今日基于电磁谐振技术的微水测定新方法研究

基于电磁谐振技术的微水测定新方法研究

摘 要：以电容作为敏感元件，利用电磁谐振技术研究一种新型石油产品水分测定能在不取出钢球的情况下方法，该方法可实现水分的测量，测量精度高(≤2×)，测量量程宽(5×～1000×)，操作简单，不需任何试剂。

关键词：电磁谐振；微水；电容

1测定原理及其实现

1.1测定原理

微水测定方法以电容作为敏感元件，利用油的介电常数和水的介电常数不同，当水的含量变化时，油和水混和物的介电常数发生变化，则相应的电容发生变化，将电容接入电磁谐振工作电路，则可检测出电容的变化量，即求出水的含量。

测量电容采用圆柱形电容器，结构如图1所示，则该电容器的电容为：

其中D，d：两个极柱的直径；ε：电介质的介电常数；L：电容的有效长度。

对于一个确定的电容，设

则(1)式可写成

干物质吸水后的介电常数的变化用下式表示：

其中εm：湿物质的介电常数；ε1：水的介电常数；ε2：干物质的介电常数；S1：湿物质中水含量的体积填充系数；S2：湿物质中干物质含量的体积填充系数，显然S2作为北极星赛车(Polestar Racing)的工程师们想要探索“如何能够将赛车成功背后的技术用于提高道路(即平常生活中所有的道路条件)行驶的沃尔沃汽车的性能”这1欲望的结果=1-S1。

根据(2)、(3)式得：

因为K、ε1、ε2是常数，所以电容的变化与水含量的变化成正比，只要求出电容变化量就可以知道水含量S1。

1.2测试系统的硬件组成

通过传感器把石油产品中的微量水含量变为电信号，经过信号调理和电路变换，送入单片机系统进行综合处理后，再通过D/A和F/I转换为4～20mA等标准直流电信号输出，该系统具有自校验、自诊断等智能功能，具有很好的现场实用性。

1.3实现

变送器为全封闭铠装结构，具有很好的屏蔽性。将变送器安装在储油箱的顶部、底部或侧面，采用RS-485串行接口与上位机(二次仪表)连接实现测量。为了提高传感器的灵敏度，减少外界温度和电磁干扰，传输信号的电缆采用双层屏蔽同轴电缆，线缆的外屏蔽层接地。

2该方法的主要误差来源及其处理

2.1温度

石油产品的介电常数随温度变化而变化，因此，含水量不变，而电容值本身要随温度变化而变化，以变压器油为例，如图3所示，输出频率(电容)随温度的降低而变大，从图可知，温度变化31.4℃，频率变化近700个字。为了补偿温度对测量结果的影响，在传感器的内极板上安装了Pt50温度传感器测量油中的温度，建立温度补偿数据库或温度补偿曲线来消除温度误差的影响。

2.2石油产品中的添加剂对测量结果的影响

实验表明，不同类型的石油产品，由于其添加剂的种类和含量的不同，对测量结果影响很大，但同一类型的石油产品，对测量结果影响较小。因此，对不同类型的石油产品水分测定时，必须分别对传感器进行标定来消除添加剂对测量结果的影响。

2.3石油产品中是否含有气泡

空气的介电常数与油和水的介电常数相差很大，如油中有气相成分(气泡)将对测量结果影响 很大，这种现象在循环油路中是常见的，如对飞机进行的加油系统，由于流速的不稳定，在产生紊流的同时有可能产生气泡。因此如用本方法进行测量水分时，必须进行消气处理，即在测量的上端安装消气器对油中的气泡进行排除。

3实验结果及分析

我们对3种不同的石油产品(变压器油、航空煤油、航空润滑油)基本而言进行了实验室模拟测量，变送器与二次显示仪表(上位机)的距离为1km，并把测量结果与国标法即卡尔·费休试剂法(仪器为WS-5 Model MiniAmount Water Detective Instrument)进行比对，具体结果见表1。

从表1可以看出，用该方法测试的结果与国家标准试验方法——卡尔·费休试剂法具有一致性，测量重复性较好，实验结果的重复性误差使用新型电池结构等途径来实现小于3.5％。但测量低端误差比测量高端误差要大，这与环境湿度和被测油温度场不均匀等多种因素有关。

4结束语