摘 要：油中水分監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)油庫(kù)工藝中油品健康評(píng)估、狀態(tài)預(yù)警、故障診斷、智能維護(hù)的重要途徑。因此提出了一種智能化測(cè)量管控系統(tǒng)，該智能化測(cè)量系統(tǒng)利用水分比油消耗更多的微波能量的原理，借助傳感器可實(shí)現(xiàn)油中水分含量的無(wú)損測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可測(cè)量油品中水分含量為0.01%～0.8%，單次檢測(cè)絕對(duì)誤差小于±0.05%，10次檢測(cè)平均檢測(cè)絕對(duì)誤差小于±0.02%。研究有助于無(wú)損檢測(cè)油品中水分含量，為油庫(kù)中油品質(zhì)量監(jiān)督提供參考。對(duì)于智能化信息融合的現(xiàn)代油庫(kù)中油品的診斷與預(yù)測(cè)具有重要價(jià)值和廣闊的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智能化；油庫(kù)；油品檢測(cè)；技術(shù)研究

中圖分類號(hào)：TQ427.2+6;TE972

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2024）03-0132-04

Research on new technologies for measurement control and detection of oil products in intelligent oil depot

YU Xueling

（China Railway Engineering Design Consulting Group Co.，Ltd.，Beijing 100055，China）

Abstract：Moisture monitoring in oil is an important way to achieve health assessment，status warning，fault diagnosis，and intelligent maintenance of oil products in oil depot processes.Therefore，an intelligent measurement system was proposed，which used the principle that water consumes more microwave energy than oil，and realized non-destructive measurement of water content in oil with the help of sensors.The experimental results indicated that the system could measure the moisture content of oil in the oil depot at 0.01%～0.8%，the absolute error of a single test was less than ±0.05%，and the average absolute error of 10 tests was less than ±0.02%.This study contributes to non destructive testing of water content in oil products and provides reference for quality supervision of oil products in oil depots.It is of great value and broad engineering application prospect for the diagnosis and prediction of oil products in modern oil depots with intelligent information fusion.

Key words：intelligence;oil depot;process system;technical research

工業(yè)生產(chǎn)中使用的油品質(zhì)量越來(lái)越受到關(guān)注，特別是工業(yè)油中的水分含量檢測(cè)問(wèn)題逐漸受到重視［1］。如驗(yàn)證了X波段微波檢測(cè)石油管道中水分的可行性，確定了石油中的水分［2］；采用雙天線結(jié)構(gòu)檢測(cè)原油中的水分，可以檢測(cè)出原油中0%～100%的水分［3］；設(shè)計(jì)了一種微波傳輸方式的原油含水率檢測(cè)系統(tǒng)，可以檢測(cè)出2%～7.5%的水分，測(cè)量精度高于5%［4］；設(shè)計(jì)了一種具有圓形孔徑的喇叭天線，進(jìn)一步研究油水混合物類型的影響［5］；介紹了一種由可調(diào)式介質(zhì)干涉儀，用于測(cè)試液體石油產(chǎn)品的質(zhì)量［6］。

目前常利用傳感器檢測(cè)微波，但由于油庫(kù)環(huán)境溫度高，有害氣體較多，會(huì)進(jìn)一步影響傳感器的穩(wěn)定性［7］。水凝膠材料已成功應(yīng)用于傳感器，該水凝膠材料傳感器具有拉伸性、對(duì)外部應(yīng)變的高靈敏度和快速的自我修復(fù)能力，可適應(yīng)于各種環(huán)境［8］?；诖?，研究設(shè)計(jì)了一個(gè)使用10 GHz微波測(cè)量油中水分含量的測(cè)量系統(tǒng)，并使用無(wú)定形碳酸鈣與海藻酸鹽/聚丙烯酸交聯(lián)制作的水凝膠材料傳感器，用于檢測(cè)油庫(kù)工藝油中水含量變化。

1 系統(tǒng)原理

在油水混合物中，水分子是極性分子，油庫(kù)中油分子是非極性分子，極性分子在電場(chǎng)中可以極化，但非極性分子不容易極化［9］。隨著交變電場(chǎng)頻率的增加，水分子的極化滯后于電場(chǎng)的變化速度，所以交變電場(chǎng)的能量被消耗，但油庫(kù)中油基本上不消耗電場(chǎng)的能量，電場(chǎng)能量的損失與水分子的數(shù)量成正比。電介質(zhì)的復(fù)數(shù)容限表示為：

2 測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)該系統(tǒng)的原理，水凝膠材料傳感器在油庫(kù)中應(yīng)具有發(fā)射和接收微波的能力，同時(shí)具有放大微波的功率，且可以檢測(cè)發(fā)射和接收微波的功率，處理與微波功率相對(duì)應(yīng)的檢測(cè)電壓，計(jì)算油庫(kù)中的含水量并顯示結(jié)果［12］。為了達(dá)到更好的檢測(cè)精度并確保測(cè)量系統(tǒng)具有較低的成本，選擇10 GHz作為系統(tǒng)的工作頻率，主要由于10 GHz是常用的微波遙感頻率。

