CN208765802U - 过滤分离器集水槽油水界位传感器及系统 - Google Patents

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张晓钟
孟凡芹
张永国
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本实用新型公开了一种过滤分离器集水槽油水界位传感器及系统，涉及过滤水槽油水界位检测技术领域。传感器由多个上下排列的电容构成分段阵列极板结构，将测油段、测水段、测油水分界面段分开，各段独立且同时测量；每个电容结构相同，相互绝缘并独立引线。分段阵列极板电容经过极板切换模块并将代表液位信息的电容信号传输至电容采集模块，电容采集模块将数据处理后传输至主控芯片模块，主控芯片模块经转换模块连接上位机。精度较高，灵敏度较好，整体误差控制在3％以内，可满足过滤分离器集水槽油水界位液位的快速、高精度测量要求。

Description

过滤分离器集水槽油水界位传感器及系统
技术领域
本实用新型涉及过滤水槽油水界位检测技术领域，具体是一种过滤分离器集水槽油水界位传感器及系统。
背景技术
过滤分离器是保障油料质量的关键设备。在野外油库收、发油管路中安装的过滤分离器采用卧式结构，流量范围在100-150m3/h，实时流量大，作业时间长，一次性收发量大，且由于来油源复杂、质量相对较差，所过滤出的游离水含量较多，水分会逐渐积聚在底部沉淀槽中，若游离水超过一定量后，使得过滤分离器油水分离性能严重下降，严重影响过滤出的燃料质量，因此对于此类过滤分离器沉积水的监控势在必行。
过滤分离器集水槽水位的检测属于油水界面的检测问题，目前油水界面的检测方法和手段多种多样，各有优缺点。过滤分离器本身的实际工况及条件对油水界面检测提出了具体需求：在有工作压力的动态工况条件下，实现对油水界面的水位检测；量程应满足集水槽的高度要求；其不能出现机械运动部件，以确保稳定工作。综上，很难找到一种完全适用于过滤分离器集水槽油水界位检测的方法。
发明内容
为了解决过滤分离器集水槽水位在线、实时检测问题，本实用新型提供一种过滤分离器集水槽油水界位传感器及系统，实现过滤分离器运行状态监控以及实现排水的自动控制。
本实用新型是以如下技术方案实现的：一种过滤分离器集水槽油水界位传感器，由多个上下排列的电容构成分段阵列极板结构，将测油段、测水段、测油水分界面段分开，各段独立且同时测量；每个电容结构相同，相互绝缘并独立引线。
优选的，电容极板材质选择铜金属片。
优选的，极板结构采用双面PCB板，PCB板的材料为环氧玻纤。
优选的，在极板结构表面喷涂一层绝缘材料。
优选的，绝缘材料选择聚四氟乙烯作为绝缘材料。
一种采用上述任一所述传感器的过滤分离器集水槽油水界位传感系统，分段阵列极板电容经过极板切换模块并将代表液位信息的电容信号传输至电容采集模块，电容采集模块将数据处理后传输至主控芯片模块，主控芯片模块经转换模块连接上位机。
优选的，极板切换模块的选择器采用8通道模拟多路芯片SN74HC4051，极板切换模块的双向收发芯片选择SN74LVC4245A。
优选的，所述电容采集模块采用Pcap01芯片。
优选的，所述主控芯片模块采用ATmega128a主控芯片。
优选的，所述转换模块采用MAX3485芯片。
本实用新型的有益效果：精度较高，灵敏度较好，整体误差控制在3％以内，可满足过滤分离器集水槽油水界位液位的快速、高精度测量要求。
附图说明
图1是过滤分离器集水槽油水界位传感器正面结构示意图；
图2是过滤分离器集水槽油水界位传感器反面结构示意图；
图3是间相互引线及相关电容示意图；
图4是容传感器结构及等效电路图；
图5传感器的过滤分离器集水槽油水界位传感系统图
图6电容采集模块电路图；
图7为主控芯片模块电路图。
具体实施方式
如图1所示，分段阵列式极板电容油水界位传感器利用多组极板阵列取代单一极板对的形式，逻辑上将测油、测水段、测油水分界面段分开，各段独立，几段同时测量各相。根据实际使用量程，从上至下，共分为5段1/5量程(均为30mm)的极板电容，每个电容结构相同，相互绝缘并独立引线，每段独立检测电容，通过多个极板型电容传感器的测量结果判断并最终计算油水分界面的位置。
电容极板材质选择铜金属片；传感器极板结构采用双面PCB板，PCB板的材料为环氧玻纤；为保证极板间相互绝缘、不漏电，在整块极板表面喷涂一层绝缘材料，绝缘材料的选择应防止极板间油、水两种介质不会在极板上停留，以造成“虚假”液位。综合考虑，选择聚四氟乙烯作为绝缘材料。聚四氟乙烯性能优异：温度适用范围广，防粘性优秀，化学稳定性和耐腐蚀性强，可满足使用要求，保证传感器的稳定性。
由设计结构图，传感器等效为在量程范围内划分成为了m个1/m的独立微小液位计来共同测量整个量程范围内的总液位，通过这m个极板电容的测量结果，最终来判断油水界面的位置和对应的水位高度。
如图3所示，显示了四块极板并联示意图，以中间两块板子为例进行说明。当极板上喷涂绝缘材料后，充满介质油部分和充满介质水部分的每个极板电容都被分成了三部分。当极板中充满油时，如图4所示，该极板的电容由电容C10(介质为油)、C11(介质为绝缘涂层)、C12(介质为绝缘涂层)三部分组成，极板间含介质油的总电容值C1可以看做是以上三个电容并联而成，同理，极板间含介质水的总电容值C2可以看做是C20(介质为水)、C21(介质为绝缘涂层)、C22(介质为绝缘涂层)三个电容并联而成。则总电容值C的值为：
