采用虚拟仪器技术的油品含水量检测系统

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摘要：在油品含水量智能检测系统中，基于水的介电常数远远大于油的介电常数，因而两者所呈现的射频阻抗特性不相同的原理，使用了射频电容传感器。提出了用虚拟仪器技术实现油品含水量检测系统的方案，并从系统的组成、软硬件实现等方面详细讨论了如何开发工具LabVIEW构造和实现这一仪器。

    关键词：水分测量 射频传感器 信息融合 虚拟仪器技术

虚拟仪器技术就是将计算机应用于测试仪器之中，利用良好的虚拟仪器软件平台，充分发挥计算机强大的数据处理功能和丰富的图形显示功能，在屏幕上虚拟出与传统仪器相似的显示面板，用户通过键盘和鼠标操纵面板上的虚拟开关、旋钮、按键等，去控制仪器的运行、了解仪器的状态、读取并打印测试结果等。虚拟仪器的主要特点体现在软件就是仪器的思想，它以特定的软件支持取代相应的电子线路，充分利用计算机软硬件资源，用计算机完成传统仪器硬件的部分以至全部功能。它是传统仪器功能和外形的模块化和软件化。

虚拟仪器系统的概念是测控系统的抽象。不管是传统的还是虚拟的仪器，它们的功能都是相同的：采集数据并进行分析处理，然后显示处理的结果。它们之间的不同主要体现在灵活性方面。虚拟仪器由用户自己定义功能，这意味着您可以自由地组合计算机平台、硬件、软件以及完成应用系统所需要的各种功能。另外，虚拟仪器开发周期短、成本低、维护方便，易于应用新理论和新技术实现仪器的换代升级，而这种灵活性在由供应商定义、功能固定、独立的传统仪器上是达不到的。

目前普遍采用的油品水分检测方法有：蒸馏法、气相色谱法、电容法和微波法等。然而，这些方法有的测定工序复杂、费时；有的存在不精确、费用高和不适用于实时测量等众多缺陷。为了克服这些缺陷，采用射频电容法测量油品的含水量，获得了满意的结果。
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1 系统的测量原理

在油品含水量检测系统中，采用射频电容法测量油品的含水量。其测量原理如下：测量时，将电容传感器置于含水油品中。当电容传感器的结构和外形尺寸一定时，电容传感器的电容量取决于介质的介电常数。以重油为例，重油的介电常数约为2.2，而水的介电常数是80，两者相差很大，因此所呈现的射频阻抗特性不相同，从而可以达到对油品含水量检测的目的。

2 系统组成

由射频电容传感器组成油品含水量检测系统的框图如图1所示。测量时将传感器探头插入样品油中，同时检测水分电压值Um和温度电压值Ut，javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>两路电压信号经滤波电路和高精度仪用放大器AD620放大处理后，送入PCI-6024E数据采集板进行A/D转换，再由计算机进行数据处理、显示和打印等。

从图1可以看出，利用反映含水量的测量信号电压Um即可推算出油品的含水量M。但是M与Um之间的关系是非线性的，更重要的是介质温度的变化将影响介质的介电常数的射频信号源的频率、幅值，因此射频电容传感器存在对温度的交叉灵敏度。为了提高被测目标参量的测量精度，减少相互交叉灵敏度，对水分、温度两个参量同时进行监测，然后进行信息融合处理。

2.1 硬件电路

硬件电路包括四个部分：传感器探头、信号调理电路、A/D转换电路和PC机的接口电路。

2.1.1 传感器探头及测量电路

传感器探头如图2所示。探头终端中间为发射极，外导体上沿轴向为4根接收电极，发射极与接收极构成测量电路；射频电路和转换电路在探头内，加上屏蔽铜套，以减少外界电磁干扰；在探头内还装有一热敏电阻，用来测量介质温度，以便对介质的温度误差进行补偿。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

温度对介质的状态有明显的影响，可用查表法和插值运算、信息融合等方法进行温度补偿校正。

传感器测量电路的等效原理如图3所示。图中，R0为射频信号源等效输出阻抗，Cx为传感器测量电容器等效电容，Rs为传感器电容的漏电阻。当测量电容器的介质不一样时，Cs的大小就随之变化，所呈现的阻抗也就不一样。

为了减少射频信号对其它电路的干扰和信号传输线路分布电容的影响，将射频信号源与传感器做成一体，R0应满足：

R0'Cxm<T

式中，T为射频信号源的周期，Cxm为传感器测量电容器等效电路为量大时的电容量，R0'为R0与Rx从电容器两端看过去的等效电阻。

2.1.2 信号调理电路

从传感器探头出来的信号有两路，即水分电压和温度电压，预处理电路对这两路电压进行处理，使传感器信号经预处理成为A/D变换所需要的电压模拟信号。

图4 温度测量放大电路

    测量放大电路由温度测量放大电路和水分测量放大电路组成。

图4为温度测量放大电路，图中IC3为标准电源LM336-2.5V，供给测温桥路2.5V电源。R2（热敏电阻）、R3、R4构成桥路。桥路的输出送给AD620放大，W2用来调整IC4的放大电路。

图5为水分测量放大电路，图中W3用来调整IC5的偏置电压，W4用来调整IC5的放大倍数。IC4、IC5的输出送A/D采样卡进行A/D转换，然后再送计算机。

2.1.3 A/D转换及计算机接口电路

信号的A/D转换与计算机的接口两部分电路使用了National Instrument公司生产的一种E系列插卡式数据采集卡PCI-6024E。该卡是一种中档价位、完全无开关式、无跳线式多功能数据采集卡，且LabVIEW软件具有专门的函数库可对该卡进行驱动，其硬件设置完全由软件实现，无需用户对硬件连接做任何改动。
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