基于電容式傳感器的油位測(cè)量系統(tǒng)研究?

王 磊

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所 武漢 430064）

1 引言

目前，在船舶行業(yè)已有多種類型的油位測(cè)量?jī)x器投入使用，這些儀器各有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于多種工作環(huán)境和測(cè)量對(duì)象。油位測(cè)量系統(tǒng)是將燃油艙油位變化轉(zhuǎn)換為機(jī)械量、壓力值或光學(xué)量等物理量后再進(jìn)行測(cè)量，依據(jù)所選用的傳感器類型，可將當(dāng)前使用的油位測(cè)量方法分為機(jī)械測(cè)量法、壓力測(cè)量法、光學(xué)測(cè)量法和超聲測(cè)量法等［4］。利用上述測(cè)量方法設(shè)計(jì)的油位測(cè)量系統(tǒng)在使用過程中，都暴露出或多或少的問題。如機(jī)械式的浮子油位計(jì)，浮子有時(shí)會(huì)因介質(zhì)內(nèi)雜質(zhì)較多導(dǎo)致浮子卡滯而無(wú)法測(cè)量；壓力式的靜壓油位計(jì)有時(shí)會(huì)因沉積物沉積在壓力傳感器表面或容器內(nèi)壓力波動(dòng)造成測(cè)量準(zhǔn)確度降低；超聲油位計(jì)在溫度較高或電磁環(huán)境較差環(huán)境下常無(wú)法穩(wěn)定工作等。鑒于此，本文設(shè)計(jì)一種基于電容式測(cè)量原理的油位測(cè)量系統(tǒng)，具有如下特點(diǎn)：

1）無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，可靠性較高；

2）具有高抗腐蝕、耐高壓和耐高溫性能；

3）電極長(zhǎng)度可按要求進(jìn)行配置，系統(tǒng)主機(jī)可設(shè)置在安全區(qū)域，安全性高；

4）測(cè)量電極可彎曲，可滿足不規(guī)則形狀油艙的測(cè)量要求。

2 工作原理

船舶燃油艙分布在船艙底部或舷側(cè)，主要包括內(nèi)部燃油艙和外部燃油艙，部分燃油艙為調(diào)整浮力，將燃油艙內(nèi)始終充滿介質(zhì)，在燃油艙內(nèi)上層為油、下層為水。

根據(jù)船舶燃油艙的特點(diǎn)，本課題設(shè)計(jì)了基于單級(jí)插入式電容測(cè)量原理的油位測(cè)量系統(tǒng)，利用裝在燃油艙中的單級(jí)電容式油位傳感器電容的變化感受燃油艙油位的高度變化，在激勵(lì)信號(hào)的作用下將油位高度的變化量轉(zhuǎn)換為等量的電容量變化，經(jīng)溫度補(bǔ)償后，再通過測(cè)量?jī)x的測(cè)量通道轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)，并輸入到PLC控制器，經(jīng)過傾角補(bǔ)償后計(jì)算出油位高度，再根據(jù)油艙的容積曲線計(jì)算出燃油油量。

本系統(tǒng)主要由油位測(cè)量?jī)x（含軟件）、電容式油位傳感器和傾角傳感器組成。該系統(tǒng)油位測(cè)量?jī)x安裝在防爆區(qū)域外，電容式油位傳感器安裝于油艙頂部，且電容式油位傳感器防爆等級(jí)為本質(zhì)安全型。主機(jī)通過屏蔽電纜與電容式油位傳感器連接。

圖1 油位測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

2.1 電容式油位傳感器

1）基本工作原理

電容式油位傳感器的基本工作原理是檢測(cè)在測(cè)量探桿與油艙之間形成的電容，當(dāng)被測(cè)介質(zhì)浸沒探桿的液位發(fā)生變化時(shí)，被測(cè)電容量也變化。這種電容量的變化經(jīng)電路轉(zhuǎn)換后得到與之對(duì)應(yīng)的4mA～20mA的電流輸出。其傳感器的電極外敷絕緣層由聚四氟乙烯制成，測(cè)量探桿與被測(cè)介質(zhì)完全絕緣，具有高抗腐蝕和耐高溫性能。

圖2 電容法測(cè)量液位示意圖及等效電路圖

在等效電路中，C1代表與液位無(wú)關(guān)的雜散電容，C2代表燃油層中以絕緣層為電介質(zhì)的電容，其值為

C3代表以燃油層為電介質(zhì)的電容，其值為

從圖中可以看出，C2與C3是串聯(lián)關(guān)系，所以總電容Cx為

對(duì)于確定的介質(zhì)而言，上式中等號(hào)右第一項(xiàng)為常數(shù)，可看作不變的初始電容，設(shè)其為C，對(duì)于選定的傳感器和燃油而言，ε1、ε2、D1、d為定值。

