短波法油中水分測(cè)量?jī)x的應(yīng)用

程良獎(jiǎng)，李保群，孫春鵬，曾 宏

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢430064)

0 引言

部分船舶燃油系統(tǒng)使用的燃油與海水混合一起儲(chǔ)存在各燃油艙中，向發(fā)動(dòng)機(jī)供油時(shí)，通過(guò)補(bǔ)充海水將儲(chǔ)存在燃油艙的燃油壓至日用燃油箱進(jìn)行沉淀、分離水分和雜質(zhì)，再通過(guò)日用燃油箱供給發(fā)動(dòng)機(jī)使用。當(dāng)燃油含水量較大，尤其是形成乳化油時(shí)，在較短時(shí)間內(nèi)，燃油不能得到充分有效的沉淀和分離，使得燃油中混合的海水進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性能。在船舶燃油系統(tǒng)設(shè)置油中水分測(cè)量?jī)x，可以在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)使用的燃油含水率，保證供給燃油合格，有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性和可靠性。

目前，在線測(cè)量油中水分的方法較多，主要有電容法［1］、短波法［2］、微波法［3］、紅外光法［4］等。短波法水分測(cè)量?jī)x作為一種常見(jiàn)的在線式油中水分測(cè)量?jī)x，廣泛應(yīng)用于油田、石化、電站等工業(yè)領(lǐng)域，但在船舶燃油系統(tǒng)尚無(wú)應(yīng)用先例。本文針對(duì)船用使用環(huán)境條件的特點(diǎn)，對(duì)短波法油中水分測(cè)量?jī)x在船舶燃油系統(tǒng)使用情況進(jìn)行了應(yīng)用研究，研究其在實(shí)際使用過(guò)程中存在的各種問(wèn)題，并分析其原因，為其船用適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 短波法工作原理

無(wú)線電磁短波頻率范圍為3～30 MHz，根據(jù)電磁波的物理特性，電磁波在通過(guò)液體介質(zhì)時(shí)部分能量被介質(zhì)吸收。同一頻率的電磁波通過(guò)不同介質(zhì)時(shí)，被介質(zhì)吸收的短波能量是不同的，吸收能量符合朗伯－貝爾定律:

式中:I為穿透能量;I0為入射能量;u為吸收系數(shù);c為介質(zhì)濃度;L為介質(zhì)厚度。

將式(1)轉(zhuǎn)換為:

對(duì)混合介質(zhì)有:

式中:u1，c1，L1和 u2，c2，L2分別為不同介質(zhì)的吸收系數(shù)、介質(zhì)濃度和介質(zhì)厚度。

當(dāng)測(cè)量?jī)x用于測(cè)量油中含水量時(shí)，則分別代表油和水。當(dāng)測(cè)量?jī)x的發(fā)射器發(fā)射頻率為一定頻率(約4 MHz)時(shí)，油對(duì)這個(gè)頻率的電磁短波能量吸收系數(shù)u2很小，這里可以將其近似為0，則式(2)轉(zhuǎn)換為:

對(duì)于一定頻率的電磁波，水的系數(shù)u1保持不變，當(dāng)發(fā)射器的結(jié)構(gòu)尺寸一定時(shí)，則L1確定，電磁波透射的能量被管系吸收，這個(gè)能量隨介質(zhì)的變化很小，可近似認(rèn)為恒定值。由式(3)可知，發(fā)射器發(fā)射能量I0只隨介質(zhì)濃度而變化，呈非線性曲線特征。發(fā)射器功率的變化將引起發(fā)射器內(nèi)部振蕩電源電流值的變化，將這個(gè)變化了的電流反饋給控制器，經(jīng)調(diào)零、放大、整形后，作為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)智能軟件處理、溫度補(bǔ)償?shù)却胧?，?shí)現(xiàn)油中含水率的測(cè)定［5］。

2 干擾因素對(duì)測(cè)量精度的影響

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在線式油中含水測(cè)量?jī)x的主要問(wèn)題是受具體工程應(yīng)用環(huán)境條件的影響，測(cè)量?jī)x輸出信號(hào)不穩(wěn)定，實(shí)際測(cè)量精度不能保證。本文針對(duì)各種可能影響短波法油中含水測(cè)量?jī)x的實(shí)際測(cè)量精度的因素分別進(jìn)行試驗(yàn)和分析，對(duì)影響實(shí)際測(cè)量精度的干擾因素給出相應(yīng)的抑制、解決措施。

