2022年汪洋开题报告 .pdf

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1、沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）开题报告毕业设计题目：原油介电常数测量系统设计学院：信息科学与工程学院专业班级：测控技术与仪器0601 班学生姓名：汪洋指导教师：杨理践2010 年 03 月 26 日名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 13 页 -2 目录1、课题研究的目的和意义,3 2、课题研究的主要任务和预期目标,3 2.1 主要任务及要求,4 2.2 预期目标,4 3、设计方案,4 3.1设计思想,4 3.2 方案论证,9 3.3 设计中要解决的主要问题和措施,9 4、课题进度安排,9 5、参考文献,10 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2

2、页，共 13 页 -3 原油介电常数测量系统设计一、课题研究的目的和意义在工业生产过程中，为了有效指导生产操作和控制生产过程，经常需要检测生产过程中的各种流动介质的流量，以便为管理和控制提供依据。随着全球经济的迅猛发展，对能源的需求不断膨胀，尤其是对石油的需求更是与日俱增。因此对石油生产和输送进行精确的计量，对石油销售进行准确的经济核算显得尤为重要。然而，对于石油这种复杂介质的流体，应用传统，常规的测量方法很难进行测量，或者达不到测量精度的要求，因此，石油的流量测量已经成为当前的热点研究课题。原油作为最重要的能源，其作用是其它物质在短期内无法取代的。从油井开采出的原油，是油、水、天然气等多相介

3、质组成的混合物。处理这种混合物首先要进行气液分离，剩下的油水混合液体经脱水处理后得到含水率很低的成品油进行外输或销售。在原油脱水处理等一系列生产活动中，需要及时准确地掌握原油含水率情况，以便控制生产过程，保证生产出合格的成品原油。因此，原油含水率是石化行业石油采集、冶炼及运输过程中一个重要参数。因此，对原油进行含水率的准确检测在原油生产、贸易中有着重要作用12。油田开发处于高含水期时,准确、可靠地测量油井两相流的含水率具有重要意义。油水混合物中,不同含水率引起的介电常数差异很大,根据这一理论,文章设计了过流式的电容传感器,采用高精度的电容数字转换芯AD7746,解决了从电容到数字直接转换的复杂

4、且困难的信号处理难题。实验结果表明,该系统性能好、成本低,具有较好的应用价值。二、课题研究的主要任务和预期目标名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 13 页 -4 2.1 主要任务及要求介电常数是测量油气水含量的一个重要指标。在原有低含水期，测量多相流的电容值的变化可以反映出各项分率的变化。本课题要求设计一台显示的电容测试仪，利用电容极片传感器测得的模拟量经过芯片AD7746采集后，转换成数字量通过单片机AT89C52 进行实时数据处理，测得多相的电容。并将测得数据用数码管显示出来，在此基础上进行电路设计。AD公司的 CDC芯片 AD7746为电容检测专用芯片，具有分辨

5、率高，线性度好，内部自带温度补偿模块等特点，对于电容的测量有很大的帮助3。2.2 预期目标（1）完成硬件电路原理图设计；（2）完成 PCB版图设计，并按条件制作PCB板；（3）相关程序设计及调试；（4）进行实验，调试出预期的结果。三、设计方案3.1设计思想（1）方案一相对介电常数r 是描写电介质性质的重要物理量,它在材料制造及工程领域中有广泛的应用.物质状态可分为气态、液态和固态3 种,其相对介质电常数的测量方法多种多样,本实验拟讨论介于液态与固态之间的黏稠态介质的相对介电常数的测量.该装置具有较高的精度4。考虑到黏稠介质具有不易流动又不易成形的特点,测量用电容器采用厚度为0.15 mm 的金

6、属片作极板,其半径为 50 mm。将多组金属片固定在2 个绝缘带丝螺杆上,形成等间距的平行板电容器,其间距为 4 mm。隔片相连相当于多个电容器并联(如图 1 所示),这样可增大电容值,提高测量精度56。测量容器名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 13 页 -5 为采用绝缘材料制成的半径与电容器金属片半径相同的半圆槽,如图 2 所示.测量电路采用麦克斯韦-维恩交流电桥 ,如图 3 所示。充有介质的电容可等效为电容和漏阻的并联电路。用Cx 表示总等效电容,Rx 为等效电阻,L 为标准电感,R1,R2,R3 为可调无感电阻,则电桥平衡方程为R=Rx R0/（Rx+R0）R

7、2+jwL=（R+jwCx）R1 R3令实部和虚部分别相等,则Rx=R1 R3/R3 Cx=L/R1 R3 实验所用器件为:R1=1 k ,R2=200 (可调),R3 1 k(可调),L=300 mH,f=1000 Hz,R 0=10 k.本实验所采用的电容器可看成平行板电容器,其空气电容为C0=0 S/d其中,S 为极板面积;d 为极板间隙。当电容器充满了均匀电介质后,考虑到极板为固定装置,即S,d 不变,则其电容值为Cx=r 0 S/d r=Cx/C0通过交流电桥可以测量空气电容C0 和间隙充满均匀电介质时的电容Cx,从而可以推算出相对介电常数 r7。图 3 测量电路名师资料总结-精品资

