电容式油水界面液位传感器的设计_王毅

的值。 ２．２ 传感器检测及变送电路
检测及变送电路如图 ３ 所示，图中： Ｋ１￣Ｋ８ 为 ８ 位 拨码开关；Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４ 为 ＬＭ３２４ 中的 ４ 个放大器； Ｃｘ 为电容传感器的电容；Ｐ１￣Ｐ３ 为测试点。调节电位器 Ｗ１ 可以改变检测电路的工作频率，调节 Ｗ２、Ｗ３ 可以改 变放 大倍 数，用以改 变输 出信 号的 大小，从 而可 使
SIEMENS
２００６ 西门子工厂信息化高峰论坛
２００６ 年 ６ 月 １９ 日上海
６ 月 ２３ 日大连
市场对制造业的要求越来越 苛刻，最高的产品规范、最低的 最终成本、最快的上市时间和最 佳的产品质量等给制造业施加了 巨大的压力。目前的 ＩＴ 架构通常难以管理大量与集成相关的 企业事务，比如： · 缺乏供应链内的生产同步 · 缺乏评估生产绩效和生产跟踪的统计数据 · 在停机时调整资源规划管理的需求 · 生产跟踪和可追溯性的需求等 因此有必要在生产过程级系统（产品制造）和企业管理级 系统（生产决策）之间建立一种高效集成的中间系统。制造执 行系统（ＭＥＳ） 不仅提供企业管理级系统与生产过程级系统间 的信息沟通，还提供了一套能优化生产过程所有阶段的工厂活 动的相应功能。西门子能为客户提供全集成自动化解决方案。 我们承诺为客户提供端到端的全集成的企业解决方案，从现场
在解决了高性能（绝缘电阻高，介电系数随温度 变化小） 的绝缘 层涂料之后，设计一种圆柱形电容传 感器， 可以和自动控制仪表及相应执行部件构成自 动检测系统，实现油水分离的自动检测功能。
进油水混合液
油 集
分界面
油 器
传感器
水
图 １ 油水分离器示意图
２ 传感器的结构与工作原理
排油 排水
根据实用环境的需要，设计了圆柱形双极管电容 式传感器。
容Ｃ与界面高度ｈ的线性函数表达式：
度可达 １ｍｍ。
３ 结论
＝＋
（４）
本传感器对于不同的测量对象，要进行传感
式中：Ａ、Ｂ 是由 ０ ， １ ， ２ ， ３ ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ 决定的系数。
对于确定的温度或温度波动不大，表面比较清洁
器的标定。标定工作可以通过调节 Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３ 和 外接电 容器 Ｃ１￣Ｃ８ 来进行 。当测 量电容值 有明显 降 低时，要及时取下清洗传感器内外极，以保证测
此次活动，不仅将全面地介绍 ＳＩＭＡＴＩＣ ＩＴ 产品，还将集 中演示其在多个行业的应用，届时西门子 ＳＩＭＡＴＩＣ ＩＴ 合作伙 伴公司将与来宾分享成功案例和倾听用户心声。这一活动的开 展，旨在让您深刻了解 ＳＩＭＡＴＩＣ ＩＴ 如何同步、分析、协调 和优化您的生产，促进企业的收益增长。
即日起，开始接受网上在线报名或传真报名，截止日期为 ２００６ 年 ５ 月 ３１ 日。请访问 ｈｔｔｐ： ／／ｗｗｗ． ａｄ． ｓｉｅｍｅｎｓ． ｃｏｍ．ｃｎ／ ｎｅｗｓ＿ｅｖｅｎｔｓ／ｎｅｗｓ／ａｓ／ｎｅｗｓ＿ｌｅｔｔｅｒ／２００６ＰｌａｎｔＳｕｍｍＩＴ． ｈｔｍｌ。
图 ２ 的结构近似地构成了一个圆柱形电容器， 当
其中充有油和水两种介质时， 便看作是两个电容器并 联。按照电磁学理论， 圆柱形电容器的电容值为：
＝
２ ／２ １
式中：
为介质的相对介电常数；
ｈ 为圆柱体的高度；
Ｒ１ 为内极圆柱的外径； Ｒ２ 为外径圆柱筒的内径。控Βιβλιοθήκη 电路屏蔽室内电极外电极
绝缘接头
绝缘支撑盘
控制到 ＭＥＳ。不断追求创新，不断地帮助我们的客户保持业务 增长，面对日益增加的市场挑战。
ＳＩＭＡＴＩＣ ＩＴ 是西门子推出的一种全新的制造执行系统，相 对于传统 ＭＥＳ 来说，无疑是一场革命。
为了让中国企业用户深入体验 ＳＩＭＡＴＩＣ ＩＴ 的全新理念，接 触全球制造信息化发展的最前沿，西门子（中国）有限公司自 动化与驱动集团，将于今年 ６ 月 １９ 日、２３ 日分别在上海和大 连举办“西门子工厂信息化高峰论坛”。
技术论坛
电容式油水界面液位 传感器的设计
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ Ｔｙｐｅ Ｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ Ｏｉｌ ａｎｄ Ｗａｔｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｌｅｖｅｌ
大连海事大学自动化研究所（辽宁大连 １１６０２６）王 毅 候解民 尚晨旭
摘要：本文设计了圆柱形电容传感器， 其输出为 ４￣２０ｍＡ 信号， 可与自动控制仪表及相应执行部件构成 油水界面自动监控系统。只需通过简单的标定， 便可用于各种油品。圆柱形传感器测量精度可达±１ｍｍ，可 以在室温到 １００℃变温环境下正常工作。
