基于电容式传感器的油位测量系统研究

Ｖｏ１．３４　Ｎｏ．８　１４２　舰船电子工程　Ｓｈｉｐ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　总第２４２期　２０１４年第８期　基于电容式传感器的油位测量系统研究　王磊　武汉４３００６４）　（武汉第二船舶设计研究所摘要随着船舶自动化程度的不断提高，对船舶燃油舱的油位测量提出了更高的要求。针对船舶燃油舱的特点，设　计了基于电容式油位传感器的油位测量系统，其原理是依靠测量传感器中介质的变化，获取油位的高度和油量，并实施了温　度补偿和倾角补偿设计。实验结果表明，系统能够准确的以全量程线性化测量和显示。　关键词电容式传感器；油位测量；温度补偿；ＰＬＣ　ＴＰ３９１　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ１６７２—９７３０．２０１４．０８．０３８　中图分类号Ｆｕｅｌ　Ｌｅｖｅｌ　Ｍｅａｓｕｒｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ⅵ，ＡＮＧ　Ｌｅｉ　（Ｗｕｈａｎ　Ｓｅｃｏｎｄ　Ｓｈｉｐ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ　４３００６４）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｈｉｐ　Ａｕｔｏｍａｔｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｉｐ　ｆｕｅｌ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｍｏｒｅ．Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｓｈｉｐ　ｆｕｅｌ　ｔａｎｋ，ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｄｅｓｉｇｎｓ　ｆｕｅｌ　ｌｅｖｅｌ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｓｅｎｓｏｒ，ｉｔｓ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｉｓ　ｇｅｔｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｅｉｇｈｔ　ａｎｄ　ｅｕｂａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｕｅｌ　ｌｅｖｅｌ　ｂｙ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｅｄｉａ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｏｂｌｉｑｕｉｔｙ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｍｅａｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ　ｗｉｔｈ　ｌｉｎｅａｒｉｔｙ　ｓｃａｌｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｌ１　ｓｃａｌｅ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ　ｓｅｎｓｏｒ，ｆｕｅｌｌｅｖｅｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ，ＰＬＣ　Ｃｌａｓｓ　Ｎｕｍｂｅｒ　ＴＰ３９］　１　引言　目前，在船舶行业已有多种类型的油位测量仪　器投入使用，这些仪器各有各自的优缺点，适用于　多种工作环境和测量对象。