于 洋，孫 香

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

0 引言

原油含水率在油田開采及提煉加工過(guò)程中是一個(gè)至關(guān)重要的性能指標(biāo)[1]。因此對(duì)原油含水率實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量有著非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和意義。所以研究測(cè)量范圍寬、精度高的油品含水率檢測(cè)儀表具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

由于微波的穿透能力很強(qiáng)，它所檢測(cè)的不僅僅是物質(zhì)表層的水分，還可檢測(cè)物質(zhì)內(nèi)部的水分含量，而且具有測(cè)量時(shí)間短、效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)[2]。因此，采用微波透射法對(duì)原油含水率進(jìn)行測(cè)量，為達(dá)到自動(dòng)定標(biāo)的功能，在實(shí)驗(yàn)中，將整個(gè)系統(tǒng)分為參考通道和測(cè)量通道，定量純油時(shí)含水率為0，通過(guò)單片機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)兩通道的平衡和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定標(biāo)功能，可實(shí)現(xiàn)寬范圍、高精度的原油含水率的測(cè)量。

1 微波透射法測(cè)量基本原理

1.1 復(fù)合介電常數(shù)

微波是一種特殊頻率波段的電磁波，微波的傳輸依靠的是交變電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)的相互感應(yīng)而傳播的[3]。微波通過(guò)電介質(zhì)時(shí)，電介質(zhì)被極化，造成微波能量的衰減，故可以測(cè)量微波通過(guò)待測(cè)物質(zhì)前后的衰減變化值來(lái)間接測(cè)量物質(zhì)的一些特性。

水具有很強(qiáng)的極化特性[4]，水分子在外電場(chǎng)的作用下，會(huì)被極化成偶極子，并沿電場(chǎng)方向取向，外電場(chǎng)改變，則偶極子重新排列，并吸收電能以克服內(nèi)力，此時(shí)電場(chǎng)能量被消耗。微波是頻率極高的電磁波，在微波作用下，水偶極子頻繁換向則會(huì)消耗大量的電能[5]。含水物質(zhì)這種極化損耗的特性，可以通過(guò)其復(fù)合介電常數(shù)來(lái)表征，所以測(cè)得含水混合物的復(fù)合介電常數(shù)，便能間接測(cè)得該物質(zhì)中含水量的多少。物質(zhì)的復(fù)合介電常數(shù)[6]可以表示為

式中:ε′代表介質(zhì)的儲(chǔ)能特性，反映了在電場(chǎng)中被極化的能力;ε″是由弛豫損耗造成的，常以熱量的形式散發(fā)。

介電常數(shù)中ε′和ε″的大小與電場(chǎng)的頻率有關(guān)。例如，在頻率為10 GHz時(shí)，水 ε′=64，一般材料 ε′＜10;水的損耗因子 ε″=40，而一般材料ε″＜1。這個(gè)顯著差別表示:當(dāng)微波通過(guò)含水物質(zhì)時(shí)，由水分引起的微波能量的損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他物質(zhì)引起的損耗，物質(zhì)中的含水量將顯著的影響其介電常數(shù)[7]。

1.2 功率衰減

基于油和水之間介電常數(shù)ε的明顯差異，常溫下(20℃)水的介電常數(shù)大約為80，而原油的介電常數(shù)大概只有2.5，水的介電常數(shù)比原油大很多，油水混合物的介電常數(shù)主要由水決定，所以經(jīng)過(guò)油水混合物后的微波能量衰減主要由水分引起，因此測(cè)量通過(guò)待測(cè)樣品后微波能量的衰減值即可以計(jì)算得出混合物質(zhì)的含水率，這是微波透射衰減法測(cè)原油含水率的原理。

微波通過(guò)含水物質(zhì)時(shí)，其振幅、相位和傳播速度會(huì)發(fā)生變化，變化的大小主要取決于物質(zhì)的介電常數(shù)。因此測(cè)量通過(guò)物質(zhì)時(shí)，微波的功率衰減、相位變化、諧振頻率等與介電常數(shù)相關(guān)的物理量，就可間接測(cè)量計(jì)算出物質(zhì)的含水率，微波在有損耗介質(zhì)內(nèi)功率衰減的公式為[8]

