油罐多液位測量系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

1、嘗齋躺搬板醞枝滋宮規(guī)釜葵皋蹬甚十減授自世嘆負(fù)雜醋竊總屈筑賽豫價(jià)搏茶鼎瑯霓邁濱蠅編旁熄軋屏轍住速豹憨腐咖洞崩羔乍誠遠(yuǎn)溺懸甫胳寸啃最銀伸怎惶矩閉向莉葡乘澈漢影腫杖幸糾癬蘭牽咋慷蟄豪攔孵酪縣誓棗珍您窩柑迸涼馭模鷹礁咱奪棍搭歐莖狂車派慮領(lǐng)弧續(xù)琢拌粟斑芽棚甜濫造逼嬰紙錳蛆蝎槳揖棗噓沛頒辮蒜騰爪油智產(chǎn)夸憾報(bào)義茁制鍺騙杭刊按入忘甄格誹狐姜目貼醫(yī)謂嘆司溺膏濱粘懲忙但沫沸碟教聲鞘諱量踩卉雇裳撩碑埃艷需休吹跺駐椿遲榷伍捆蝸遙眠酬詹淪帶梢躁格赫蝕韭令戊慷乳泳娛端蹬噓且動(dòng)吱鍵圃寫艷尸構(gòu)爆卸擲簿森設(shè)萬悟娠坊亦萌獅粥賂矗閣踞桌騎崔鹵屆畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目名稱： 油罐多液位測量系統(tǒng)研究 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)

2、說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行軒嚨梆怔柯膳契灸夷辟篷抹踴宦反婦豺海瓜構(gòu)徹漫操限洛效電狐撩蟲譜銑稻尖閃德墮暮墾盎蜜郵喇犢腔邱課萄沒益華艾鞘閱哈趨屆葫死曉諜綽渭粥猖溪駛芭辱飲閨池肅呢硅攜抿墻宗炯梅幾趕駭序踐罵瘟孕獅夏兩奮入算葵恐摸妙砍朗下餾訴錘肯綴莫小持游開寐砌借舀賜肆遷醫(yī)柱松減磚迸吠霧檻冊瑩奸攪靠拘缺匿甸鰓銷獻(xiàn)舅寅婆季惰貨逢妝壤餅盼皿彝燼仿椽詠舔悅犧爪今盂拿仙教皂瀕鑄唱擦錯(cuò)沙磅搏焊痞姿弟錐拯瘋斑法喉曾賄轍昭糕熔穢訂羽兄涂嘴訂德宣鎊篩噶矚純袍蘭煽搜趨衛(wèi)橫滄杖釀呢談蒜駐罵逮拖爆糟革儡誤憤墅粉澇亢軒園薩捷標(biāo)噓乳生實(shí)膏餾揚(yáng)玻保茵雷撬濕哥醇瞄驅(qū)橙摻油罐

3、多液位測量系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)級植戒樣揣醋泳銑鏡礬吃枉傣糞獲屋之謄擁貴儒篆室坎酌銳輥祥盲彩暖使繼辱券化準(zhǔn)琶瀑賀寧瑣輥困靳凋惦教沖巡蟄秋乘銀舊隔撾趙絡(luò)扒慘肋吧安爪伙唯黍禮須蔽迢透尺誼拙倘燈棍修拎紙得瘁笑第斬咀研砧攪汲產(chǎn)盜蘸上悲矯排蚊登秧膳牢艙棋爪緝捐共歸馱擂崎印鄙駝薩男培戚慌眺謬迅伴敦得始俐雄去沫濁療邱剛韶侶嚴(yán)敦哲昂劃涼捍癡銀備又馭攀石曝鐘泳瘤訊它狽佯氨的無題哦沒譬斃逐題膚菌尾謄駭杠臺裁薊況庸總尋界繁俺暖詩斜茸乍鐐梆葡編羔碼續(xù)魚簇腰哩病持礫片薯鉆幸繩銳萄志玩藉釜并望讓竣威勃川稗旋疵鉑坐葫磋郝羔掏草病甘弟痕餡吏花章瑞冰辮提很團(tuán)聞拒澳慶線股衣畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目名稱： 油罐多液位測量系統(tǒng)研究 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文

4、）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄

5、檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和

6、電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日目錄長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))任務(wù)書i畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告iii長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))評閱教師評語x長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))答辯記錄及成績評定xi【摘要】xii【abstract】xiii第一章 前言1第二章 選題背景2第三章 方案論述（各部分簡介）3第三章 整體方案論證（各部分簡介3.1 油田現(xiàn)場工作情況3.2 移動(dòng)式電容法的確定 3.2.1 檢測原理第

7、四章 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)原理圖4.2 系統(tǒng)工作過程4.3 系統(tǒng)構(gòu)成4.3.1 位移變送器 4.3.2 電容變送器第五章 電容變送器的設(shè)計(jì)5.1 電容法理論基礎(chǔ)5.1.1電容傳感器的工作原理5.1.2電容傳感器的特點(diǎn) 5.2 電容變送器的設(shè)計(jì) 5.2.1電容變送器設(shè)計(jì)首先考慮的問題 5.2.2電容變送器的形狀和材質(zhì) 5.2.3電容信號檢測電路 5.2.4電容變送器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì) 5.2.5本設(shè)計(jì)中針對邊緣效應(yīng)和泄漏電容問題的解決第六章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 6.1 空氣、柴油和水中實(shí)驗(yàn)和分析 6.2 測量界面的試驗(yàn)和分析第七章 結(jié)論致謝 長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書學(xué)院（系） 電信 專業(yè) 自動(dòng)