8、料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 13 页 -6（2）方案二把 PC机测量和显示电容的方式改成现场控制和携带方便的数码管显示。显然除了显示部分的更改要求外，还需把进行数据处理、数据通信和时序控制等计算机处理部分的功能改换成单片机处理的形式8。图 2-1 基于 AD7746 实现微小电容测量系统框图其工作原理是：采用单端浮地测量方式，即被测电容两极板分别接到AD7746的电容输入“CIN”和激励“EXC”。通过计算机对单片机的编程，设置AD7746 测量通道寄存器的工作模式为单端测量(或差分测量)；设置测量模式寄存器为连续模式；设置片载可编程电容寄存器的值，扩展被测电容的测量范围为。同时

9、计算机编程实现单片机与AD7746的模拟 I2C 通信，编程实现读取测量电容的二进制数据码与实际电容值之间的D/A 转换运算，编程实现单片机对测量电容的显示控制。由于存在外部寄生电容，被测电容在0pF 时的电容值并不为0，即存在本底电容，而且本底电容会随环境的变化而变，不容易得到定值。这样，在图2-8 中，AD7746测得的电容值C测量包含了待测电容C待测和附加电容C附加。即 C待测=C测量-C附加910。方案二的主程序流程图如下：I2C 并口串口显示电路PC 机AD7746 C测量单片机名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 13 页 -7 图 2-2 基于 AD774

10、6 实现微小电容测量主程序流程图库的调用和参数的预定义：实现 51 库函数、自定义模块库函数（模拟 I2C通信模块；输入配置模块数据读取与运算模块）的调用。完成2 线总线 SDL、SCL的说明，内部基准电容Cref、24Bit 数据的表达、数码管各段及小数点的定义、量程CAPDAC、输入模式等变量的预定义在该部分完成。初始化：完成程序的上电初始化。包括：设置外部中断0 的工作方式；全部 I/O 端口置高电平。重置 AD7746：通过向 I2C总线写 0 xBF 复位命令来重置AD7746。包括：调库和预定义初始化重置 AD7746 模式选择Input Mode 单端小量程单端大量程差分小量程差

11、分大量程1/0 开始单端差分Y N N Y 选择小量程选择大量程名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 13 页 -8 I2C开始函数的调用，I2C AD7746 地址（0 x90）的写入，I2C AD7746 复位命令的写入，及停止函数的调用。同时包括AD7746重置时间的设定，及转换时间函数的调用等。模式选择：通过读取按键K2 和 K1的值，即 P2.1 和 P2.0 端口的值，来设置 AD7746的相应的工作模式。端口值为3（即 k2、k1 的开关设置为“11”），电容的单端小量程测量；端口值为2（“10”），电容的单端大量程测量；端口值为 1（“01”），电容的差

12、分小量程测量；端口值为0（“00”），电容的差分大量程测量。测量显示：将采集的数据通过运算，把结果显示在数码管上。系统此后将保持当前设置的模式进行测量，直到复位按键按下或者重新上电。系统在显示过程中，当AD7746传来有新数据待读取时，在数码管完成一次完整的显示后，才会读取AD7746内部数据寄存器的值。此后，AD7746的数据寄存器才能被新数据更新，否则新的采样数据将被抛弃。软件程序程序设计和硬件是相互配合的，主要是以外部中断来实现单片机和AD7746之间的信号控制，然后再利用模拟的I2C总线交换数据。考虑到测试电容的值一般情况下不会发生突变，所以，为了显示的完整与清楚，程序在读取AD774

13、6端的测试结果时，在两次读取动作之间，会有若干次的转换结果被舍弃。该附加电容可以通过AD7746内部可编程补偿电容进行对测量电容产生误差的消除。寄生电容可以通过在极板连接处断开待测电容进行测量所得，也可采用比较电容法进行更精确地测量23。但为了保证系统可靠运行和高精度测量，还需要解决好外围电路的抗干扰和屏蔽等问题1112。（3）方案三购买精密仪器配合改良的硬件来测量微小电容，现在市场上常见的测量电容的仪器有TH2615B TH2615C TH2615E。改良的硬件也很简单13。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 13 页 -9 3.2 方案论证方案一最适合应用于测量粘

14、稠电解质的电容，该装置有较高的精度，但原油是混合物，其中的成分不单一，测量的误差很大。方案三有很高的精度，且操作很简单，携带方便。但测量微小电容的测仪市场价格很贵，大约都在3000 元以上，导致此设计的成本太高。不经济。方案二应用单片机技术，设计成本可以很好的控制，通过编程，对测量精度也有很好的把握和控制。综上所述，方案二是本次设计所选的方案141516。3.3 设计中要解决的主要问题和措施AD7746 是一个具有高分辨率和-的电容数字转换器（CDC）。AD7746被测电容可直接连在器件的输入端，其高分辨率具有无失真码24bit、最高有效位 21bit，高线性度为 0.01%，高精确度为4fF

