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基于CAV424的油品含水率在线测量仪的研制
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摘 要：提出了一种电容传感器调理电路的新方法，引入了用于电容／电压信号转换的集成电路CAV424，以及CAV424在油品含水率测量仪中的应用。
关键词：电容传感器；CAV424；油品含水率
Design of the instrument of online measurement for water
in oil percentagebased on integrate circuit CAV424
Abstract：The paper discusses a new method abo ut the process of caPACitance sensor,introduces the integrate circuit CAV424 use d for capacitance to voltage signal convert,and the developed online measuring i nstrument for water瞚n瞣il percentage based on CAV424.
Key words：capacitance sensor;CAV424;water瞚n瞣il percentage
在当今检测领域中，电容式传感器以其结构简单、动态响应好、灵敏度高、能在恶劣环境下工作等优点而被广泛使用。但是由于电容式传感器的电容量一般很小，传感器的调理电路往往受到寄生电容和环境变化的影响而难以实现高精度测量。CAV4 24是一种将各种电容式传感器电容信号转换成电压信号的集成电路芯片，具有信号的采集(相对电容量变化)处理和差分电压输出的功能。它可以检则到与参考电容值(10 pF到20 nF)的5%～100%的变化范围内的电容值，并将变化电容转变为相应的差分电压输出，具有高检测灵敏度。同时它还集成了内置温度传感器，当需要数字化信号修正时可直接用来检测温度。
利用CAV424作为电容传感器的调理电路，可克服寄生电容和环境变化的影响。同时传感器的 处理电路也较简单，仪器体积小。
参考文献
［1］王莉田.电荷转移式原油含水率传感器的研究［J］.传感器技术，1999( 2)：19－23.
［2］马世勇.射频电容式传感器的研究与应用［J］.传感器技术，2001(2)：43－45.
［3］黄正华.电容式传感器敏感探头［J］.仪表技术与传感器，1996(5)：15－17.
关键词：电容传感器；CAV424；油品含水率
Design of the instrument of online measurement for water
in oil percentagebased on integrate circuit CAV424
DING Zhenrong1,CHEN Weimin2
(1盜nstitute of Detection Technology,Zhejiang UNIversity，
Zhejia ng Hangzhou 310027，China;
2.China Jiliang University)
Zhejia ng Hangzhou 310027，China;
2.China Jiliang University)
Abstract：The paper discusses a new method abo ut the process of caPACitance sensor,introduces the integrate circuit CAV424 use d for capacitance to voltage signal convert,and the developed online measuring i nstrument for water瞚n瞣il percentage based on CAV424.
Key words：capacitance sensor;CAV424;water瞚n瞣il percentage
