基于電容式傳感器的油位測量系統研究?

王 磊

（武漢第二船舶設計研究所 武漢 430064）

1 引言

目前，在船舶行業已有多種類型的油位測量儀器投入使用，這些儀器各有各自的優缺點，適用于多種工作環境和測量對象。油位測量系統是將燃油艙油位變化轉換為機械量、壓力值或光學量等物理量后再進行測量，依據所選用的傳感器類型，可將當前使用的油位測量方法分為機械測量法、壓力測量法、光學測量法和超聲測量法等［4］。利用上述測量方法設計的油位測量系統在使用過程中，都暴露出或多或少的問題。如機械式的浮子油位計，浮子有時會因介質內雜質較多導致浮子卡滯而無法測量；壓力式的靜壓油位計有時會因沉積物沉積在壓力傳感器表面或容器內壓力波動造成測量準確度降低；超聲油位計在溫度較高或電磁環境較差環境下常無法穩定工作等。鑒于此，本文設計一種基于電容式測量原理的油位測量系統，具有如下特點：

1）無運動部件，可靠性較高；

2）具有高抗腐蝕、耐高壓和耐高溫性能；

3）電極長度可按要求進行配置，系統主機可設置在安全區域，安全性高；

4）測量電極可彎曲，可滿足不規則形狀油艙的測量要求。

2 工作原理

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

根據船舶燃油艙的特點，本課題設計了基于單級插入式電容測量原理的油位測量系統，利用裝在燃油艙中的單級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，在激勵信號的作用下將油位高度的變化量轉換為等量的電容量變化，經溫度補償后，再通過測量儀的測量通道轉換為直流電壓信號，并輸入到PLC控制器，經過傾角補償后計算出油位高度，再根據油艙的容積曲線計算出燃油油量。

本系統主要由油位測量儀（含軟件）、電容式油位傳感器和傾角傳感器組成。該系統油位測量儀安裝在防爆區域外，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為本質安全型。主機通過屏蔽電纜與電容式油位傳感器連接。

圖1 油位測量系統原理框圖

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在測量探桿與油艙之間形成的電容，當被測介質浸沒探桿的液位發生變化時，被測電容量也變化。這種電容量的變化經電路轉換后得到與之對應的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，測量探桿與被測介質完全絕緣，具有高抗腐蝕和耐高溫性能。

圖2 電容法測量液位示意圖及等效電路圖

在等效電路中，C1代表與液位無關的雜散電容，C2代表燃油層中以絕緣層為電介質的電容，其值為

C3代表以燃油層為電介質的電容，其值為

從圖中可以看出，C2與C3是串聯關系，所以總電容Cx為

對于確定的介質而言，上式中等號右第一項為常數，可看作不變的初始電容，設其為C，對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，測出電容量值后，經過系數轉換則得燃油高度［1］。

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

在電路設計上采用了線性修正和溫度補償技術，使輸出測量值保持良好的線性，并減少介質溫度的影響。

2）溫度補償

環境溫度變化、電路板器件發熱等因素都會使電路元件的參數發生變化，使測量結果漂移。

本電容式油位傳感器的溫度補償通過熱敏電阻器溫度取樣電路和單片機實現。R0和Rt組成了熱敏電阻器取樣電路，單片機根據Rt上端的電壓值對各種溫度下的傳感器輸出電流值進行補償。溫度補償電路如圖4所示。

圖3 探極結構圖

圖4 溫度補償電路［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，因此單片機采用查表的方式進行溫度補償。根據所選熱敏電阻的R－T特性表查出不同溫度下的電阻值，計算出不同溫度下的Rt上端的電壓，并將電壓轉換為數字量，對傳感器的輸出進行補償。

2.2 油位測量儀

油位測量儀電路主要由信號隔離模塊、模擬量采樣處理模塊、控制器、顯示屏、電源等組成。

油位測量儀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點繼電器輸出，用于測量儀的低油位報警；模擬量采樣處理模塊選用EM231，用于采集液位傳感器信號；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防爆信號隔離器，將測量儀內部信號與外部信號進行電氣隔離，提高裝置的安全性。油位測量儀的供電分為兩部分，一部分是給PLC供電，另一部分給傳感器單獨進行供電。

圖5 油位測量儀組成

由于風浪的作用船舶在水面航行時會發生傾斜和搖擺，使得燃油艙內的油位會發生變化。因此，在油位測量儀內部設置傾角傳感器，用于測量船舶在航行時的橫傾和縱傾角，對油位進行補償。

油位測量儀具體組成如圖5所示。

3 實驗結果

在實驗室條件下以0＃柴油作為介質，分別進行了油位測量裝置線性試驗和溫漂試驗。

1）線性試驗

分別進行了油位上升與下降線性試驗，并測量所對應的輸出電流值，結果如表1所示。

表1 線性試驗結果 單位：mm

從記錄的數據可以看出對于0＃柴油測量精度達到了1%，完全滿足系統的精度要求。

2）系統溫度補償試驗

分別了進行了10℃和35℃系統溫度補償試驗，測量系統的溫度漂移率，試驗結果如表2所示。

從記錄的數據可以看出，系統在5℃～35℃范圍內的溫度漂移率最大為0.97%，滿足系統1%的精度指標要求。

表2 系統溫漂試驗

4 結語

本課題的創新點是設計了插入式電容原理油位傳感器，具有性能可靠的特點，系統綜合測量精度達到了1%。油位測量儀設置了防爆隔離器和傾角傳感器，能夠對船舶的傾斜和搖擺進行補償，并且確保了船舶在航行時的安全性。

本文介紹的基于電容式傳感器的油位測量系統具有安裝方便、低成本、高精度等特點，準確的實時在線測量，能夠克服傳統船舶油位測量的弊端，有良好的應用前景。

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