基于電磁諧振技術(shù)的微水測定新方法研究
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基于電磁諧振技術(shù)的微水測定新方法研究
以電容作為敏感元件，利用電磁諧振技術(shù)研究一種新型石油產(chǎn)品水分測定方法，該方法可實(shí)現(xiàn)水分的在線測量，測量精度高(≤2×10-6)，測量量程寬(5×10-6～1000×10-6)，操作簡單，不需任何試劑。
關(guān)鍵詞：電磁諧振；微水；電容
Study on New Measure Method of Mini?amount Water Based on Electromagnetism Oscillation Technique
TANG Dedong, WANG Liguang
(Logistic Engineer Institute, Chongqing 400016, China)
Key words: electromagnetism oscillation; mini?amount water; ele ctric capacity
1測定原理及其實(shí)現(xiàn)
1.1測定原理
在線微水測定方法以電容作為敏感元件，利用油的介電常數(shù)和水的介電常數(shù)不同，當(dāng)水的含量變化時(shí)，油和水混和物的介電常數(shù)發(fā)生變化，則相應(yīng)的電容發(fā)生變化，將電容接入電磁諧振工作電路，則可檢測出電容的變化量，即求出水的含量。
1.1測定原理
在線微水測定方法以電容作為敏感元件，利用油的介電常數(shù)和水的介電常數(shù)不同，當(dāng)水的含量變化時(shí)，油和水混和物的介電常數(shù)發(fā)生變化，則相應(yīng)的電容發(fā)生變化，將電容接入電磁諧振工作電路，則可檢測出電容的變化量，即求出水的含量。
其中D，d：兩個(gè)極柱的直徑；ε：電介質(zhì)的介電常數(shù)；L：電容的有效長度。
對于一個(gè)確定的電容，設(shè)
則(1)式可寫成
干物質(zhì)吸水后的介電常數(shù)的變化用下式表示：
?其中εm：濕物質(zhì)的介電常數(shù)；ε1：水的介電常數(shù)；ε2：干物質(zhì)的介電常數(shù)；S1：濕物質(zhì)中水含量的體積填充系數(shù)；S2：濕物質(zhì)中干物質(zhì)含量的體積填充系數(shù)，顯然S2=1-S1。
根據(jù)(2)、(3)式得：
因?yàn)镵、ε1、ε2是常數(shù)，所以電容的變化與水含量的變化成正比，只要求出電容變化量就可以知道水含量S1。
1.2測試系統(tǒng)的硬件組成
通過傳感器把石油產(chǎn)品中的微量水含量變?yōu)殡娦盘?，?jīng)過信號調(diào)理和電路變換，送入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行綜合處理后，再通過D/A和F/I轉(zhuǎn)換為4～20mA等標(biāo)準(zhǔn)直流電信號輸出，該系統(tǒng)具有自校驗(yàn)、自診斷等智能功能，具有很好的現(xiàn)場實(shí)用性。
1.3實(shí)現(xiàn)
變送器為全封閉鎧裝結(jié)構(gòu)，具有很好的屏蔽性。將變送器安裝在儲油箱的頂部、底部或側(cè)面，采用RS-485串行接口與上位機(jī)(二次儀表)連接實(shí)現(xiàn)在線測量。為了提高傳感器的靈敏度，減少外界溫度和電磁干擾，傳輸信號的電纜采用雙層屏蔽同軸電纜，線纜的外屏蔽層接地。
2.1溫度
石油產(chǎn)品的介電常數(shù)隨溫度變化而變化，因此，含水量不變，而電容值本身要隨溫度變化而變化，以變壓器油為例，如圖3所示，輸出頻率(電容)隨溫度的降低而變大，從圖可知，溫度變化31.4℃，頻率變化近700個(gè)字。為了補(bǔ)償溫度對測量結(jié)果的影響，在傳感器的內(nèi)極板上安裝了Pt50溫度傳感器測量油中的溫度，建立溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫或溫度補(bǔ)償曲線來消除溫度誤差的影響。