本文試驗(yàn)采用的短波法油中含水測(cè)量?jī)x的標(biāo)稱絕對(duì)測(cè)量精度為±0.01%(體積比)，工作范圍0～1%。

2.1 零點(diǎn)漂移

零點(diǎn)漂移是指當(dāng)電路中輸入端短路時(shí)，輸出端也會(huì)有變化的電流存在的現(xiàn)象。當(dāng)輸出端的有用信號(hào)較弱時(shí)，零點(diǎn)漂移可能將有用信號(hào)淹沒(méi)，造成電路無(wú)法正常工作。一般通過(guò)提高系統(tǒng)中硬件的性能可以有效抑制零點(diǎn)漂移［6］，如恒溫措施、溫度補(bǔ)償電路、差動(dòng)放大電路［7］。在有些情況下硬件的方法是不可能完全滿足系統(tǒng)的要求的，必須結(jié)合軟件的方法才能更好地達(dá)到系統(tǒng)的要求［8］，如優(yōu)化零點(diǎn)漂移計(jì)算處理方法、溫度補(bǔ)償曲線等。試驗(yàn)人員將油中水分測(cè)量?jī)x置于靜止的、與大氣相通的純柴油中，觀察隨時(shí)間推移其零點(diǎn)漂移的情況，期間環(huán)境溫度在2～11℃范圍變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 零點(diǎn)漂移對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響Fig.1 Effect on actual measurement precision for null drift

試驗(yàn)用的油中水分測(cè)量?jī)x采用“真假信號(hào)比較法”來(lái)抑制零點(diǎn)漂移，即實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量信號(hào)(真信號(hào))和模擬樣品測(cè)量信號(hào)(假信號(hào))通過(guò)同一處理電路交替輸出測(cè)量信號(hào)，取2種信號(hào)的差值作為有效含水率信號(hào)。隨著環(huán)境溫度變化、零點(diǎn)漂移出現(xiàn)，實(shí)測(cè)信號(hào)和模擬樣品信號(hào)同時(shí)升降，但理論上二者的差值不變。通過(guò)這種方法可以有效抑制零點(diǎn)漂移影響。

從圖1可以看出，在長(zhǎng)達(dá)18 h的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，零點(diǎn)漂移對(duì)短波法油中水分測(cè)量?jī)x的實(shí)際測(cè)量精度的影響較小。

2.2 介質(zhì)溫度

在實(shí)際使用過(guò)程中，介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度或儀表監(jiān)控箱內(nèi)溫度一般并不相同，雖然部分儀表采取了抑制零點(diǎn)漂移的措施，但是介質(zhì)溫度變化也是引起測(cè)量誤差變化的一個(gè)主要原因之一。試驗(yàn)人員將油中水分測(cè)量?jī)x置于靜止的、與大氣相通的純柴油中，通過(guò)水浴改變柴油溫度，檢測(cè)溫度變化對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 介質(zhì)溫度對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響Fig.2 Effect on actual measurement precision for liquid temperature

從圖2可以看出，介質(zhì)溫度對(duì)短波法實(shí)際測(cè)量含水率的影響較大，達(dá)到±0.08%左右，從5～35℃升溫過(guò)程中，測(cè)量含水率數(shù)據(jù)先降后升，在25℃左右為拐點(diǎn);在從35～5℃降溫過(guò)程中，測(cè)量含水率先升后降，25℃左右為拐點(diǎn)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有:介質(zhì)溫度影響探測(cè)頭的電氣性能，導(dǎo)致測(cè)量電流值發(fā)生變化，測(cè)量電流值的變化經(jīng)綜合處理后，體現(xiàn)為測(cè)量含水率的變化。

鑒于短波法油中水分測(cè)量?jī)x受介質(zhì)溫度變化影響較大的特點(diǎn)，在實(shí)船使用時(shí)采取更加有效的介質(zhì)溫度補(bǔ)償措施，保證其實(shí)際使用性能能滿足要求。

