基于智能化油库油品测量管控检测新技术研究

2024-05-07尉雪玲

粘接 2024年3期

摘要：油中水分监测是实现油库工艺中油品健康评估、状态预警、故障诊断、智能维护的重要途径。因此提出了一种智能化测量管控系统，该智能化测量系统利用水分比油消耗更多的微波能量的原理，借助传感器可实现油中水分含量的无损测量。试验结果表明，该系统可测量油品中水分含量为0.01%～0.8%，单次检测绝对误差小于±0.05%，10次检测平均检测绝对误差小于±0.02%。研究有助于无损检测油品中水分含量，为油库中油品质量监督提供参考。对于智能化信息融合的现代油库中油品的诊断与预测具有重要价值和广阔的工程应用前景。

关键词：智能化；油库；油品检测；技术研究

中图分类号：TQ427.2+6;TE972

文献标志码：A文章编号：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

工業生产中使用的油品质量越来越受到关注，特别是工业油中的水分含量检测问题逐渐受到重视［1］。如验证了X波段微波检测石油管道中水分的可行性，确定了石油中的水分［2］；采用双天线结构检测原油中的水分，可以检测出原油中0%～100%的水分［3］；设计了一种微波传输方式的原油含水率检测系统，可以检测出2%～7.5%的水分，测量精度高于5%［4］；设计了一种具有圆形孔径的喇叭天线，进一步研究油水混合物类型的影响［5］；介绍了一种由可调式介质干涉仪，用于测试液体石油产品的质量［6］。

目前常利用传感器检测微波，但由于油库环境温度高，有害气体较多，会进一步影响传感器的稳定性［7］。水凝胶材料已成功应用于传感器，该水凝胶材料传感器具有拉伸性、对外部应变的高灵敏度和快速的自我修复能力，可适应于各种环境［8］。基于此，研究设计了一个使用10 GHz微波测量油中水分含量的测量系统，并使用无定形碳酸钙与海藻酸盐/聚丙烯酸交联制作的水凝胶材料传感器，用于检测油库工艺油中水含量变化。

1 系统原理

在油水混合物中，水分子是极性分子，油库中油分子是非极性分子，极性分子在电场中可以极化，但非极性分子不容易极化［9］。随着交变电场频率的增加，水分子的极化滞后于电场的变化速度，所以交变电场的能量被消耗，但油库中油基本上不消耗电场的能量，电场能量的损失与水分子的数量成正比。电介质的复数容限表示为：

2 测量系统的设计

根据该系统的原理，水凝胶材料传感器在油库中应具有发射和接收微波的能力，同时具有放大微波的功率，且可以检测发射和接收微波的功率，处理与微波功率相对应的检测电压，计算油库中的含水量并显示结果［12］。为了达到更好的检测精度并确保测量系统具有较低的成本，选择10 GHz作为系统的工作频率，主要由于10 GHz是常用的微波遥感频率。

系统的信号源是压控振荡器（VCO）HMC512，其产生的微波为10 GHz，功率约为9 dBm。可变增益放大器（VGA）HMC996可将微波功率放大到约23 dBm，因此定向耦合器耦合端的输出功率约为0 dBm，该数值是对数检测器HMC948输出电压线性范围的最大输入功率。对数检测器在油库输出的电压被2个运算放大器放大到相同的数值，以补偿检测系统的初始损耗。2个电压通过减法器后，输出电压可以利用水凝胶材料传感器反映微波的衰减值。则输出电压的表达式为：

V输出=（V－V接受）×放大倍数（11）

减法器的放大倍数为100，HMC948的输出斜率为15.9 mV/dB，运算放大器的放大倍数约为2.2，当减法器输出3 400 mV的最大电压时，油库检测系统利用水凝胶材料传感器可以检测到1 dB以内的微波功率衰减［13］。然后，具有16位精度的模数转换器（ADC）对该电压进行转换，并将数据发送到微控制单元（MCU）以计算油中水分含量。ADC的输出数据可以表示为：

x=A×15.9×2.2×1003 400×（216－1）（12）

式中：x为ADC输出的检测数据；A为微波的衰减。

x的最大值为65 535。同时还设计了一个用于发射和接收微波的水凝胶材料传感器。该水凝胶材料传感器的工作频率为10 GHz，波导的型号为WR-90，工作频段为8.2～12.4 GHz，内部尺寸为2.6 cm×4.8 cm，波导长度为37.5 mm，角部尺寸为6.05 cm×8.3 cm，角部长度为10.5 cm。将其水凝胶材料传感器安装于油库最顶端，可以实时检测油库中水分含量变化，进一步确保油库中油品的质量，提高油库工艺技术。

