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. 学习.资料. 分类号： TP212 单位代码：107

密 级： 一般 学 号：*************

本科毕业论文（设计）

题 目：原油含水率检测电路设计

专 业： 电子信息工程

姓 名

指导教师：

职 称：

答辩日期： 1 原油含水率检测电路设计

摘要：含水率是原油检测中一重要技术指标，在我国，原油的开采、生产、运输等环节的含水率测量水平还很低。本文主要介绍了一种基于电容式传感器，利用电荷转移法测量原油含水率的工作电路，本设计中含水率测量围可达到0～100%，误差＜1％，线性度好，灵敏度高，稳定性好，漂移小。性能可靠的软件设计既保证系统尽量全的智能化测量功能，又保证宽测量围的线性化，以及系统的快速响应特性。

关键词：原油含水率；敏感探头；电容传感器；8051

The Detect Circuit Design of Moisture content in crude oil

Abstract: Moisture content is an important technical indicators in Oil detection.

In China, Crude oil extraction, production, transportation and other aspects of

measuring moisture content is still very low. In this paper, Mainly Introduced a

working circuit for Moisture content measurement of crude oil. In this paper,

Moisture content measuring range up to 0 ~ 100%, p <1%, Good linearity, high

sensitivity, good stability, and drift small. The design of reliable software systems

as much as possible not only to ensure full functionality of the intelligent

measurement and to ensure wide range of linear measurement, as well as the

system's rapid response characteristics.

Key words: water content in crude oil;Sensitive probe;Capacitance

sensor;8051

石油化工行业中，原油含水率是原油生产和加工过程中的主要计量参数之一，含水率数据的测量是否准确和及时，对原油生产和管理具有极其重要的意义。

目前，检测原油含水率的方法很多，有传统的定时取样蒸馏化验的人工方法、射线法、短波法、微波法、电容法等。在原油含水率检测中，电容式传感器以其结构简单、响应快、灵敏度高等优点被广泛使用。运用电荷转移法可实现电容—电压的转换,再利用电压—频率转换电路,同时应用单片机进行数值转换,最终得到原油的含水率。

1．测量元件的基本原理

1.1电容传感器的探头基本原理

电容传感器的敏感探头是一变介电常数式电容传感器。该探头对被测含水原油的介电常数敏感，而含水原油的介电常数随原油含水率变化而变化，敏感探头置于被测含水原油中，如果忽略原油中所含杂质的影响，可近似看作纯油和纯水的混合物。纯 2 油属非极性电解质，介电常数在2.3左右。而纯水是极性电解质，其介电常数为80左

右。显然，原油中含水率的变化将显著影响原油介电常数的变化。将敏感探头（电容传感器）置于含水原油中，原油含水率的变化即转化成敏感探头电容量的变化，电容传感器送出一个和含水率相对应的电信号，由此可以测出原油的含水率。

1.2电容式传感器探头的测量机制

传统观点认为，用电容式传感器作含水率一次敏感元件，在低含水率段有良好工作特性。当含水率在30%～50%围时，由于大量导电离子水构成两电容极板间的导体，从而失去对含水率的分辨能力。本仪器采用同心套筒电容结构，且在其电极涂敷钛氟纶绝缘层，消除含水导电效应，使仪器在0～100%含水率测量围均有良好的工作特性。输油管线中的流体，虽经搅拌混合，但流经电容式传感探头时仍为非均匀流体，为使其具有很好的自均流作用，探头与流体方向相对插入，并在外电极板上开均匀分布排列的圆孔。

图1是电容探头示意图。电容中心电极半径为r，电极涂氟的绝缘层厚度为δ，绝缘材料介电常数为1，传感器外电极表面半径为R，电极长度为h，2为混合液介电常数，根据同轴柱状电容器容量计算公式，可得绝缘层和混合液对应的电容C1、C2分别为：

112ln()hCrr （1）

222ln()hCRr （2）

电容式传感器的C可视为C1、C2的串联，因此:

121212122ln()ln()CChCRrCCrr （3） 3

图1 电容探头示意图

因ε2与原油含水率有关，因此由式（3）可知，根据测得的电容C可换算出含水率]1[]12[。

1.3温度传感器的工作原理

温度传感器选取AD590温度传感器，AD590温度传感器是一种IC化的温度感测器，它会将温度转化为电流，其规格如下：

1. 温度每增加1℃，它会增加1μA的输出电流。

2. 可测量围-55℃至150℃。

3. 供电电压围+4V至+30V。

AD590的管脚图及元件符号如图2所示。

图2 AD590的管脚图及元件符号

AD590温度传感器的输出电流值说明如下：

其输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA的输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流outI=（273+25）=298μA。

