科技情报开发与经济ＳＣＩ－ＴＥＣＨＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ＆ＥＣＯＮＯＭＹ２００７年第１７卷第４期
在炼油、化工、化肥等行业的工业污水中的含油处理，通常是在水处理系统当中一级处理工艺过程中进行的。在这个过程中，处理污水中的油对大型的污水处理场，特别是设计能力大而实际发生的污水量少的处理场，所采用的处理设备基本上成熟。但对于设计能力低，而发生的污水量远远满足不了处理污水中含油处理的处理场，需要在部分生产装置中建立小型处理含油污水设施—— —隔油池，来缓解对污水处理场的压力，为此需要在隔油池使用处理含油污水的设备；再者，对于油田钻井或修井及联合站分离原油所产生的含油污水，通常不能就地排放，需要经过除油处理以后才能进入排水口或就地排放，以净化抽油工作环境，满足环境要求，为此也需要在现场使用处理含油污水的设备。
刮油机工作原理见图１。依靠一条或多条亲油疏水的集油托，在含油污水的液面上形成环行，通过机械传动，以一定的速度在油水液面上做连续不断的回转，把污油从污水中浮上来，经挤压棍把污油挤压到储油箱中回收。其中挤压棍既传动牵引又挤压，过渡轮、导向轮浮在水面上，随液位上下浮动。 炼油、化工、化肥等行业的含油污水通常是集中在固定的区域，如污水处理场、隔油池等。处理这类水中
污油的一般方法是：将刮油机安装在隔油池边，固定集油托的方位、走向，进行回收油工作。隔油池的结构见图２。来自于装置的含油污水经管道进入隔油池的缓冲区——
—Ｉ区，由自身的性质所决定进行油水分离工作。油浮到水面，被挡油墙隔在Ｉ区，由ＳＯ—２０００型刮油机将污油回收到储油箱当中，至于集油托在Ｉ区水面上如何布置，要视流经隔油池污水的容积大小来确定；水在下面绕过挡油墙到ＩＩ区，经排水管道流出，到其他处理系统或直接流入地下水管网。２刮油机主回路系统的设计
ＳＯ—２０００型刮油机的主电路见图３。其传动机构分为进油、出油和排水３个部分，它们分别由电动机Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３托动，电气装置中的限位开关都和机械装置有密切的联系。接触器Ｋ０１控制电动机Ｍ１的运行，接触器Ｋ０２控制电动机Ｍ２的运行，接触器Ｋ０３控制电动机Ｍ３的运行。
（１）进油过程。按下Ｓ０１，接触器Ｋ０１带电同时自锁，主回路中常开按钮Ｋ０１闭合，带动电动机Ｍ１运转。
（２）出油过程。按下Ｓ０３，接触器Ｋ０２带电同时自锁，主回路中常开按钮Ｋ０２闭合，带动电动机Ｍ２运转。
（３）排水过程。按下Ｓ０５，接触器Ｋ０３带电同时自锁，主回路中常开按钮Ｋ０３闭合，带动电动机Ｍ３运转。
为了起到保护作用，在主回路中加入了熔断器ＦＶ１，ＦＶ２，ＦＶ３，同时加入了热继电器ＦＲ１，ＦＲ２，ＦＲ３。
３控制回路系统的设计
控制回路梯形图见图４。按下启动按钮Ｓ０１时，油水混合液进入油箱，忽略油水分离时间，即当油水混合液进入油箱后，上层为油液，下层为水（假设油液到达Ｉ液面先于水到达ＩＩＩ液面）。当油液到达Ｉ液面时，Ｋ１得电即Ｋ１为高电平，接触器Ｋ０２得电，主回路中常闭开关Ｋ０２闭合，电动机Ｍ２运转将油排出油箱，此时水未到达ＩＩＩ液面，Ｋ３不得电即为低电平。当油液面下降到ＩＩ液面时，Ｋ２得电为高电平，Ｋ２常闭触点断开，电动机Ｍ２停止运转，即油液不再排出，同时Ｋ１失电为低电平，Ｋ１触点断开。与此同时，水到达ＩＩＩ液面，Ｋ３得电为高电平，接触器Ｋ０３得电，主回路中常闭开关Ｋ０３闭合，电动机Ｍ３运转将水排出油箱，当水下降到ＩＶ液面时，Ｋ４得电为高电平，Ｋ４常闭触点断开，电动机Ｍ３停止运转，即水不再排出油箱。与此同时，Ｋ２不得电为低电平，油液上升到了Ｉ液面，Ｋ１得电为高电平，主回路中Ｋ０２由于接触器Ｋ０２带电而闭合，电
文章编号：１００５－６０３３（２００７）０４－０１９０－０３收稿日期：２００６－１２－１６ＳＯ—２０００型刮油机油水分离系统的设计
姚方
