基于微变电容腔油水比例测量原理的油膜厚度测量传感系统

贾辉军

(天津海运职业学院，天津　300350)



基于微变电容腔油水比例测量原理的油膜厚度测量传感系统

贾辉军

(天津海运职业学院，天津300350)

海水受到油的污染后，可形成三层不同介质，即空气、油、水。测定油气界面和油水界面之间的距离即为油膜的厚度。常见产生污染的油品，其介电常数为空气的2倍以上，若在污染物上方设一探测电极，以污染物下面的海水为另一电极，则二电极之间会形成一个电容。当上电极接近油膜甚至接触到油膜时，由于介电常数的突然增加，电容值突然提高。测量电路由555定时器及其外围电路构成多谐振荡器，通过精确测量油气界面、油水界面位置x1、x0相应的频率转折点，得到x1、x0位置数据，其差值即为油膜厚度。

油膜厚度；介电常数；频率转折点

油污染是一种严重的世界性环境污染，不仅威胁海洋生态环境，同时对社会和经济产生极大的负面影响。对于溢油事故，国际上根据其规模和所需的资源进行分级：

一级指能够通过使用该地溢油反应资源加以处理和控制的较小的溢油事故；

二级指需要地区内其他溢油反应资源协助处理和控制的较大型的溢油事故；

三级指需要国内甚至国际溢油反应力量协助处理和控制的大型或灾难性的溢油事故。

国内溢油级别按照溢油量进行定位，其具体定位是：

小型溢油：溢油量10吨以下；

中型溢油：溢油量10-100吨；

大型溢油：溢油量100吨以上。

国际上开展溢油信息系统的研究，主要有挪威、美国、英国的IKU、ADIOS和OSIS模型，虽然为溢油预测和模拟提供了良好的指导，但由于模型中公式和参数的实验性和经验性成分较大，其精准度较差，难以对溢油造成的环境危害进行准确的评价和索赔评估。

对海洋油污染溢油量探测，国外均采取卫星遥测评估计算，近十年主要集中在以高端微波雷达测量对污染域的油膜厚度的研究，以此原理制作的探测装备性价比较低。

目前，国内对各类油污染的溢油量基本采取人工采样方式，不能做到在线实时监测，对突发事件响应不及时，对油膜厚度则是根据油膜色彩运用光学经验公式评估，数据可靠性比较差。

近年来，我国海域饱受船舶和海上石油钻井平台及海上输油管线溢油之害，由于缺乏完善的定量监测探测油污染溢油量的手段，海域被污染后经常处于无量化索赔的尴尬境地。海事部门急需测定海洋石油污染容积的装备，作为《海域油污染赔偿国际法规》量化赔偿和处理的依据。一旦发生石油污染事件，立即启动探测设备进行定量检测，为应急方案提供精确的数据，及时快速对海洋石油污染进行定量监测探测，确定溢油等级，将海域油污染的危害降低到最小程度。油污染定量监测探测装备将提高我国海事部门海域权益监管的能力，为我国海事部门处理海域油污染事故，制定应急方案提供可靠的依据。

国外海洋油污染测量装备成本很高，本文融合微变电容腔油水比例测量技术，研讨了一种新型低成本能够装备各类监测平台的油污染监测探测传感系统，在此基础上形成完整的海域油污染定量探测装备。考虑到海水受到油的污染后，会形成三层不同介质，即空气、油、水，测定油气界面和油水界面之间的距离即为油膜的厚度。由此，若能精确测量上述两个界面的位置，即可得到油膜的准确厚度。掌握了溢油油膜厚度，配合航空遥测或其它方式(如雷达)测量污染海域面积便可实时在线掌握溢油量，从而估计溢油的危害程度。

一、基本原理

以微变电容腔油水比例测量技术为基础，新型在线介质传感器基本原理为：海水受到油的污染后，可形成介电常数不同的空气、油、海水三层不同介质。通过传感器电极的运动，电极逐渐接触含油液面，随液面厚度变化，传感器振荡器振荡频率亦相应变化，振荡频率在电极通过油气界面和油水界面时有一突变，突变时设备会测定相应位置。测定油气界面和油水界面之间的距离即得到油膜的准确厚度。

海洋油污染主要由海上钻井平台泄露或油轮泄露造成，污染物为石油、柴油、汽油、煤油等，基本为绝缘体。真空、纯水及常见油品的介电常数如下：

真空或空气1.0

食用油2.0-4.0

汽油1.9

柴油2.1

重油2.6-3.0

纯水48.0-80.0

由上述数据可见，常见产生污染的油品，其介电常数为空气的2倍以上，若在污染物上方设一探测电极(上电极)，以污染物下面的海水为另一电极，则二电极之间会形成一个电容。结构如图一所示。

