短波法油中水分测量仪的应用

程良奖，李保群，孙春鹏，曾 宏

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉430064)

0 引言

部分船舶燃油系统使用的燃油与海水混合一起储存在各燃油舱中，向发动机供油时，通过补充海水将储存在燃油舱的燃油压至日用燃油箱进行沉淀、分离水分和杂质，再通过日用燃油箱供给发动机使用。当燃油含水量较大，尤其是形成乳化油时，在较短时间内，燃油不能得到充分有效的沉淀和分离，使得燃油中混合的海水进入发动机，会严重影响发动机的使用性能。在船舶燃油系统设置油中水分测量仪，可以在线、实时监测发动机使用的燃油含水率，保证供给燃油合格，有效提高发动机的安全性和可靠性。

目前，在线测量油中水分的方法较多，主要有电容法［1］、短波法［2］、微波法［3］、红外光法［4］等。短波法水分测量仪作为一种常见的在线式油中水分测量仪，广泛应用于油田、石化、电站等工业领域，但在船舶燃油系统尚无应用先例。本文针对船用使用环境条件的特点，对短波法油中水分测量仪在船舶燃油系统使用情况进行了应用研究，研究其在实际使用过程中存在的各种问题，并分析其原因，为其船用适应性设计提供了参考依据。

1 短波法工作原理

无线电磁短波频率范围为3～30 MHz，根据电磁波的物理特性，电磁波在通过液体介质时部分能量被介质吸收。同一频率的电磁波通过不同介质时，被介质吸收的短波能量是不同的，吸收能量符合朗伯－贝尔定律:

式中:I为穿透能量;I0为入射能量;u为吸收系数;c为介质浓度;L为介质厚度。

将式(1)转换为:

对混合介质有:

式中:u1，c1，L1和 u2，c2，L2分别为不同介质的吸收系数、介质浓度和介质厚度。

当测量仪用于测量油中含水量时，则分别代表油和水。当测量仪的发射器发射频率为一定频率(约4 MHz)时，油对这个频率的电磁短波能量吸收系数u2很小，这里可以将其近似为0，则式(2)转换为:

对于一定频率的电磁波，水的系数u1保持不变，当发射器的结构尺寸一定时，则L1确定，电磁波透射的能量被管系吸收，这个能量随介质的变化很小，可近似认为恒定值。由式(3)可知，发射器发射能量I0只随介质浓度而变化，呈非线性曲线特征。发射器功率的变化将引起发射器内部振荡电源电流值的变化，将这个变化了的电流反馈给控制器，经调零、放大、整形后，作为标准电流信号，再经过智能软件处理、温度补偿等措施，实现油中含水率的测定［5］。

2 干扰因素对测量精度的影响

当前国内外在线式油中含水测量仪的主要问题是受具体工程应用环境条件的影响，测量仪输出信号不稳定，实际测量精度不能保证。本文针对各种可能影响短波法油中含水测量仪的实际测量精度的因素分别进行试验和分析，对影响实际测量精度的干扰因素给出相应的抑制、解决措施。

本文试验采用的短波法油中含水测量仪的标称绝对测量精度为±0.01%(体积比)，工作范围0～1%。

2.1 零点漂移

零点漂移是指当电路中输入端短路时，输出端也会有变化的电流存在的现象。当输出端的有用信号较弱时，零点漂移可能将有用信号淹没，造成电路无法正常工作。一般通过提高系统中硬件的性能可以有效抑制零点漂移［6］，如恒温措施、温度补偿电路、差动放大电路［7］。在有些情况下硬件的方法是不可能完全满足系统的要求的，必须结合软件的方法才能更好地达到系统的要求［8］，如优化零点漂移计算处理方法、温度补偿曲线等。试验人员将油中水分测量仪置于静止的、与大气相通的纯柴油中，观察随时间推移其零点漂移的情况，期间环境温度在2～11℃范围变化，试验结果如图1所示。

图1 零点漂移对实际测量精度的影响Fig.1 Effect on actual measurement precision for null drift

试验用的油中水分测量仪采用“真假信号比较法”来抑制零点漂移，即实际现场测量信号(真信号)和模拟样品测量信号(假信号)通过同一处理电路交替输出测量信号，取2种信号的差值作为有效含水率信号。随着环境温度变化、零点漂移出现，实测信号和模拟样品信号同时升降，但理论上二者的差值不变。通过这种方法可以有效抑制零点漂移影响。

