胡慧敏，高 倩，張平川

(1.河南財經(jīng)政法大學計算機與信息工程學院，河南鄭州 450002；2.漯河市無線智能控制工程技術研究中心，河南漯河 462002;3.漯河職業(yè)技術學院電氣電子工程系，河南漯河 462002；4.河南科技學院信息工程學院，河南新鄉(xiāng) 453003)

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基于ARM的高精度動力油品含水率檢測系統(tǒng)

胡慧敏1，高 倩2，3，張平川2，4

(1.河南財經(jīng)政法大學計算機與信息工程學院，河南鄭州 450002；2.漯河市無線智能控制工程技術研究中心，河南漯河 462002;3.漯河職業(yè)技術學院電氣電子工程系，河南漯河 462002；4.河南科技學院信息工程學院，河南新鄉(xiāng) 453003)

動力油品含水率影響各類設備中液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)的可靠性和安全性，高端設備要求含水率指標為0.01級。文中采用S3C2410 ARM9作為控制核心，以WinCE作為操作系統(tǒng)，設計了電容傳感器檢測含有水分的油品，實現(xiàn)含水率與電容值變化的轉換，并通過AD7745將電容量數(shù)字化獲得含水率數(shù)據(jù)。經(jīng)過對潤滑油和輕質(zhì)成品油的檢測實驗，結果表明：在-5～+60 ℃溫度條件下和0%～0.35%含水率范圍內(nèi)，含水率檢測精度達到了0.01，且具有重復性好、可靠性高等優(yōu)點。可應用在各類對油品含水率要求嚴格的工業(yè)、商業(yè)等領域，以保證動力系統(tǒng)的可靠性和安全性。

動力油品；電容傳感器；安全性；可靠性；AD7745；ARM

0 引言

油品中的水分對各類動力系統(tǒng)液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)可靠性和安全性等有著重要影響[1-2]。目前，國內(nèi)對0.01級油品含水率檢測裝置主要是進口國外產(chǎn)品。用于油品含水率檢測的方法主要有：短波吸收法、射頻法。短波法在工況條件下存在較大的測量誤差。射頻法在工況條件下高頻電路隨著工作時間的延長而產(chǎn)生顯著漂移，難以保證0.01級精度的檢測?？紤]到水和油介電常數(shù)相差較大，且油品含水量是影響油品介電常數(shù)的主要因素，其微小變化就可引起油品介電常數(shù)的較大變化，當建立與介電常數(shù)變化相對應的電容值變化的數(shù)學模型后，通過測量電容值就可得到含水率[3-4]。因此，本文擬采用電容傳感器作為敏感元件，結合ARM微處理器的優(yōu)良性能，研究0.01級精度的油品含水率檢測方法和儀器，以滿足高精度油品含水率檢測的需求。

1 電容傳感器設計

電容傳感器是檢測儀的關鍵部件，為了簡化制造工藝和安裝方便，采用同軸圓筒形電容結構，電容傳感器探頭采用1Crl8Ni9Ti材料制備，電容的外電極板上按一定規(guī)律開出圓孔，能夠起到自均流作用。內(nèi)電極涂敷聚四氟乙烯絕緣層，表面光滑，以消除水分的導電效應，也可增強探頭的機械強度，增大抗壓能力，使得輸出信號基本穩(wěn)定[5-8]。電容傳感器結構如圖1所示。

根據(jù)含水油品的特點，檢測用電容傳感器的電容量Cp可等效為傳感器絕緣層和油水混合乳液電容的串聯(lián)值。Cp的表達式為

(1)

由于δ取值較小(約幾十μm)，遠小于r和R(約幾十mm)，又已知Cp相對純油時的電容增量ΔC為

(2)

式中：εH，ε0，ε分別表示純油、純水和混合乳液的介電常數(shù)；W表示油中含水率。

取L=100 mm，R=40 mm，r=20 mm，純油的情況下,Cp≈16.82 pF，如果W為0%～3%，代入式(2)，可得到ΔC≈1.44 pF。

圖1 電容傳感器結構示意圖

圖1中，設同軸圓筒形電容傳感器探頭內(nèi)電極半徑為r，外電極半徑為R，內(nèi)電極絕緣層厚度為δ，絕緣材料介電常數(shù)為ε1，電極長度為L，油水混合乳液的介電常數(shù)為ε2。