（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，ＴｈｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｄｅｌａｉｄｅ，ＡＵＳＴＲＡＬＩＡ，５００５）
摘要：介绍了ＳＯ—２０００型刮油机油水分离系统以及测定油水液体的传感器设计，阐
述了ＳＯ—２０００型刮油机的工作原理、主要结构、应用场合、主要特点以及污水处理过
程中刮油机的使用和作用。
关键词：刮油机；油水分离；自动控制系统
中图分类号：Ｘ７０３．３文献标识码：Ａ
图１刮油机工作原理图２隔油池的结构图３ＳＯ—２０００
型刮油机的主电路图１９０
动机Ｍ２，Ｍ３运转，将油排出油箱，如此循环往复。在此过程中，接触器Ｋ０１始终带电，从而电动机Ｍ１一直运转，将油吸入油箱。当按下停止开关Ｓ０２时，接触器Ｋ０１失电，电动机Ｍ１停止运转。其中Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４由微电路中的中间继电器Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４控制，其电平变化见表１。
４微电路系统的设计
油水分离，关键要确定出油与水在油箱中的具体位置，而油与水的介电常数不同，所以考虑采用电容式传感器。
４．１电容式传感器
两平行极板组成的电容器如果不考虑非均匀电场引起的边缘效应，其电容量为Ｃ＝ｑ・ｓ／ｄ。 其中ｑ＝ｑ０・ｑｒ，ｑ０＝８．８５４×１０－１２Ｆ／Ｍ（真空的介电常数）；ｑｒ为介质相对真空的介电常数；ｓ为极板的覆盖面积；ｄ为极板间距离。
常见类型有：变间隙式（改变距离ｄ）、变面积式（改变面积ｓ）、变介电常数式（改变介电常数ｑ）。
４．２变介电常数式电容传感器
变介电常数的电容式传感器的原理见图５。厚度为ｄ２的介质（ｑ２为介电常数）在电容器中移动时，由于电容器中介质的介电常数（总值）改变，使电容量改变，用以测量位移，其中ｃ＝ｃａ＋ｃｂ，ｄ＝ｄ１＋ｄ２。无介质ｑ２时，有ｃ０＝!１ｂｌ／ｄ。
式中：ｑ１为空气的介电系数；ｂ为极板宽度；ｌ为极板长度；ｄ为极板间距。
当介质ｑ２移进电容器中ｘ长度时，有
ｃａ＝ｂｘ（ｄ１／!１＋ｄ２／!２）
ｃｂ＝ｂ（ｌ－ｘ）!１／ｄ
ｃ＝ｂｌ!１／ｄ＋ｂｘ〔（ｄ１／!１＋ｄ２／!２）－１－!１／ｄ〕
ｃ＝ｃ０＋ｃ０ｘｄ〔!２／（ｄ１!２＋ｄ２!１）－ｄ－１〕／ｌ
ｃ＝ｃ０＋ｃ０ｘ〔ｄ／（ｄ１＋!１ｄ２／!２）－１〕／ｌ
设Ａ＝〔ｄ／（ｄ１＋!１ｄ２／!２）－１〕／ｌ，则有ｃ＝ｃ０（１＋Ａｘ）。因Ａ是常数，电容量
Ｃ与位移ｘ呈线性关系。变介电常数式电容传感器中的极板间若存在导电物质，极板表面应涤绝缘层，防止极板间短路。可见极板间距越小，既有利于提高灵敏度，又可减小非线性误差，但间距过小易造成极板间介质击穿，并且增加了极板的加工与安装难度。
当被测液体的面在电容式传感元件的两同心圆柱形电极间变化时，引起极间不同介电常数介质的高度发生变化，因而导致电容变化，其输出电容与液面高度的关系为：
ｃ＝
２!!０（ｈ－ｘ）
ｌｎ（ｒ２／ｒ１）
＋
２!!１ｘ
ｌｎ（ｒ２／ｒ１）
＝
２!!０ｈ
ｌｎ（ｒ２／ｒ１）
＋
２!（!１－!０）ｘ
ｌｎ（ｒ２／ｒ１）
式中：!１为液体介质的介电常数（Ｆ／Ｍ）；!０为空气的介电常数；ｑ１为液体介质的介电常数（Ｆ／Ｍ）；ｑ０为空气的介电常数（Ｆ／Ｍ）；ｈ为电极的总体长度（ｍ）；ｒ１为内电极的外径（ｍ）；ｒ２为外电极的内径（ｍ）。
当某种介质在两固定极板间运动时，电容输出与介质参数之间的关系为：
ｃ＝
ｓ
（"－ｄ）／!０＋ｄ／（!ｒ!０）
＝!０
ｓ
"－ｄ＋ｄ／!ｒ
式中：ｄ为运动介质的厚度（ｍ）。
因为两同心圆柱形电极的电易于计算，所以最终选用图６所示的电容式液位传感器。传感器由一大一小两同心钢桶构成，两个钢桶之间由尼龙套圈用销固定在一起，该尼龙套圈是由厚度不同的圆环组成，其中空缺部分是为了让油水液体通过。
５结语