系統(tǒng)的信號(hào)源是壓控振蕩器（VCO）HMC512，其產(chǎn)生的微波為10 GHz，功率約為9 dBm。可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA）HMC996可將微波功率放大到約23 dBm，因此定向耦合器耦合端的輸出功率約為0 dBm，該數(shù)值是對(duì)數(shù)檢測(cè)器HMC948輸出電壓線性范圍的最大輸入功率。對(duì)數(shù)檢測(cè)器在油庫(kù)輸出的電壓被2個(gè)運(yùn)算放大器放大到相同的數(shù)值，以補(bǔ)償檢測(cè)系統(tǒng)的初始損耗。2個(gè)電壓通過(guò)減法器后，輸出電壓可以利用水凝膠材料傳感器反映微波的衰減值。則輸出電壓的表達(dá)式為：

V輸出=（V－V接受）×放大倍數(shù) （11）

減法器的放大倍數(shù)為100，HMC948的輸出斜率為15.9 mV/dB，運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)約為2.2，當(dāng)減法器輸出3 400 mV的最大電壓時(shí)，油庫(kù)檢測(cè)系統(tǒng)利用水凝膠材料傳感器可以檢測(cè)到1 dB以內(nèi)的微波功率衰減［13］。然后，具有16位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對(duì)該電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到微控制單元（MCU）以計(jì)算油中水分含量。ADC的輸出數(shù)據(jù)可以表示為：

x=A×15.9×2.2×1003 400×（216－1） （12）

式中：x為ADC輸出的檢測(cè)數(shù)據(jù)；A為微波的衰減。

x的最大值為65 535。同時(shí)還設(shè)計(jì)了一個(gè)用于發(fā)射和接收微波的水凝膠材料傳感器。該水凝膠材料傳感器的工作頻率為10 GHz，波導(dǎo)的型號(hào)為WR-90，工作頻段為8.2～12.4 GHz，內(nèi)部尺寸為2.6 cm×4.8 cm，波導(dǎo)長(zhǎng)度為37.5 mm，角部尺寸為6.05 cm×8.3 cm，角部長(zhǎng)度為10.5 cm。將其水凝膠材料傳感器安裝于油庫(kù)最頂端，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)油庫(kù)中水分含量變化，進(jìn)一步確保油庫(kù)中油品的質(zhì)量，提高油庫(kù)工藝技術(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 油庫(kù)工藝系統(tǒng)中水分檢測(cè)研究

為了實(shí)現(xiàn)這一功能，當(dāng)水凝膠材料傳感器收集到油庫(kù)中的數(shù)據(jù)時(shí)，實(shí)時(shí)上傳到智能化測(cè)量系統(tǒng)中，并進(jìn)一步研究油庫(kù)中油品的具體參數(shù)值和含水量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型進(jìn)而獲得油中含水量結(jié)果。利用水分比油消耗更多的微波能量的原理，設(shè)計(jì)一個(gè)使用10 GHz微波的硬件系統(tǒng)［14］。當(dāng)微波衰減約為1 dB時(shí)，放大倍數(shù)為100的減法器電路將對(duì)數(shù)檢測(cè)器的輸出電壓放大到3 400 mV。因此，將油庫(kù)中油品的具體參數(shù)值作為自變量，通過(guò)二次多項(xiàng)式擬合得到含水量的計(jì)算模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)可以檢測(cè)出油中0.01%～0.8%的水分含量，水分含量的計(jì)算公式為：

y=0.011 9+1.889 23×10－5x－9.020 39×10－11x2（13）

式中：x是油庫(kù)中檢測(cè)系統(tǒng)輸出的檢測(cè)數(shù)據(jù)；y是計(jì)算出的水分含量。

式（13）與測(cè)試結(jié)果之間的擬合度R2和測(cè)試結(jié)果之間的擬合度為0.996 46。并利用式（13）計(jì)算系統(tǒng)重復(fù)性測(cè)試結(jié)果，如圖1所示。

由圖1可知，該系統(tǒng)利用水凝膠傳感器可檢測(cè)油庫(kù)中油0.01%～0.8%體積的含水率，分辨率為0.01%，單次檢測(cè)絕對(duì)誤差小于±0.05%，10次檢測(cè)平均檢測(cè)絕對(duì)誤差小于±0.02%。