2.3 壓力

介質(zhì)在管路流動(dòng)，其壓力根據(jù)實(shí)際使用情況會(huì)發(fā)生變化，試驗(yàn)人員將油中水分測(cè)量?jī)x置于介質(zhì)壓力在0～1 bar～0變化的柴油介質(zhì)管路中，檢測(cè)壓力變化對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 壓力變化對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響Fig.3 Effect on actual measurement precisionfor for pressure

從圖3可以看出，壓力較小時(shí)，壓力對(duì)短波法油中水分測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度影響也較小，當(dāng)壓力逐步加大后，壓力產(chǎn)生的影響也明顯加大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因有以下幾個(gè):

1)壓力對(duì)油中水分測(cè)量?jī)x的探測(cè)器的電氣性能產(chǎn)生影響;

2)當(dāng)壓力變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器處油中含氣量發(fā)生變化，理論上壓力增大會(huì)導(dǎo)致含氣量在體積上減少，相應(yīng)含水量會(huì)增加;同時(shí)壓力增大時(shí)探測(cè)器與油水混合液接觸面積增大(探測(cè)器上端始終存在部分空氣)，導(dǎo)致探測(cè)器接觸的混合液含水量也增加，測(cè)量含水率也相應(yīng)變大。

3)當(dāng)壓力變化時(shí)，介質(zhì)密度會(huì)發(fā)生變化，測(cè)量效果受介質(zhì)密度影響［9］。

鑒于短波法油中水分測(cè)量?jī)x受工作壓力變化影響的特點(diǎn)，當(dāng)工作壓力變化較小時(shí)，可以不采取介質(zhì)壓力補(bǔ)償措施，如果壓力變化較大，測(cè)量精度要求較高時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取壓力補(bǔ)償措施，保證其實(shí)際使用性能能滿足要求。

2.4 鹽度

在船用環(huán)境使用過(guò)程中，油中所含水分的鹽度可能會(huì)發(fā)生變化，鹽度變化是否會(huì)影響油中水分測(cè)量?jī)x的實(shí)際測(cè)量精度需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。受氣候與大陸的影響，海水鹽度因所處位置不同而有差異，世界大洋的平均鹽度為3.5‰［10］。試驗(yàn)人員將純柴油與淡水混合均勻，再逐步加入NaCl，使油中所含水分鹽度在從0升至4‰，將油中水分測(cè)量?jī)x至于均勻混合液中，檢測(cè)油中所含水分的鹽度變化對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 鹽度變化對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響Fig.4 Effect on actual measurement precision for salinity

從圖4可以看出，鹽度對(duì)短波法油中水分測(cè)量?jī)x影響甚微，其影響不超過(guò)其自身測(cè)量精度的波動(dòng)范圍(±0.01%)。

2.5 流速

介質(zhì)在管路流動(dòng)，其流速會(huì)根據(jù)實(shí)際使用情況發(fā)生變化，試驗(yàn)人員將油中水分測(cè)量?jī)x置于流速在0～1.5 m/s～0變化的柴油介質(zhì)管路中，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程介質(zhì)的雷諾數(shù)Re≤2 300，處于層流狀態(tài)，檢測(cè)流速變化對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 流速變化對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響Fig.5 Effect on actual measurement precision for liquid temperature

從圖5可以看出，在層流狀態(tài)下，流速對(duì)短波法油中水分測(cè)量?jī)x的實(shí)際測(cè)量精度影響很小，其影響不超過(guò)其自身測(cè)量精度的波動(dòng)范圍(±0.01%)。

2.6 雜質(zhì)

由于管路腐蝕等因素影響，介質(zhì)可能存在金屬雜質(zhì)，試驗(yàn)人員將油中水分測(cè)量?jī)x置于純柴油中，再摻入若干細(xì)鐵屑，并攪拌，定性觀察雜質(zhì)對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 雜質(zhì)變化對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響Fig.6 Effect on actual measurement precision for impurity

從圖6可以看出，在雜質(zhì)含量較少，對(duì)油中水分測(cè)量?jī)x的實(shí)際測(cè)量精度影響較小，但隨著雜質(zhì)含量增加，對(duì)實(shí)際測(cè)量精度影響急劇增大，甚至導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常工作。