当前市场上的收油机种类出现了不少，如有ＺＨＧ—１５—４．５，ＺＨＧ—３６—１６型链条式刮油机、油水分离器、机电一体化刮油刮渣机、ＰＹ—６００型可调速撇油机、带式刮油机等，可谓五花八门。而ＳＯ系列刮油机以其良好的性能、高效率的回收赢得了市场。本设计主要针对ＳＯ—２０００型刮油机的油水分离系统，这也是刮油机的主要工作部分。其中变介电常数式电容传感器起到了精确测量液位的作用，是油水分离系统的核心部分。
参考文献
［１］南京工学院，西安交通大学．理论力学［Ｍ］．北京：人民教育出版社，１９８８．
［２］蔡春源．新编机械设计手册［Ｍ］．沈阳：辽宁科学技术出版社，１９９３．［３］鄂中凯，王金，田世新，等．机械设计课程设计［Ｍ］．沈阳：东北大学出版社，１９９４．
（责任编辑：白尚平）───────────────
第一作者简介：姚方，男，１９７９年９月生，２００６年毕业于澳大利亚阿得雷德大学电子工程系（硕士），澳大利亚阿得雷德大学工程系电子工程分院，澳大利亚南澳省阿得雷德市，５００５．
图４控制回路梯形图表１Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４
的电平变化
项目
Ｋ１
Ｋ２
Ｋ３
Ｋ４
Ⅰ液面
高
低
Ⅱ液面
低
高
Ⅲ液面
高
低
Ⅳ液面
低
高
图５变介电常数式电容传感器原理
图６电容式液位传感器
姚方ＳＯ—２０００型刮油机油水分离系统的设计本刊Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｊｂ＠ｍａｉｌ．ｓｘｉｎｆｏ．ｎｅｔ科技研讨
１９１
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科技情报开发与经济
ＳＣＩ－ＴＥＣＨＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ＆ＥＣＯＮＯＭＹ２００７年第１７卷第４期
ＤｅｓｉｇｎｏｆＳＯ－２０００ＯｉｌＳｃｒａｐｅｒ’ｓＯｉｌＷａｔｅｒＳｅｐａｒａｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍ
ＹＡＯＦａｎｇ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｏｉｌｓｃｒａｐｅｒ’ｓｏｉｌｗａｔｅｒｓｅｐａｒａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｅｎｓｏｒｕｓｅｄｔｏ
ｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌ，ａｎｄｅｘｐｏｕｎｄｓｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ，ｍａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｃｃａｓｉｏｎｓｏｆＳＯ－２０００ｏｉｌｓｃｒａｐｅｒａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｉｌｓｃｒａｐｅｒｉｎｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｅｗａｇｅ．Ｋ
ＥＹＷＯＲＤＳ：ｏｉｌｓｃｒａｐｅｒ；ｏｉｌｗａｔｅｒｓｅｐａｒａｔｉｎｇ；ａｕｔｏｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
在雷达、微波通信等微波技术应用中，多频率工作比较普遍，因此滤
波器使用较多。它能够使电路对信号频率具有选择性，起一种选频和分频的作用。从结构形式上看，滤波器有许多类型，其中同轴线、微带、波导等滤波器应用较多。