其中，ε0、ε1、ε2、ε3分别为真空的介电常数，油、水、极板绝缘层的相对介电常数，ε0＝8.854x10-12F/m。
如图4所示，极板从上到下五段电容的等效电容分别为C1、C2、C3、C4、C5，图中所示，介质油处在上部两块极板中，电容值为C1、C2，介质水处在下部两块极板中C4、C5，而中间段中含有油、水两种介质，存在一油水分界面，对应的电容值为C3。根据油、水的介电常数的差异，则不同段的电容值也会不同，
由于水的相对介电常数远远大于油的相对介电常数，则可得到：
C1＝C2<C3<C4＝C5，通过测量得到C1-C5的电容值，则可判断出各段极板间介质情况及油水分界面所处的位置，油水分界面水位的高度A0为：
A0＝LX+2H+2d0 (2)
其中，d0为竖直方向上两块相邻极板的距离；H为一组平行极板的高度；LX为油水分界面所在段的水位高度。
而最终液位值A0与LX、H、d0相关，H与加工工艺有关，为一常数；d0也可认为一常数，则A0只与LX的测量精度有关，这极大提升了油水界面的液位测量精度。
为得水位位置及高度，需据各段电容值求得介电常数，此过程较复杂且中间环节多、杂散及寄生电容都会影响到精度，故提出一种界面计算方法。
据式(1)及图3，通过极板满油、满水及有油、水两种介质的实时电容值间的差值、比值运算，消除杂散、寄生电容的影响，即：
化简可得：
式中，C测为油水分界面所在段测量得到的混合介质实时产生的总电容值，C1为油水分界面所在段充满介质油时的电容值，C2为油水分界面所在段充满介质水时的电容值。
传感器的过滤分离器集水槽油水界位传感系统如图5所示，分段阵列极板电容作为敏感元件实现液位到电容的转换，多段极板经过极板切换模块选通，通过Pcap01芯片进行电容的高精度检测，数据通过SPI总线送至ATmega128a主控芯片处理并经转换模块转成RS485信号制，严格遵循Modbus RTU协议，最终送至上位机进行数据处理，通过滤波处理和算法计算得到最终的液位值，数值通过4.3寸电容触摸LCD屏进行显示；同时将数据送至PC机，通过Modbus Slave软件对传感器传出的数据进行监测，对传感器进行测试和调试。
电容采集模块主要由德国ACam公司的Pcap01_AD芯片构成的检测电路，如图6所示。根据前期的实验结果，基本确定了所设计分段阵列检测极板的电容范围大致处于[18pF-2000pF]区间；所选芯片基于PICOCAP专利技术，内置48biteDSP处理器，通过简单的外围电路配置，就可实现低功耗、高精度微小电容的快速检测；检测精度可达6aF(在5Hz和10pF基础电容下)，检测范围从几个fF到几百个nF级，完全满足实际测量要求。
为提升抗干扰特性，传感器的连接选择单一传感器的漂移模式，极板电容和参考电容分别与芯片的PC引脚连接；利用内置的RDC测温模块的片上电阻测温，PTOUT外接一33nF的COG电容后并接地，PT0、PT2REF引脚悬空；极板电容与参考电容组成一个Low-Pass滤波，芯片通过测量充放电时间来测量微小电容，直接输出24位数字信号，无需AD转换，并通过MOSI_SDA、SCK_SCL、SSN_PG0、MINO_PG1四条SPI总线跟单片机完成通信，以实现对芯片的读写控制和电容数据的传输；通过连接接地电容，补偿内、外部寄生电容，减少PCB板的走线，进一步减小寄生电容。
主控芯片选择ATMEL的基于AVR内核RISC结构的8位低功耗、高性能配置单片机，内置128K可编程Flash、2个可编程串行USART、4KE2PROM、4KSRAM等丰富的片上资源，运算速度快，稳定性极佳，适合在野外极端恶劣条件下使用，符合过滤分离器的实际使用条件。
主控芯片模块主要由ATmega128芯片构成的硬件电路，如图7所示。由ATmega128芯片构成最小系统，通过SPI接口电路与Pcap01芯片连接，配置外部晶振电路和按键复位电路。该模块主要实现与Pcap01芯片的通讯，控制测量循环过程，对测量数据的读取与处理，并打包发送，实现与上位机的数据交互。
数据采集与处理流程大致为：电容检测芯片测量得到电容值的数字量，由主控芯片处理，电容检测电路接口遵循标准ModBus协议RTU模式，通过RS485接口通讯将电容信号数据发送给上位机。主控芯片对采集到的电容数字量按照ModBus协议进行处理，采用MAX3485芯片组成RS485转换电路，实现低功耗、高效率的无差错信号传输；RS485串口通过两线制的半双工方式工作，抗干扰能力强，传输距离长，最终上位机通过转换后将信号进行处理显示。
通过自制的模拟容器，以3号喷气燃料和蒸馏水为测量介质，进行传感器测量试验。试验结果如表1所示，结果表明传感器系统的相对误差较小，控制在3％以内，灵敏度较高，测量精度较高。
表1 油水界面液位测量误差分析
本新型传感器及搭建的测量系统，选用了高精度电容测量芯片Pcap01_AD实现微小电容检测，软件实现了数据接收处理、液位判断计算最终通过显示屏进行液位显示并可通过PC端软件进行监测。系统搭建后成功运行，多组实验证明所设计的传感器系统精度较高，灵敏度较好，测量精度控制在3％以内，可满足过滤分离器集水槽油水界位液位的快速、高精度、在线测量的要求，具有良好的应用前景。

