基于ARM的高精度动力油品含水率检测系统

胡慧敏，高 倩，张平川

(1.河南财经政法大学计算机与信息工程学院，河南郑州 450002；2.漯河市无线智能控制工程技术研究中心，河南漯河 462002;3.漯河职业技术学院电气电子工程系，河南漯河 462002；4.河南科技学院信息工程学院，河南新乡 453003)



基于ARM的高精度动力油品含水率检测系统

胡慧敏1，高 倩2，3，张平川2，4

(1.河南财经政法大学计算机与信息工程学院，河南郑州 450002；2.漯河市无线智能控制工程技术研究中心，河南漯河 462002;3.漯河职业技术学院电气电子工程系，河南漯河 462002；4.河南科技学院信息工程学院，河南新乡 453003)

动力油品含水率影响各类设备中液压系统、燃油系统、滑油系统的可靠性和安全性，高端设备要求含水率指标为0.01级。文中采用S3C2410 ARM9作为控制核心，以WinCE作为操作系统，设计了电容传感器检测含有水分的油品，实现含水率与电容值变化的转换，并通过AD7745将电容量数字化获得含水率数据。经过对润滑油和轻质成品油的检测实验，结果表明：在-5～+60 ℃温度条件下和0%～0.35%含水率范围内，含水率检测精度达到了0.01，且具有重复性好、可靠性高等优点。可应用在各类对油品含水率要求严格的工业、商业等领域，以保证动力系统的可靠性和安全性。

动力油品；电容传感器；安全性；可靠性；AD7745；ARM

0 引言

油品中的水分对各类动力系统液压系统、燃油系统、滑油系统可靠性和安全性等有着重要影响[1-2]。目前，国内对0.01级油品含水率检测装置主要是进口国外产品。用于油品含水率检测的方法主要有：短波吸收法、射频法。短波法在工况条件下存在较大的测量误差。射频法在工况条件下高频电路随着工作时间的延长而产生显著漂移，难以保证0.01级精度的检测。考虑到水和油介电常数相差较大，且油品含水量是影响油品介电常数的主要因素，其微小变化就可引起油品介电常数的较大变化，当建立与介电常数变化相对应的电容值变化的数学模型后，通过测量电容值就可得到含水率[3-4]。因此，本文拟采用电容传感器作为敏感元件，结合ARM微处理器的优良性能，研究0.01级精度的油品含水率检测方法和仪器，以满足高精度油品含水率检测的需求。

1 电容传感器设计

电容传感器是检测仪的关键部件，为了简化制造工艺和安装方便，采用同轴圆筒形电容结构，电容传感器探头采用1Crl8Ni9Ti材料制备，电容的外电极板上按一定规律开出圆孔，能够起到自均流作用。内电极涂敷聚四氟乙烯绝缘层，表面光滑，以消除水分的导电效应，也可增强探头的机械强度，增大抗压能力，使得输出信号基本稳定[5-8]。电容传感器结构如图1所示。

根据含水油品的特点，检测用电容传感器的电容量Cp可等效为传感器绝缘层和油水混合乳液电容的串联值。Cp的表达式为

(1)

由于δ取值较小(约几十μm)，远小于r和R(约几十mm)，又已知Cp相对纯油时的电容增量ΔC为

(2)

式中：εH，ε0，ε分别表示纯油、纯水和混合乳液的介电常数；W表示油中含水率。

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

图1 电容传感器结构示意图

图1中，设同轴圆筒形电容传感器探头内电极半径为r，外电极半径为R，内电极绝缘层厚度为δ，绝缘材料介电常数为ε1，电极长度为L，油水混合乳液的介电常数为ε2。

2 系统方案设计

含水率检测仪系统方案如图2所示，其主要由传感器和测控2部分组成[9-13]。

图2 检测装置组成原理图

图2中，电容传感器将油水乳液的介电常数转换为电容量，实现油中含水率的在线实时测量，温度传感器实现油水乳液实时温度的测量，电容和温度信息输入到测量装置，并由测控装置完成数据采集与处理、温度补偿处理，结果显示以及远程信息输出等功能。

系统工作时，ARM处理器通过I2C接口电容信号转换器以及温度单总线转换器相连，实现数据采集；以太网接口为主机调试接口，通过其下载执行代码；RS232串口实现与其他扩展智能串口设备连接；显示屏主要完成界面显示功能；矩阵键盘为输入设备，主要实现参数的输入和控制等功能。

本系统采用专用集成电路AD7745实现电容传感器的信号转换[14-15]。AD7745是24位Σ-Δ电容数字转换器(CDC)，可直接连接电容传感器实现测量。其特点是：高分辨率 (最低4 AF)、高线性度(±0.01%)和高精度(±4 pF工厂校准)等；具有一个双线式与I2C兼容的串行接口；可采用2.7～5.25 V宽范围单电源供电，额定工作温度范围为-40～+125 ℃。

