基于介電常數(shù)法的高精度油品含水率檢測(cè)儀
油品含水率影響潛艇和飛機(jī)等裝備的液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)的可靠性和安全性，要求含水率小于0.01%�；�介電常數(shù)法建立了采集油水混合乳液介電常數(shù)變化的電容傳感器的數(shù)學(xué)模型，并經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償修正。采用S3C2410ARM9作為控制核心，以WinCE作為操作系統(tǒng)管理多個(gè)任務(wù)，通過(guò)AD7745實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)與電容量的數(shù)字轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了0.01級(jí)精度的油品含水率檢測(cè)儀。實(shí)驗(yàn)表明：在-5℃～60℃溫度條件下和0～0.35%含水率范圍內(nèi)，潤(rùn)滑油和輕質(zhì)成品油的含水率精度達(dá)到了0.01，且具有重復(fù)性好、可靠性高、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。可應(yīng)用在艦艇、電力、航空航天等對(duì)油品含水率要求嚴(yán)格的領(lǐng)域，以保證裝備的可靠性和安全性。
油品中的水分對(duì)潛艇、飛機(jī)等裝備中的高性能液壓系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)可靠性和安全性等有著重要影響，這些系統(tǒng)通常要求含水率小于0.01%，即達(dá)到0.01級(jí)的品質(zhì)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)0.01級(jí)油品含水率檢測(cè)裝置主要是進(jìn)口國(guó)外產(chǎn)品。用于油品含水率檢測(cè)的方法主要有：短波吸收法、射頻法。短波法是對(duì)油管內(nèi)二相流體進(jìn)行點(diǎn)線式的采樣，不能有效表達(dá)混合兩相流的情況，尤其是工況條件下，油水的混合不可能是完全均勻的，因此工況條件下存在較大的測(cè)量誤差。射頻法是基于射頻阻抗理論，具有重復(fù)性好、體積小、響應(yīng)快等特點(diǎn)。是，該方法電路復(fù)雜、成本高，而且工況條件下高頻電路隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)而產(chǎn)生顯著漂移，難以得到0.01級(jí)精度的檢測(cè)。真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.genius-power.com/)考慮到水和油介電常數(shù)相差較大，且油品含水量是影響油品介電常數(shù)的主要因素，其微小變化就可引起油品介電常數(shù)的較大變化，當(dāng)建立與介電常數(shù)變化相對(duì)應(yīng)的電容值變化的數(shù)學(xué)模型后，通過(guò)測(cè)量電容值就可得到含水率。因此，本文擬采用介電常數(shù)法研究0.01級(jí)精度的油品含水率檢測(cè)方法和儀器，以滿足高精度油品含水率檢測(cè)到需求。
1、油品電容模型設(shè)計(jì)
1.1、介電常數(shù)法原理
介電常數(shù)是介質(zhì)的一種電特性，它與介質(zhì)在電場(chǎng)中被極化的程度和過(guò)程相關(guān)。真空的介電常數(shù)ε0約為8.854×10-12 F/m，習(xí)慣上用相對(duì)介電常數(shù)表示(以下簡(jiǎn)稱(chēng)介電常數(shù))，其定義為介電常數(shù)與真空介電常數(shù)之比，即εr=ε/ε0，柴油的介電常數(shù)為2.1，汽油的為1.9，而水的介電常數(shù)為80，油與水的介電常數(shù)相差較大，含水率微量的變化就會(huì)引起油水混合乳液介電常數(shù)的變化。根據(jù)電介質(zhì)物理學(xué)的理論，油水混合乳液的介電常數(shù)的表達(dá)式為：
式(1)中，W表示油品含水率，ε0、εH、ε分別表示純水、純油和混合乳液的介電常數(shù)。
4、系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
為了檢驗(yàn)檢測(cè)儀的性能，分別采用5W-40/SM潤(rùn)滑油和93號(hào)輕質(zhì)成品油進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，在-5℃～60℃的情況下，測(cè)得的與不同含水率相對(duì)應(yīng)的電容值變化和介電常數(shù)的變化關(guān)系如圖4和圖5所示。
圖4 潤(rùn)滑油電容及介電常數(shù)與含水率變化關(guān)系
圖5 輕質(zhì)成品電容及介電常數(shù)與含水率變化關(guān)系
從圖4和圖5可以看出，兩類(lèi)油品中含水率的增加時(shí)，油品的介電常數(shù)變化顯著，使得檢測(cè)得到的電容值也相應(yīng)變化，在0.01精度要求范圍內(nèi)，電容值與含水率的關(guān)系呈線性關(guān)系。
5、結(jié)語(yǔ)
依據(jù)介電常數(shù)法建立了油水混合液含水率檢測(cè)的電容器數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電容傳感器。介電常數(shù)法采用了管道內(nèi)混合流體的平均法測(cè)量，特別適合工況條件下油水二相流流型復(fù)雜的要求。介電常數(shù)法的量程范圍小，非常適用于檢測(cè)潛艇與航空類(lèi)裝備中油品含水率較低的應(yīng)用。采用ARM嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的含水率檢測(cè)儀，經(jīng)過(guò)對(duì)潤(rùn)滑油和輕質(zhì)油品進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了含水率與油品介電常數(shù)關(guān)系及以及建立的電容數(shù)學(xué)模型的正確性，在0.01級(jí)檢測(cè)精度要求范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，使檢測(cè)儀精度達(dá)到了0.01級(jí)，可以滿足潛艇和航空裝備中對(duì)檢測(cè)油品含水率精度的需要，保障系統(tǒng)的可靠性和安全性，也可應(yīng)用在其他各類(lèi)對(duì)油品含水率有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域。具有測(cè)量精度高、重復(fù)性好、可靠性高，設(shè)備簡(jiǎn)單、安裝和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)0.01級(jí)精度油品含水率檢測(cè)儀國(guó)產(chǎn)化提供了技術(shù)方案。
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