在当今检测领域中，电容式传感器以其结构简单、动态响应好、灵敏度高、能在恶劣环境下工作等优点而被广泛使用。但是由于电容式传感器的电容量一般很小，传感器的调理电路往往受到寄生电容和环境变化的影响而难以实现高精度测量。CAV4 24是一种将各种电容式传感器电容信号转换成电压信号的集成电路芯片，具有信号的采集(相对电容量变化)处理和差分电压输出的功能。它可以检则到与参考电容值(10 pF到20 nF)的5%～100%的变化范围内的电容值，并将变化电容转变为相应的差分电压输出，具有高检测灵敏度。同时它还集成了内置温度传感器，当需要数字化信号修正时可直接用来检测温度。
利用CAV424作为电容传感器的调理电路，可克服寄生电容和环境变化的影响。同时传感器的 处理电路也较简单，仪器体积小。
1CAV424的测量原理
CAV424的测量原理是通过一个外接电容Cosc与内部构成一个频率可调的参考振荡器驱动二个构造对称的积分器并使它们在时间和相位上同步。如图1所示，二个被控制的积分器的振幅是由电容CX1和CX2来决定，CX1作参考电容而CX2作为被测电容。CX1和CX2包含了输入端与地端的所有电容，并在特性上一致，这样环境变化时芯片的两个输入端同时变化，其差值基本保持不变。当被测电容传感器电容变化时，由于积分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以比较二个振幅的差值得到的信号反映出CX1和CX2的相对变化量，该差值信号通过后级的低通滤波器整流滤波到达可调增益的差分输出级。
CAV424的测量原理是通过一个外接电容Cosc与内部构成一个频率可调的参考振荡器驱动二个构造对称的积分器并使它们在时间和相位上同步。如图1所示，二个被控制的积分器的振幅是由电容CX1和CX2来决定，CX1作参考电容而CX2作为被测电容。CX1和CX2包含了输入端与地端的所有电容，并在特性上一致，这样环境变化时芯片的两个输入端同时变化，其差值基本保持不变。当被测电容传感器电容变化时，由于积分器具有很高的共模抑制比和分辨率，所以比较二个振幅的差值得到的信号反映出CX1和CX2的相对变化量，该差值信号通过后级的低通滤波器整流滤波到达可调增益的差分输出级。
参考振荡器对外接的振荡器电容Cosc和与它相关的内部寄生 电容以及外接的寄生电容进行充电，然后放电。振荡器的电容近似地取为：Cosc＝16CX1。参考振荡器电流Iosc由外接电阻Rosc和参考电压VM来确定：Iosc＝Vm／Rosc，参考振荡器的电压输出见图2。
二个对称构造的内置电容式积分器的作用原理与上述的参考振荡器相似。区别在于放电时间是充电时间的一半，其次，它的放电电压被钳制在一个内置的固定电压V CLMP上，图3中显示出电容CX1和CX2的电压信号。
由图3所示的理想信号经过低通滤波器得：
其中：差分信号VDIFF,0＝3／8(VCX1－VCX2)，它可再经过输出放大器放大；
VM为参考电压源。
由图3所示的理想信号经过低通滤波器得：
其中：差分信号VDIFF,0＝3／8(VCX1－VCX2)，它可再经过输出放大器放大；
VM为参考电压源。
2基于CAV424的油品含水率在线测量仪设计
2.1油品中含水率测量原理及传感器探头的设计
油品含水率测量的基本思路是：对于某种油品，其含水量不同，对应的介电常数亦不同，利用这种油／水介电常数数值差异的电物理特性，采用变介电常数电容式传感器原理，可将被测信号的变化转换成电容量变化，再利用CAV424将电容信号转换为电压信号，通过A／D采样和单片机处理即可测出油品中的含水量。电容传感器探头设计示意图见图4［1］。
2.1油品中含水率测量原理及传感器探头的设计
油品含水率测量的基本思路是：对于某种油品，其含水量不同，对应的介电常数亦不同，利用这种油／水介电常数数值差异的电物理特性，采用变介电常数电容式传感器原理，可将被测信号的变化转换成电容量变化，再利用CAV424将电容信号转换为电压信号，通过A／D采样和单片机处理即可测出油品中的含水量。电容传感器探头设计示意图见图4［1］。
同轴柱状电容传感器探头内电极半径为r，内电极表面涂绝缘材料，其绝缘层厚度为δ，绝缘材料介电常数为ε1，外电极内表面半径为R，电极长度为h，ε2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：