图1　电极结构示意图

图1中x0为油水界面，x1为油气界面，x为上电极位置。d1为上电极与油气界面距离，即空气介质的厚度；d2为油膜介质厚度。

电极之间介质的介电常数、电极之间的距离、电极的面积等因素决定了电容值。根据一般物理学原理，二电极之间的电容值为：

1-1

其中g为介电常数，S为极板面积，单位m2，d为极板距离，单位m；电容单位法拉。

若电极之间有二层介质，如图1所示，则电容值为

1-2

其中g1，g2分别为二层介质的介电常数；S为极板面积，单位m2； d1，d2分别为二层介质的厚度，单位m；电容单位法拉。

设空气介电常数为g1，油膜介电常数为g2。为简化分析，设g2远大于g1，d1远大于 d2，则式1-2简化为：

1-3

也即当上电极位置x距油水界面x0较远时，满足条件g2远大于g1、 d1远大于 d2时，二电极间电容值基本取决于空气的介电常数g1，电容值可近似按式1-3计算。由于空气介电常数较小，距离引起的电容变化曲线斜率亦较小，如图2所示。当上电极接近油膜甚至接触到油膜时，由于油膜介电常数较大，电容值突然提高，电容值可近似由式1-2决定。电容的近似折线化曲线见图2。可见当上电极接近或到达油水界面位置时，距离引起的电容变化曲线斜率有一明显增加。由此可见，判断随上电极的运动电容变化曲线斜率的转折点，可以准确测量此点的电极位置，即可得到油气界面位置。

当上电极运行到油水界面时，由于海水是良导体，上下电极短路，此时的电极位置即油水界面位置。

油气界面位置与油水界面位置间距离即油膜厚度。

图2　电极间距离与电容值之间关系

二、技术特征、技术方法和难点

与以往常见的雷达扫描、油膜色彩判断等方法不同，本文研究采用另外一种方法：利用油品介电常数与空气、海水介电常数较大差异的特点，以海水为下电极，另外设置一上电极，二者之间形成一可变电容。控制装置控制上电极向下运动，在上电极到达油气界面和油水界面时，根据电容的随位置变化的变化率(即图2中的曲线斜率)的改变，可判断出两个界面。分别测量并记录上电极在两个界面的位置，两个位置之差即油膜厚度。此方法尚未见有文献资料发表。

(一)本方案的难点

1.上电极运动机构的精确性。包括：电极的水平安装精度、垂直安装精度；

2.上电极位置检测的精度；

3.油气界面、油水界面检测的精度；

4.因电极之间电容较小，导线的寄生电容造成的寄生电容影响。

(二)解决上述难点

1.提高机械加工精度；

2.上电极位置检测采用高精度滑动变阻器，且两个界面的检测采用相对检测方法，重点在于检测两个界面的差值，如此将测量的绝对误差抵消掉。

3.为排除寄生电容的影响，检测两个界面时，主要检测电容有明显变化时的拐点位置而不是检测电容的绝对值，如此排除了寄生电容的干扰。同时设计振荡电路，将电容的变化转化为频率变化，使用微机测量频率的变化值，较为方便地得到所需信号。

三、技术路线和实现途径

系统分为三大部分：

(一)机械机构

包括支架、电动推杆安装于支架上。上电极安装于推杆端头，随推杆运动而上下运动；

(二)测量电路

包括多谐振荡器、电源电路等。主要功能是将电极间电容的变化转化为频率的变化，然后将频率信号送至单片机电路。

(三)单片机控制系统

接收检测电路送来的频率信号并对其计数，判断频率转折点，与上位机联络并按上位机的指令执行动作，控制推杆的运动。

(四)上位机

为通用PC机。主要用于人机界面、向下位机传输指令、显示测量状态和测量结果。

四、测量电路

测量电路如图3。其主要结构与功能为：由555定时器及其外围电路构成多谐振荡器，其振荡周期为

T=0.7(R1+2R2)C

1-4

振荡频率则为1/T。式1-4中，为两探测电极间电容，随上电极位置和被测油品介电常数而变化。控制电路在测量开始后控制上电极向下缓慢移动，则电容随之按图2所示规律变化。

图3　油膜测量电路

随着上电极向下移动，电容变化引起555振荡频率的变化。上电极移动至位置x1时，电容值有一突变(突然变低)，移动至x0位置时，因海水导电性能很好，两电极短路，振荡频率降为零。由此，须解决的两个问题是：

(一)精确测量位置x0、x1相应的频率转折点

(二)精确测量位置x0、x1

由此，位置x0、x1的差值即为油膜厚度。

测量电路的核心为定时器555构成的多谐振荡器。决定振荡频率的阻容元件分别为R1、R2和C。其中C即上下电极之间的电容值。其振荡周期为：

测量电路的核心为定时器555构成的多谐振荡器。决定振荡频率的阻容元件分别为、和。其中即上下电极之间的电容值。其振荡周期为：

1-5

单位为HZ。由式1—5可见，随电容的变化，振荡频率随之变化。两个运算放大器U2A、U2B与阻容元件构成跟随、滤波、放大电路，用于将电极电容上的锯齿波滤波放大后形成一直流电压，当上电极达到油水界面时，此电压为零。控制电路检测到此零电压后，即说明上电极已到达油水界面。