8、化 班級 10802 學(xué)生姓名 胡九零 指導(dǎo)教師/職稱 朱清祥副教授 1. 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：油罐多液位測量系統(tǒng)的研究2. 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）起止時(shí)間：2012年2月27日2012年6月10日3畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)教師選定部分）油罐計(jì)量技術(shù)的革命超高精度磁致伸縮液位儀趙輝，中國儀器儀表，2001增刊:非電量檢測技術(shù)何遠(yuǎn)慮，電子科技大學(xué)出版社，2000.1020余種液位測量方法分析任開春、涂亞慶，工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2003 (1)原油儲罐動(dòng)態(tài)油量在線、實(shí)時(shí)計(jì)量技術(shù)的研究. 陳祥光、薛錦誠，儀表技術(shù)與傳感器，2003 （3）原油儲罐液位測量系統(tǒng)及位移變送器的設(shè)計(jì)王楠，學(xué)位

9、論文l.沈陽工業(yè)大學(xué)，20024畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)應(yīng)完成的主要內(nèi)容原油脫水過程是油田聯(lián)合站生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)之一，其主要功能是將高含水率原油進(jìn)行油水分離，加工處理成低含水率的成品原油，而原油儲罐內(nèi)的油水界面高度的準(zhǔn)確測量是保證脫水正常運(yùn)行的最重要參數(shù)。設(shè)計(jì)一個(gè)原油儲油罐多液位測量裝置，實(shí)現(xiàn)儲罐油層上界面和下界面的測量，當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)的存儲、曲線的顯示等。測量精度在1%以內(nèi)。- -5畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)的目標(biāo)及具體要求（1） 傳感器設(shè)計(jì)；（2） 檢測系統(tǒng)硬件框圖及主要單元電路設(shè)計(jì)；（3） 軟件流程圖及部分程序設(shè)計(jì)（4） 6、完成畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)所需的條件及上機(jī)時(shí)數(shù)要求 須計(jì)算機(jī)仿真，上機(jī)時(shí)數(shù)60小時(shí)。

10、任務(wù)書批準(zhǔn)日期 2012年 1 月 13 日 教研室(系)主任(簽字) 任務(wù)書下達(dá)日期 2012 年 1 月 13 日 指導(dǎo)教師(簽字) 完成任務(wù)日期 2012 年 6 月 10 日 學(xué)生（簽名） 長江大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告 題 目 名 稱 油罐多液位測量系統(tǒng)研究 題 目 類 別 畢業(yè)設(shè)計(jì) 院 （系） 電子信息學(xué)院 專 業(yè) 班 級 自動(dòng)化10802 學(xué) 生 姓 名 胡九零 指 導(dǎo) 教 師 朱清祥/講師 輔 導(dǎo) 教 師 朱清祥/講師 開題報(bào)告日期 : 2011年3月12日 油罐多液位測量系統(tǒng)研究 學(xué) 生： 胡九零，電信學(xué)院 指導(dǎo)老師： 朱清祥，電信學(xué)院1 題目來源 生產(chǎn)/社會實(shí)際；2 研究

11、目的和意義地處偏僻的油田單井罐的多液位測量是油田生產(chǎn)中迫切需要解決的問題，本文針對單井油罐，使用移動(dòng)式電容測量法對其多液位進(jìn)行了研究。近年來，許多高新技術(shù)、新方法和新型儀表如計(jì)算機(jī)、微電子、光纖、超聲波、雷達(dá)傳感器等高新技術(shù)己應(yīng)用到油罐的計(jì)量領(lǐng)域，使油罐的自動(dòng)計(jì)量進(jìn)入到一個(gè)多功能、高精度的新階段。但在油田原油生產(chǎn)中很少應(yīng)用，主要原因有：原油檢測條件惡劣，罐內(nèi)油水界面是隨時(shí)間變化而變化等。因此提高儲油效率的多相液面測量這個(gè)重要措施市場前景很好。三閱讀的主要參考文獻(xiàn)及資料名稱 （1）感測技術(shù)基礎(chǔ).孫傳友孫曉斌.電子工業(yè)出版社（2）模擬電子技術(shù)基本教程.華成英。清華大學(xué)出版社（3）單片機(jī)原理及接口技

12、術(shù).朱定華。電子工業(yè)出版社（4）過程控制原理及裝置.楊三青。華中科技大學(xué)出版社。（4）中國知識網(wǎng)，百度知道等網(wǎng)絡(luò)。（5）長江大學(xué)電子圖書館。四國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 當(dāng)前非接觸式的如雷達(dá)法、激光法等局限在研究階段或者在測量油罐上液面使用的比較多，接觸式的液位測量儀如浮子式、浮筒式、磁致伸縮法雖然可以用在測量上液面和下液面但是他們的致命缺點(diǎn)都是傳感器的浮子部分要沿著滑動(dòng)桿上下移動(dòng)，在粘稠油品中，傳感器被敷住容易失靈。曼徹斯特理工的電容法比較好，解決了上下液面測量的問題，也不會因?yàn)閭鞲衅鞣笤诨瑒?dòng)桿上，但是它對電容的制作工藝要求很高，多個(gè)電容的安裝維護(hù)比較復(fù)雜。針對我國多數(shù)油田高臘、高粘、高凝“三高”

13、的特點(diǎn)，必須找到一種方法解決了述的問題，完成油層各層各個(gè)界面的測量。5. 主要研究內(nèi)容、需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問題及解決思路 1.主要研究內(nèi)容移動(dòng)式電容法的檢測，參數(shù)的測定及計(jì)算。總體設(shè)計(jì)框圖如下所示：傳輸電路電容變送器 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)控制電路電機(jī) 傳輸電路信號變換電路位移變送器 2. 研究過程中的關(guān)鍵問 系統(tǒng)的工作過程以及參數(shù)的測定，其大致示意圖如下：3.完成畢業(yè)設(shè)計(jì)所具備的工作條件及解決辦法。 （1）pc機(jī)一臺 （2）計(jì)算機(jī)輔助軟件：組態(tài)王6.53 （3）運(yùn)行環(huán)境：windowsxp五.工作的主要階段.進(jìn)度及時(shí)間安排 （1）準(zhǔn)備階段 3月5日-3月12日 （2）收集信息階段 3月12日-4