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｏｒｍ ｏｆ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｉｔ ｃａｎ ｏｕｔｐｕｔｓ ａ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｇｎａｌ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｆｏｕｒ ｔｏ ｔｗｅｎｔｙ ａｍｐｅｒｅ ａｎｄ ｂｅ ｊｏｉｎｅｄ ｉｎ ａ ａｕｔｏ－ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｓｏｍｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｅｘｅｃｕｔｉｖｅ ｂｏｄｉｅｓ ｔｏ ｃｏｍｐｏｓｅ ｔｈｅ ａｕｔｏ－ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｅｐａｒａｔｅ ｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ． Ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ａｎｙ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｏｉｌ ｂｙ ｏｎｌｙ ａ ｓｉｍｐｌｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ±１ｍｍ． Ｓｅｎｓｏｒ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｒｏｍ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｏ １００℃．
内极内径 Ｒ１ 内极外径 Ｒ２（加绝缘涂层） 外极内径 Ｒ３（加绝缘涂层） 外极外径 Ｒ４
图 ２ 圆柱形电容传感器示意图
电容器 １， ２分别为：
１＝
１
２ ０１３ ／ ＋ ２ ４ １ ３ ３
／３ ２
（１）
２＝
１
２ ０２３ ／ ＋ ２ ４ １ ３ ３
／３ ２
（２）
式中：
０ ， １ ， ２ ， ３ 分别为真空、油、水、绝缘涂层的
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２００６ 年第 ５ 期 中国仪器仪表
技术论坛
２．１ 圆柱形电容传感器 其结构如图 ２ 所示， 绝缘接头部分由实际配合装
置决定。电容部分由两根 １ｍ 长的金属圆管构成。内 管的外径为 ２５ｍｍ， 外管的内径为 ４０ｍｍ，外管经过直 径沿纵 向铣成 两半 （以便 在其 内外壁 上喷涂 绝 缘 涂 层）， 再由绝缘支撑部件恢复其圆形， 并在其两侧留 下两条窄缝， 使液体可以在任何高度进入两管之间， 形成电容器的电介质。
介电常数；
（４） 式曲线 整体上 、下平 移。
Ｈ为圆柱电容器的有效长度； ｈ为水（油水界面） 的高度。
通过 Ｋ１￣Ｋ８ 拨码开关可以选择 ８ 只外接已知电容， 用以调整曲线的斜率，从而使输出信号在 ４￣２０ｍＡ 范围
总电容Ｃ为：
内，供控制仪表使用。系统灵敏度可达 ３ｐＦ，测试精
＝ １＋ ２
（３）
将（１）式和（２）式代入（３）式， 经整理可得电
关键词：油水分离 电容传感器 自动检测 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｓｅｎｓｏｒ Ａｕｔｏ－ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ
１ 引言
传感器检测及变送
输出 ４￣２０ｍＡ 标准信号
在海上溢油处理和石油、化工行业中，常常要用 一些方法有效地排出油或去除油品中的水份，这种设 备装置一般称为油水分离器，最简单的 １ 种如图 １ 所 示。含有水份的油品进入容器后，上下分离形成 １ 个 界面。如何能及时准确地判知界面所在位置，及时开 闸放水，准确地停止放水进油，或是开始抽油，是该 设备使用中的关键所在。
Ｗ１ ５００ｋ
０．１
４ １０ １４
１
１２
２
１３
６ ＮＥ ９
５５６
７５８ ４７
＋１２Ｖ １Ｍ
Ｐ１ １０ｋ
Ｐ２ ２５Ｖ
Ｋ １￣Ｋ８
Ｃ２
Ｃ４
Ｃ６
Ｃ８
Ｃ１
Ｃ３
Ｃ５
Ｃ７
Ｊ２－１ Ｃｘ
Ｊ２－２
１００ｋ
１００ｋ １００ｋ
＋１２Ｖ
Ｗ２
２－ ４
－
－
Ａ１
１３ Ａ２
９ Ａ３
＋
１ １００ｋ
＋
１４ １００ｋ
＋
８
３
１１
１２
Ｗ３
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２００６ 年第 ５ 期 中国仪器仪表
１２
１００ｋ
１００ｋ
＋１２Ｖ ６－
Ａ４
＋
７
５
１００
Ｐ３
Ｊ１－４
输出
Ｊ１－３
四氟乙烯作为圆柱形传感器内外极的涂层，它可以在 １２０℃下正常工作，介电常数随温度变化不大，在 ２００ ｍ 厚的涂层绝缘电阻可达 ５００Ｍ ℃以上，完全可以达 到工作要求。
参考文献 １ 吴道悌．非电量电测技术．西安交通大学出版社，２００１． ２ 王家桢等．传感器与变送器．清华大学出版社，１９９６． ３ 越凯华．电磁学．人民教育出版社，１９７８．
的情况，Ａ、Ｂ 可以视为常数。
量准确。
这样就可以根据后面的电容检测电路测出的整
在不同温度情况下工作也需对传感器进行标定。
个圆柱形传感器的电容值来测算出其中油水界面 ｈ 在涂层材料方面，我们可以选择具有高绝缘性能的聚
中国仪器仪表 ２００６ 年第 ５ 期
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２００
０．１ 电 Ｊ１－１ 源 Ｊ１－２