本文中将介绍螺旋滤波器的应用。螺旋滤波器是一种腔体结构，由多个腔体构成，每一个腔体就是一个由螺旋状的金属线和空腔组成的谐振器，各个空腔谐振器之间通过“窗口”进行信号的耦合，构成了特定频率的微波信号传输通道。因此，螺旋滤波器的每一个腔体就是一个谐振单元，它可看成由多个谐振单元组成的元件。微波在腔体内沿螺旋线的各圈以光速前进，而在轴线上的速度则降低了。在传输线中的波长正比于相速度，因此轴线方向的相速降低，等效于波长的缩短，故具有螺旋结构的滤波器的体积可以大为减小。
对于螺旋滤波器结构，由于腔内螺旋导线的存在，给出的边界条件较复杂，用电磁场与电磁波的方法对螺旋滤波器进行分析、设计比较困难。早期的镜像参量设计法、传输波设计法的缺点比较多，现在应用
现代网络综合理论成果进行设计，采用原型电路设计法，将滤波器中的一个谐振腔看成一个ＬＣ的集中参数单元，多个串联谐振腔的滤波器等效成集中参数电路，就可以对螺旋滤波器进行分析。
过去一般认为，螺旋滤波器螺旋导线的圈数Ｎ在３左右。在９００
ＭＨｚ螺旋滤波器的设计过程中，我们使用的螺旋导线的圈数Ｎ仅仅为２，突破了以前螺旋导线圈数的最低界限，并且该滤波器未使用介电材料，温度稳定性比较高。
２
理论分析
集中参数低通滤波器是设计微波滤波器的基础。根据滤波器技术指
标的要求，即频率响应衰减特性的形状，确定满足滤波器衰减特性的逼近函数形式和相应的节数，从而设计出ＬＣ低通滤波器原型电路；再通过频率变量的替换，就可将低通滤波器的原型电路变换成高通滤波器、带通滤波器或带阻滤波器等。通过微波结构来实现滤波器电路的ＬＣ，最终实现滤波器的功能。本文中主要研究带通滤波器。
在微波电路中一般以电感输入型原型电路，即Ｌ，Ｃ串、并联连接成
的梯形电路为主。低通原型滤波器的梯形电路见图１。它可以表示为巴特沃士、切比雪夫和高斯多项式的电路结构。
巴特沃士即最平坦响应，是滤波器常见的频率衰减特性。在谐振单元的数目相同情况下，通带内有较小的衰减且最平坦的优点。最平坦低通原型滤波器３ｄＢ带宽时，其元件归一化值可通过下式进行计算：
ｇ０＝ｇｎ＋１＝１（１）ｇｋ＝２ｓｉｎ
（２ｋ－１）!
２ｎ
"#（ｋ＝１，２，３，…，ｎ）
（２）
低通原型滤波器转换为带通滤波器，可采用频率变换的方法。低通原型滤波器特性曲线的形状与半个带通滤波器的特性曲线的形状相似，虽然两者之间是不同的，却有一定的联系。在低通原型滤波器中，衰减频率特性是频率的偶函数，且关于纵轴对称，这一点与带通滤波器的衰减频率特性相类似，即在频率轴上将低通原型滤波器的频率特性向右搬移
!０，就得到中心频率为!０的带通滤波器。设低通原型滤波器的频率为!′
，其截止频率为!１′，而相应的带通滤波器的频率为!，其上、下截止频率分别为!１和!２，则由低通到带通的变换公式是：
!′＝
!１′ｗ!!０－
!０
!
$%
（３）
式中：ｗ＝
!２－!１
!０
为带通滤波器的相对带宽；!０＝!１!２&为中心频率。低通原型滤波器的元件化值乘以!′，便可得到变换后带通滤波器的电感和电容值。在上述变换过程中，低通原型滤波器中的电感变成了带通滤波器的Ｌ，Ｃ串联电抗，而电容变成了并联电抗，见图２。令带通滤波器!１和!２时的归一化电抗（或电纳）与低通原型滤波器!１′时的归一化电抗（或电纳）相同，便可得到变换后带通滤波器的电感和电容值。带通滤波器电路中，Ｌ１Ｃ１单元与Ｌ２Ｃ２单元之间、Ｌ２Ｃ２单元与Ｌ３Ｃ３单元之间均有能量的交换，设它们的耦合系数分别为ｋ１２，ｋ２３。
由图２可知，变换后的带通滤波器的滤波元件并不是一个单个的电
文章编号：１００５－６０３３（２００７）０４－０１９２－０３
收稿日期：２００６－１２－２１
基于通信频段的螺旋滤波器的研究
王抗美，吕
黎，金易勤
（南京信息职业技术学院，江苏南京，２１００１３）
摘
要：介绍了滤波器的基本原理，叙述了螺旋滤波器的结构以及基于通信频段的螺
旋滤波器设计方法，并通过实验验证了该设计方法。关键词：螺旋滤波器；通信频段；设计方法中图分类号：ＴＮ７１３
文献标识码：Ａ
图１
低通原型滤波器的梯形电路
１９２
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