15、（出厂校准）。AD7746电容值的输入范围对于满刻度的可变电容，其范围为4pF；对于固定的共摸输入其容值最大可到17pF。电容输入范围可由一个片载可编程数字电容转换器（CAPDAC）来编程配置1718。采用 Protel99软件的 PCB设计功能，设计出它的印制电路板图。本设计由于图形不太复杂，采用双面设计的方式,同时设计过程中采用自动和手动布线的方法，其设计的印制电路板见。印制板设计、检查与修改完成之后拿到印制电路板加工单位进行外协加工。对于加工好的印制板，用万用表按照原理图检查板上线路的通断情况，完好之后，用准备好的焊接工具，把购买好的器件按原理图装配到电路板上。装配时注意对于标准的IC

16、器件尽量采用插座焊接的形式。在焊接的过程中要注意元器件正负位置的摆放，注意避免有虚焊、漏焊、短路的现象。一切完成之后等待软件编程调试，这样就实现了整个系统的硬件设计19。四、课题进度安排名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 13 页 -10 1，第一周至第三周：熟悉课题、查阅资料；并找到要翻译的外文文献-一个简单的接口电路来测量微小电容传感器的变化。2，第四周完成3000 汉字以上的外文翻译，分析、论证、完善系统设计方案，并撰写开题报告（3000 汉字以上，图表公式除外）。3，第五周分析完善系统设计方案，对核心器件AD7746 进行选型；进行电路设计与计算。4，第六周至

17、第八周进行电路设计与计算，运用protel99se应用软件设计电路原理图，同时进行程序设计及调试。5，第九周至第十一周运用protel99se完善电路原理图；设计PCB板图。6，第十二周至第十四周搭建实验平台，进行硬件电路调试或进行软件仿真。7，第十五周至十六周整理毕业设计资料，撰写论文。8，第十七周至第十八周完善、修改论文，答辩。五、参考文献：（要求参考文献不少于15 篇，外文资料不少于4 篇）【1】董明磊，赵春宇，陈大跃.数字式微电容测量系统及其应用.电子测量技术.第 30 卷第 10 期 2007 年 10 月【2】范森，微小电容测量，安徽冶金科技职业学院学报，第19 卷第 2 期200

18、9 年 4 月【3】孙向东,贾树朋 ,王季方.一种用单片机测量电容的新方法.郑州轻工业学院学报.1997.3第 12 卷第 1 期【4】张超,裘祖荣,樊玉铭,郭丽峰,张嘉亮.薄膜相对介电常数测量仪器的设计与研究.仪表技术与传感器2008 No15【5】许福永,赵克玉.混合物料介电常数测量的研究.兰州大学学报(自然科学名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 13 页 -11 版).1998,34(2):41 47【6】张晓飞.基于介电常数测量的油液监测技术研究.国防科学技术大学研究生院.2008.11【7】V.S.G a n g nu s，ERROR IN MEASURE

19、MENTS OF PERMITTIVITY WHEN TWO-DISTANC;E METHOD IS USED，UDC 621.315.335【8】M.S.Roitman and V.K.Zhukov，MEASUREMENT OF SMALL CAPACITANCE AND INDUCTANCE INCREMENTS BY THE PERIODIC COMPARISONS METHOD，UDC 621.317.334/5【9】曹学军,黄卡玛,凌小平.高灵敏度喀液介电常数侧量探头.电子测量技术 2003?年第三期，1516【10】梁胜,黄钊洪,李欣慧.基于 AD7746 的无接触电容式角度传感器

20、的设计.传感器与微系统2007 年第 26 卷第 12 期，9496【11】陈立,陈仁文.AD7746 在微机械电容式传感器测量电路中的应用.南京航空航天大学【12】龙 海南,张莉.AD7746 型 高精度 电容数字 转换器国外电子元器件.2006 年第 8 期 2006 年 8 月 70 71【13】A.S.Arnoux,L.Preziosi-Belloy2,G.Esteban3,P.Teissier1&C.Ghommi，Lactic acid bacteria biomass monitoring in highly conductive media by permittivity mea

21、surements，Biotechnology Letters(2005)27:1551 1557 _ Springer 2005 DOI 10.1007/s10529-005-1781-2【14】陈蕊.基于动态扫频介电常数的测量研究.西安电子科技大学.20090101【15】郭强,谢康,姜海明,王浩.电容数字转换器AD7746的工作原理和应用元器件与应用【16】E.B.Zaltsman，PERMITTIVITY MEASUREMENT ERROR DUE TO A RESIDUAL GAP，UDC 621.317.735.088 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共

22、 13 页 -12【17】郭彦蕊,黄运生,陈学.AD7746 在油井含水率检测电路中的应用.仪表技术.2009 年第 2 期，1418【18】S.I.Pozdnyak,G.N.Anikeenko,and V.G.Radzevudze，MEASUREMENT OF THE PERMITTIVITY OF STATISTICALLY ROUGH SURFACES，UDC 621.317.335【19】崔夏荣.用单片机制作电容测量仪.物理实验.第 20 卷第 11 期2224 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 13 页 -13 指导教师评语：指导教师签字：年月日名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 13 页 -