基于CAV424的油品含水率在线测量仪的研制

　　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。

　　CAV424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。

　　1　CAV424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。

　　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=1·6CX1。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VCLMP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:VLPOUT=VDIFF,0+VM

　　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]。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: