微波原油含水率自动测量方法

微波原油含水率自动测量方法

0测含水率检测仪表原油含水量是油田开采和精炼过程中的一个重要变量指标。因此对原油含水率实时准确的测量有着非常重要的实际应用价值和意义。所以研究测量范围宽、精度高的油品含水率检测仪表具有重要的现实意义。由于微波的穿透能力很强,它所检测的不仅仅是物质表层的水分,还可检测物质内部的水分含量,而且具有测量时间短、效率高等显著优点。因此,采用微波透射法对原油含水率进行测量,为达到自动定标的功能,在实验中,将整个系统分为参考通道和测量通道,定量纯油时含水率为0,通过单片机来调节两通道的平衡和实现自动定标功能,可实现宽范围、高精度的原油含水率的测量。1微波透射法的测量原理1.1极化损耗特性微波是一种特殊频率波段的电磁波,微波的传输依靠的是交变电场和交变磁场的相互感应而传播的。微波通过电介质时,电介质被极化,造成微波能量的衰减,故可以测量微波通过待测物质前后的衰减变化值来间接测量物质的一些特性。水具有很强的极化特性,水分子在外电场的作用下,会被极化成偶极子,并沿电场方向取向,外电场改变,则偶极子重新排列,并吸收电能以克服内力,此时电场能量被消耗。微波是频率极高的电磁波,在微波作用下,水偶极子频繁换向则会消耗大量的电能。含水物质这种极化损耗的特性,可以通过其复合介电常数来表征,所以测得含水混合物的复合介电常数,便能间接测得该物质中含水量的多少。物质的复合介电常数可以表示为式中:ε′代表介质的储能特性,反映了在电场中被极化的能力;ε″是由弛豫损耗造成的,常以热量的形式散发。介电常数中ε′和ε″的大小与电场的频率有关。例如,在频率为10GHz时,水ε′=64,一般材料ε′<10;水的损耗因子ε″=40,而一般材料ε″<1。这个显著差别表示:当微波通过含水物质时,由水分引起的微波能量的损耗远远大于其他物质引起的损耗,物质中的含水量将显著的影响其介电常数。1.2微波通过透射法测原油含水率基于油和水之间介电常数ε的明显差异,常温下(20℃)水的介电常数大约为80,而原油的介电常数大概只有2.5,水的介电常数比原油大很多,油水混合物的介电常数主要由水决定,所以经过油水混合物后的微波能量衰减主要由水分引起,因此测量通过待测样品后微波能量的衰减值即可以计算得出混合物质的含水率,这是微波透射衰减法测原油含水率的原理。微波通过含水物质时,其振幅、相位和传播速度会发生变化,变化的大小主要取决于物质的介电常数。因此测量通过物质时,微波的功率衰减、相位变化、谐振频率等与介电常数相关的物理量,就可间接测量计算出物质的含水率,微波在有损耗介质内功率衰减的公式为α=πλε′2[1+tan2δ−−−−−−−−√−1]−−−−−−−−−−−−−−−√(3)α=πλε′2[1+tan2δ-1](3)tanδ=ε′′ε′(4)tanδ=ε″ε′(4)式中:P0为未衰减前的功率;P1为经过含水物质后所得到的功率;α为衰减常数;l为装含水物质容器的厚度;损耗角正切tanδ表示介质损耗大小的一个常数,无损耗时tanδ等于0。由于在实验过程中,测量微波的功率比较困难,根据功率与电压的公式:P=V2Z(5)Ρ=V2Ζ(5)因此实验操作中,主要是依据微波电压幅值的变化情况,来计算物质的含水率。2系统硬件设计2.1油气中微波信号的采集根据微波测水的基本原理,设计了一种实现自动定标功能的智能原油含水率的测量系统。该系统主要由微波信号源、数控衰减器、环行器、PIN调制开关、传感器、检波器和选频放大器及信号处理单元组成。系统整体框图如图1所示。微波信号源输出等幅微波信号,经环行器进入PIN调制开关,开关导通时间内信号由PIN调制开关经1kHz方波调制后,经过传感器、待测物,由检波器、选频放大器解调出1kHz的方波调制信号,测得信号幅值U1;PIN调制开关断开时,微波信号经PIN调制开关调制后全反射返回至环行器,再经环行器送至参考通道,信号经数控衰减器、检波器、选频放大器测得参考通道微波信号幅值U2.通过两路信号幅值的差值即可间接计算得出原油含水率的大小,其中调制信号的频率由PIN调制开关的控制导通时间而决定。设计中通过大量实验操作,得出油水混合物在微波频率为9.4GHz左右时,对微波信号的吸收最大,也就是微波的衰减最大。所以在实验中所用的微波频率为9.4GHz.在系统中利用环形器和PIN调制开关的组合,在未使用魔T和功分器的情况下,将整个系统分为测量通道和参考通道;且保证了实验中所需的较大功率。这一组合不仅实现了分离出两路微波信号的功能,还大大简化了微波信号源,降低了成本且使测量的精度有很大的提高。图2为微波信号经PIN调制开关后,由检波器检波出的信号;图3为调制开关与环形器组合所分离出的2路微波信号。2.2转换处理模块信号处理单元主要是对微波电路所输出的2路信号进行处理,得到所要计算的信息量。其主要包括整流滤波、A/D转换、单片机、LCD显示,其信号处理模块如图4所示。经过待测物后的微波信号由检波器输出,送至选频放大器,将带有微波信息的1kHz的信号进行放大并送至整流滤波电路,经A/D将模拟信号转换成数字信号,由单片机进行处理,并显示原油含水率。2.3测量通道和参考通道达到初始平衡在整个系统中,实验前首先必须进行测量通道和参考通道的平衡调节。调节过程:将纯油样品(即含水率为0%)放入待测容器中,由于环形器的方向性,使得经过调制开关后反射进入参考通道的微波信号很小,因此需要使测量通道和参考通道达到初始平衡;考虑到当原油含水率较高时,测量通道微波信号衰减较大,为方便以后数据处理的进行,只能将参考通道信号进行调节,通过调节数控衰减器达到两路信号的平衡,实现自动定标的功能。自动定标克服了信号源的不稳定性及空间干扰对系统的影响,实现了原油含水率的精确测量。3测量方法的确定实验在常温常压下进行,用机油代替原油,测量范围是0～40%含水率。(1)在进行实验操作前,首先要对整个系统进行定标调节,保证测量通道和参考通道在测量前的平衡。(2)将几组体积分数已知的机油和水混合物分别放入待测容器,在测量通道测得衰减后的输出电压值U1,同时参考通道输出参考电压U2.(3)利用MATLAB软件将输出电压值和含水体积百分比用数值方法进行曲线拟合,能得到一个电压值与含水百分比的关系式(测量关系式)。(4)对未知体积百分比的油水混合物进行测量,得到测量电压值。(5)计算测量绝对误差,分析系统测量精度及其他特性。表1是所配的样品及系统多次测量得到的测量通道电压平均值,其在纯油下(即含水率为0)时,调平电压为3000mV.由于微波衰减的非线性,为了减小误差利用数值分析方法拟合了系统测试曲线。由已知样品含水率及测得的电压值,与参考通道的电压进行比较,得到电压差值并进行拟合得到拟合曲线,如图5所示。利用该测量系统对未知原油含水率进行了实际测试,测量结果如表2所示。通过实验得出在含水率偏高时测量得到的含水率值偏离实际值较大,线性度也稍差,实验中得出当含水率超过35%时,微波衰减较大,测量通道可添加功率放