基于智能化油庫油品測量管控檢測新技術(shù)研究

摘 要：油中水分監(jiān)測是實現(xiàn)油庫工藝中油品健康評估、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量管控系統(tǒng)，該智能化測量系統(tǒng)利用水分比油消耗更多的微波能量的原理，借助傳感器可實現(xiàn)油中水分含量的無損測量。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可測量油品中水分含量為0.01%～0.8%，單次檢測絕對誤差小于±0.05%，10次檢測平均檢測絕對誤差小于±0.02%。研究有助于無損檢測油品中水分含量，為油庫中油品質(zhì)量監(jiān)督提供參考。對于智能化信息融合的現(xiàn)代油庫中油品的診斷與預(yù)測具有重要價值和廣闊的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智能化；油庫；油品檢測；技術(shù)研究

中圖分類號：TQ427.2+6;TE972

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：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)量越來越受到關(guān)注，特別是工業(yè)油中的水分含量檢測問題逐漸受到重視［1］。如驗證了X波段微波檢測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)檢測原油中的水分，可以檢測出原油中0%～100%的水分［3］；設(shè)計了一種微波傳輸方式的原油含水率檢測系統(tǒng)，可以檢測出2%～7.5%的水分，測量精度高于5%［4］；設(shè)計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，用于測試液體石油產(chǎn)品的質(zhì)量［6］。

目前常利用傳感器檢測微波，但由于油庫環(huán)境溫度高，有害氣體較多，會進(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］。基于此，研究設(shè)計了一個使用10 GHz微波測量油中水分含量的測量系統(tǒng)，并使用無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，用于檢測油庫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，油庫中油分子是非極性分子，極性分子在電場中可以極化，但非極性分子不容易極化［9］。隨著交變電場頻率的增加，水分子的極化滯后于電場的變化速度，所以交變電場的能量被消耗，但油庫中油基本上不消耗電場的能量，電場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 測量系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)該系統(tǒng)的原理，水凝膠材料傳感器在油庫中應(yīng)具有發(fā)射和接收微波的能力，同時具有放大微波的功率，且可以檢測發(fā)射和接收微波的功率，處理與微波功率相對應(yīng)的檢測電壓，計算油庫中的含水量并顯示結(jié)果［12］。為了達(dá)到更好的檢測精度并確保測量系統(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。可變增益放大器（VGA）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)值是對數(shù)檢測器HMC948輸出電壓線性范圍的最大輸入功率。對數(shù)檢測器在油庫輸出的電壓被2個運算放大器放大到相同的數(shù)值，以補償檢測系統(tǒng)的初始損耗。2個電壓通過減法器后，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，油庫檢測系統(tǒng)利用水凝膠材料傳感器可以檢測到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輸出的檢測數(shù)據(jù)；A為微波的衰減。

x的最大值為65 535。同時還設(shè)計了一個用于發(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)長度為37.5 mm，角部尺寸為6.05 cm×8.3 cm，角部長度為10.5 cm。將其水凝膠材料傳感器安裝于油庫最頂端，可以實時檢測油庫中水分含量變化，進(jìn)一步確保油庫中油品的質(zhì)量，提高油庫工藝技術(shù)。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 油庫工藝系統(tǒng)中水分檢測研究

為了實現(xiàn)這一功能，當(dāng)水凝膠材料傳感器收集到油庫中的數(shù)據(jù)時，實時上傳到智能化測量系統(tǒng)中，并進(jìn)一步研究油庫中油品的具體參數(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)計一個使用10 GHz微波的硬件系統(tǒng)［14］。當(dāng)微波衰減約為1 dB時，放大倍數(shù)為100的減法器電路將對數(shù)檢測器的輸出電壓放大到3 400 mV。因此，將油庫中油品的具體參數(shù)值作為自變量，通過二次多項式擬合得到含水量的計算模型。根據(jù)實驗測試結(jié)果，所設(shè)計的測量系統(tǒng)可以檢測出油中0.01%～0.8%的水分含量，水分含量的計算公式為：

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

式中：x是油庫中檢測系統(tǒng)輸出的檢測數(shù)據(jù)；y是計算出的水分含量。

式（13）與測試結(jié)果之間的擬合度R2和測試結(jié)果之間的擬合度為0.996 46。并利用式（13）計算系統(tǒng)重復(fù)性測試結(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油庫中油0.01%～0.8%體積的含水率，分辨率為0.01%，單次檢測絕對誤差小于±0.05%，10次檢測平均檢測絕對誤差小于±0.02%。

3.2 油庫溫度對水分損失的影響

外界溫度的變化會對內(nèi)部油庫溫度產(chǎn)生一定影響，同時溫度過高也會導(dǎo)致水凝膠傳感器穩(wěn)定性下降［15］。因此，需要進(jìn)一步研究油庫溫度變化對水分的影響。設(shè)定油庫溫度測試范圍為30～80 ℃，以油庫室溫26 ℃作為參考。同時若油庫溫度較高，會對油中水產(chǎn)生一定損失。因此使用檢測系統(tǒng)測定油庫溫度，然后在達(dá)到穩(wěn)定溫度（26 ℃）后測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，油庫中含水率損失會進(jìn)一步增加，上升速度也逐漸加快。這表明，隨著油庫溫度的升高，會進(jìn)一步導(dǎo)致油的水溶性增加，導(dǎo)致油庫中油的可溶性下降，會進(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，不會對水凝膠材料傳感器造成任何結(jié)構(gòu)損壞，當(dāng)油庫溫度達(dá)到30 ℃時，油中含水率損失為0.92%；當(dāng)油庫溫度達(dá)到80 ℃時，油中含水率損失為0.98%。因此，通過微波能量檢測系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行連續(xù)的油中水分測量，可以實時保證油品質(zhì)量，并可檢測油中水分變化。在實際檢測中，由于油庫中油的品質(zhì)會受到很多因素的影響，不僅僅是水分含量，還會受雜質(zhì)和油顏色變化等影響。

3.3 智能化測量系統(tǒng)性能

為了測試智能化測量系統(tǒng)性能，整個測量系統(tǒng)裝置在恒定的油庫溫度下進(jìn)行，以保持測量系統(tǒng)恒定的相對介電率，同時利用MATLAB對系統(tǒng)性能進(jìn)行模擬，以研究系統(tǒng)性能。測量系統(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，而實驗中的諧振頻率是6.87 GHz。實驗會受到各種外部因素的影響。其由于油庫中水會受外界溫度影響會進(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)基底會發(fā)熱，這將增加智能化測量系統(tǒng)的溫度并導(dǎo)致頻率偏移，同時也會對油庫中水含量產(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。智能化測量系統(tǒng)的實驗誤差對油庫工藝中水的測定影響較小。仿真和測試的回波損耗在諧振頻率下都低于-30 dB，可以滿足實際油庫工藝檢測。

為進(jìn)一步檢驗智能化系統(tǒng)對油中水的測試效果，測量了5個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，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，可以通過讀取智能化系統(tǒng)的諧振頻率來識別油中的含水量。

4 結(jié)語

設(shè)計了一種利用微波傳輸法測量油中水分含量的測量系統(tǒng)。利用水分比油消耗更多微波能量的原理，設(shè)計了一種使用10 GHz微波的硬件系統(tǒng)。通過測試水分含量為1%～4%的樣品，驗證了測量系統(tǒng)的性能，可以滿足實際油庫油品中水的檢測。且系統(tǒng)單次檢測絕對誤差小于±0.05%，10次檢測平均檢測絕對誤差小于±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.

基于智能化油庫油品測量管控檢測新技術(shù)研究［J］.粘接，2024，51（3）：132-135.