3 试验结果分析

3.1 油库工艺系统中水分检测研究

为了实现这一功能，当水凝胶材料传感器收集到油库中的数据时，实时上传到智能化测量系统中，并进一步研究油库中油品的具体参数值和含水量之间关系的數学模型进而获得油中含水量结果。利用水分比油消耗更多的微波能量的原理，设计一个使用10 GHz微波的硬件系统［14］。当微波衰减约为1 dB时，放大倍数为100的减法器电路将对数检测器的输出电压放大到3 400 mV。因此，将油库中油品的具体参数值作为自变量，通过二次多项式拟合得到含水量的计算模型。根据实验测试结果，所设计的测量系统可以检测出油中0.01%～0.8%的水分含量，水分含量的计算公式为：

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

式中：x是油库中检测系统输出的检测数据；y是计算出的水分含量。

式（13）与测试结果之间的拟合度R2和测试结果之间的拟合度为0.996 46。并利用式（13）计算系统重复性测试结果，如图1所示。

由图1可知，该系统利用水凝胶传感器可检测油库中油0.01%～0.8%体积的含水率，分辨率为0.01%，单次检测绝对误差小于±0.05%，10次检测平均检测绝对误差小于±0.02%。

3.2 油库温度对水分损失的影响

外界温度的变化会对内部油库温度产生一定影响，同时温度过高也会导致水凝胶传感器稳定性下降［15］。因此，需要进一步研究油库温度变化对水分的影响。设定油库温度测试范围为30～80 ℃，以油库室温26 ℃作为参考。同时若油库温度较高，会对油中水产生一定损失。因此使用检测系统测定油库温度，然后在达到稳定温度（26 ℃）后测量油中含水率的损失。油中含水率的损失和温度之间的结果如图2所示。

由图2可知，随着温度的升高，油库中含水率损失会进一步增加，上升速度也逐渐加快。这表明，随着油库温度的升高，会进一步导致油的水溶性增加，导致油库中油的可溶性下降，会进一步降低油品质量［16］。且随着温度因素的变化，油中水分的反应会受到一定程度的影响，但水凝胶材料传感器由于自身材料的稳定性，在温度为30～80 ℃时，不会对水凝胶材料传感器造成任何结构损坏，当油库温度达到30 ℃时，油中含水率损失为0.92%；当油库温度达到80 ℃时，油中含水率损失为0.98%。因此，通过微波能量检测系统技术进行连续的油中水分测量，可以实时保证油品质量，并可检测油中水分变化。在实际检测中，由于油库中油的品质会受到很多因素的影响，不仅仅是水分含量，还会受杂质和油颜色变化等影响。

3.3 智能化测量系统性能

为了测试智能化测量系统性能，整个测量系统装置在恒定的油库温度下进行，以保持测量系统恒定的相对介电率，同时利用MATLAB对系统性能进行模拟，以研究系统性能。测量系统的回波损耗如图3所示。

从图3可以看出，模拟的谐振频率是6.9 GHz，而实验中的谐振频率是6.87 GHz。实验会受到各种外部因素的影响。其由于油库中水会受外界温度影响会进一步导致谐振频率出现一定的偏差。此外，由于智能化测量系统在6.9 GHz的高频率下工作，具有一定介质损耗的电介质基底会发热，这将增加智能化测量系统的温度并导致频率偏移，同时也会对油库中水含量产生一定干扰，频率约为30 MHz，频移与中心谐振频率的比率约为0.004 3。智能化测量系统的实验误差对油库工艺中水的测定影响较小。仿真和测试的回波损耗在谐振频率下都低于-30 dB，可以满足实际油库工艺检测。

为进一步检验智能化系统对油中水的测试效果，测量了5个不同的油水浓度样品，结果如图4所示。

由图4可知，当油中的含水量不同时，智能化系统的带宽和共振频率也完全不同。含水量分别为1%、2%、3%和4%的样品测得的谐振频率分别为6.83、6.70、6.65、6.51和6.46 GHz，回波损耗分别为-25.22、-34.94、-25.55、-25.58和-22.83 dB。随着油样中含水量的增加，谐振频率逐渐降低。因此，可以通过读取智能化系统的谐振频率来识别油中的含水量。

4 结语

设计了一种利用微波传输法测量油中水分含量的测量系统。利用水分比油消耗更多微波能量的原理，设计了一种使用10 GHz微波的硬件系统。通过测试水分含量为1%～4%的样品，验证了测量系统的性能，可以满足实际油库油品中水的检测。且系统单次检测绝对误差小于±0.05%，10次检测平均检测绝对误差小于±0.02%。

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