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1、潍坊学院本科毕业设计（论文）目录第一章 前言3第二章 分段电容式液位测量原理及方法421传统电容式液位测量的介绍42.1.1传统电容式液位测量的原理42.1.2电容式液位测量方法在油水界面检测中遇到的问题52.2分段电容式液位测量的原理62.2.1分段电容式液位测量的原理62.2.2 几种特殊情况的处理72.3 微小电容测量原理7第三章 系统总体设计93.1课题需要实现的功能及要求93.1.1系统实现的功能及要求93.1.2系统的主要技术标准93.2 系统总体结构设计103.2.1传感器结构103.2.2系统功能模块划分11第四章 系统硬件设计134.1硬件电路的总体设计134.1.1硬件电路
2、的可靠设计134.1.2硬件电路设计划分134.2 单片机的选用134.3 主控电路设计144.3.1 ATmegal6单片机电路设计144.3.2 人机接口电路设计16第五章 系统软件设计175.1软件总体设计175.2 ATmegal6单片机软件总体设计175.3 ATmega8单片机软件总体设计18第六章 结束语19参考文献20致 谢21II 潍坊学院本科毕业设计（论文）摘要：溢油回收过程中进行油水分离时，检测油气、油水界面所在位置以及油层厚度是至关苇要的一个环节，不仅需要能够同时检测油气、油水两个界面，还需要保证检测结果是实时连续的，要求具有较快的检测速度。本课题正是研究这样一种测量技
3、术，通过测量电容，利用单片机实现实时动态多界面液位测量。通过测量各分段电容传感器然后对测得的数据进行分析处理得到各界面位置是本文的总体思路。本论文首先介绍了各种液位测量的方法，然后对课题中所提的测量要求进行分析给出了液位测量的需水分析，通过对比各种测量的方法选定了基丁分段电容的测量方式。通过阐述分段电容式液位测量的原理分析、实现、以及解决的问题，从硬件和软件两个方面详细介绍了液位测量所需传感器的设计和制作过程，最后是对传感器的实验及对实验数据的分析总结，从而验证分段电容式测量液位的方法在本课题应用中的选择是正确的。关键词：传感器；分段电容；液位测量；单片机ABSTRACT：When separ
4、ate oil from water at spilled oil recovery processing，the detection of oilgas interface，oilwater interface and the oil thickness is a critical part，not only can detect oil gas interface and oil-water interface，but also need to ensure the results in realtime and continuous，requires faster detection s
5、peedThis issue is research a such of measurement that real-time and dynamic detect multi interface liquid level using microcontroller and capacitance measuringBy measuring the capacitance of subcapacitor sensor then processing themeasured data to get the interface position is the overall idea of thi
6、s paperThis paper first introduces the various liquid level measurement methods，and then analysis the requirements mentioned in the subject and provides liquid levelmeasurement needs，by comparing selected variety of measurement methods andselected measurement based on sub-capacitor sensorDescribed t
7、he principle analyses of subcapacitor sensor for liquid level measurement，implementation，and solution problems，go into detail about the design and production process of the liquid level measurement sensors from both hardware and software aspects，and finally is the experiment and analysis of the expe
8、riment and experimental data，thereby to verify the liquid level with subcapacitor sensor in this topic is correctKEY WORDS：Sensor；Subcapacitor；Liquid Level；Single Chip Microcomputer第一章 前言自1993年我国从石油出口国转为石油净进口国以来，石油进口数量不断上升，沿海的石油运输量大幅增加。我国进口的石油90是通过海上船舶运输来完成的。据统计，19732006年，我国沿海共发生大小船舶溢油事故2635起，其中溢油50