式中:P0為未衰減前的功率;P1為經(jīng)過(guò)含水物質(zhì)后所得到的功率;α為衰減常數(shù);l為裝含水物質(zhì)容器的厚度;損耗角正切tanδ表示介質(zhì)損耗大小的一個(gè)常數(shù)，無(wú)損耗時(shí)tanδ等于0。

由于在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量微波的功率比較困難，根據(jù)功率與電壓的公式:

因此實(shí)驗(yàn)操作中，主要是依據(jù)微波電壓幅值的變化情況，來(lái)計(jì)算物質(zhì)的含水率。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖及工作原理

根據(jù)微波測(cè)水的基本原理，設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定標(biāo)功能的智能原油含水率的測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由微波信號(hào)源、數(shù)控衰減器、環(huán)行器、PIN調(diào)制開關(guān)、傳感器、檢波器和選頻放大器及信號(hào)處理單元組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)框圖

微波信號(hào)源輸出等幅微波信號(hào)，經(jīng)環(huán)行器進(jìn)入PIN調(diào)制開關(guān)，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)信號(hào)由PIN調(diào)制開關(guān)經(jīng)1 kHz方波調(diào)制后，經(jīng)過(guò)傳感器、待測(cè)物，由檢波器、選頻放大器解調(diào)出1 kHz的方波調(diào)制信號(hào)，測(cè)得信號(hào)幅值U1;PIN調(diào)制開關(guān)斷開時(shí)，微波信號(hào)經(jīng)PIN調(diào)制開關(guān)調(diào)制后全反射返回至環(huán)行器，再經(jīng)環(huán)行器送至參考通道，信號(hào)經(jīng)數(shù)控衰減器、檢波器、選頻放大器測(cè)得參考通道微波信號(hào)幅值U2.通過(guò)兩路信號(hào)幅值的差值即可間接計(jì)算得出原油含水率的大小，其中調(diào)制信號(hào)的頻率由PIN調(diào)制開關(guān)的控制導(dǎo)通時(shí)間而決定。

設(shè)計(jì)中通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)操作，得出油水混合物在微波頻率為9.4 GHz左右時(shí)，對(duì)微波信號(hào)的吸收最大，也就是微波的衰減最大。所以在實(shí)驗(yàn)中所用的微波頻率為9.4 GHz.在系統(tǒng)中利用環(huán)形器和PIN調(diào)制開關(guān)的組合，在未使用魔T和功分器的情況下，將整個(gè)系統(tǒng)分為測(cè)量通道和參考通道;且保證了實(shí)驗(yàn)中所需的較大功率。這一組合不僅實(shí)現(xiàn)了分離出兩路微波信號(hào)的功能，還大大簡(jiǎn)化了微波信號(hào)源，降低了成本且使測(cè)量的精度有很大的提高。圖2為微波信號(hào)經(jīng)PIN調(diào)制開關(guān)后，由檢波器檢波出的信號(hào);圖3為調(diào)制開關(guān)與環(huán)形器組合所分離出的2路微波信號(hào)。

2.2 信號(hào)處理單元

信號(hào)處理單元主要是對(duì)微波電路所輸出的2路信號(hào)進(jìn)行處理，得到所要計(jì)算的信息量。其主要包括整流濾波、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、LCD顯示，其信號(hào)處理模塊如圖4所示。

圖4 信號(hào)處理模塊

經(jīng)過(guò)待測(cè)物后的微波信號(hào)由檢波器輸出，送至選頻放大器，將帶有微波信息的1 kHz的信號(hào)進(jìn)行放大并送至整流濾波電路，經(jīng)A/D將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，由單片機(jī)進(jìn)行處理，并顯示原油含水率。

2.3 自動(dòng)定標(biāo)