2 系統(tǒng)方案設計

含水率檢測儀系統(tǒng)方案如圖2所示，其主要由傳感器和測控2部分組成[9-13]。

圖2 檢測裝置組成原理圖

圖2中，電容傳感器將油水乳液的介電常數(shù)轉換為電容量，實現(xiàn)油中含水率的在線實時測量，溫度傳感器實現(xiàn)油水乳液實時溫度的測量，電容和溫度信息輸入到測量裝置，并由測控裝置完成數(shù)據(jù)采集與處理、溫度補償處理，結果顯示以及遠程信息輸出等功能。

系統(tǒng)工作時，ARM處理器通過I2C接口電容信號轉換器以及溫度單總線轉換器相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；以太網(wǎng)接口為主機調(diào)試接口，通過其下載執(zhí)行代碼；RS232串口實現(xiàn)與其他擴展智能串口設備連接；顯示屏主要完成界面顯示功能；矩陣鍵盤為輸入設備，主要實現(xiàn)參數(shù)的輸入和控制等功能。

本系統(tǒng)采用專用集成電路AD7745實現(xiàn)電容傳感器的信號轉換[14-15]。AD7745是24位Σ-Δ電容數(shù)字轉換器(CDC)，可直接連接電容傳感器實現(xiàn)測量。其特點是：高分辨率 (最低4 AF)、高線性度(±0.01%)和高精度(±4 pF工廠校準)等；具有一個雙線式與I2C兼容的串行接口；可采用2.7～5.25 V寬范圍單電源供電，額定工作溫度范圍為-40～+125 ℃。

考慮到溫度對油品介電常數(shù)的影響，設計了溫度補償措施。溫度補償電路中，選用抗干擾能力強的數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)。

嵌入式工控主板選用具有“ARM9+WinCE”架構的S3C2410來實現(xiàn)，已內(nèi)置了WinCE嵌入式操作系統(tǒng)。S3C2410芯片集成了大量的功能單元，主要有內(nèi)核ARM920T CPU核支持ARM調(diào)試的體系結構； 內(nèi)置外部存儲器控制器(SDRAM控制和芯片選擇邏輯)；內(nèi)部先進的位控制器總線(AMBA)(AMBA2.0，AHB/APB)；4個PWM定時器和一個內(nèi)部定時器；看門狗定時器；內(nèi)部1.8 V，存儲器3.3 V，外部I/O 3.3 V，16 KB數(shù)據(jù)Cache，16 KB指令Cache，MMU；SD主接口版本1.0和多媒體卡協(xié)議版本2.11兼容；2個USB HOST，1個USB DEVICE(VER1.1)；芯片內(nèi)置PLL；16/32位RISC體系結構，使用ARM920T CPU核的強大指令集;指令緩存(Cache)、數(shù)據(jù)緩存、寫緩存和物理地址TAG RAM，減小了對主存儲器帶寬和性能的影響；56個中斷源;117個通用I/O；24個外部中斷;LCD控制器，一個LCD專業(yè)DMA；4個帶外部請求線的DMA；電源控制模式：標準、慢速、休眠、掉電、8通道10位ADC和觸摸屏接口，帶日歷功能的實時時鐘，3個通用異步串行端口(IrDA1.0，16-Byte Tx FIFO and 16-Byte Rx FIFO)，2通道SPI，1個多主I2C總線，1個I2S總線控制器，帶MMU的先進的體系結構支持WinCE等操作系統(tǒng)。

顯示屏選用帶觸摸屏的TFT LCD，型號為LB-M1500，主要參數(shù)有：屏幕比例4∶3；亮度450 cd/m2，對比度為700∶1，響應時間為6 ms;分辨率為1 024×768。實時顯示含水率、溫度等數(shù)據(jù)信息。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)為WinCE 5.0，開發(fā)環(huán)境為Embedded VC++ 4.0。Windows CE操作系統(tǒng)是Windows中專門設計給掌上電腦(HPCs)以及嵌入式設備開發(fā)的系統(tǒng)環(huán)境。這樣的操作系統(tǒng)可使完整的可移動技術與現(xiàn)有的Windows桌面技術整合工作。Windows CE是所有源代碼全部由微軟自行開發(fā)的嵌入式新型操作系統(tǒng)，是基于WIN32 API重新開發(fā)、新型的信息終端設備的平臺，具有結構化、模塊化和基于Win32應用程序接口和與硬件(處理器)無關等特點，不僅繼承了傳統(tǒng)的Windows圖形化界面，并且能在Windows CE平臺上可以使用如Visual Basic、Visual C++等編程工具、使用同樣的函數(shù)、使用同樣的界面風格，使絕大多數(shù)的應用軟件只需簡單的修改和移植就能夠在Windows CE平臺上繼續(xù)使用。