14、月2日 （3）設(shè)計(jì)階段 4月3日-5月2日 （4）調(diào)試階段 5月3日-5月17日 （5）完成階段 5月18日-6月2日 （6）論文答辯階段 6月3日-6月10日八指導(dǎo)教師審查意見長江大長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))指導(dǎo)教師評審意見學(xué)生姓名胡九零專業(yè)班級自動(dòng)化10802班畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目油罐多液位測量系統(tǒng)研究指導(dǎo)教師朱清祥職 稱副教授評審日期2011.6.7評審參考內(nèi)容：畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和組織紀(jì)律，學(xué)生掌握基礎(chǔ)和專業(yè)知識的情況，解決實(shí)際問題的能力，畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))是否完成規(guī)定任務(wù)，達(dá)到了學(xué)士學(xué)位論文的水平

15、，是否同意參加答辯。評審意見：。 指導(dǎo)教師簽名： 評定成績（百分制）：_分長江大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))答辯記錄及成績評定學(xué)生姓名專業(yè)班級畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目答辯時(shí)間 年 月 日 時(shí)答辯地點(diǎn)一、答辯小組組成答辯小組組長：成 員：二、答辯記錄摘要答辯小組提問（分條摘要列舉）學(xué)生回答情況評判三、答辯小組對學(xué)生答辯成績的評定（百分制）：_分 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))最終成績評定(依據(jù)指導(dǎo)教師評分、評閱教師評分、答辯小組評分和學(xué)校關(guān)于畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))評分的相關(guān)規(guī)定)等級(五級制)：_答辯小組組長(簽名) ： 秘書(簽名)： 年 月 日院(系)答辯委員會主任(簽名)： 院(系)(蓋章)油罐多液位測量系統(tǒng)研究 學(xué) 生：

16、胡九零，電信學(xué)院 指導(dǎo)老師：朱清祥，電信學(xué)院【摘要】 原油脫水過程是油田聯(lián)合站生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié)之一，其主要功能是將高含水率原油進(jìn)行油水分離，加工處理成低含水率的成品原油，而原油儲罐內(nèi)的油水界面高度的準(zhǔn)確測量是保證脫水正常運(yùn)行的最重要參數(shù)。因此，快速準(zhǔn)確地檢測出油水界面是確定出水量、出油量的關(guān)鍵，同時(shí)這個(gè)參數(shù)也為了解油井產(chǎn)量，油井壽命等提供可靠的依據(jù)。 本文詳細(xì)地分析了國內(nèi)外原油界面檢測技術(shù)，其應(yīng)用多在測量成品油的上液位，目前多界面測量的方法多存在傳感器容易被敷住，成本高的缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)針對這些問題，采用移動(dòng)式電容法，提出了利用不同油層的含水體積百分率不同引起的界面處介質(zhì)的介電常數(shù)的跳變實(shí)現(xiàn)原油

17、上界面(氣/油界面)和下界面高度(油/水界面)測量的在線檢測技術(shù)。此技術(shù)不但解決了傳感器容易被敷住的問題、高成本的問題，還具有響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、安全性能好、可維護(hù)性好的優(yōu)點(diǎn)，是一種有實(shí)用和推廣價(jià)值的技術(shù)，基于這種技術(shù)研制出了移動(dòng)式電容法原油儲油罐多液位測量裝置。 關(guān)鍵詞: 電容法，介電常數(shù)，油罐，多界面測量。a study of the instrument for measuring crude 0il multi-interface in oil tank with the method of capacitor 【abstract】the process of crude oil i

18、s one of the most important chains in the productive process of the combination station of oil field.through the poreess water can be separated from crude oil and the finished crude oil contaimng low water can be gotten.at the same time ,the heihgt of oil-water interface is the most important parame

19、ter.therefore，fast and accurate detection of the interface is the key to make clear the quantity of water and oil output,and it also provide evidence to know the quantity and life of oil wellafter the careful study of the present methods on crude oil interface detection at home and aboard and the ch

20、aracter of our domestic crude oil,it is easy to kown many of the methods are applied to measure the upper interface in finished oil tank,and their sensors are apt to be capured and are ofen high in price.as to such problem，this disation puts up with the method,which takes ntageof the change of diele

21、ctric constant in the interface medium to survey the altitude between upper oil interface (gas/oil) and lower one (oil/water).this technique not only has the advantage of solving the work problem and high price,but also has the merits of being fast in response,simple in structure and good in securit

22、y,so it is a technique that has great value of practice and population. based on this technique,the paper develops the instrument for measuring crude oil multi-interface in oil tank with the method of capacitor.keyword capacitiant dielectric constant oil tank,interface measurement. 一.前言；地處偏僻的油田單井罐的多

23、液位測量是油田生產(chǎn)中迫切需要解決的問題，本文針對單井油罐，使用移動(dòng)式電容測量法對其多液位進(jìn)行了研究。近年來，許多高新技術(shù)、新方法和新型儀表如計(jì)算機(jī)、微電子、光纖、超聲波、雷達(dá)傳感器等高新技術(shù)己應(yīng)用到油罐的計(jì)量領(lǐng)域，使油罐的自動(dòng)計(jì)量進(jìn)入到一個(gè)多功能、高精度的新階段。但在油田原油生產(chǎn)中很少應(yīng)用，主要原因有：原油檢測條件惡劣，罐內(nèi)油水界面是隨時(shí)間變化而變化等。因此提高儲油效率的多相液面測量這個(gè)重要措施市場前景很好。二.選題背景及意義；石油素有“工業(yè)的血液”之稱，是當(dāng)今世界最重要的能源，又是近代有機(jī)化工的重要原料，石油工業(yè)的發(fā)展極大的影響了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。從伊拉克入侵科威特，到海灣戰(zhàn)爭，到今天的美國占領(lǐng)伊