在整個(gè)系統(tǒng)中，實(shí)驗(yàn)前首先必須進(jìn)行測(cè)量通道和參考通道的平衡調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)過(guò)程:將純油樣品(即含水率為0%)放入待測(cè)容器中，由于環(huán)形器的方向性，使得經(jīng)過(guò)調(diào)制開關(guān)后反射進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ赖奈⒉ㄐ盘?hào)很小，因此需要使測(cè)量通道和參考通道達(dá)到初始平衡;考慮到當(dāng)原油含水率較高時(shí)，測(cè)量通道微波信號(hào)衰減較大，為方便以后數(shù)據(jù)處理的進(jìn)行，只能將參考通道信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)數(shù)控衰減器達(dá)到兩路信號(hào)的平衡，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定標(biāo)的功能。自動(dòng)定標(biāo)克服了信號(hào)源的不穩(wěn)定性及空間干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)了原油含水率的精確測(cè)量。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量

實(shí)驗(yàn)在常溫常壓下進(jìn)行，用機(jī)油代替原油，測(cè)量范圍是0～40%含水率。

(1)在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作前，首先要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)調(diào)節(jié)，保證測(cè)量通道和參考通道在測(cè)量前的平衡。

(2)將幾組體積分?jǐn)?shù)已知的機(jī)油和水混合物分別放入待測(cè)容器，在測(cè)量通道測(cè)得衰減后的輸出電壓值U1，同時(shí)參考通道輸出參考電壓U2.

(3)利用MATLAB軟件將輸出電壓值和含水體積百分比用數(shù)值方法進(jìn)行曲線擬合，能得到一個(gè)電壓值與含水百分比的關(guān)系式(測(cè)量關(guān)系式)。

(4)對(duì)未知體積百分比的油水混合物進(jìn)行測(cè)量，得到測(cè)量電壓值。

(5)計(jì)算測(cè)量絕對(duì)誤差，分析系統(tǒng)測(cè)量精度及其他特性。

表1是所配的樣品及系統(tǒng)多次測(cè)量得到的測(cè)量通道電壓平均值，其在純油下(即含水率為0)時(shí)，調(diào)平電壓為3000 mV.由于微波衰減的非線性，為了減小誤差利用數(shù)值分析方法擬合了系統(tǒng)測(cè)試曲線。

表1 樣品及系統(tǒng)測(cè)得的電壓值

由已知樣品含水率及測(cè)得的電壓值，與參考通道的電壓進(jìn)行比較，得到電壓差值并進(jìn)行擬合得到擬合曲線，如圖5所示。

圖5 擬合曲線

利用該測(cè)量系統(tǒng)對(duì)未知原油含水率進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出在含水率偏高時(shí)測(cè)量得到的含水率值偏離實(shí)際值較大，線性度也稍差，實(shí)驗(yàn)中得出當(dāng)含水率超過(guò)35%時(shí)，微波衰減較大，測(cè)量通道可添加功率放大器以方便以后數(shù)據(jù)的測(cè)量。

表2 測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了參考通道并且實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定標(biāo)功能，最大限度減小了微波信號(hào)源和外部電磁干擾信號(hào)對(duì)測(cè)量精度的影響，降低了成本，提高了測(cè)量精度。該系統(tǒng)在常溫實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)量原油含水率具有較好的可靠性和測(cè)量精度。試驗(yàn)表明:該系統(tǒng)原油含水率誤差范圍在±1%左右。

[1]孫士平，陳文勝.基于微波截止頻率的原油含水量測(cè)量方法的研究，長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，6(4):66-69.

[2]周在杞，周克印，許會(huì).微波檢測(cè)技術(shù).北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[3]張偉，趙祥敏，白娜.種子濕度的微波測(cè)量原理.微計(jì)算機(jī)信息，2011，27(1):129-130.

[4]左春英，丁言美.微波測(cè)濕原理及應(yīng)用.微波學(xué)報(bào)，2005(1):153-156.

[5]BRAUNERN，MARON M.Flow pattern transitions in two-phase liquidliquid flow in horizontal tubes.Int.J.Multi-phase Flow，1992，18(l):123-140.

[6]林謙，高志昂，梁漫春，等.微波相移法測(cè)量煤炭水分的模型.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，50(11):1781-1784.

[7]李志茂.基于微波透射法測(cè)量油水兩相流分相含率的實(shí)驗(yàn)研究:[學(xué)位論文].杭州:浙江大學(xué)，2006.

[8]陳政，李鵬飛.基于微波測(cè)量原理的織物含水率在線檢測(cè).染整技術(shù)，2009，11(31):5-9.