系統(tǒng)中的功能程序模塊結構如圖3所示。采用多線程結構，利用多個線程完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲等任務。

系統(tǒng)充分利用Windows CE操作系統(tǒng)的多線程的特點將不同的任務分布到各個線程中，使各個任務同步而協(xié)調(diào)地進行。主線程負責人機接口，其中包括數(shù)據(jù)的LCD實時顯示、串口數(shù)據(jù)的定時發(fā)送、觸摸屏輸入響應以及看門狗WDT的響應等。為了保證數(shù)據(jù)的采集不被其他線程中斷，設置了一個優(yōu)先級較高的線程管理數(shù)據(jù)采集，保證了各個任務線程(人機接口線程、數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)處理線程)協(xié)調(diào)地完成各自的工作。

圖3 應用軟件功能模塊

4 系統(tǒng)實驗

為了檢驗檢測儀的性能，分別采用5W-40/SM潤滑油進行了檢測實驗，在-5～+60 ℃的情況下，測得的與不同含水率相對應的電容值變化和介電常數(shù)的變化關系如圖4所示。

圖4 潤滑油電容及介電常數(shù)與含水率變化關系

從圖4可以看出，兩類油品中含水率的增加時，油品的介電常數(shù)變化顯著，使得檢測得到的電容值與之相應變化，在0.01精度要求范圍內(nèi)，電容值與含水率之間呈線性關系。

5 結論

采用ARM微處理器實現(xiàn)的含水率檢測儀，經(jīng)過對潤滑油進行檢測實驗，表明了含水率與油品介電常數(shù)關系及以及建立的電容數(shù)學模型的正確性，在0.01級檢測精度要求范圍內(nèi)呈線性關系，使檢測儀精度達到了0.01級，可以滿足重要動力設備對檢測油品含水率精度的需要，保障系統(tǒng)的可靠性和安全性，也可應用在其他各類對油品含水率有嚴格要求的領域。具有測量精度高、重復性好、可靠性高等特點，為實現(xiàn)0.01級精度油品含水率檢測儀國產(chǎn)化提供了技術支持。

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High Precision Fuel Oil Water Content Detection System Based on ARM

HU Hui-min1,GAO Qian2，3,ZHANG Ping-chuan2,4

(1.College of Computer& Information Engineering,Henan University of Economic and Law,Zhengzhou 450002,China; 2.Luohe Engineering Research Centre of Wireless Smart Control,Luohe 462002,China; 3.Luohe Vocational Technology College,Luohe 462002,China;4.Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China)

The equipment reliability and security of hydraulic system,fuel system,lubricating oil system in submarines and aircrafts are greatly influenced by the water content of oil,so the water content of oil index is often required to be less than 0.01%.The S3C2410 ARM9 was used as the controller and WinCE as an operating system to design a capacitance sensor for collecting the dielectric constant changing of the oil-water mixture,and the AD7745 was used for the digital conversion of capacitance.It can be concluded from the experiments of detecting lubricating oil and light oil products that under the condition of -5 ～ + 60 ℃ and 0%～ 0.35% water content,both accuracy reach 0.01 level and have good repeatability and high reliability,etc.It can be used in the fields strict for oil water content such as military ships,electric power and aerospace to ensure the reliability and safety of equipment.

water content of oil; capacitance sensor model; submarines and aerospace; reliability; dielectric constant; ARM

河南省教育廳自然科學科技攻關項目(14B120009)

2014-04-14 收修改稿日期：2014-11-01

E919 TP212.1

A

1002-1841(2015)04-0058-03

胡慧敏(1980—)，副教授，博士，主要從事嵌入式系統(tǒng)和計算機科學與技術方面的教學科研工作。 E-mail:huhuimin@126.com

張平川(1968—)，副教授，博士。研究方向：嵌入式系統(tǒng)、信號處理、射頻技術。E-mail:362764053@qq.com