频率转折点由单片机计数器在一定周期内对555定时器的振荡频率计数，之后测量频率突变点相应的位置x0、x1，并不直接测量二电极之间的电容。这是因为电极间电容受空气的温度、湿度、当地海拔等因素影响，同时被测油品介电常数也不同，加之电路、导线寄生电容的影响，很难对电容作精确测定，因而振荡频率亦难以与油膜厚度成一一对应关系。现将此问题转化为对油气界面和油水界面位置的测定，即在位置x0、x1确定的情况下，由单片机记录下相应位置，巧妙地避开了电容测量的不稳定性。

五、单片机控制系统

控制电路如图4。上电极的运动由单片机系统通过电动推杆控制，控制电路包括单片机PWM发生器、MOS管全桥构成的主回路、以及一些辅助电路。电动推杆的位置则由高精度直线电阻测量后将与位置相应的电压送至单片机AD输入端，AD精度为10位，即分辨率为1/1024。因推杆行程为50mm，则位置测量分辨率位50mm/1024=0.049mm。但因测量到的油膜厚度为位置d1、d2的差值，将绝对位置测量转化为相对位置的测量，二者的测量偏差可以在一定程度上相互抵消，故实际测量精度还要高一些。

单片机控制系统以先进的51系列单片机12C5410AD为核心，辅之以外围电路构成。如图4所示。该单片机为国内研发生产，具有高速、宽电压、低功耗特点，且在软硬件方面与国际最流行的51系列单片机兼容。同时该单片机具有可在线编程、8位10路AD转换器、16位计数器、4通道捕获/比较单元、PWM信号输出、2路多模式可选串行通讯等功能，可方便地实现直流电动推杆控制、推杆位置检测、信号频率检测、数据上传及接收以及数据计算等功能。主要功能为：

上电极运行控制；电极电路震荡频率的测定及相应电极位置的测定；接收上位机控制信号以开始及结束测量，向上位机传输相关测量数据。

电路各部分结构及功能：

逆变桥路及驱动电路：由4个N沟道增强型MOS功率管Q1、Q2、Q3、Q4 构成逆变桥路功率主回路，4个光电隔离驱动集成电路TLP250 U4、U5、U6、U7构成驱动电路。驱动电路接收单片机输出的PWM信号，驱动主回路。PWM信号的占空比决定了驱动电压的大小和极性，使得推杆电机可随需要正转或反转。

U2A、U2B为具有施密特特性的反相器，U3A、U3B为四输入与非门。U2A接收单片机P1.0口输出的控制信号，用于使能或封锁PWM信号的输出，以便必要时停止主回路工作，避免主回路桥路在故障时损坏。U2B用于将PWM信号反相，同相信号、反向信号分别送至U3A、U3B以前通过驱动电路驱动主回路MOS管，因U3A、U3B在电路上互锁，防止了主回路MOS管同侧上下桥臂“穿通”致使系统短路。

PWM信号由单片机PCA0端输出，其调制比由软件控制。

与上位PC机的通讯通过串行端TX、RX端进行，频率计数脉冲由T0端接入。

六、上位机的功能

上位机为主控计算机，使用通用PC机即可。主要功能：

一是，作为人机界面，控制系统工作；

二是，计算下位机传输的数据并显示数据；

三是，向下位机传输控制指令。

主控计算机的控制计算软件包括数据检测计算，数据显示，控制代码输出，输入数据接收、控制数据输出等功能软件包。

七、实验结果

以柴油作为被测介质，通过实验得到一系列数据，说明本方案切实可行，精度亦好。可测量的油膜厚度范围由0.5mm至10mm，误差约0.05mm。以后的改进目标是进一步提高测量精度、将测量范围扩展至十微米数量级。

[1]周仲.集成电路应用350例[M].北京：电子工业出版社，1988.

Film Thickness Measuring and Sensing System Based on the Theory of Differential Capacitance Water-oil Ratio Measurement

JIA Hui-jun

(TianjinMaritimeCollege,Tianjin, 300350)

after the seawater is contaminated, three different medias in three layers are formed: namely air, oil and water. The oil film thickness is the distance measured between oil-gas interface and the oil-water interface. The dielectric constant of the common polluting oil is twice or more of that of the air, if a detection electrode is set above the pollutants, and the seawater below the pollutant as another electrode, a capacitor is formed between the two electrodes. When the upper electrode is close to the oil film or even contact the oil film, due to a sudden increase in the dielectric constant, the capacitance value suddenly increased. Measuring circuit 555 timer and its peripheral circuits forms multivibrator, data at the position of x1, x0 is obtained and by accurately measuring the frequency transformation point of oil-gas interface and the oil-water interface at the position x1, x0 and the difference is the oil film thickness.

oil film thickness; dielectric constant; frequency transformation point

2016-07-05

贾辉军(1948-)，男，天津市人，天津海运职业学院教授，主要从事数学、半导体物理专业的教学与研究工作。

TP212.6

A

1673-582X(2016)09-0072-06