電極對的電壓曲線近似可以看成一條，此電壓差對系統(tǒng)測量精度的影響微乎其微，由此可見，本文設(shè)計的硬件系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。

4.2 曲線擬合

安裝上述測量原理圖，把油和自來水導入玻璃管中，靜置0.5 h，此時啟動系統(tǒng)測量各個電極對之間的電壓，測量數(shù)據(jù)如圖12所示。

圖12 電極對滿管與空管電壓對比

由上述實驗數(shù)據(jù)可知，電極4～15之間電壓波動成規(guī)律性變化，而在電極對2～3之間波動較大，可知，油水分界面在電極對2～3之間。

由前面提到的油水分界面的高度表達式H=h1+h2=nx+h2可知，只要擬合出油水分界面的曲線h2就可以測得油水分界面的高度。當玻璃管內(nèi)盛滿油水混合物后，通過玻璃管底部的排水閥逐漸把水排空，記錄此過程系統(tǒng)測得電壓的變化；再把排出的油水混合物重新倒入到玻璃管中，記錄此過程電壓的變化。2個實驗過程的電壓波動曲線近似吻合，電壓波動曲線如圖13所示。

圖13 第1電極對的液面高度-電壓特性曲線

從上述實驗得到油水分界面處的電極對的電壓與液面高度的擬合曲線h2，曲線h2可以分成2個部分，其中輸出電壓在0.1～1.4 V之間的可以看作是線性曲線，如圖14所示；而輸出電壓在1.4～2.0 V之間的可以看作是一個二次函數(shù)曲線，如圖15所示。分別進行線性擬合，得到2部分的擬合曲線為：

第1部分：h21=0.012 5x+10，線性擬合系數(shù)為0.971。

第2部分：h22=0.003 28x2-12.5x+11 906，線性擬合系數(shù)為0.912。

圖14 近似線性部分擬合曲線

圖15 近似二次函數(shù)部分擬合曲線

由上述實驗數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)測量誤差在擬合曲線第1部分的末端，誤差大約3 mm，其他部分誤差則小于2 mm，可見系統(tǒng)的測量精度完全可以滿足實際需要，達到了設(shè)計的預期。此外系統(tǒng)還具有良好的穩(wěn)定性、實時性，可通過上位機界面實時觀察油水分界面高度的變化。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于嵌入式系統(tǒng)的油水液位檢測系統(tǒng)，主要是利用新型分段式電容傳感器對油水界面進行檢測，通過相關(guān)檢測電路將測量得到的油水分界面的高度轉(zhuǎn)換為電壓值，從而得到油水界面高度與電壓幅值的對應關(guān)系。實際實驗表明，該系統(tǒng)能夠準確檢測出油水分界面的高度，并實時控制沉降罐底部的排水閥排除水分，分離出成品油。此外系統(tǒng)還具有測量精度高、實時性好等優(yōu)點。