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摘 要：本文在叙述了油水界面探测器的功能及系统组成的基础上、着重介绍了液面传感器的信号调理电路设计，以及显示仪表利用微处理器软件进行测量数据校准技术，本探测器将双CPU有机地组成测试系统。
关键词：界面探测器;电容传感器;信号调理;型式认可
根据国际海上环境保护委员会1980年6月13日通过的MEPC.5(XⅢ)决议要求：为快速和准确地测定污油水舱的油水界面，必须在油船上安装主管机关所批准的有效的油水界面探测器，在油水分离受影响的和打算把水直接排到海里去的各舱均应该采用这种探测器。为填补国内本项空白，研制本UIT油水界面探测器。
一、概述
油水界面探测器具备如下功能：
1. 油水界面探测器可探测气油界面、油水界面的位置。测量探头所处位置的介质（气体、油或水）温度。
2．采用系统“自学习”校正设计方案简化了生产工艺，并提高气油界面、油水界面的位置测量精度及介质温度精度。
3．数字式液面数据处理显示仪表可对系统测量精度进行校正，数据处理，显示、报讯。
4．利用液晶显示器显示各种校正或测量提示信息、测量数值及状态信息。
油水界面探测器由微处理器液面/温度传感器、数字式液面数据处理显示仪表及绝缘卷尺组成。
图1 油水界面探测器的系统组成图
图1中所示, 带微处理器液面/温度传感器主要由电容传感器、温度传感器、测量信号调理电路、放大器、带A/D转换器器的微处理器、串行接口及微型开关电源（图中未示出）组成；数字式液面数据处理显示仪表由串行接口、微处理器、液晶显示屏、Flash存储器及微型开关电源（图中未示出）等组成。
本探测器较之其他现有液位、液面测量仪表，具备以下特长：
1、用高性能的电容量测量及调理集成电路,提高测量精度，而且不受周围环境的影响。
2、用系统“自学习”校正校准方案，提高测量准确性。
3、用双CPU组成测试系统,以数字形式进行传输,提高仪表的可靠性。
传感器配备微处理器对信号进行预处理后,以数字形式进行传输。
主机的微处理器接收到数字信号,进行后处理后再显示和报讯。
4、在传感器中已配备温度传感器以测量温度,同时只需增加极少的硬件开支，如，压力式液位传感器测量液体深度，以实现多参数的同时测量。
5、采用微型高效率开关电源集成电路,提高干电池的电源利用效率。
6、液面传感器可以有继电器输出控制型和串行数据输出型，作为付产品“液位开关”。
二、液面测量原理
本设计的油水界面探测器采用电容传感器作为探头。根据不同介质的相对介电系数不同而引起电容变化的原理以测量介质的界面。假设电容器为两平板结构，作绝缘处理后的电容器两极间浸入不同的介质中，由于电容器极板中的介质相对介电系数不同，电容量是不同的；而当电容器两极板处在两不同介质的界面处，当液体介质的液面发生变化，也将导致电容器的电容量也发生变化。作为界面探测器其重点是后者，即检测电容传感器在气油界面、油水界面位置变化导致电容器的电容量变化情况。
电容传感器极板处在大气中、浸入不同液体或浸入不同液体深度不同，其电容量的变化，本设计采用专用的信号调理电路把电容量转换比例电压输出。在大气中相对介电常数为1，电容传感器的电容量为C0，经调理转换后输出电压为V0，在油品中相对介电常数变大，在水中相对介电常数更大，电容传感器的电容量将随着浸入不同液体深度加大而变大，经调理转换后输出电压也将随之变大。这电压信号再经放大器放大和A/D转换，得到不同的A/D值。A/D值的大小表明传感电容器所处的介质或淹没入油、水介质的深度。
本油水界面探测器采用两通道A/D转换器，其中一通道用于测量传感电容传感器的输出电压，另一通道用于温度信号的测量。微处理器控制数据的采集并进行数据预处理后，以数字形式用一定格式通过串行接口把两个数据传送往显示仪表。
在油水界面探测器中，液面传感器的关键器件是电容信号调理电路CAV414。CAV414是一种专为电容传感器而设计的通用性强、多用途集成电路，该芯片内包含有完整的信号处理单元。（见图2）CAV414芯片内含基准振荡器，其振荡频率可由基准振荡电容Cosc和Rosc来调整，基准振荡器驱动2个同步积分器，而在电阻（Rcx1+W0）和Rcx2值相同时，电容Cx1和（Cx2+Cx）则决定2个被驱动的积分器的积分电压幅度，即积分器的积分电压幅度差别反映了电容Cx1和（Cx2+Cx）的相对容量差。CAV414具有很高的共模抑制比和分辩率。它的差分信号端可由低通滤波器来进行处理和限定，而低通滤波器的角频率和增益也由几个外接元器件来调节，输出信号幅度也可由内部放大器进行预放大，放大倍数可由RL1/RL2及R1/R2确定。