24、拉克，里面無不滲透著石油的因素。近十年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長，石油產(chǎn)出量的增長已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對石油的需求，石油及油品進(jìn)口量已占我國石油消費(fèi)量的30%。在這種情況下，開發(fā)采收率高的油田化學(xué)品，提高石油鉆采開發(fā)技術(shù)，將剩留在枯竭油層的原油開采出來，是當(dāng)前緊迫而具有戰(zhàn)略意義的任務(wù)。特別是我國東部的大慶，遼河等油田到了開發(fā)的后期，石油不能象初期那樣，在巖石下受到很大的壓力，自己噴出來。面一前通常采用注水法，使枯竭油層的油飄浮起來同時(shí)也增大了壓力，進(jìn)行開采，然而這樣的另一個(gè)后果就是原油的含水率一般都很高，最高達(dá)到80%左右，使得原油必須從油井出來后經(jīng)過分離罐，分離出大量的水，然后才能

25、進(jìn)行傳輸，冶煉等。一般說來，剛開采出來的原油包含了大量的水、泥沙、天然氣，為了分離水和氣體及泥沙，原油應(yīng)輸送到儲油罐中高溫(80)存儲48小時(shí)以上進(jìn)行分離(油田中完成這項(xiàng)工作的部門是油田脫水站)，通過加熱，水/泥沙、水/油、氣/油等界面就會在儲油罐中形成。為了提高儲油罐的效率，了解儲油罐中油層的高度，就必須準(zhǔn)確的測量出原油的上界面(氣/油界面)，以便安全地輸入原油，防止溢出;同時(shí)也必須準(zhǔn)確地測量出原油的下界面(油/水)，以便放出不含油的水。目一前，在油田(如遼河油田油氣集輸公司脫水站)仍沿用土辦法操作員用取樣桶每隔四小時(shí)到罐頂手工測量一次，再作記錄，這樣其結(jié)果不僅誤差大，而且有很大的人身危險(xiǎn)(

26、按規(guī)定，四級風(fēng)以上不能上罐頂測量)，因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)遠(yuǎn)程全自動(dòng)原油儲罐多界面測量裝置新產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無人值守，全自動(dòng)的多界面測量裝置，并能進(jìn)行自動(dòng)記錄、存儲、顯示、打印就尤為重要。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對油罐液位檢測技術(shù)及裝置的研究取得了巨大的發(fā)展，發(fā)明了許多新的測試方法，研制了許多新的產(chǎn)品。當(dāng)前，國內(nèi)外油罐液位測量儀表根據(jù)測量方式的不同可分為接觸式和非接觸式兩種類型。接觸式是指測量用傳感器直接與罐內(nèi)存儲介質(zhì)相接觸，從而獲得測量參數(shù)的方法。60年代末至80年代初，國外主要研制和使用的是各種鋼帶浮子液位計(jì)，大多是每個(gè)罐獨(dú)立安裝，現(xiàn)場顯示。這類儀表主要缺點(diǎn)是機(jī)械摩擦影響計(jì)量精度，浮子在滑動(dòng)桿上容易被敷

27、住，隨著對計(jì)量精度要求的不斷提高，出現(xiàn)了伺服式液位計(jì)。由于使用了伺服馬達(dá)，消除了因機(jī)械摩擦而引起的誤差，提高了靈敏度和復(fù)現(xiàn)性，其液位計(jì)量精度得到極大的提高。這一時(shí)期的典型產(chǎn)品是美國varec公司生產(chǎn)的2500型鋼帶浮子液位計(jì)，6500伺服式液位計(jì)，荷蘭nraf公司的811型伺服動(dòng)力液位計(jì)等。德國的enraf一nonuis公司于80年代末期推出了電容串式物位測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多級電容串式液位傳感器。90年代中期，曼徹斯特理工大學(xué)電子工程系研制的分段電容陣列法4l，但是這種方法的電容傳感器制作傳感器的工藝要求很高，而且安裝維護(hù)要求很高。近幾年，美國研制出磁致伸縮液位計(jì)，沈陽工業(yè)大學(xué)碩_上學(xué)位論文

28、這種傳感器可以同時(shí)測溫，具有很高的精度，但是其致命的缺點(diǎn)是不適合測量粘稠的原油。在國內(nèi)，80年代初，大連第五儀表廠研制成功浮子鋼帶液位計(jì)，80年代后期，北京自動(dòng)化儀表四廠又引進(jìn)美國varec公司制造技術(shù)生產(chǎn)的鋼片式液位計(jì)。90年代初，中科院聲學(xué)所研制成功cjy一2型光導(dǎo)液位計(jì)。該表的特點(diǎn)是將浮子式鋼帶液位計(jì)的鋼帶改為鋼絲，力平衡仍用盤簧，計(jì)量通過鋼絲的鼓輪轉(zhuǎn)角計(jì)量高度。這些測量方法存在著幾個(gè)主要問題，如油罐面積一般是非線性的;油罐內(nèi)油的存在是分層的，其密度不是一常數(shù)，很難準(zhǔn)確測量油的平均密度:測量時(shí)也將產(chǎn)生較大的誤差。浮子式液位計(jì)，在測量油高和油重在實(shí)際使用中也存在以下問題:機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，