油位测量系统是将燃　油舱油位变化转换为机械量、压力值或光学量等物　理量后再进行测量，依据所选用的传感器类型，可　于电容式测量原理的油位测量系统，具有如下特　点：　１）无运动部件，可靠性较高；　２）具有高抗腐蚀、耐高压和耐高温性能；　３）电极长度可按要求进行配置，系统主机可　设置在安全区域，安全性高；　４）测量电极可弯曲，可满足不规则形状油舱　的测量要求。　将当前使用的油位测量方法分为机械测量法、压力　测量法、光学测量法和超声测量法等［４］。利用上述　测量方法设计的油位测量系统在使用过程中，都暴　露出或多或少的问题。如机械式的浮子油位计，浮　２　工作原理　船舶燃油舱分布在船舱底部或舷侧，主要包括　内部燃油舱和外部燃油舱，部分燃油舱为调整浮　力，将燃油舱内始终充满介质，在燃油舱内上层为　油、下层为水。　根据船舶燃油舱的特点，本课题设计了基于单　级插入式电容测量原理的油位测量系统，利用装在　子有时会因介质内杂质较多导致浮子卡滞而无法　测量；压力式的静压油位计有时会因沉积物沉积在　压力传感器表面或容器内压力波动造成测量准确　度降低；超声油位计在温度较高或电磁环境较差环　境下常无法稳定工作等。鉴于此，本文设计一种基　＊收稿日期：２０１４年２月１０日，修回日期：２０１４年３月２Ｏ日　作者简介：王磊，男，硕士，工程师，研究方向：船舶控制技术。　２０１４年第８期　舰船电子工程　１４３　燃油舱中的单级电容式油位传感器电容的变化感　受燃油舱油位的高度变化，在激励信号的作用下将　油位高度的变化量转换为等量的电容量变化，经温　度补偿后，再通过测量仪的测量通道转换为直流电　压信号，并输入到ＰＬＣ控制器，经过倾角补偿后计　算出油位高度，再根据油舱的容积曲线计算出燃油　油量。　本系统主要由油位测量仪（含软件）、电容式油　位传感器和倾角传感器组成。该系统油位测量仪　安装在防爆区域外，电容式油位传感器安装于油舱　顶部，且电容式油位传感器防爆等级为本质安全　型。主机通过屏蔽电缆与电容式油位传感器连接。　油位ｌ传感　　显　信　ＰＬＣ　不　号　Ａ／Ｄ　控　报　隔　制　警　离　器　模　传感　器ｌ　块　图１油位测量系统原理框图　２．１　电容式油位传感器　１）基本工作原理　电容式油位传感器的基本工作原理是检测在　测量探杆与油舱之间形成的电容，当被测介质浸没　探杆的液位发生变化时，被测电容量也变化。这种　电容量的变化经电路转换后得到与之对应的４ｍＡ　￣２０ｍＡ的电流输出。其传感器的电极外敷绝缘　层由聚四氟乙烯制成，测量探杆与被测介质完全绝　缘，具有高抗腐蚀和耐高温性能。　图２　电容法测量液位示意图及等效电路图　在等效电路中，Ｃ　代表与液位无关的杂散电　容，Ｃｚ代表燃油层中以绝缘层为电介质的电容，其　值为　Ｃ２—２ｈｅ１Ｈ１／ｌｎ（Ｄ１／ｄ）　Ｃ。代表以燃油层为电介质的电容，其值为　一２雉２Ｈ１／ｌｎ（Ｄ／Ｄ１）　从图中可以看出，Ｃ２与Ｃ３是串联关系，所以总　电容　为　ｅ＝：＝Ｃ１＋Ｃ２・Ｃ３／（Ｃ２＋Ｃ３）　一Ｃ１＋２ｎｓ１ｅ２　Ｈ１／（ｅ１　Ｉｎ（Ｄ／Ｄ１）　＋ｅ２ｉｎ（Ｄ】／ｄ））　对于确定的介质而言，上式中等号右第一项为　常数，可看作不变的初始电容，设其为Ｃ，对于选定　的传感器和燃油而言，ｅ　、ｅ　、Ｄ　、ｄ为定值。　令２ｒｅ１ｅ２／（￡１　ｉｎ（Ｄ／Ｄ１）＋￡２　ｉｎ（Ｄ１／ｄ））一Ｋ，　则：　Ｃｘ＝：＝Ｃ１＋ＫＨ１　可以看出，电容量　与燃油高度Ｈ　成正比，　测出电容量值后，经过系数转换则得燃油高度Ｉ１］。　电容式油位传感器由电子仓、聚四氟乙烯绝缘　套管和金属内芯组成，柔性探极与金属容器构成一　电容器，其中探极的金属内心为电容的一极，油舱　为电容的另一极，中间为高稳定性的聚四氟乙烯。　传感器探极结构如图３所示。　在电路设计上采用了线性修正和温度补偿技　术，使输出测量值保持良好的线性，并减少介质温　度的影响。　２）温度补偿　环境温度变化、电路板器件发热等因素都会使　电路元件的参数发生变化，使测量结果漂移。　本电容式油位传感器的温度补偿通过热敏电　阻器温度取样电路和单片机实现。