由于短波法油中水分測(cè)量?jī)x通過(guò)檢測(cè)短波的能量損失來(lái)探測(cè)含水率，因此任何導(dǎo)致短波能量損失干擾因素都可能影響實(shí)際測(cè)量精度，油中所含金屬雜質(zhì)吸收部分短波的能量，相當(dāng)于油中含水量“增加”，因此油中金屬雜質(zhì)含量對(duì)油中水分測(cè)量?jī)x的實(shí)際測(cè)量精度有直接的影響，同時(shí)當(dāng)雜質(zhì)含量較大時(shí)，油中水分測(cè)量?jī)x的探測(cè)頭表面會(huì)粘附部分雜質(zhì)，嚴(yán)重影響油中水分測(cè)量?jī)x的性能，造成實(shí)測(cè)含水率讀數(shù)大范圍波動(dòng)或嚴(yán)重失實(shí)，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。

鑒于雜質(zhì)對(duì)短波法油中水分測(cè)量?jī)x測(cè)量精度有較大影響，當(dāng)油中可能含有較多雜質(zhì)時(shí)，應(yīng)配置油過(guò)濾器，防止雜質(zhì)污染探測(cè)頭，影響實(shí)際測(cè)量精度，保證其實(shí)際使用性能能滿足要求。

2.7 含氣量

介質(zhì)在管路里流動(dòng)的實(shí)際上是油、氣、水三相流，且油、氣、水的3種成份是動(dòng)態(tài)變化的。試驗(yàn)人員將油中水分測(cè)量?jī)x置于柴油管路中，通過(guò)不斷攪拌使介質(zhì)混入大量空氣，通過(guò)停止攪拌，隨著時(shí)間推移，管路中空氣逐步消失，檢測(cè)油中含氣量變化對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 含氣量變化對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響Fig.7 Effect on actual measurement precision for amount of gas

從圖7可以看出，攪拌時(shí)油中含氣量增大，測(cè)量出來(lái)的含水率逐漸下降;攪拌到一定時(shí)間后油氣平衡，含氣量不再增加，測(cè)量出來(lái)的含水率基本不發(fā)生較大變化;停止攪拌后，油中含氣量逐漸減少，測(cè)量出來(lái)的含水率逐漸上升。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是空氣與油品一樣，對(duì)短波能量的吸收很少，此時(shí)由于介質(zhì)中含有氣體，則造成吸收能量減少，氣體成份可以當(dāng)油來(lái)看，這樣造成油水含量比例測(cè)定誤差［11］。為了防止含氣量對(duì)短波法油中水分測(cè)量?jī)x的使用效果造成干擾，在實(shí)船使用過(guò)程中應(yīng)當(dāng)在其進(jìn)口前配置油氣分離器。

2.8 油水混合均勻性

介質(zhì)中油、水同時(shí)存在，一般情況下處于非均勻混合狀態(tài)，試驗(yàn)人員將油中水分測(cè)量?jī)x置于裝有油水混合液的油桶中，通過(guò)改變油中水分測(cè)量?jī)x測(cè)點(diǎn)位置及緩慢攪拌油水混合液，測(cè)量不同位置和不同混合狀態(tài)的油水混合液，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 油水混合均勻性對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響Fig.8 Effect on actual measurement precision for uniformity between oil and gas

從圖8可以看出，雖然在同一桶油水混合液中，但由于油水混合不均勻，帶來(lái)測(cè)量結(jié)果有很大的偏差，且具有隨機(jī)性。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是短波法油中水分測(cè)量?jī)x的有效測(cè)量流場(chǎng)有限，只能探測(cè)到探測(cè)頭與屏蔽罩之間的介質(zhì)的含水率，其他位置的介質(zhì)含水率不能感知，其測(cè)量原理屬于對(duì)管內(nèi)兩相流體點(diǎn)線式采樣，不能正確全面反映混合兩相流的情況，在實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)量精度能達(dá)到要求，在具體的現(xiàn)場(chǎng)工況條件下不能滿足測(cè)量精度要求［12］。因此在實(shí)際使用過(guò)程中應(yīng)盡量將油中水分測(cè)量?jī)x探測(cè)頭布置在油水混合比較均勻的位置，如經(jīng)過(guò)一段彎管后向上流動(dòng)的豎直管道內(nèi)。