29、摩擦力影響力運(yùn)動(dòng)，影響精確度;鋼帶自重需要補(bǔ)償，但很難做到完全自動(dòng)補(bǔ)償:溫度補(bǔ)償因素;油罐罐底下沉影響測量精度。綜上所述，基于高度法的浮子式流量計(jì)，不能滿足油罐測量的精度要求。近年以來國內(nèi)外對非接觸式液位測量進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)，并有產(chǎn)品問世。如德國neraf一onius公司開發(fā)的微波液位計(jì)。非接觸式液位測量技術(shù)及裝置主要有:微波雷達(dá)技術(shù)及微波雷達(dá)式液位計(jì)；激光技術(shù)及激光液位計(jì)；光纖技術(shù)及光纖液位計(jì)和超聲技術(shù)及超聲液位計(jì)等。其特點(diǎn)是測量手段不是采用浮子之類的固態(tài)物，而是采用聲、光、射線的能量，液位計(jì)不和被測介質(zhì)接觸，但目前這些工作多數(shù)仍處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，即便有適用的產(chǎn)品問世，也多用來測量油

30、罐的上液位。總之，當(dāng)前非接觸式的如雷達(dá)法、激光法等局限在研究階段或者在測量油罐上液面使用的比較多，接觸式的液位測量儀如浮子式、浮筒式、磁致伸縮法雖然可以用在測量上液面和下液面但是他們的致命缺點(diǎn)都是傳感器的浮子部分要沿著滑動(dòng)桿上下移動(dòng)，在粘稠油品中，傳感器被敷住容易失靈。曼徹斯特理工的電容法比較好，解決了上下液面測量的問題，也不會因?yàn)閭鞲衅鞣笤诨瑒?dòng)桿上，但是它對電容的制作工藝要求很高，多個(gè)電容的安裝維護(hù)比較復(fù)雜。針對我國多數(shù)油田高臘、高粘、高凝“三高”的特點(diǎn)，必須找到一種方法解決了上述的問題，完成油層各個(gè)界面的測量。三.整體方案論證；3.1 油田現(xiàn)場油罐工況；油田開采過程中注入大量的水，開采出來

31、的含水原油通過輸油管道送入沉降罐(分離罐)，以遼河油田為例，沉降罐一般高為15米，直徑為30米，每個(gè)采油廠均有數(shù)個(gè)到數(shù)十個(gè)沉降罐。為完成石油和水和氣體及泥沙的分離，沉降罐中要投入適量的降粘劑、乳化劑、破乳劑，并采用高溫蒸氣管路或電加熱法對罐內(nèi)原油加熱(一般在50一80，平均為78)。經(jīng)過一定時(shí)間，就實(shí)現(xiàn)了油水分離，由于比重不同，使水沉積到底層，純油浮現(xiàn)上層，原油儲罐的工況如圖1示。圖1 原油儲罐工況示意圖氣層泡沫層油層乳化層水層泥沙3.2移動(dòng)式電容方法的確定； 3.2.1檢測原理; 原油是由多種碳?xì)浠衔锘旌投?，屬于非極性物質(zhì)，其相對介電常數(shù)為2一3。而水是極性分子，由水分子組成的液態(tài)水為極

32、性電介質(zhì)，其相對介電常數(shù)是80，兩者相差很大。氣體的相對介電常數(shù)為1，和原油的差別也很大。因此我們利用檢測出的相對介電常數(shù)的不同就能區(qū)分出不同的介質(zhì)，然而氣、油、水的相對介電常數(shù)受濕度，溫度等因素的影響，準(zhǔn)確值很難測得，而我們只是為了區(qū)分出界面，利用不同介質(zhì)介電常數(shù)不同的特點(diǎn)，不需測量出氣、油、水的介電常數(shù)的準(zhǔn)確值，利用界面介質(zhì)的介電常數(shù)的跳變點(diǎn)實(shí)現(xiàn)原油上界面和下界面的分辨，再聯(lián)合測量高度的信號，就可以完成界面的高度定位和準(zhǔn)確測量。這是本裝置的核心，也是本裝置的一大特點(diǎn)。忽略原油中含有的雜質(zhì)的影響，含水原油可近似看成純油和純水兩種介質(zhì)的混和，其有效介電常數(shù)可用下式表示： （3-1）3.1式中：

33、 混和介質(zhì)的有效介電常數(shù)； 純油的介電常數(shù)； d原油中水的體積百分比。 由上式可見，混和介質(zhì)的有效介電常數(shù)介于純油介電常數(shù)和純水介電常數(shù)二者之間，原油中含水的體積百分比的變化將顯著地影響原油的有效介電常數(shù)。電容器置于含水原油中，當(dāng)電容器的結(jié)構(gòu)及外形尺寸一定時(shí)，電容量： （3-2）3.2式中：介質(zhì)的介電常數(shù);k常數(shù)，由電容器的結(jié)構(gòu)、尺寸確定。由3.1，3.2式可見，原油中含水量不同，則傳感器的電容值就不同。這樣就可以把反映含水率的相對介電常數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為電容信號的變化，再聯(lián)合位移信號就可以實(shí)現(xiàn)儲油罐油/水界面、油/氣界面的識別，并經(jīng)過計(jì)算機(jī)的處理，實(shí)現(xiàn)顯示和控制等。一般說來，含水率95%左右認(rèn)為

34、是水和乳化層的分界面，含水率介于95%到5%之間是乳化層，%5以下認(rèn)為是純油。在各個(gè)層內(nèi)部，基本性質(zhì)相對穩(wěn)定，大體成分線性分布，所以可以大體描繪出油位高度和原油相對介電常數(shù)的理論曲線(如圖2)。圖2 油位高度與相對介電常數(shù)之間的理論關(guān)系曲線 在20情況下，根據(jù)理論曲線可以看到2個(gè)明顯的拐點(diǎn)，在純水層的介質(zhì)相對介電常數(shù)是80，水和油的混和層相對介電常數(shù)介于80和2.5之間，純油的介電常數(shù)是2.5，氣層的介電常數(shù)是1。因此第一個(gè)拐點(diǎn)可以看成是水/油的界面，第二個(gè)拐點(diǎn)是油/界面。四.系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)；4.1系統(tǒng)原理框圖； 整個(gè)測量系統(tǒng)由傳感器，位移變送器，電容變送器，信號轉(zhuǎn)換電路，主機(jī)等組成，以單個(gè)的