从图1可以看出，在长达18 h的试验时间内，零点漂移对短波法油中水分测量仪的实际测量精度的影响较小。

2.2 介质温度

在实际使用过程中，介质温度与环境温度或仪表监控箱内温度一般并不相同，虽然部分仪表采取了抑制零点漂移的措施，但是介质温度变化也是引起测量误差变化的一个主要原因之一。试验人员将油中水分测量仪置于静止的、与大气相通的纯柴油中，通过水浴改变柴油温度，检测温度变化对实际测量精度的影响，试验结果如图2所示。

图2 介质温度对实际测量精度的影响Fig.2 Effect on actual measurement precision for liquid temperature

从图2可以看出，介质温度对短波法实际测量含水率的影响较大，达到±0.08%左右，从5～35℃升温过程中，测量含水率数据先降后升，在25℃左右为拐点;在从35～5℃降温过程中，测量含水率先升后降，25℃左右为拐点。产生这种现象的原因有:介质温度影响探测头的电气性能，导致测量电流值发生变化，测量电流值的变化经综合处理后，体现为测量含水率的变化。

鉴于短波法油中水分测量仪受介质温度变化影响较大的特点，在实船使用时采取更加有效的介质温度补偿措施，保证其实际使用性能能满足要求。

2.3 压力

介质在管路流动，其压力根据实际使用情况会发生变化，试验人员将油中水分测量仪置于介质压力在0～1 bar～0变化的柴油介质管路中，检测压力变化对实际测量精度的影响，试验结果如图3所示。

图3 压力变化对实际测量精度的影响Fig.3 Effect on actual measurement precisionfor for pressure

从图3可以看出，压力较小时，压力对短波法油中水分测量仪的测量精度影响也较小，当压力逐步加大后，压力产生的影响也明显加大。产生这种现象的主要原因有以下几个:

1)压力对油中水分测量仪的探测器的电气性能产生影响;

2)当压力变化时，会导致探测器处油中含气量发生变化，理论上压力增大会导致含气量在体积上减少，相应含水量会增加;同时压力增大时探测器与油水混合液接触面积增大(探测器上端始终存在部分空气)，导致探测器接触的混合液含水量也增加，测量含水率也相应变大。

3)当压力变化时，介质密度会发生变化，测量效果受介质密度影响［9］。

鉴于短波法油中水分测量仪受工作压力变化影响的特点，当工作压力变化较小时，可以不采取介质压力补偿措施，如果压力变化较大，测量精度要求较高时，应当采取压力补偿措施，保证其实际使用性能能满足要求。

2.4 盐度

在船用环境使用过程中，油中所含水分的盐度可能会发生变化，盐度变化是否会影响油中水分测量仪的实际测量精度需要进行试验验证。受气候与大陆的影响，海水盐度因所处位置不同而有差异，世界大洋的平均盐度为3.5‰［10］。试验人员将纯柴油与淡水混合均匀，再逐步加入NaCl，使油中所含水分盐度在从0升至4‰，将油中水分测量仪至于均匀混合液中，检测油中所含水分的盐度变化对实际测量精度的影响，试验结果如图4所示。

图4 盐度变化对实际测量精度的影响Fig.4 Effect on actual measurement precision for salinity

从图4可以看出，盐度对短波法油中水分测量仪影响甚微，其影响不超过其自身测量精度的波动范围(±0.01%)。

2.5 流速

介质在管路流动，其流速会根据实际使用情况发生变化，试验人员将油中水分测量仪置于流速在0～1.5 m/s～0变化的柴油介质管路中，整个试验过程介质的雷诺数Re≤2 300，处于层流状态，检测流速变化对实际测量精度的影响，试验结果如图5所示。

图5 流速变化对实际测量精度的影响Fig.5 Effect on actual measurement precision for liquid temperature

从图5可以看出，在层流状态下，流速对短波法油中水分测量仪的实际测量精度影响很小，其影响不超过其自身测量精度的波动范围(±0.01%)。

2.6 杂质

由于管路腐蚀等因素影响，介质可能存在金属杂质，试验人员将油中水分测量仪置于纯柴油中，再掺入若干细铁屑，并搅拌，定性观察杂质对实际测量精度的影响，试验结果如图6所示。

图6 杂质变化对实际测量精度的影响Fig.6 Effect on actual measurement precision for impurity

从图6可以看出，在杂质含量较少，对油中水分测量仪的实际测量精度影响较小，但随着杂质含量增加，对实际测量精度影响急剧增大，甚至导致设备无法正常工作。

由于短波法油中水分测量仪通过检测短波的能量损失来探测含水率，因此任何导致短波能量损失干扰因素都可能影响实际测量精度，油中所含金属杂质吸收部分短波的能量，相当于油中含水量“增加”，因此油中金属杂质含量对油中水分测量仪的实际测量精度有直接的影响，同时当杂质含量较大时，油中水分测量仪的探测头表面会粘附部分杂质，严重影响油中水分测量仪的性能，造成实测含水率读数大范围波动或严重失实，甚至导致设备损坏。