由式(3)可知，ε2与原油含水率有关，因此根据测得的电容C即可换算为含水率［2，3］。
2.2基于CAV424的电容电压转换电路设计及实验结果
从以上的分析，含水率在0～10%的范围内，取H＝160 mm，R＝6.5 mm，r＝4 mm，绝缘材料选用聚四氟乙稀(ε1＝2.0)、厚度δ＝200 μm，选用高线轧机润滑油作为传感器介质试验，在 纯润滑油时有ε2＝2.3，电容量约为C＝41.5 pF，在含水量为10%时 计算混合介电常数，ε2＝5.1，电容量约为C＝80.79 pF，然后经过C AV424将电容变化量ΔC(80.79－41.50＝39.29 pF)转换成电压信号经差动放大为0～1V的电压输出，其设计电路如图5。
由式(3)可知，ε2与原油含水率有关，因此根据测得的电容C即可换算为含水率［2，3］。
2.2基于CAV424的电容电压转换电路设计及实验结果
从以上的分析，含水率在0～10%的范围内，取H＝160 mm，R＝6.5 mm，r＝4 mm，绝缘材料选用聚四氟乙稀(ε1＝2.0)、厚度δ＝200 μm，选用高线轧机润滑油作为传感器介质试验，在 纯润滑油时有ε2＝2.3，电容量约为C＝41.5 pF，在含水量为10%时 计算混合介电常数，ε2＝5.1，电容量约为C＝80.79 pF，然后经过C AV424将电容变化量ΔC(80.79－41.50＝39.29 pF)转换成电压信号经差动放大为0～1V的电压输出，其设计电路如图5。
其中，RCX1和 RCX2是用作零点调整的，COSC是参考振荡器的电容，CX1是标准电容，CX2是被测电容。CL1和CL2决定低通滤波器1和低通滤波器2的角频率。ROSC用来设定参考振荡器的电流。RL1和RL2用来调整放大器的增益，由于CAV424是差动输出，经放大器INA101转化为单端电压输出。
在测量系统的后续电路中，将电容转换得到的电压信号经过A／D转换为数字信号送给单片机处理。该仪器先通过实验进行标定，测出含水率与输出电压的对应曲线，并将该曲线以1%含水率间隔逐点用表格形式存入E2ROM，实际测量时根据被测电压与表格中相应的数据比较，用线性插值法计算出含水率。实际上，水的介电常数ε是随温度变化的，为消除温度变化对测量结果的影响，该仪器用软件实现温度补偿。
在介质为高线轧机润滑油、水；温度为36℃；压力为0.02 MPa；流速为1.8 m／s的条件下 ，对仪器进行测试，其实验数据如表1所示。
在测量系统的后续电路中，将电容转换得到的电压信号经过A／D转换为数字信号送给单片机处理。该仪器先通过实验进行标定，测出含水率与输出电压的对应曲线，并将该曲线以1%含水率间隔逐点用表格形式存入E2ROM，实际测量时根据被测电压与表格中相应的数据比较，用线性插值法计算出含水率。实际上，水的介电常数ε是随温度变化的，为消除温度变化对测量结果的影响，该仪器用软件实现温度补偿。
在介质为高线轧机润滑油、水；温度为36℃；压力为0.02 MPa；流速为1.8 m／s的条件下 ，对仪器进行测试，其实验数据如表1所示。
3结论
当前，油品含水率在线检测大都使用电容或电导的方法，其测量方法基本 上都是测量电容传感器介质的阻抗特性来确定含水率，这种方法要求激励信号的频率往往要 达到10 MHz以上，因而电路复杂且成本较大，并受环境的影响难以实现高精度在线检测。该 仪器电路简单，体积大大缩小，测量精度高、重复性好、响应快，方便使用。
当前，油品含水率在线检测大都使用电容或电导的方法，其测量方法基本 上都是测量电容传感器介质的阻抗特性来确定含水率，这种方法要求激励信号的频率往往要 达到10 MHz以上，因而电路复杂且成本较大，并受环境的影响难以实现高精度在线检测。该 仪器电路简单，体积大大缩小，测量精度高、重复性好、响应快，方便使用。
参考文献
［1］王莉田.电荷转移式原油含水率传感器的研究［J］.传感器技术，1999( 2)：19－23.
［2］马世勇.射频电容式传感器的研究与应用［J］.传感器技术，2001(2)：43－45.
［3］黄正华.电容式传感器敏感探头［J］.仪表技术与传感器，1996(5)：15－17.
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