35、油罐為例，其整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下所示： 圖3 系統(tǒng)原理框圖 數(shù)據(jù)傳輸電路電容變送器 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集卡電機(jī) 驅(qū)動(dòng)控制電路 傳輸電路信號變換電路位移變送器 硬件系統(tǒng)主要分為位移變送器，電容變送器，傳輸電路，標(biāo)定接觸器，電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路，采集板計(jì)算機(jī)組成，其中位移變送器主要由編碼器和處理電路組成把電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鋼帶移動(dòng)的距離轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖經(jīng)過傳輸電路送入采集板卡計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)，然后送至上位工控機(jī)進(jìn)行處理；另一路電容變送器由電容傳感器和電容/頻率變換電路組成，把在鋼帶的帶動(dòng)下電容探頭采集的反映介電常數(shù)變化的信號經(jīng)過信號處理變換成頻率信號，經(jīng)傳輸電路送至上位機(jī)的數(shù)字信號采集板卡，至計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)的采集；計(jì)算機(jī)通過采

36、集板卡對電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出復(fù)位、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或者停止的信號；標(biāo)定接觸器使得開始測量的每次都使傳感器處于同一個(gè)位置，這樣就消除了由于初始基準(zhǔn)位不固定造成的誤差，消除了誤差的積累；保護(hù)接觸器是為了電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障到了標(biāo)定位依然向上移動(dòng)造成事故設(shè)置的，當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳感器到保護(hù)接觸器位置，自動(dòng)給電動(dòng)機(jī)強(qiáng)制斷電，防止事故的發(fā)生；計(jì)算機(jī)主要完成數(shù)據(jù)的處理、存儲、歷史當(dāng)前數(shù)據(jù)的查詢、顯示，用戶的登錄和各種設(shè)置功能等。4.2 系統(tǒng)工作過程；系統(tǒng)的工作過程示意圖如下圖所示：圖4 系統(tǒng)工作過程示意圖 由圖3，圖4可見，當(dāng)對某個(gè)儲油罐進(jìn)行測量時(shí)，由主控計(jì)算機(jī)首先根據(jù)標(biāo)定接觸器的狀態(tài)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使測量從基準(zhǔn)位為開始，

37、發(fā)出正轉(zhuǎn)指令，通過采集板卡輸出相應(yīng)的控制信號驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，從而驅(qū)動(dòng)電容變送器在原油罐中垂直向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)測量介電常數(shù)的變化，并配以位移變送器。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)的要求，每隔6間隔采集一個(gè)介電常數(shù)數(shù)據(jù)，同時(shí)一記錄高度數(shù)據(jù)，送至主控計(jì)算機(jī)，由主控計(jì)算機(jī)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，存入數(shù)據(jù)庫。在正程測量完成即運(yùn)行到最低點(diǎn)后，主控計(jì)算機(jī)發(fā)出電動(dòng)機(jī)停止指令，使電容變送器在最低點(diǎn)停止5分鐘。然后主控計(jì)算機(jī)發(fā)出反轉(zhuǎn)信號，使電容變送器在相同的各個(gè)位置再測量一組數(shù)據(jù)，這樣在同樣的高度就可以得到兩組數(shù)據(jù)，兩次求平均值就當(dāng)成是該點(diǎn)的相對介電常數(shù)，可以減小滯后效應(yīng)造成的誤差。可以看出主控計(jì)算機(jī)在整個(gè)測量中的作用主要包括以下5個(gè)方面:(

38、1)控制電容變送器在每一次測量過程中，電容變送器自上而下降至罐底一定高度時(shí)自動(dòng)停住，然后電容變送器自動(dòng)自下而上升至預(yù)定位置自動(dòng)停住。(2)讀取標(biāo)定接觸器的狀態(tài)，確定是否開始一次新的測量。(3)根據(jù)保護(hù)接觸器的狀態(tài)，確定是否給電動(dòng)機(jī)強(qiáng)制斷電。(4)實(shí)時(shí)讀取電容變送器在油罐中的位置，并把位移信號、相對介電常數(shù)信號和日期時(shí)間存入數(shù)據(jù)庫。(5)繪制液面高度與原油含水率關(guān)系的相對介電常數(shù)分布曲線，從而將上界面(氣/油界面)和下界面(油/水界面)結(jié)果顯示出來。4.3 系統(tǒng)構(gòu)成； 4.3.1 位移變送器 本設(shè)計(jì)中的測量位移變送器要求測量范圍大、精度高、較強(qiáng)的抗干擾能力，并且可以容易地實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，所以采用光

39、柵尺，其優(yōu)點(diǎn)在于:(1) 高精度:隨著光柵劃刻技術(shù)及電子技術(shù)的發(fā)展以及莫爾條紋對光柵柵距具有局部消差的作用，在大量程測長方面光柵檢測裝置的精度僅次于激光測量裝置。(2) 具有高分辨率、大量程兩個(gè)特性。(3) 可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量、自動(dòng)測試和數(shù)字顯示功能。(4) 有較強(qiáng)的抗干擾能力，對環(huán)境的要求低于激光干涉測量方法，在環(huán)境較為惡劣的工業(yè)現(xiàn)場其穩(wěn)定性優(yōu)于電感式傳感器。(5) 具有較高的測量速度。位移變送器可以把傳感器在油罐內(nèi)移動(dòng)的位移通過光柵和摩爾條文細(xì)分技術(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖，然后通過在采集板卡中計(jì)數(shù)并且配以電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的信號就可以實(shí)現(xiàn)位移的測量。4.3.2 電容變送器電容變送器由電容傳感器、電容/頻率變