令2πε1ε2／（ε1ln（D／D1）＋ε2ln（D1／d））＝K，則：

可以看出，電容量Cx與燃油高度H1成正比，測(cè)出電容量值后，經(jīng)過系數(shù)轉(zhuǎn)換則得燃油高度［1］。

電容式油位傳感器由電子倉(cāng)、聚四氟乙烯絕緣套管和金屬內(nèi)芯組成，柔性探極與金屬容器構(gòu)成一電容器，其中探極的金屬內(nèi)心為電容的一極，油艙為電容的另一極，中間為高穩(wěn)定性的聚四氟乙烯。傳感器探極結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在電路設(shè)計(jì)上采用了線性修正和溫度補(bǔ)償技術(shù)，使輸出測(cè)量值保持良好的線性，并減少介質(zhì)溫度的影響。

2）溫度補(bǔ)償

環(huán)境溫度變化、電路板器件發(fā)熱等因素都會(huì)使電路元件的參數(shù)發(fā)生變化，使測(cè)量結(jié)果漂移。

本電容式油位傳感器的溫度補(bǔ)償通過熱敏電阻器溫度取樣電路和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。R0和Rt組成了熱敏電阻器取樣電路，單片機(jī)根據(jù)Rt上端的電壓值對(duì)各種溫度下的傳感器輸出電流值進(jìn)行補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償電路如圖4所示。

圖3 探極結(jié)構(gòu)圖

圖4 溫度補(bǔ)償電路［3］

由于熱敏電阻的阻值隨溫度的變化和傳感器輸出電流隨溫度的漂移都是非線性的，因此單片機(jī)采用查表的方式進(jìn)行溫度補(bǔ)償。根據(jù)所選熱敏電阻的R－T特性表查出不同溫度下的電阻值，計(jì)算出不同溫度下的Rt上端的電壓，并將電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行補(bǔ)償。

2.2 油位測(cè)量?jī)x

油位測(cè)量?jī)x電路主要由信號(hào)隔離模塊、模擬量采樣處理模塊、控制器、顯示屏、電源等組成。

油位測(cè)量?jī)x的控制器選用西門子公司的PLC控制器CPU226，該控制器集成了16點(diǎn)繼電器輸出，用于測(cè)量?jī)x的低油位報(bào)警；模擬量采樣處理模塊選用EM231，用于采集液位傳感器信號(hào)；此外在模擬量采樣處理模塊與電容式油位傳感器之間加入一級(jí)防爆信號(hào)隔離器，將測(cè)量?jī)x內(nèi)部信號(hào)與外部信號(hào)進(jìn)行電氣隔離，提高裝置的安全性。油位測(cè)量?jī)x的供電分為兩部分，一部分是給PLC供電，另一部分給傳感器單獨(dú)進(jìn)行供電。

圖5 油位測(cè)量?jī)x組成

由于風(fēng)浪的作用船舶在水面航行時(shí)會(huì)發(fā)生傾斜和搖擺，使得燃油艙內(nèi)的油位會(huì)發(fā)生變化。因此，在油位測(cè)量?jī)x內(nèi)部設(shè)置傾角傳感器，用于測(cè)量船舶在航行時(shí)的橫傾和縱傾角，對(duì)油位進(jìn)行補(bǔ)償。

油位測(cè)量?jī)x具體組成如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室條件下以0＃柴油作為介質(zhì)，分別進(jìn)行了油位測(cè)量裝置線性試驗(yàn)和溫漂試驗(yàn)。

1）線性試驗(yàn)

分別進(jìn)行了油位上升與下降線性試驗(yàn)，并測(cè)量所對(duì)應(yīng)的輸出電流值，結(jié)果如表1所示。

表1 線性試驗(yàn)結(jié)果 單位：mm

從記錄的數(shù)據(jù)可以看出對(duì)于0＃柴油測(cè)量精度達(dá)到了1%，完全滿足系統(tǒng)的精度要求。

2）系統(tǒng)溫度補(bǔ)償試驗(yàn)

分別了進(jìn)行了10℃和35℃系統(tǒng)溫度補(bǔ)償試驗(yàn)，測(cè)量系統(tǒng)的溫度漂移率，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從記錄的數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)在5℃～35℃范圍內(nèi)的溫度漂移率最大為0.97%，滿足系統(tǒng)1%的精度指標(biāo)要求。

表2 系統(tǒng)溫漂試驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

本課題的創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)了插入式電容原理油位傳感器，具有性能可靠的特點(diǎn)，系統(tǒng)綜合測(cè)量精度達(dá)到了1%。油位測(cè)量?jī)x設(shè)置了防爆隔離器和傾角傳感器，能夠?qū)Υ暗膬A斜和搖擺進(jìn)行補(bǔ)償，并且確保了船舶在航行時(shí)的安全性。

本文介紹的基于電容式傳感器的油位測(cè)量系統(tǒng)具有安裝方便、低成本、高精度等特點(diǎn)，準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)在線測(cè)量，能夠克服傳統(tǒng)船舶油位測(cè)量的弊端，有良好的應(yīng)用前景。

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