2.2石油產(chǎn)品中的添加劑對測量結(jié)果的影響
實(shí)驗(yàn)表明，不同類型的石油產(chǎn)品，由于其添加劑的種類和含量的不同，對測量結(jié)果影響很大，但同一類型的石油產(chǎn)品，對測量結(jié)果影響較小。因此，對不同類型的石油產(chǎn)品水分測定時(shí)，必須分別對傳感器進(jìn)行標(biāo)定來消除添加劑對測量結(jié)果的影響。
2.3石油產(chǎn)品中是否含有氣泡
空氣的介電常數(shù)與油和水的介電常數(shù)相差很大，如油中有氣相成分(氣泡)將對測量結(jié)果影響 很大，這種現(xiàn)象在循環(huán)油路中是常見的，如對飛機(jī)進(jìn)行的加油系統(tǒng)，由于流速的不穩(wěn)定，在產(chǎn)生紊流的同時(shí)有可能產(chǎn)生氣泡。因此如用本方法進(jìn)行在線測量水分時(shí)，必須進(jìn)行消氣處理，即在測量的上端安裝消氣器對油中的氣泡進(jìn)行排除。
石油產(chǎn)品的介電常數(shù)隨溫度變化而變化，因此，含水量不變，而電容值本身要隨溫度變化而變化，以變壓器油為例，如圖3所示，輸出頻率(電容)隨溫度的降低而變大，從圖可知，溫度變化31.4℃，頻率變化近700個(gè)字。為了補(bǔ)償溫度對測量結(jié)果的影響，在傳感器的內(nèi)極板上安裝了Pt50溫度傳感器測量油中的溫度，建立溫度補(bǔ)償數(shù)據(jù)庫或溫度補(bǔ)償曲線來消除溫度誤差的影響。
2.2石油產(chǎn)品中的添加劑對測量結(jié)果的影響
實(shí)驗(yàn)表明，不同類型的石油產(chǎn)品，由于其添加劑的種類和含量的不同，對測量結(jié)果影響很大，但同一類型的石油產(chǎn)品，對測量結(jié)果影響較小。因此，對不同類型的石油產(chǎn)品水分測定時(shí)，必須分別對傳感器進(jìn)行標(biāo)定來消除添加劑對測量結(jié)果的影響。
2.3石油產(chǎn)品中是否含有氣泡
空氣的介電常數(shù)與油和水的介電常數(shù)相差很大，如油中有氣相成分(氣泡)將對測量結(jié)果影響 很大，這種現(xiàn)象在循環(huán)油路中是常見的，如對飛機(jī)進(jìn)行的加油系統(tǒng)，由于流速的不穩(wěn)定，在產(chǎn)生紊流的同時(shí)有可能產(chǎn)生氣泡。因此如用本方法進(jìn)行在線測量水分時(shí)，必須進(jìn)行消氣處理，即在測量的上端安裝消氣器對油中的氣泡進(jìn)行排除。
我們對3種不同的石油產(chǎn)品(變壓器油、航空煤油、航空潤滑油)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室模擬在線測量，變送器與二次顯示儀表(上位機(jī))的距離為1km，并把測量結(jié)果與國標(biāo)法即卡爾·費(fèi)休試劑法(儀器為WS-5 Model MiniAmount Water Detective Instrument)進(jìn)行比對，具體結(jié)果見表1。
該試驗(yàn)方法以電容作為敏感元件，利用電磁諧振技術(shù)實(shí)現(xiàn)微水測量，具有操作簡單，測量精 度高(≤2×10-6)(常規(guī)方法測量精度≤3×10-6)，測量量程寬(可以實(shí)現(xiàn)5×10 -6～1000×10-6)，適應(yīng)環(huán)境溫度強(qiáng)(-30℃～80℃)等優(yōu)點(diǎn)，可用于變壓器油的微水在線測量和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)“按質(zhì)換油”；也可用于飛機(jī)加油管線在線監(jiān)控航煤水分變化，實(shí)現(xiàn)有針對性的脫水處理，將節(jié)省大量的人力和物力，這樣既保證了運(yùn)行的安全，又提高了經(jīng)濟(jì)效益。
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