AD590基本应用电路如图3所示。 4 12DCBAVcc10K+-VoIo

图3 AD590基本应用电路

注意事项：

1. Vo的值为Io乘上10K，以室温25℃而言，输出值为：10K×298μA=2.98V。

2. 测量Vo时，不可分出任何电流，否则测量值会不准。

AD590实际应用电路如图4所示。

图4 AD590实际应用电路

电路分析：

1.AD590的输出电流I=（273+T）μA（T为摄氏温度），因此测量的电压V为（273+T）μA×10K=（2.73+T/100）V。为了将电压测量出来又务须使输出电流I不分流出来，我们使用电压跟随器其输出电压2V等于输入电压V。

2.由于一般电源供应较多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，其输出电压1V需调整至2.73V。

3.接下来我们使用差动放大器其输出0V为（100K/10K）×（21VV）=T/10，如果现在为摄氏28℃，输出电压为2.8V，输出电压接AD转换器，那么AD转换输出的数 5 字量就和摄氏温度成线形比例关系]2[]7[。

1.4 8051单片机

8051芯片是INTEL公司推出的采用HMOS工艺制造的双列直插(DIP)式芯片。8051是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等一台计算机所需要的基本功能部件。引脚功能如表1所示，其片有4个可编程的程序存储器、具有256个字节的片RAM、具有32条可编程的I/0端口线、具有2个16位的可编程定时/计数器、有5个中断源和一个全双工串行通信口，最高工作频率可达24MHz，完全可以满足本系统的需要。

表1 8051引脚功能

引脚号 引脚名 功能

1～8 P1.0～P1.7 8位准双向I/O口

39～32 P0.0～P0.7 双向8位三态I/O口

21～28 P2.0～P2.7 8位准双向I/O口

10～17 P3.0～P3.7 8位准双向I/O口

40 VCC 接+5V电源

20 VSS 接地

19 XTAL1 接外部晶体的一个引脚

18 XTAL2 接外部晶体的另一端

9 RST/VPD 复位信号输入端

30 ALE 为地址锁存信号

29 PSEN 程序存储允许输出控制端

31 EA/VPP /外程序存储器选择控制端

8051有2个16位计时/计数器寄存器。作为一个定时器，每个机器周期，寄存器增加1，这样寄存器即可为计数机器周期。因为一个机器周期有12个振荡器周期，所以计数率是振荡器频率的1/12。作为一个计数器，该寄存器在相应的外部输入脚P3.4/T0和P3.5/T1上出现从1至0的变化时增1。由于需要2个机器周期来辨认一次1到0的变化，所以最大的计数率是振荡器频率的1/24，可以对外部的输入端P3.2/INT0和P3.3/INT1编程，便于测量脉冲宽度的门]3[]4[]8[。

1．5 74LS164单片机

采用74LS164与单片机连接，进行I/O口扩充，并通过74LS164与LED连接达到显示的目的。74LS164是8位串入并出移位寄存器，当单片机串行口工作在 6 方式0的发送状态时，串行数据由P3.0（RXD）送出，移位时钟由P3.1（TXD）送出。在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入74LS164中。需要指出的是，由于74LS164无并行输出控制端，因而在串行输入过程中，其输出端的状态会不断的变化，故在某些应用场合，在74LS164的输出端应加接输出三态控制 。

其传输方式采用串行口方式0的数据传送，可采用中断方式，也可采用查询方式，无论哪种方式，都要借助于TI或RI标志。串行发送时，可以靠TI置位（发完一帧数据后）引起中断申请，在中断服务程序中发送下一帧数据。在串行接收时，则由RI引起中断或对RI查询来确定何时接收下一帧数据。无论采用什么方式，在开始通讯之前，都要先对寄存器SCON进行初始化。在方式0中，将00H送SCON就可以了]4[]8[。

2．测量电路的工作原理

2．1 电荷转移法测量电容原理

安装在输油管道的传感器电容变化量很小，一般在几十到几百pF围，因此，电容测量电路要求具有0.1pF的分辨率，且要求有良好的零点和长期工作稳定性。电荷转移法的电容转换电路的特点是漂移小，测量准确度高，稳定性好，并且几乎不受并联漏电阻的影响。

图5所示为将电容上的静电容变换成电压的电路。sV为参考用的基准电压，C为被测电容，SC为参考电容。开关S1、S2、S3可以联动，且由外部集成电路NE 555提供的2 kHz时钟脉冲驱动。SC由sV在一定时间充电，其充电电荷Q为：

sSQCV （4）

若将开关连续交替接到相反的一侧，1C中的电荷移动到基准电容SC上。这时若不考虑电荷损耗，则：

0QCV （5）

由式（4）、（5）得：

0ssCVVC (6)

由式（6）知，输出电压0V是频率为2kHz、幅度与C成反比的脉宽信号。