3.2 油庫(kù)溫度對(duì)水分損失的影響

外界溫度的變化會(huì)對(duì)內(nèi)部油庫(kù)溫度產(chǎn)生一定影響，同時(shí)溫度過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致水凝膠傳感器穩(wěn)定性下降［15］。因此，需要進(jìn)一步研究油庫(kù)溫度變化對(duì)水分的影響。設(shè)定油庫(kù)溫度測(cè)試范圍為30～80 ℃，以油庫(kù)室溫26 ℃作為參考。同時(shí)若油庫(kù)溫度較高，會(huì)對(duì)油中水產(chǎn)生一定損失。因此使用檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)定油庫(kù)溫度，然后在達(dá)到穩(wěn)定溫度（26 ℃）后測(cè)量油中含水率的損失。油中含水率的損失和溫度之間的結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著溫度的升高，油庫(kù)中含水率損失會(huì)進(jìn)一步增加，上升速度也逐漸加快。這表明，隨著油庫(kù)溫度的升高，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致油的水溶性增加，導(dǎo)致油庫(kù)中油的可溶性下降，會(huì)進(jìn)一步降低油品質(zhì)量［16］。且隨著溫度因素的變化，油中水分的反應(yīng)會(huì)受到一定程度的影響，但水凝膠材料傳感器由于自身材料的穩(wěn)定性，在溫度為30～80 ℃時(shí)，不會(huì)對(duì)水凝膠材料傳感器造成任何結(jié)構(gòu)損壞，當(dāng)油庫(kù)溫度達(dá)到30 ℃時(shí)，油中含水率損失為0.92%；當(dāng)油庫(kù)溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，油中含水率損失為0.98%。因此，通過(guò)微波能量檢測(cè)系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行連續(xù)的油中水分測(cè)量，可以實(shí)時(shí)保證油品質(zhì)量，并可檢測(cè)油中水分變化。在實(shí)際檢測(cè)中，由于油庫(kù)中油的品質(zhì)會(huì)受到很多因素的影響，不僅僅是水分含量，還會(huì)受雜質(zhì)和油顏色變化等影響。

3.3 智能化測(cè)量系統(tǒng)性能

為了測(cè)試智能化測(cè)量系統(tǒng)性能，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)裝置在恒定的油庫(kù)溫度下進(jìn)行，以保持測(cè)量系統(tǒng)恒定的相對(duì)介電率，同時(shí)利用MATLAB對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行模擬，以研究系統(tǒng)性能。測(cè)量系統(tǒng)的回波損耗如圖3所示。

從圖3可以看出，模擬的諧振頻率是6.9 GHz，而實(shí)驗(yàn)中的諧振頻率是6.87 GHz。實(shí)驗(yàn)會(huì)受到各種外部因素的影響。其由于油庫(kù)中水會(huì)受外界溫度影響會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致諧振頻率出現(xiàn)一定的偏差。此外，由于智能化測(cè)量系統(tǒng)在6.9 GHz的高頻率下工作，具有一定介質(zhì)損耗的電介質(zhì)基底會(huì)發(fā)熱，這將增加智能化測(cè)量系統(tǒng)的溫度并導(dǎo)致頻率偏移，同時(shí)也會(huì)對(duì)油庫(kù)中水含量產(chǎn)生一定干擾，頻率約為30 MHz，頻移與中心諧振頻率的比率約為0.004 3。智能化測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)誤差對(duì)油庫(kù)工藝中水的測(cè)定影響較小。仿真和測(cè)試的回波損耗在諧振頻率下都低于-30 dB，可以滿足實(shí)際油庫(kù)工藝檢測(cè)。

為進(jìn)一步檢驗(yàn)智能化系統(tǒng)對(duì)油中水的測(cè)試效果，測(cè)量了5個(gè)不同的油水濃度樣品，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)油中的含水量不同時(shí)，智能化系統(tǒng)的帶寬和共振頻率也完全不同。含水量分別為1%、2%、3%和4%的樣品測(cè)得的諧振頻率分別為6.83、6.70、6.65、6.51和6.46 GHz，回波損耗分別為-25.22、-34.94、-25.55、-25.58和-22.83 dB。隨著油樣中含水量的增加，諧振頻率逐漸降低。因此，可以通過(guò)讀取智能化系統(tǒng)的諧振頻率來(lái)識(shí)別油中的含水量。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種利用微波傳輸法測(cè)量油中水分含量的測(cè)量系統(tǒng)。利用水分比油消耗更多微波能量的原理，設(shè)計(jì)了一種使用10 GHz微波的硬件系統(tǒng)。通過(guò)測(cè)試水分含量為1%～4%的樣品，驗(yàn)證了測(cè)量系統(tǒng)的性能，可以滿足實(shí)際油庫(kù)油品中水的檢測(cè)。且系統(tǒng)單次檢測(cè)絕對(duì)誤差小于±0.05%，10次檢測(cè)平均檢測(cè)絕對(duì)誤差小于±0.02%。

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收稿日期：2023-10-12；修回日期：2024-02-26

作者簡(jiǎn)介：尉雪玲（1993-），女，碩士，工程師，研究方向：智能管控等；E-mail：yxuel0039@sina.com。

引文格式：尉雪玲.

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