Ｒ０和Ｒ　组成　了热敏电阻器取样电路，单片机根据Ｒ　上端的电　压值对各种温度下的传感器输出电流值进行补偿。　温度补偿电路如图４所示。　ｒ，　图３探极结构图　图４温度补偿电路Ｌ３　由于热敏电阻的阻值随温度的变化和传感器　输出电流随温度的漂移都是非线性的，因此单片机　采用查表的方式进行温度补偿。根据所选热敏电　阻的Ｒ＿Ｔ特性表查出不同温度下的电阻值，计算　出不同温度下的Ｒ　上端的电压，并将电压转换为　数字量，对传感器的输出进行补偿。　２．２油位测量仪　油位测量仪电路主要由信号隔离模块、模拟量　采样处理模块、控制器、显示屏、电源等组成。　油位测量仪的控制器选用西门子公司的ＰＬＣ　１４４　王磊：基于电容式传感器的油位测量系统研究　总第２４２期　控制器ＣＰＵ２２６，该控制器集成了１６点继电器输　出，用于测量仪的低油位报警；模拟量采样处理模　精度指标要求。　表２系统温漂试验　块选用ＥＭ２３１，用于采集液位传感器信号；此外在　模拟量采样处理模块与电容式油位传感器之间加　入一级防爆信号隔离器，将测量仪内部信号与外部　信号进行电气隔离，提高装置的安全性。油位测量　仪的供电分为两部分，一部分是给ＰＬＣ供电，另一　部分给传感器单独进行供电。　由于风浪的作用船　舶在水面航行时会发生　倾斜和摇摆，使得燃油　舱内的油位会发生变　化。因此，在油位测量　仪内部设置倾角传感　器，用于测量船舶在航　行时的横倾和纵倾角，　所对应的输出电流值，结果如表１所示。　表１线性试验结果单位：１Ｔｌｒｌｌ　从记录的数据可以看出对于０＃柴油测量精　度达到了１　，完全满足系统的精度要求。　２）系统温度补偿试验　分别了进行了１０℃和３５℃系统温度补偿试　验，测量系统的温度漂移率，试验结果如表２所示。　从记录的数据可以看出，系统在５℃～３５℃范　围内的温度漂移率最大为０．９７　，满足系统１　９／６的　４　结语　本课题的创新点是设计了插入式电容原理油　位传感器，具有性能可靠的特点，系统综合测量精　度达到了１　９／６。油位测量仪设置了防爆隔离器和　倾角传感器，能够对船舶的倾斜和摇摆进行补偿，　并且确保了船舶在航行时的安全性。　本文介绍的基于电容式传感器的油位测量系　统具有安装方便、低成本、高精度等特点，准确的实　时在线测量，能够克服传统船舶油位测量的弊端，　有良好的应用前景。　参考文献　［１３　ＨＡＲＡＩ，ＩＣＫＲＭ．Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ　ｔｏ　ｔｅｘｔｕｒｅ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ　６７，１９７９：７８６—８０４．　Ｅ２３周征．传感器原理与检测技术［Ｍ］．北京：清华大学出　版社，２００７：４５—４６．　［３］张洪润．传感器应用电路２００例［Ｍ］．北京：北京航空航　天大学出版社，２００６：１０２—１０３．　［４３张晓，史丽萍．基于电容感应元的多层液位传感器的研　究［Ｊ］．传感器技术，２００３，９（３）：５－６．　［５３刘春涛，陈祥光，李兵．多传感器信息融合技术在原油　含水率检测中的应用Ｉ－Ｊ］．微计算机信息，２００６：４－１．　［６］何希才，刘洪梅．传感器应用接口电路［Ｍ］．北京：机械　工业出版社，１９９６：９５—９７．　［７３杨三序，杨五强．采用四相检测技术的杂散免疫工业电　容传感器［Ｐ］．中国：ＺＬ９９　２　３８０５６．１，２０００—１０—１４．　［８３李学清．一种高频抗杂散电容的小电容测量电路［Ｊ］．　仪表技术与传感器，１９９３（３）：９－１２．　Ｅｇ］许伯章，康志泰，钟鼎．电容计算的定义法和能量法　Ｉ－ｊ］．天津理工大学学报，２００１（１２）：６８—６９．　Ｅｌ０］俞阿龙．电容器介质损耗对其充放电过程的影响［Ｊ］．　宁夏工学院学报，１９９７（１０）：１５－１６．　［１１３杨三序．基于四相检测技术的微电容工业传感器［Ｊ］．　传感器技术，２００３，２２（１Ｏ）：１３—１５．