CN108872329A - 一种水中油浓度测量仪 - Google Patents
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Abstract
一种水中油浓度测量仪，其特征是：它采用基于电容原理的双筒结构作为传感器，由数字信号处理器将测量信号转换为定值信号进行就地显示，同时也可将此信号以4～20mA的形式送给上级控制系统。本发明的水中油浓度测量仪可以自动的控制集油器中的排油，节省了人工，操作、控制稳定，提高自动化程度。
Description
技术领域
本发明涉及工业油水分离的测量设备，具体涉及各种油水分离器分离后的油品浓度测量。
背景技术
目前，油水分离设备已广泛地应用与含油废水处理行业中。油水分离的原理有多种，但不管采用哪种方式，最终集聚在分离设备顶部的油都需要进行定向排放。在传统的油水分离工艺中，可采用人工观察法、比重测量法、电阻率测量法等方式。这些方法都存在这诸多不足之处，如：①人工观察法一般都需要在分离设备上开设玻璃试镜以便观察，当分离出的油粘度较大时，会黏贴在玻璃表面，使试镜失去观察功能。而且此方法需要人工频繁巡检操作，劳动强度大；②比重测量法可以识别出油含量的变化，但是当分离设备进水流量或压力发生波动时，测量结果会收到较大的干扰；③电阻率测量法受介质中离子类型影响较大，因此也有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型水中油浓度测量仪，能够克服前述缺陷，自动、方便地测量出油水混合物的相对浓度，并能将该测量值予以就地显示及传送至远方中央控制系统。
本发明的技术方案如下：
一种水中油浓度测量仪，它采用基于电容原理的双筒结构作为传感器，由数字信号处理器将测量信号转换为定值信号进行就地显示，同时也可将此信号以4～20mA的型式送给上级控制系统；所述的传感器由外电极筒(5)和测量电极(4)在绝缘筒(7)的隔离下构成一个筒式电容，其电容值由内外电极有效面积、电极间距离及电极间介质的介电常数共同决定；因为水和油的介电常数差别较大(在20℃时，水的介电常数为81.5，而煤油的介电常数为2～4)，所以当穿过流通室(6)内的油水比例发生变化时，传感器的等效电容也将发生明显变化，绝缘筒内壁还设有温度电极(3)，用于测量油水混合物的温度变化。法兰(1)用于电极与油水分离设备间的连接；信号调理单元是一个LC振荡器，通过它可将测量电极的等效电容与内置电感器构成的LC振荡回路，于是在这里被测量的油水混合物的介电常数变化被转换成了脉冲频率的变化，这些脉冲信号送到信号处理器后，信号处理器就开始计算相邻两个脉冲间的时间间隔，并将此间隔按预设量程变换成线性数值；温度电极的测量信号直接送至信号处理单元，进过计算后对浓度测量值作补偿修正，修正后的测量数值被送往显示单元，便于操作人员观察、抄录实时运行的数据；该测量数值还送至DA转换单元，以4～20mA模拟量信号的型式，传送给上级程控系统，为自动排油功能提供可靠依据。
上述的水中油浓度测量仪，还集成了HART协议通讯功能，利用标准HART手操器，可以方便的修改量程，快速适应不同水质条件的工程应用。
上述的水中油浓度测量仪，采用TI公司的超低功耗16位RISC结构的单片机MSP430F4270，它的主要特点是在2.2V、1MHz的工作条件下仅有250μA的电流消耗；备用模式仅1.1μA；具有32KB的FLASH程序存储器；256字节用于记录需要掉电保护的数据信息存储器；两个可分别配置为SPI接口或者UART接口的通用串行接口；多通道12位A/D转换器；48个I/O端口；内置LCD驱动模块。如此丰富的资源、强大的功能，使得该单片机可以轻松地实现信号处理、显示、HART通讯的各项功能。
上述的水中油浓度测量仪，所述的DA输出及电压电流变换部分由MAX5443和MAX478实现。MAX5443是MAXIM公司的16位电压输出型模数转换器，它具有8引脚的小型封装，电源电压为3V时，功耗仅有120μA，并且建立时间只有1μS，非常适合于低功耗的应用。MAX5443输出的电压信号经过MAX478可以转换为标准的4～20mA现场模拟量信号，从而可以方便地与各种控制系统对接。
上述的水中油浓度测量仪，所述的HART通信模块由HT2012、波形整形电路和滤波器电路等组成，HT2012是SMAR公司生产的单片CMOS微功耗FSK调制解调专用芯片。HT2012可以实现调制器、解调器和载波检测的功能，为此需要一个频率为460.8kHz的外部时钟输入，此时钟可以同时提供给MSP430F4270作为外部时钟输入。由于HART协议通讯工作于半双工方式，所以每个设备在发送数据前必须保证总线处于空闲状态，HT2012的载波检测功能可以随时监测总线的状态。具体的说，HT2012在IRXA端口的载波频率处于1000～2575Hz之间时，载波检测输出端OCD输出有效低电平，MCU可以根据OCD的状态判断总线是否处于空闲状态。整形电路由74HC126(4三态输出缓冲器)组成，整形后的HART协议电压信号经过两个750Ω电阻和212μF的耦合电容输入到MAX478的同相输入端，可以实现HART电压信号向±0.5mA回路电流信号的转换。滤波器电路由运算放大器和电阻电容等组成，可以有效的滤除总线上的噪声，并且对信号进行适当的放大处理后，送入HT2012进行信号的解调处理。
