基于电容式传感器的油位测量系统研究❋

王 磊

（武汉第二船舶设计研究所 武汉 430064）

1 引言

目前，在船舶行业已有多种类型的油位测量仪器投入使用，这些仪器各有各自的优缺点，适用于多种工作环境和测量对象。油位测量系统是将燃油舱油位变化转换为机械量、压力值或光学量等物理量后再进行测量，依据所选用的传感器类型，可将当前使用的油位测量方法分为机械测量法、压力测量法、光学测量法和超声测量法等［4］。利用上述测量方法设计的油位测量系统在使用过程中，都暴露出或多或少的问题。如机械式的浮子油位计，浮子有时会因介质内杂质较多导致浮子卡滞而无法测量；压力式的静压油位计有时会因沉积物沉积在压力传感器表面或容器内压力波动造成测量准确度降低；超声油位计在温度较高或电磁环境较差环境下常无法稳定工作等。鉴于此，本文设计一种基于电容式测量原理的油位测量系统，具有如下特点：

1）无运动部件，可靠性较高；

2）具有高抗腐蚀、耐高压和耐高温性能；

3）电极长度可按要求进行配置，系统主机可设置在安全区域，安全性高；

4）测量电极可弯曲，可满足不规则形状油舱的测量要求。

2 工作原理

船舶燃油舱分布在船舱底部或舷侧，主要包括内部燃油舱和外部燃油舱，部分燃油舱为调整浮力，将燃油舱内始终充满介质，在燃油舱内上层为油、下层为水。

根据船舶燃油舱的特点，本课题设计了基于单级插入式电容测量原理的油位测量系统，利用装在燃油舱中的单级电容式油位传感器电容的变化感受燃油舱油位的高度变化，在激励信号的作用下将油位高度的变化量转换为等量的电容量变化，经温度补偿后，再通过测量仪的测量通道转换为直流电压信号，并输入到PLC控制器，经过倾角补偿后计算出油位高度，再根据油舱的容积曲线计算出燃油油量。

本系统主要由油位测量仪（含软件）、电容式油位传感器和倾角传感器组成。该系统油位测量仪安装在防爆区域外，电容式油位传感器安装于油舱顶部，且电容式油位传感器防爆等级为本质安全型。主机通过屏蔽电缆与电容式油位传感器连接。

图1 油位测量系统原理框图

2.1 电容式油位传感器

1）基本工作原理

电容式油位传感器的基本工作原理是检测在测量探杆与油舱之间形成的电容，当被测介质浸没探杆的液位发生变化时，被测电容量也变化。这种电容量的变化经电路转换后得到与之对应的4mA～20mA的电流输出。其传感器的电极外敷绝缘层由聚四氟乙烯制成，测量探杆与被测介质完全绝缘，具有高抗腐蚀和耐高温性能。

图2 电容法测量液位示意图及等效电路图

在等效电路中，C1代表与液位无关的杂散电容，C2代表燃油层中以绝缘层为电介质的电容，其值为

C3代表以燃油层为电介质的电容，其值为

从图中可以看出，C2与C3是串联关系，所以总电容Cx为

对于确定的介质而言，上式中等号右第一项为常数，可看作不变的初始电容，设其为C，对于选定的传感器和燃油而言，ε1、ε2、D1、d为定值。

令2πε1ε2／（ε1ln（D／D1）＋ε2ln（D1／d））＝K，则：

可以看出，电容量Cx与燃油高度H1成正比，测出电容量值后，经过系数转换则得燃油高度［1］。

电容式油位传感器由电子仓、聚四氟乙烯绝缘套管和金属内芯组成，柔性探极与金属容器构成一电容器，其中探极的金属内心为电容的一极，油舱为电容的另一极，中间为高稳定性的聚四氟乙烯。传感器探极结构如图3所示。

在电路设计上采用了线性修正和温度补偿技术，使输出测量值保持良好的线性，并减少介质温度的影响。

2）温度补偿

环境温度变化、电路板器件发热等因素都会使电路元件的参数发生变化，使测量结果漂移。

本电容式油位传感器的温度补偿通过热敏电阻器温度取样电路和单片机实现。R0和Rt组成了热敏电阻器取样电路，单片机根据Rt上端的电压值对各种温度下的传感器输出电流值进行补偿。温度补偿电路如图4所示。

图3 探极结构图

图4 温度补偿电路［3］

由于热敏电阻的阻值随温度的变化和传感器输出电流随温度的漂移都是非线性的，因此单片机采用查表的方式进行温度补偿。根据所选热敏电阻的R－T特性表查出不同温度下的电阻值，计算出不同温度下的Rt上端的电压，并将电压转换为数字量，对传感器的输出进行补偿。

2.2 油位测量仪

油位测量仪电路主要由信号隔离模块、模拟量采样处理模块、控制器、显示屏、电源等组成。

油位测量仪的控制器选用西门子公司的PLC控制器CPU226，该控制器集成了16点继电器输出，用于测量仪的低油位报警；模拟量采样处理模块选用EM231，用于采集液位传感器信号；此外在模拟量采样处理模块与电容式油位传感器之间加入一级防爆信号隔离器，将测量仪内部信号与外部信号进行电气隔离，提高装置的安全性。油位测量仪的供电分为两部分，一部分是给PLC供电，另一部分给传感器单独进行供电。

图5 油位测量仪组成

由于风浪的作用船舶在水面航行时会发生倾斜和摇摆，使得燃油舱内的油位会发生变化。因此，在油位测量仪内部设置倾角传感器，用于测量船舶在航行时的横倾和纵倾角，对油位进行补偿。

油位测量仪具体组成如图5所示。

3 实验结果

在实验室条件下以0＃柴油作为介质，分别进行了油位测量装置线性试验和温漂试验。

1）线性试验

分别进行了油位上升与下降线性试验，并测量所对应的输出电流值，结果如表1所示。

表1 线性试验结果 单位：mm

从记录的数据可以看出对于0＃柴油测量精度达到了1%，完全满足系统的精度要求。

2）系统温度补偿试验

分别了进行了10℃和35℃系统温度补偿试验，测量系统的温度漂移率，试验结果如表2所示。

从记录的数据可以看出，系统在5℃～35℃范围内的温度漂移率最大为0.97%，满足系统1%的精度指标要求。

表2 系统温漂试验

4 结语

本课题的创新点是设计了插入式电容原理油位传感器，具有性能可靠的特点，系统综合测量精度达到了1%。油位测量仪设置了防爆隔离器和倾角传感器，能够对船舶的倾斜和摇摆进行补偿，并且确保了船舶在航行时的安全性。

本文介绍的基于电容式传感器的油位测量系统具有安装方便、低成本、高精度等特点，准确的实时在线测量，能够克服传统船舶油位测量的弊端，有良好的应用前景。

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