2.9 電磁場(chǎng)干擾

電磁場(chǎng)對(duì)有些精密儀表可能會(huì)產(chǎn)生干擾，為了定性驗(yàn)證電磁場(chǎng)是否會(huì)干擾短波法油中水分測(cè)量?jī)x的實(shí)際測(cè)量精度，試驗(yàn)人員將油中水分測(cè)量?jī)x置于油水均勻混合液中，在靠近油中水分測(cè)量?jī)x探測(cè)頭及監(jiān)控箱約0.2 m處頻繁手動(dòng)電鉆，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 電磁場(chǎng)對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響Fig.9 Effect on actual measurement precision for electromagnetic field

從圖9可以看出，手動(dòng)電鉆產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)短波法油中水分測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度影響甚微，其影響不超過(guò)其自身測(cè)量精度的波動(dòng)范圍(±0.01%)。

2.10 振動(dòng)

油中水分測(cè)量?jī)x安裝在系統(tǒng)管路上，不可避免地要受到外力作用發(fā)生振動(dòng)，為了定性驗(yàn)證管路振動(dòng)是否會(huì)干擾短波法油中水分測(cè)量?jī)x的實(shí)際測(cè)量精度，試驗(yàn)人員將油中水分測(cè)量?jī)x置于油水混合均勻的管路上，在離油中水分測(cè)量?jī)x0.5 m處小幅度搖晃管路，在油中水分測(cè)量?jī)x處產(chǎn)生1～2 mm的振幅，觀察測(cè)量含水率是否發(fā)生變化，再加大搖晃幅度，然后停止搖晃，觀察測(cè)量含水率是否發(fā)生變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 振動(dòng)對(duì)實(shí)際測(cè)量精度的影響Fig.10 Effect on actual measurement precision for oscillation

從圖10可以看出，小幅度振動(dòng)對(duì)傳感器測(cè)量精度影響較小，當(dāng)振幅顯著加大時(shí)，測(cè)量含水率讀數(shù)有1個(gè)顯著的跳躍性波動(dòng)，停止振動(dòng)后含水率讀數(shù)逐步下降。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是當(dāng)振動(dòng)幅度較小時(shí)，不會(huì)對(duì)管路中油水混合均勻性產(chǎn)生較大影響，因此對(duì)含水率測(cè)量誤差也影響較小;當(dāng)振動(dòng)幅度加大時(shí)，不但對(duì)油水混合均勻性產(chǎn)生較大影響，而且造成油中含氣量發(fā)生變化、探測(cè)器處測(cè)量壓力也發(fā)生波動(dòng)，探測(cè)器與油水混合液也不能有效接觸，因此測(cè)量含水率出現(xiàn)劇烈波動(dòng);停止振動(dòng)后測(cè)量壓力恢復(fù)正常，含氣量較以前有較大增加，因此體現(xiàn)出含水率下降。但經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間后，其含氣量、油水混合均勻性恢復(fù)到以前狀態(tài)，因此其測(cè)量含水率也基本恢復(fù)到試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的數(shù)值。

鑒于振動(dòng)對(duì)油中水分測(cè)量?jī)x測(cè)量精度有較大影響，在實(shí)船使用過(guò)程中應(yīng)當(dāng)采取減振措施，并對(duì)油中水分測(cè)量?jī)x進(jìn)行固定，防止振動(dòng)對(duì)使用效果造成干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

短波法油中水分測(cè)量?jī)x在船舶燃油系統(tǒng)應(yīng)用存在許多可能影響其實(shí)際測(cè)量精度的干擾因素，如零點(diǎn)漂移、介質(zhì)溫度、壓力、鹽度、流速、雜質(zhì)、含氣量、油水混合均勻性、電磁場(chǎng)、振動(dòng)等。本文通過(guò)試驗(yàn)研究表明:介質(zhì)溫度、壓力、雜質(zhì)、含氣量、油水混合均勻性、振動(dòng)等干擾因素對(duì)短波法油中水分測(cè)量?jī)x實(shí)際使用效果有較大的影響，裝船使用還需完善適應(yīng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)或在系統(tǒng)管路上采取相應(yīng)的抑制干擾措施。本文為短波法油中水分測(cè)量?jī)x的改進(jìn)設(shè)計(jì)和提高其現(xiàn)場(chǎng)使用性能提供了較好的理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)。

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