本发明的水中油浓度测量仪可以自动的控制集油器中的排油，节省了人工，操作、控制稳定，提高自动化程度。
附图说明
图1为本发明中传感器结构简图，其中：1为法兰；2为介质流通孔；3为温度电极；4为测量电极；5为外电极筒；6为介质流通室；7为绝缘筒
图2为本发明中信号测量处理流程
图3为本发明中实际应用示例，其中：8为水中油浓度测量仪；9为集油器；10为进水阀；11为油水分离设备；12为排油阀；13为净水出口阀
具体实施方式
一种水中油浓度测量仪，如图1所示，它采用基于电容原理的双筒结构作为传感器，由数字信号处理器将测量信号转换为定值信号进行就地显示，同时也可将此信号以4～20mA的型式送给上级控制系统；传感器由外电极筒(5)和测量电极(4)在绝缘筒(7)的隔离下构成一个筒式电容，其电容值由内外电极有效面积、电极间距离及电极间介质的介电常数共同决定。因为水和油的介电常数差别较大(在20℃时，水的介电常数为81.5，而煤油的介电常数为2～4)，所以当穿过流通室(6)内的油水比例发生变化时，传感器的等效电容也将发生明显变化。绝缘筒内壁还设有温度电极(3)，用于测量油水混合物的温度变化。法兰(1)用于电极与油水分离设备间的过程连接。
如图2所示，信号调理单元是一个LC振荡器，通过它可将测量电极的等效电容与内置电感器构成的LC振荡回路，于是在这里被测量的油水混合物的介电常数变化被转换成了脉冲频率的变化。这些脉冲信号送到信号处理器后，信号处理器就开始计算相邻两个脉冲间的时间间隔，并将此间隔按预设量程变换成线性数值。温度电极的测量信号直接送至信号处理单元，进过计算后对浓度测量值作补偿修正。修正后的测量数值被送往显示单元，便于操作人员观察、抄录实时运行的数据。该测量数值还送至DA转换单元，以4～20mA模拟量信号的型式，传送给上级程控系统，为自动排油功能提供可靠依据。本仪表还集成了HART协议通讯功能，利用标准HART手操器，可以方便的修改量程，快速适应不同水质条件的工程应用。
如图3所示，含油废水通过进水阀(10)进入油水分离设备(11)，经过内部材料过滤，油份被阻截分离并上浮到分离罐顶部的集油器(9)中。水中油浓度测量仪(8)的电极插在集油器中，实时测量集油器中的油浓度。测量值能在仪表本体上显示出来，同时以4～20mA模拟量信号的型式送至PLC。随着油水分离设备的持续运行，集油器中油浓度也会逐渐上升，直至超过设定值时，PLC便发出指令，自动开启排油阀(12)，将集油器中的油排向储油罐。随着集油器中的油逐渐排出，油浓度值逐渐下降，低于设定值时，PLC发出指令，关闭排油阀。
Claims (5)
1.一种水中油浓度测量仪，其特征是：它采用基于电容原理的双筒结构作为传感器，由数字信号处理器将测量信号转换为定值信号进行就地显示，同时也可将此信号以4～20mA的型式送给上级控制系统；所述的传感器由外电极筒(5)和测量电极(4)在绝缘筒(7)的隔离下构成一个筒式电容，当穿过流通室(6)内的油水比例发生变化时，传感器的等效电容也将发生明显变化，绝缘筒内壁还设有温度电极(3)，用于测量油水混合物的温度变化；法兰(1)用于电极与油水分离设备间的连接；信号调理单元是一个LC振荡器，通过它可将测量电极的等效电容与内置电感器构成的LC振荡回路，油水混合物的介电常数变化被转换成了脉冲频率的变化，这些脉冲信号送到信号处理器后，信号处理器就开始计算相邻两个脉冲间的时间间隔，并将此间隔按预设量程变换成线性数值；温度电极的测量信号直接送至信号处理单元，经过计算后对浓度测量值作补偿修正，修正后的测量数值被送往显示单元，便于操作人员观察、抄录实时运行的数据；该测量数值还送至DA转换单元，以4～20mA模拟量信号的型式，传送给上级程控系统，为自动排油功能提供可靠依据。
2.根据权利要求1所述的水中油浓度测量仪，其特征是：还集成了HART协议通讯功能，利用标准HART手操器，方便的修改量程，快速适应不同水质条件的工程应用。
3.根据权利要求1所述的水中油浓度测量仪，其特征是：采用TI公司的超低功耗16位RISC结构的单片机MSP430F4270，该单片机实现信号处理、显示、HART通讯的各项功能。
4.根据权利要求1所述的水中油浓度测量仪，其特征是：所述的DA输出及电压电流变换部分由MAX5443和MAX478实现，MAX5443输出的电压信号经过MAX478转换为标准的4～20mA现场模拟量信号，从而方便地与各种控制系统对接。
5.根据权利要求2所述的水中油浓度测量仪，其特征是：所述的HART通信模块由HT2012、波形整形电路和滤波器电路组成，滤波器电路由运算放大器和电阻电容组成，有效地滤除总线上的噪声，并且对信号进行适当的放大处理后，送入HT2012进行信号的解调处理。
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