9、吨以上的重大船舶溢油事故共69起，总溢油量37，077吨，平均每年发生两起，平均每起污染事故溢油量537吨。石油本身具有毒性，进入海洋后不仅会对海洋环境、野生动物和养殖资源等造成不同程度的危害，而且这种危害的周期往往是很长的。凶此对溢油治理方法和技术进行进一步的研究，以便最大程度地减少溢油所造成的危害，具有重要的意义。溢油的处理方式基本有三种：生物法、化学法和物理法。对于海上溢油清除，物理法中的机械回收方法是最好的，不但清除了溢油，消除了溢油的危害，还回收了溢油，即保护了环境又保护了资源。溢油回收装置是一种机械回收装置，是溢油发生后处理溢油的一种有效装置，能极大的减小溢油的危害并回收溢油，降低
10、损失。该系统最关键的部分是油水分离装置，但是在油水分离过程中只有确定油气界面和油水界面的位置，才能知道油层的厚度，控制油水分离装置正常工作。因此需要设计一种液位传感器，能够检测油气、油水两个界面的位置，而且要求传感器具有较高的精度和良好的动态特性。随着科学技术的发展，近几年来国内外学者对于双界面液位测量技术和装置的研究取得了很大的进展，发明了很多用于液位测量的仪器仪表，根据测量方式可以分为接触式和非接触式两类。通过对国内外液位测量方法的比较分析可以看出，大多数方法虽然可以测量油气和油水两个界面，但是对环境以及被测介质的要求比较高，而且需要在油水界面比较清晰地情况下才能获得比较准确的液位数据。因
11、此提出了以电容式液位测量方法为基础的分段电容式液位测量法。这种方法不但对环境以及被测介质要求不高，而且可以很好的测量油气和油水双界面。第二章 分段电容式液位测量原理及方法21传统电容式液位测量的介绍2.1.1传统电容式液位测量的原理传统的电容式液位测量法一般使用两个内外电极相套的圆柱形电容传感器,电容传感器高度为L，内电极直径为d，外电极直径为D，当电容传感器内外电极之间充满介电常数为的介质时，其电容值的计算表达式如下： C= (2-1)其中,为真空的介电常数,=F/m。由公式(2-1)可知，在保持D、d和L不变的情况下，电容的大小和介质的介电常数呈线性关系。已知D、d和L三个参数的值，根据测
12、量到的电容值C即可计算出该介质的介电常数。当电容传感器内外电极之间充满两种介质时，比如油和气，此时会有一个油气界面,下部为油,高度为H,介电常数为，上部为空气，高度为(L-H)，介电常数为，此时相当于将两个电容传感器并联，电容值的计算表达式如下： (2-2)其中：为油部分所产生的电容，为空气部分所产生的电容，为电容传感器中充满空气时的电容值,为油的介电常数，为空气的介电常数。在环境不变的情况下总电容C与油的高度呈线性关系。将油的介电常数和空气的介电常数代入(2-2)式,根据此时测量得到的电容值就可以计算出油的高度H。2.1.2电容式液位测量方法在油水界面检测中遇到的问题但是在实际应用中，尤其是
13、用丁海上溢油回收这样的上作环境，有许多问题必须予以考虑，这些问题主要有：(1)在测罩得到传感器电容值之后计算液面的高度需要知道各个介质的介电常数，但是各介质的介电常数并不是一个固定的值，而是一个随着各种条件变化而变化的值。原油或者其他油品的介电常数与其含水率有关，在正常环境下，油水混合之后静止一段时间后，因为油水互不相溶且油和水的密度不同导致油水分离，油浮于水的上方，两者界面分明，油中的含水率相对固定，通过测量我们可以根据公式31计算出此时油的介电常数。但是在复杂的海洋环境下，有着复杂的物理化学变化，海水的运动也会导致油和水也相互撞击，互相渗透，导致油的含水率有很大的变化，因此很难确定油的介电
14、常数。油水界面检测中的另一介质海水的介电常数也是变化的，由于海水中含有各种矿物质和盐分，不同区域的海水中含有的矿物质和盐分是不同的，即便是同一区域这些物质的含量也会有轻微的变化，这样势必会影响传感器的测量精度。温度对于不同介质介电常数也有一定得影响，尤其是水的介电常数受温度的影响是非常明显的，如表21所示，在0度时水的介电常数约为88，而温度达到50度时，水的介电常数下降到70，变化是比较的大的。因此油水界面检测中温度对介电常数变化的影响所导致的测量误差是必须要考虑的。表2-1水的介电常数与温度的关系温度01020304050介电常数888480767370(2)通过传统电容式液位测量的原理介
15、绍，可以知道该方法适合测量两种介质单一界面的位置，而并不适宜用于二种介质的油气、油水界面双界面的检测。因此，必须要对传统电容式液位测量方法进行改进，使之适应双界面位置的测量。(3)油与水的分界面并不是一个清晰的界面，而是一个随着油的含水量由大到小变化的从水到油的过渡带，称之为乳化层。传统电容式液位测量方法依靠的是介电常数进行计算，乳化层的介电常数无法确定，凶此该方法很难确定乳化层的位置，传感器所能够检测到的只是一个近似的界面，凶此如何处理近似晃面并确定油水界面的位置是一个必须要考虑的问题。由此不难看出，在油气、油水双界面检测的应用中，传统电容式液位测量方法有各利-局限性，在应用到油气、油水双界面检测时会遇到很多问题从而导致测量精度不高，甚至是非常不理想的程度。因此，要将电容式液位测量方法应用到油水界面检测中，需要对传统电容式液位测量方法进行改进。2.2分段电容式液位测量的原理2.2.1分段电容式液位测量的原理分段电容式液位测量