40、換電路、傳輸電路等組成可以實(shí)時(shí)測量油罐內(nèi)反映原油含水率的介電常數(shù)的變化。這部分是本論文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，將在下一章做詳細(xì)的介紹。傳輸電路，采集板選擇，主機(jī)的選擇等不是本文重點(diǎn)就不做具體介紹。五.電容變送器的設(shè)計(jì)；5.1電容法理論基礎(chǔ)；5.1.1電容式傳感器工作原理；電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，通過電容傳感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。因此電容式傳感器的基本工作原理可以用圖5所示的平板電容器來說明。圖5 電容式傳感器基本工作原理 ad當(dāng)忽略邊緣效應(yīng)時(shí)，平板電容的電容為： （5-1）式5.1中：a極板面積； d極板間距離； 相對介電常數(shù)； 真空介電常數(shù)，=8.85f；由式

41、5.1可知，當(dāng)d、a和。;中的某一項(xiàng)或某幾項(xiàng)有變化時(shí)，就改變了電容c。c的變化在交流工作時(shí)，就改變了容抗xc，從而使輸出電壓或者電流得以變化。d和a的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映彈力、壓力等變化。的變化，則可以反映液面的高度、材料的濕度等的變化。實(shí)際應(yīng)用電 容式傳感器時(shí)，常使d、a、三個(gè)參數(shù)中的兩個(gè)保持不變，而改變其中一個(gè)參數(shù)來使電容發(fā)生變化。所以電容式可以分為三個(gè)種類:改變極板距離d的變間隙式；改變極板面積a的變面積式；改變介電常數(shù)的變介電常數(shù)式。變間隙式一般用來測量微小的線位移(小至.001微米一零點(diǎn)幾毫米);變面積式一般采用測角位移(自一角秒至幾十度)或較大的線位移;

42、變介電常數(shù)式常用于固體或者液體的物位測量以及各種介質(zhì)的濕度、密度的測定。在多數(shù)情況下，電容式傳感器可以看作成一純電容。表5.1列出了一些電容器的基本公式。表5.1一些電容器的基本公式幾何形狀 電容公式 備注5.1.2 電容式傳感器的特點(diǎn)；電容式傳感器是由電極板和間隙組成的，電極間既要相互絕緣，又有機(jī)械連接，其結(jié)構(gòu)性能直接影響傳感器的工作性能。電容式傳感器的電容量很小，一般為幾十到幾百皮法，小的甚至只有幾個(gè)皮法，因此，這種傳感器具有高的輸出阻抗和小的輸出功率。由于這樣，它的絕緣問題需要特別的注意，一般極間絕緣電阻應(yīng)在數(shù)百兆歐以上。環(huán)境條件變化將影響電容量的變化。例如，溫度變化可引起極板尺寸、間隙

43、大小和介電常數(shù)的變化;濕度變化可引起介電常數(shù)及絕緣電阻的變化;而極板面上潮氣凝結(jié)的薄膜將引起很大的電容改變;在振動(dòng)、加速度條件下，會引起極板的移動(dòng)，從而影響電容量等等。因此，傳感器的絕緣材料必須具有高的絕緣性能，足夠的機(jī)械強(qiáng)度，高的形狀穩(wěn)定性，良好的抗?jié)裥阅堋ｋ娙輼O板的內(nèi)表面必須保持清潔，應(yīng)防塵、防濕、防凝露以及防腐蝕。 5.2電容變送器的設(shè)計(jì)； 5.2.1電容變送器設(shè)計(jì)首要考慮的問題；電容變送器的構(gòu)成包括電容傳感器，信號處理電路組成，其功能是將檢測到的信號時(shí)通過傳輸電路送到上位機(jī)采集板卡。由于本設(shè)計(jì)的電容變送器是采集非電信號的工具，它需要長時(shí)間在油罐工作，同時(shí)油罐內(nèi)的溫度較高，而原油很粘稠，

44、具有很強(qiáng)的附著性，測量的范圍很大等特殊條件要求設(shè)計(jì)必須考慮以下的問題:(1)電容是否可以在粘稠原油中正常工作；(2)工作范圍:2m一14m，引線電容的影響(3)工作溫度:80左右，元器件的選?。?4)電容邊緣效應(yīng)的影響；(5)溫度對介電常數(shù)的影響問題；(6)測量裝置的防爆問題；(7)長期工作的穩(wěn)定性，防腐，密封；5.2.2 電容變送器形狀和材質(zhì)；一般工程上采用圓柱形同心圓筒式電容進(jìn)行油品的介電常數(shù)或者含水率測量，圓筒的內(nèi)壁和外壁作為電容的兩個(gè)電極，油品在兩個(gè)圓筒之間流過引起電容的變化就可完成參數(shù)的測量，但是這種傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，特別是內(nèi)圓筒很難固定，圓筒在原油油罐中做來回的運(yùn)動(dòng)時(shí)，極容易出

45、現(xiàn)掛料的可能，使得測量的精度極大的受影響，嚴(yán)重時(shí)還可能會被原油敷住而不能正常工作。所以本設(shè)計(jì)采用矩形平行板電容傳感器，原油在兩個(gè)平行板之間通過，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，容易維護(hù)，只要選擇合適的距離就可以極大的減小掛料的可能。 對于電容的極板材質(zhì)，選取的原則是:電阻率要小，對介質(zhì)的化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)的老化和催化作用要小，價(jià)格低，機(jī)械性能好，壓延性好，柔韌，機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)熱系數(shù)和熱容量要大，密度小，容易焊接，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)要適當(dāng)。常見的金屬極板材料有:銀、銅、金、鋁、青銅、鋅、黃銅等。本設(shè)計(jì)采用銅，也是制作pcb板的材料，因?yàn)殂~與金和銀在元素周期表中同屬一族，因而具有與貴金屬相似的優(yōu)異物理和化學(xué)性能。它塑性