鉴于杂质对短波法油中水分测量仪测量精度有较大影响，当油中可能含有较多杂质时，应配置油过滤器，防止杂质污染探测头，影响实际测量精度，保证其实际使用性能能满足要求。

2.7 含气量

介质在管路里流动的实际上是油、气、水三相流，且油、气、水的3种成份是动态变化的。试验人员将油中水分测量仪置于柴油管路中，通过不断搅拌使介质混入大量空气，通过停止搅拌，随着时间推移，管路中空气逐步消失，检测油中含气量变化对实际测量精度的影响，试验结果如图7所示。

图7 含气量变化对实际测量精度的影响Fig.7 Effect on actual measurement precision for amount of gas

从图7可以看出，搅拌时油中含气量增大，测量出来的含水率逐渐下降;搅拌到一定时间后油气平衡，含气量不再增加，测量出来的含水率基本不发生较大变化;停止搅拌后，油中含气量逐渐减少，测量出来的含水率逐渐上升。产生这种现象的原因是空气与油品一样，对短波能量的吸收很少，此时由于介质中含有气体，则造成吸收能量减少，气体成份可以当油来看，这样造成油水含量比例测定误差［11］。为了防止含气量对短波法油中水分测量仪的使用效果造成干扰，在实船使用过程中应当在其进口前配置油气分离器。

2.8 油水混合均匀性

介质中油、水同时存在，一般情况下处于非均匀混合状态，试验人员将油中水分测量仪置于装有油水混合液的油桶中，通过改变油中水分测量仪测点位置及缓慢搅拌油水混合液，测量不同位置和不同混合状态的油水混合液，试验结果如图8所示。

图8 油水混合均匀性对实际测量精度的影响Fig.8 Effect on actual measurement precision for uniformity between oil and gas

从图8可以看出，虽然在同一桶油水混合液中，但由于油水混合不均匀，带来测量结果有很大的偏差，且具有随机性。产生这种现象的原因是短波法油中水分测量仪的有效测量流场有限，只能探测到探测头与屏蔽罩之间的介质的含水率，其他位置的介质含水率不能感知，其测量原理属于对管内两相流体点线式采样，不能正确全面反映混合两相流的情况，在实验室条件下测量精度能达到要求，在具体的现场工况条件下不能满足测量精度要求［12］。因此在实际使用过程中应尽量将油中水分测量仪探测头布置在油水混合比较均匀的位置，如经过一段弯管后向上流动的竖直管道内。

2.9 电磁场干扰

电磁场对有些精密仪表可能会产生干扰，为了定性验证电磁场是否会干扰短波法油中水分测量仪的实际测量精度，试验人员将油中水分测量仪置于油水均匀混合液中，在靠近油中水分测量仪探测头及监控箱约0.2 m处频繁手动电钻，试验结果如图9所示。

图9 电磁场对实际测量精度的影响Fig.9 Effect on actual measurement precision for electromagnetic field

从图9可以看出，手动电钻产生的电磁场对短波法油中水分测量仪的测量精度影响甚微，其影响不超过其自身测量精度的波动范围(±0.01%)。

2.10 振动

油中水分测量仪安装在系统管路上，不可避免地要受到外力作用发生振动，为了定性验证管路振动是否会干扰短波法油中水分测量仪的实际测量精度，试验人员将油中水分测量仪置于油水混合均匀的管路上，在离油中水分测量仪0.5 m处小幅度摇晃管路，在油中水分测量仪处产生1～2 mm的振幅，观察测量含水率是否发生变化，再加大摇晃幅度，然后停止摇晃，观察测量含水率是否发生变化，试验结果如图10所示。

图10 振动对实际测量精度的影响Fig.10 Effect on actual measurement precision for oscillation

从图10可以看出，小幅度振动对传感器测量精度影响较小，当振幅显著加大时，测量含水率读数有1个显著的跳跃性波动，停止振动后含水率读数逐步下降。产生这种现象的原因是当振动幅度较小时，不会对管路中油水混合均匀性产生较大影响，因此对含水率测量误差也影响较小;当振动幅度加大时，不但对油水混合均匀性产生较大影响，而且造成油中含气量发生变化、探测器处测量压力也发生波动，探测器与油水混合液也不能有效接触，因此测量含水率出现剧烈波动;停止振动后测量压力恢复正常，含气量较以前有较大增加，因此体现出含水率下降。但经过较长时间后，其含气量、油水混合均匀性恢复到以前状态，因此其测量含水率也基本恢复到试验开始时的数值。