Claims (10)

1.一种过滤分离器集水槽油水界位传感器，其特征在于：由多个上下排列的电容构成分段阵列极板结构，将测油段、测水段、测油水分界面段分开，各段独立且同时测量；每个电容结构相同，相互绝缘并独立引线。
2.根据权利要求1所述的过滤分离器集水槽油水界位传感器，其特征在于：电容极板材质选择铜金属片。
3.根据权利要求1所述的过滤分离器集水槽油水界位传感器，其特征在于：极板结构采用双面PCB板，PCB板的材料为环氧玻纤。
4.根据权利要求1所述的过滤分离器集水槽油水界位传感器，其特征在于：在极板结构表面喷涂一层绝缘材料。
5.根据权利要求4所述的过滤分离器集水槽油水界位传感器，其特征在于：绝缘材料选择聚四氟乙烯作为绝缘材料。
6.一种采用权利要求1-5任一所述传感器的过滤分离器集水槽油水界位传感系统，其特征在于：分段阵列极板电容经过极板切换模块并将代表液位信息的电容信号传输至电容采集模块，电容采集模块将数据处理后传输至主控芯片模块，主控芯片模块经转换模块连接上位机。
7.根据权利要求6所述的过滤分离器集水槽油水界位传感系统，其特征在于：极板切换模块的选择器采用8通道模拟多路芯片SN74HC4051；极板切换模块的双向收发芯片选择SN74LVC4245A。
8.根据权利要求6所述的过滤分离器集水槽油水界位传感系统，其特征在于：所述电容采集模块采用Pcap01芯片。
9.根据权利要求6所述的过滤分离器集水槽油水界位传感系统，其特征在于：所述主控芯片模块采用ATmega128a主控芯片。
10.根据权利要求6所述的过滤分离器集水槽油水界位传感系统，其特征在于：所述转换模块采用MAX3485芯片。
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CN113503939A (zh) * 2021-08-23 2021-10-15 石河子大学 非接触式种箱料位实时监测系统

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