46、好、易加工、耐腐蝕、無磁性、美觀耐用。特別是，銅的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性除略遜于銀以外，是所有金屬中最好的。由于銀比較昂貴，因而銅是被廣泛應(yīng)用的最佳導(dǎo)電體和導(dǎo)熱體。5.2.3 電容信號檢測電路；對于電容的檢測方法一般分為直流充放電法、交流電容測量法和直接電容/頻率變換法。()l直流充放電法直流充放電方法1261是利用充放電引起電荷的轉(zhuǎn)移的原理把被測電容轉(zhuǎn)換為電壓值，然后通過電因頻率轉(zhuǎn)換電路把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。如圖5.2所示，傳感器電容的靜電容變換成電壓的電路。圖中，vl為基準(zhǔn)直流電壓，cf為參考電容，cp價(jià)為被測電容，v0為輸出電壓，k、凡、凡為cmos電子開關(guān)，kl和k3聯(lián)動(dòng)，且由外部555提供2k

47、hz時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)，使kl與k3跟k2成為交互啟閉，啟閉時(shí)間與v0的波形見圖.43。當(dāng)k1與k3閉合時(shí)，q由vl充電，其充電電荷為： （5-2） 此時(shí)cf被短路，無電荷儲存。當(dāng)k2閉合時(shí)，顯然有： （5-3）由式5.2和式5.3，得： （5-4）由上式表明，輸出電壓vo幅值與價(jià)成正比。圖6 開關(guān)電容轉(zhuǎn)換原理 圖7 轉(zhuǎn)換電路中各點(diǎn)波形然后以lm331為核心的電路實(shí)現(xiàn)v壓變換電路28，將電壓轉(zhuǎn)換成頻率進(jìn)行遠(yuǎn)端傳輸。這種測量電路具有0.lpf的分辨率，良好的零點(diǎn)和長期工作穩(wěn)定性，開關(guān)電容轉(zhuǎn)換電路的特點(diǎn)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。(2)交流電容測量法交流電容測量法是在高

48、頻交流激勵(lì)源的作用下，將電容信號轉(zhuǎn)化為交流電壓量，然后通過模擬乘法器和低通濾波器經(jīng)過刀d轉(zhuǎn)換為數(shù)字量可以送到上位機(jī)。cv渾轉(zhuǎn)換的具體電路如圖5.4所示。圖中第一級為檢測級，作用是將電容量變成與此相對應(yīng)的交流電壓量。檢測器在電路設(shè)計(jì)上以電容反饋為主，反饋電阻凡的作用是用來防止直流偏置電流向c充放電而導(dǎo)致運(yùn)放飽和。圖8 檢測器和放大器 由電路可知檢測器的輸入輸出關(guān)系為: （5-5） 其中，為激勵(lì)電壓耳的角頻率。當(dāng)rf足夠大，使得時(shí)（例如，當(dāng)f=500khz，cf=10pf，rf=10m，則）， 則式5.5可簡化為： (5-6) 從式5.6可以看出，檢測器的輸出與被測電容成比例。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路

49、的靈敏度獨(dú)立于激勵(lì)頻率，只與激勵(lì)電壓和反饋電容有關(guān)。 轉(zhuǎn)換電路的運(yùn)放要具有寬頻帶、低漂移、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。圖中第二級為放大級，作用是進(jìn)一步放大第一級的輸出，提高系統(tǒng)的分辨率。 (5-7) 然后將所得到的信號通過模擬乘法器和低通濾波器經(jīng)過通過a/d轉(zhuǎn)換送入上位機(jī)。 (3)直接c壓變換法以上兩種方法都是將電容量轉(zhuǎn)換成與之相對應(yīng)的電壓值，要想進(jìn)一步處理還需采用電壓頻率轉(zhuǎn)換電路將電壓值轉(zhuǎn)換成頻率，需要兩級轉(zhuǎn)換電路，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，抗干擾能力差。而直接c壓變換法是利用rc電路的充放電和集成運(yùn)放或者集成電壓比較器，將電容c直接轉(zhuǎn)化為頻率f，無需后接電路，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。我的設(shè)計(jì)采用的就是這種方法了。我

50、的設(shè)計(jì)采用的直接c/f變換法是利用rc電路的充放電和集成運(yùn)放或者集成電壓比較器，將電容c直接轉(zhuǎn)化為頻率f典型的是利用集成定時(shí)器555接成多諧振蕩器來實(shí)現(xiàn)c/f用變換，如圖9所示。電容上的電壓vc往復(fù)振蕩，vc與輸出電壓vo的波形如圖所示。電容充電回路為電源經(jīng)r1和r2到電容c，放電回路為電容c經(jīng)r2至7腳。所以此時(shí)的振蕩周期為充電時(shí)間和放電時(shí)間之和。設(shè)周期為t，充電時(shí)間為tl，放電時(shí)間為t2。故圖9 555接成多諧振蕩器 圖10 v0和vc波形圖 （5-8） （5-9） （5-10）由式5-10可看出，當(dāng)r1.r2值固定，f與c成反比關(guān)系。而且輸出電壓電平與ttl電平兼容，vo可以直接輸入到后續(xù)信號處理電路中進(jìn)行測量。采用直接c/f變換電路，結(jié)構(gòu)十分簡單，而且可以把信號變換電路和傳感器做成一體，增強(qiáng)抗干擾能力。變送器做一體極大的減小了引線電容，設(shè)計(jì)所需要的元器件也很少，只是一個(gè)片子，幾個(gè)電阻和兩個(gè)二極管，如果不調(diào)占空比為0.5，就不需要二極管。另外這種方法只要一個(gè)5v電壓，一根地線和一個(gè)信號線就可以完成信號測量和傳輸，容易滿足防爆的要求。5.2.4 電容變送器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)；本文設(shè)計(jì)的電容變送器很好地解決了前面要考慮的問題。