考虑到温度对油品介电常数的影响，设计了温度补偿措施。温度补偿电路中，选用抗干扰能力强的数字温度传感器DS18B20采集温度数据。

嵌入式工控主板选用具有“ARM9+WinCE”架构的S3C2410来实现，已内置了WinCE嵌入式操作系统。S3C2410芯片集成了大量的功能单元，主要有内核ARM920T CPU核支持ARM调试的体系结构； 内置外部存储器控制器(SDRAM控制和芯片选择逻辑)；内部先进的位控制器总线(AMBA)(AMBA2.0，AHB/APB)；4个PWM定时器和一个内部定时器；看门狗定时器；内部1.8 V，存储器3.3 V，外部I/O 3.3 V，16 KB数据Cache，16 KB指令Cache，MMU；SD主接口版本1.0和多媒体卡协议版本2.11兼容；2个USB HOST，1个USB DEVICE(VER1.1)；芯片内置PLL；16/32位RISC体系结构，使用ARM920T CPU核的强大指令集;指令缓存(Cache)、数据缓存、写缓存和物理地址TAG RAM，减小了对主存储器带宽和性能的影响；56个中断源;117个通用I/O；24个外部中断;LCD控制器，一个LCD专业DMA；4个带外部请求线的DMA；电源控制模式：标准、慢速、休眠、掉电、8通道10位ADC和触摸屏接口，带日历功能的实时时钟，3个通用异步串行端口(IrDA1.0，16-Byte Tx FIFO and 16-Byte Rx FIFO)，2通道SPI，1个多主I2C总线，1个I2S总线控制器，带MMU的先进的体系结构支持WinCE等操作系统。

显示屏选用带触摸屏的TFT LCD，型号为LB-M1500，主要参数有：屏幕比例4∶3；亮度450 cd/m2，对比度为700∶1，响应时间为6 ms;分辨率为1 024×768。实时显示含水率、温度等数据信息。

3 系统软件设计

本系统的嵌入式操作系统为WinCE 5.0，开发环境为Embedded VC++ 4.0。Windows CE操作系统是Windows中专门设计给掌上电脑(HPCs)以及嵌入式设备开发的系统环境。这样的操作系统可使完整的可移动技术与现有的Windows桌面技术整合工作。Windows CE是所有源代码全部由微软自行开发的嵌入式新型操作系统，是基于WIN32 API重新开发、新型的信息终端设备的平台，具有结构化、模块化和基于Win32应用程序接口和与硬件(处理器)无关等特点，不仅继承了传统的Windows图形化界面，并且能在Windows CE平台上可以使用如Visual Basic、Visual C++等编程工具、使用同样的函数、使用同样的界面风格，使绝大多数的应用软件只需简单的修改和移植就能够在Windows CE平台上继续使用。

系统中的功能程序模块结构如图3所示。采用多线程结构，利用多个线程完成数据采集、数据处理、数据显示和数据存储等任务。

系统充分利用Windows CE操作系统的多线程的特点将不同的任务分布到各个线程中，使各个任务同步而协调地进行。主线程负责人机接口，其中包括数据的LCD实时显示、串口数据的定时发送、触摸屏输入响应以及看门狗WDT的响应等。为了保证数据的采集不被其他线程中断，设置了一个优先级较高的线程管理数据采集，保证了各个任务线程(人机接口线程、数据采集线程、数据处理线程)协调地完成各自的工作。

图3 应用软件功能模块

4 系统实验

为了检验检测仪的性能，分别采用5W-40/SM润滑油进行了检测实验，在-5～+60 ℃的情况下，测得的与不同含水率相对应的电容值变化和介电常数的变化关系如图4所示。

图4 润滑油电容及介电常数与含水率变化关系

从图4可以看出，两类油品中含水率的增加时，油品的介电常数变化显著，使得检测得到的电容值与之相应变化，在0.01精度要求范围内，电容值与含水率之间呈线性关系。

5 结论

采用ARM微处理器实现的含水率检测仪，经过对润滑油进行检测实验，表明了含水率与油品介电常数关系及以及建立的电容数学模型的正确性，在0.01级检测精度要求范围内呈线性关系，使检测仪精度达到了0.01级，可以满足重要动力设备对检测油品含水率精度的需要，保障系统的可靠性和安全性，也可应用在其他各类对油品含水率有严格要求的领域。具有测量精度高、重复性好、可靠性高等特点，为实现0.01级精度油品含水率检测仪国产化提供了技术支持。

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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

河南省教育厅自然科学科技攻关项目(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，主要从事嵌入式系统和计算机科学与技术方面的教学科研工作。 E-mail:huhuimin@126.com

张平川(1968—)，副教授，博士。研究方向：嵌入式系统、信号处理、射频技术。E-mail:362764053@qq.com