用CAV414来测量电容，其电路如图二所示，图2中，Cx为电容传感器，其值很小，应用中可将电容传感器置在大气中，Cx的电容量恒定，调节电位器W1，使（Rcx1+W0）和Rcx2，在电容Cx1和（Cx2+Cx）的初始值时使Vout输出0电压。那么，当电容传感器在气油界面、油水界面位置变化导致电容器的电容Cx变化情况，使输出电压Vout發生变化。其从小到大变化规律是：
电容传感器(1)在大气中——>(2)逐步浸入油品，越浸越深——>(3)全部浸入油品中——>(4)逐步浸入水中，越浸越深——>(5)全部浸入水中。在这过程中，Cx的电容量逐步变大，其经信号调理、放大、A/D转换的数值也逐步变大，不难用A/D转换值区别电容传感器以上五个位置。位置(2)即气油界面、位置(4)即油水界面，这是界面探测器测定重点，可以将位置(2)和位置(4)中的特定传感器浸入深度线的A/D值存储，用数字比较法比较电容传感器浸入该液体是否超过该特定浸入线，便可确定气油界面或油水界面。
图2 电容传感器信号调理电路图 三、仪表校准和使用
仪表中，卷尺既作为液面测量的刻度尺，又是向界面探测传感器供电和数据通讯传输线。卷尺中的金属刻度尺与数据传输线采用高强度绝缘材料，相互间及与外界绝缘。
油水界面探测器的显示仪表不但用于显示界面探测传感器所处之处的界面、被测介质的温度信息，而且还可对测量数据进行精确地校准，其采用的点阵式LCD液晶显示屏不但采用中/英文两种文字显示界面信息和温度数据，而且在测量数据进行校准时进行必要的提示。使操作简明方便。显示仪表还带有断电保持的Fiash存储器，用于存储校正数据及必要的参数。
由于传感器电容器中的介质相对介电系数受介质温度的影响较大，在环境温度变化大时，传感器的调理电路、放大电路也有一定的温漂，均影响界面的测量精度，甚至使界面无法进行测量，必须进行测量数据校准和温度补偿。由于采用了微处理器，本仪表设计了“自学习”补偿校验程序：
首先测得冰水混合物中（0℃），和开水（100℃）温度传感器的A/D值，那么，在测量温度时，即可将温度传感器的当时的A/D值应用（0℃），和（100℃）时的A/D值进行零点和斜率校正、运算得出温度值。
然后采用“自学习”方法测试各介质温度下界面测量数据，确定界面参数，方法如下：
1）把传感器刻度线对准气/油界面固定，按动校准键后，缓慢持续使两介质温度从低温开始升温，油水界面传感器不间断地测量即时温度和电容传感器的输出电压（A/D值），温度每升高1℃，记录一个电容传感器的输出电压（A/D值），并存储进断电保持的Fiash存储器，直至最高極限温度。
2）把传感器刻度线对准油/水界面处，重复第1）点处理。
经过“自学习”校验后，Fiash存储器将保存有各对应温度下传感器刻度线处在气、油界面和油、水界面的电容传感器的输出电压（A/D值），作为界面比较标准。
之后在进行气油界面、油水界面的位置探测时，显示仪表中的微处理器只需把探测传感器传送来的传感电容A/D值与存储在Flash ROM中对应温度下的界面A/D值相比较，就可探测出传感器所到位置，在界面处读取卷尺刻度，探测得气油界面和油水界面。
显示仪表只用简单按键操作，配合LCD显示屏界面信息显示，解决了油水界面探测器的测量数据校准和温度修正问题，方法简单方便。
四、结论
UIT油水界面探测器已通过上海仪器仪表自控系统检验测试所的多项检测，获得国家级仪器仪表防爆安全监督检验站发给的《防爆合格证》 ；完全达到国家技术监督局发布的《船用油水界面探测器技术条件》，获中国船级社颁发的《型式认可证书》。并已获得了专利。产品投入生产以来，在船舶和油田中得到广泛应用，取得了良好的经济效益和社会效益。
参考文献
1.船用油水界面探测器技术条件 中华人民共和国国家标准 国家技术监督局发布 1991.05.22
2.油水界面探测器技术条件 国际海上环境保护委员会1980年6月13日通过的MEPC.5(XⅢ)决议
