一種激光檢測水油分離裝置

鄭麗彬　樓然苗　馮相忠

摘要：文章主要介紹一種應用于石油分離領域的檢測裝置。石油從地面上抽取上來之后，靜置一段時間后，水和石油因為比重不同會產生分層現象。當完成分層后， 打開該檢測裝置，同時打開石油靜置裝置的下側閥門。由于激光不能穿透石油，當激光接收探頭接收不到激光信號時，說明水已經流完了，這時單片機就會做出反應，啟動聲光報警，提醒工人關閉閥門了。該裝置設計簡單，成本低廉，具有巨大的推廣前景。

關鍵詞：激光檢測；石油分離；單片機

中圖分類號：TE93 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0137-03

1 前言

激光于1960年面世，是一種因刺激產生輻射而強化的光，其頻率范圍極窄，具有單色波長、同調性、平行光束三大特性[1]。它以其優異的方向性、単色性、相干性及其能量高度集中等特點，廣泛應用于各個領域[2]。

在農業上，激光技術已成功應用于農作物組分檢測、長勢檢測、病蟲害檢測、農藥殘留檢測、田間雜草識別及輔助精細農業操作等方面[2]。其中，在農作物的檢測上主要有激光漫反射技術、激光誘導光譜技術以及激光拉曼光譜。

在軍事上，激光測距儀是最普遍的一種測距方式，主要應用于海上軍事系統中。而激光在軍事上應用最成熟的是激光制導武器，如激光制導導彈、激光制導炸彈、激光制導魚雷等。

在工業上，由于激光的空間控制性和時間控制性很好，對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度都很大，與計算機數控技術相結合，可構成高效自動化加工設備。激光技術在汽車制造中主要用來切割，也可以對汽車的曲軸、凸輪軸、閥座等零件的直線度、長度、垂直度、密度等進行測量。它還可以檢測汽車零件的密封性能[3]。在石油工業領域，激光用來檢測輸油管道的泄漏問題。通過對激光的發射角度以及發射距離的測量，對比分析含油土壤和無油土壤中漫反射光的功率值大小[4]，來分析輸油管道的泄漏情況。

激光檢測技術作為一種非接觸式測量方式，具有測量范圍大、精度高、檢測時間短、有較高的分辨率等優點，具有很好的應用前景[5，6]。基于此技術，設計一種應用于水油分離領域的檢測裝置，實現關于水油是否完全分離的檢測，具有良好的推廣前景。

2 系統總體設計

為了實現系統的檢測功能，本系統的設計思路如下：首先將激光調制成一定頻率的信號，從激光發射器的發射端發送出去，當激光接收探頭接收到信號時，拉高輸出引腳電平。單片機不斷檢測接收頭的輸出引腳電平，當檢測到電平跳變時，開始啟動聲光報警裝置，提醒工人關閉閥門。本文提出的激光檢測裝置整體設計框圖如圖1所示。

3 硬件設計

3.1 激光發射與接收模塊

調制發射管的作用是通過電路調制激光的發射頻率（調制頻率為180khz—250khz），這樣做的目的是為了達到接收解調管的最佳接收頻率，從而避開普通光照所造成的影響，使得接收距離達到最遠，接收靈敏度達到最佳。調制接收管常態為低電平，當受到光照射時輸出為高電平。它可以接收特定頻率的光照，抗干擾能力強，能有效過濾普光影響。按下電路開關，三極管導通，調制好的激光通過激光發射管發射出去。當激光接收管接收到激光信號時，輸出為高電平，LED小燈熄燈，表示接收到信號。激光模塊電路圖如圖2。

3.2 控制及聲光報警模塊

該裝置的控制芯片選用STC15W402AS.它具有512字節片內數據RAM數據存儲器，1個時鐘/機器周期，增強型8051內核，速度比傳統的8051快7-12倍。STC15W402AS是一款不需要外部復位和外部晶振的單片機，利用CCP/PCA高脈沖輸出功能可實現3路9-16位PWM（每通道占用系統時間小于0.6%）和利用定時器T0的時鐘輸出功能可實現高精度的8-16位PWM（占用系統時間小于0.4%）。它具有在系統可防真、可編程，寬電壓、高速、高可靠、低功耗、超強抗干擾等特點。該芯片功能強大，但價格低廉，十分適合應用于該裝置中。聲光報警模塊中三個8050三極管分別構成三個開關電路，電磁式5V有源蜂鳴器的最小升壓≥85db/10cm，諧振頻率為2500+--300HZ。模塊工作過程為：當單片機檢測到激光接收器輸出引腳為高電平時，開始啟動聲光報警模塊。單片機與報警模塊連接的相應管腳輸出高電平，使三極管導通，LED燈點亮，蜂鳴器發生報警聲，引工人注意，及時關閉閥門。具體電路圖如圖3。

3.3 供電模塊

升壓芯片是RT9296，它是一款Boost架構升壓轉換器，采用恒定頻率的PWM控制器和同步整流器以獲得效率的最大化，可用于以單節，兩節電池為電源的電路中。通過改變外部電路中分壓電阻的參數，可以改變輸出電壓，也可以提供恒定的電壓。該裝置提供一節電池作為供電電源，利用RT9296，使其輸出電壓達到+5v，也可提供其他模塊使用。LTC4054是一個完善的單片鋰離子電池恒流/恒壓線性電源管理芯片，且適用于USB供電，還具有電池反接保護芯片的功能。裝置內采用LTC4054，用來給電池充電，減少了電池的浪費。具體電路如圖4。

4 軟件設計

本系統中軟件部分采用經典的高級計算C語言進行編程。該程序語言適用性強，可在各類計算機上應用，而且一個語句相當于多條計算機指令，且容易理解，人機交互性好，具有很強的移植性[7]。本系統的軟件部分包括主程序、初始子程序、激光測距程序、聲光報警程序。主程序開始執行時，首先對各器件進行初始化操作，接著對管腳進行外部中斷設置。檢測到電平跳變時，進入中斷服務程序。中斷服務程序中單片機將與LED燈，蜂鳴器相連的控制引腳置1，點亮小燈，蜂鳴器報警，中斷程序結束。

5 結語

本文利用激光不能穿透石油這一特點，介紹了一種用于檢測石油和水是否完全分離的裝置，并且對系統各個部分的硬件電路的設計和芯片的選型以及軟件設計的思路做了詳細的說明。本文所采用的模塊安全高效、價格經濟實惠，希望能為石油分離裝置的設計提供有益參考。

參考文獻

[1]李志國，馬孝亮，劉新.非接觸式激光檢測技術及應用[J].檢測檢驗，2017，（9）：34-35.

[2]高映宏，左穎.激光在現代農業及生物科學中的應用[J].天津農學院學報，2002，9（1）：55-59.

[3]郎旭元，張元鐘.激光技術在汽車工業中的應用[J].機械工程師，2006，（6）：21-22.

[4]吳國忠，李宏佳，齊晗兵，李棟.土壤表面油類污染物激光檢測實驗[J].當代化工，2017，46：（9）.

[5]張迅，陳偉斌，張萍.遠紅外技術的發展近況[J].紅外技術，2003，25（5）：1-6.

[6]劉尊洋，卞進田，邵立.中紅外激光技術研究進展[J].激光與紅外，2013，43（8）：853-858.

[7]譚浩強.C程序設計（第三版）[M].北京：清華大學出版社，2005：1-3.