鉴于振动对油中水分测量仪测量精度有较大影响，在实船使用过程中应当采取减振措施，并对油中水分测量仪进行固定，防止振动对使用效果造成干扰。

3 结语

短波法油中水分测量仪在船舶燃油系统应用存在许多可能影响其实际测量精度的干扰因素，如零点漂移、介质温度、压力、盐度、流速、杂质、含气量、油水混合均匀性、电磁场、振动等。本文通过试验研究表明:介质温度、压力、杂质、含气量、油水混合均匀性、振动等干扰因素对短波法油中水分测量仪实际使用效果有较大的影响，装船使用还需完善适应性改进设计或在系统管路上采取相应的抑制干扰措施。本文为短波法油中水分测量仪的改进设计和提高其现场使用性能提供了较好的理论基础和试验依据。

［1］宋广军，徐巧玉，王慕坤.电容式原油含水率传感器设计［J］.哈尔滨理工大学学报(自然科学版)，2003，8(5):108－111.SONG Guang-jun，XU Qiao － yu，WANG Mu － kun.The design of capacitance crude oil moisture sensor［J］.Journal of Harbin University of Science and Technology，2003，8(5):108－111.

［2］黄正华，陈世廉.短波型原油低含水率测定仪的研制［J］.石油大学学报(自然科学版)，1992，16(6):127 －130.HUANG Zheng-hua，CHEN Shi-lian.Development of shortwave meter for measuring water content in crude oil［J］.Journal of the University of Petroleum，China，1992，16(6):127－130.

［3］曾发江，蒋明民，苑韬，等.物质所含水分的微波检测方法探讨［J］.郑州轻工业学院学报(自然科学版)，2000，15(4):118－120.

［4］石要武，解小华，孙令明.红外物质水份测量仪及其信号处理方法［J］.红外技术，1997，(4):46 －48.SHI Yao-wu，XIE Xiao-hua，SUN Ling-ming.The near infrared moisture analyzer and its signal processing method［J］.Infrared Technology，1997，(4):46 － 48.

［5］王得志，甘金颖，王得毓.短波比较型原油含水测量仪［J］.辽宁工程技术大学学报，2004，23(3):365 －367.WANG De-zhi，GAN Jin-ying，WANG De － yu.Research on instrument of measuring water content in crude oil by shortwave comparison［J］.JournalofLiaoningTechnical University，2004，23(3):365 －367.

［6］李汉军，肖江淑.智能仪表的自动调零分析［J］.湖南工程学院学报(自然科学版)，2001，11(2):21 －23.LI Han-jun，XIAO Jiang-shu.Analysis of automatic zero set of intelligent instrument［J］.Journal of Hunan Insitute of Engineering，2001，11(2):21 －23.

［7］王献青.直接耦合放大电路中零点漂移的分析［J］.科技咨询，2004，(28):108.

［8］张春飞，罗家融.软件去除零点漂移方法的讨论［J］.计算机测量与控制，2004，12(7):684 －686.ZHANG Chun-fei，LUO Jia-rong.Discussion on the method of eliminating zero-offset based on software［J］.Computer Measurement and Control，2004，12(7):684 －686.

［9］陆品祯.国内外水分测量技术及水分计发展概况［J］.分析仪器，1990，(1):12 －17.LU Pin-zhen.Development of water content measurement tehniques and instruments［J］.Analytical Instrumentation，1990，(1):12 －17.

［10］宋志强，倪家升，王昌，等.海水盐度光学检测技术研究进展［J］.大气与环境光学学报，2010，5(4):247 －254.SONG Zhi-qiang，NI Jia-sheng，WANG Chang，et al.Development of the seawater salinity measurement technology based on opticsmethod［J］.Journalof Atmospheric and Environmental，2010，5(4):247 －254.

［11］钟绍实.短波吸收原理油样品含水分析方法［J］.机电产品开发与创新，2009，22(2):25 －26.ZHONG Shao-Shi.Short-wave absorption principleoil samples aquifer analysis method［J］.Development ＆Innovation of Machinery ＆ Electrical Products，2009，22(2):25－26.

［12］张燕燕，柳松旺.利用电容法测含水率［J］.电子商务，1997，(10):32－33.