3.Converter IC for Capacitive Signals CAV414 Analog Microelectronics GmbH janualy 2001
关键词：界面探测器;电容传感器;信号调理;型式认可
根据国际海上环境保护委员会1980年6月13日通过的MEPC.5(XⅢ)决议要求：为快速和准确地测定污油水舱的油水界面，必须在油船上安装主管机关所批准的有效的油水界面探测器，在油水分离受影响的和打算把水直接排到海里去的各舱均应该采用这种探测器。为填补国内本项空白，研制本UIT油水界面探测器。
一、概述
油水界面探测器具备如下功能：
1. 油水界面探测器可探测气油界面、油水界面的位置。测量探头所处位置的介质（气体、油或水）温度。
2．采用系统“自学习”校正设计方案简化了生产工艺，并提高气油界面、油水界面的位置测量精度及介质温度精度。
3．数字式液面数据处理显示仪表可对系统测量精度进行校正，数据处理，显示、报讯。
4．利用液晶显示器显示各种校正或测量提示信息、测量数值及状态信息。
油水界面探测器由微处理器液面/温度传感器、数字式液面数据处理显示仪表及绝缘卷尺组成。
图1 油水界面探测器的系统组成图
图1中所示, 带微处理器液面/温度传感器主要由电容传感器、温度传感器、测量信号调理电路、放大器、带A/D转换器器的微处理器、串行接口及微型开关电源（图中未示出）组成；数字式液面数据处理显示仪表由串行接口、微处理器、液晶显示屏、Flash存储器及微型开关电源（图中未示出）等组成。
本探测器较之其他现有液位、液面测量仪表，具备以下特长：
1、用高性能的电容量测量及调理集成电路,提高测量精度，而且不受周围环境的影响。
2、用系统“自学习”校正校准方案，提高测量准确性。
3、用双CPU组成测试系统,以数字形式进行传输,提高仪表的可靠性。
传感器配备微处理器对信号进行预处理后,以数字形式进行传输。
主机的微处理器接收到数字信号,进行后处理后再显示和报讯。
4、在传感器中已配备温度传感器以测量温度,同时只需增加极少的硬件开支，如，压力式液位传感器测量液体深度，以实现多参数的同时测量。
5、采用微型高效率开关电源集成电路,提高干电池的电源利用效率。
6、液面传感器可以有继电器输出控制型和串行数据输出型，作为付产品“液位开关”。
二、液面测量原理
本设计的油水界面探测器采用电容传感器作为探头。根据不同介质的相对介电系数不同而引起电容变化的原理以测量介质的界面。假设电容器为两平板结构，作绝缘处理后的电容器两极间浸入不同的介质中，由于电容器极板中的介质相对介电系数不同，电容量是不同的；而当电容器两极板处在两不同介质的界面处，当液体介质的液面发生变化，也将导致电容器的电容量也发生变化。作为界面探测器其重点是后者，即检测电容传感器在气油界面、油水界面位置变化导致电容器的电容量变化情况。
电容传感器极板处在大气中、浸入不同液体或浸入不同液体深度不同，其电容量的变化，本设计采用专用的信号调理电路把电容量转换比例电压输出。在大气中相对介电常数为1，电容传感器的电容量为C0，经调理转换后输出电压为V0，在油品中相对介电常数变大，在水中相对介电常数更大，电容传感器的电容量将随着浸入不同液体深度加大而变大，经调理转换后输出电压也将随之变大。这电压信号再经放大器放大和A/D转换，得到不同的A/D值。A/D值的大小表明传感电容器所处的介质或淹没入油、水介质的深度。
本油水界面探测器采用两通道A/D转换器，其中一通道用于测量传感电容传感器的输出电压，另一通道用于温度信号的测量。微处理器控制数据的采集并进行数据预处理后，以数字形式用一定格式通过串行接口把两个数据传送往显示仪表。
在油水界面探测器中，液面传感器的关键器件是电容信号调理电路CAV414。CAV414是一种专为电容传感器而设计的通用性强、多用途集成电路，该芯片内包含有完整的信号处理单元。（见图2）CAV414芯片内含基准振荡器，其振荡频率可由基准振荡电容Cosc和Rosc来调整，基准振荡器驱动2个同步积分器，而在电阻（Rcx1+W0）和Rcx2值相同时，电容Cx1和（Cx2+Cx）则决定2个被驱动的积分器的积分电压幅度，即积分器的积分电压幅度差别反映了电容Cx1和（Cx2+Cx）的相对容量差。CAV414具有很高的共模抑制比和分辩率。它的差分信号端可由低通滤波器来进行处理和限定，而低通滤波器的角频率和增益也由几个外接元器件来调节，输出信号幅度也可由内部放大器进行预放大，放大倍数可由RL1/RL2及R1/R2确定。
用CAV414来测量电容，其电路如图二所示，图2中，Cx为电容传感器，其值很小，应用中可将电容传感器置在大气中，Cx的电容量恒定，调节电位器W1，使（Rcx1+W0）和Rcx2，在电容Cx1和（Cx2+Cx）的初始值时使Vout输出0电压。那么，当电容传感器在气油界面、油水界面位置变化导致电容器的电容Cx变化情况，使输出电压Vout發生变化。其从小到大变化规律是：
电容传感器(1)在大气中——>(2)逐步浸入油品，越浸越深——>(3)全部浸入油品中——>(4)逐步浸入水中，越浸越深——>(5)全部浸入水中。在这过程中，Cx的电容量逐步变大，其经信号调理、放大、A/D转换的数值也逐步变大，不难用A/D转换值区别电容传感器以上五个位置。位置(2)即气油界面、位置(4)即油水界面，这是界面探测器测定重点，可以将位置(2)和位置(4)中的特定传感器浸入深度线的A/D值存储，用数字比较法比较电容传感器浸入该液体是否超过该特定浸入线，便可确定气油界面或油水界面。
图2 电容传感器信号调理电路图 三、仪表校准和使用
仪表中，卷尺既作为液面测量的刻度尺，又是向界面探测传感器供电和数据通讯传输线。卷尺中的金属刻度尺与数据传输线采用高强度绝缘材料，相互间及与外界绝缘。
油水界面探测器的显示仪表不但用于显示界面探测传感器所处之处的界面、被测介质的温度信息，而且还可对测量数据进行精确地校准，其采用的点阵式LCD液晶显示屏不但采用中/英文两种文字显示界面信息和温度数据，而且在测量数据进行校准时进行必要的提示。使操作简明方便。显示仪表还带有断电保持的Fiash存储器，用于存储校正数据及必要的参数。
由于传感器电容器中的介质相对介电系数受介质温度的影响较大，在环境温度变化大时，传感器的调理电路、放大电路也有一定的温漂，均影响界面的测量精度，甚至使界面无法进行测量，必须进行测量数据校准和温度补偿。由于采用了微处理器，本仪表设计了“自学习”补偿校验程序：
首先测得冰水混合物中（0℃），和开水（100℃）温度传感器的A/D值，那么，在测量温度时，即可将温度传感器的当时的A/D值应用（0℃），和（100℃）时的A/D值进行零点和斜率校正、运算得出温度值。
然后采用“自学习”方法测试各介质温度下界面测量数据，确定界面参数，方法如下：
1）把传感器刻度线对准气/油界面固定，按动校准键后，缓慢持续使两介质温度从低温开始升温，油水界面传感器不间断地测量即时温度和电容传感器的输出电压（A/D值），温度每升高1℃，记录一个电容传感器的输出电压（A/D值），并存储进断电保持的Fiash存储器，直至最高極限温度。
2）把传感器刻度线对准油/水界面处，重复第1）点处理。
经过“自学习”校验后，Fiash存储器将保存有各对应温度下传感器刻度线处在气、油界面和油、水界面的电容传感器的输出电压（A/D值），作为界面比较标准。
之后在进行气油界面、油水界面的位置探测时，显示仪表中的微处理器只需把探测传感器传送来的传感电容A/D值与存储在Flash ROM中对应温度下的界面A/D值相比较，就可探测出传感器所到位置，在界面处读取卷尺刻度，探测得气油界面和油水界面。
显示仪表只用简单按键操作，配合LCD显示屏界面信息显示，解决了油水界面探测器的测量数据校准和温度修正问题，方法简单方便。
四、结论
UIT油水界面探测器已通过上海仪器仪表自控系统检验测试所的多项检测，获得国家级仪器仪表防爆安全监督检验站发给的《防爆合格证》 ；完全达到国家技术监督局发布的《船用油水界面探测器技术条件》，获中国船级社颁发的《型式认可证书》。并已获得了专利。产品投入生产以来，在船舶和油田中得到广泛应用，取得了良好的经济效益和社会效益。
参考文献
1.船用油水界面探测器技术条件 中华人民共和国国家标准 国家技术监督局发布 1991.05.22
2.油水界面探测器技术条件 国际海上环境保护委员会1980年6月13日通过的MEPC.5(XⅢ)决议
3.Converter IC for Capacitive Signals CAV414 Analog Microelectronics GmbH janualy 2001