Oil Water Content Detector Based on Dielectric Constant Method with High Accuracy*

ZHANG Pingchuan，LI Xingshan，LI Buyin

(1.School of Information Engineering，Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang Henan 453003，China; 2.School of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China; 3.Luohe Medical College，Luohe Henan 462002，China)

Oil Water Content Detector Based on Dielectric Constant Method with High Accuracy*

ZHANG Pingchuan1，2，LI Xingshan3，LI Buyin2*

(1.School of Information Engineering，Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang Henan 453003，China; 2.School of Optical and Electronic Information，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China; 3.Luohe Medical College，Luohe Henan 462002，China)

The military equipment reliability of hydraulic system，fuel system，lubricating oil system in submarines and aircrafts are greatly influenced by the water content of the oil，so the water content of the oil is often required less than 0.01%(0.01 Level).In order to develop such an instrument for detecting water content，this paper based on the dielectric constant principles to design a capacitance sensor for collecting the dielectric constant changing of the oil-water mixture and established the related mathematical model which is revised by temperature compensation for improving the measuring accuracy to 0.01.The S3C2410 ARM9 was used as the controller and WinCE as an operating system to manage multiple tasks，AD7745 for digital conversion of capacitance.It can be concluded from the experiments results that under the condition of-5℃～60℃and 0～0.35%water content for detecting lubricating oil and light oil products，both of the accuracy reached 0.01 level，and has good repeatability，high reliability，etc.It can be used in the fields strict for oil water content such as military ships，electric power，and aerospace，to ensure the high reliability of military equipment.

oil of submarines and aerospace;water content of oil;dielectric constant;capacitance sensor model;reliability;ARM

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)［1-2］。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)。但是，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)?？紤]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［3-4］。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8.854×10-12F/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［3］。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)。

當(dāng)采用電容傳感器來(lái)檢測(cè)油水混合乳液的介電常數(shù)ε時(shí)，傳感器輸出電容Cx可表示為:

式(2)中，Ca表示介質(zhì)為真空(干燥空氣)時(shí)傳感器的電容，C'表示傳感器的雜散分布電容。

當(dāng)電容傳感器的結(jié)構(gòu)及幾何尺寸確定之后，它的輸出電容Cx就是油中含水率W的單值函數(shù)，這時(shí)傳感器相對(duì)純油時(shí)的電容變化量ΔC為:

式(3)中，CH為純油時(shí)傳感器的輸出電容。

由式(3)可以看出，當(dāng)油中為低含水率時(shí)，電容傳感器的ΔC與含水率W成線性關(guān)系?？梢?jiàn)，在含水率較小的情況下，傳感器測(cè)得油中水分具有較好的線性度，此時(shí)含水率與電容值的關(guān)系可表示為:

介電常數(shù)法利用油水混合乳液的介電常數(shù)和含水率有關(guān)的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)油中含水率的測(cè)量。通常情況下為了便于分析計(jì)算，認(rèn)為油水混合乳液的介電常數(shù)只與含水率有關(guān)，而常忽略烴類(lèi)組成、壓力、密度、含氣量和溫度等因素的影響，對(duì)于潛用柴油來(lái)說(shuō)，溫度的影響不可忽視，對(duì)于柴油這樣的輕質(zhì)油品，介電常數(shù)隨溫度的變化的升高而減小。這是由于溫度升高時(shí)油水乳化液中分子的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，使其極化更加困難。據(jù)測(cè)試，在含水率小于10%的時(shí)候，如果忽略溫度的因素，被測(cè)油溫變化10℃時(shí)，會(huì)引入約0.15%的測(cè)量誤差。

對(duì)于使用工況較好(如烴類(lèi)組成穩(wěn)定、微含氣量、、流動(dòng)均勻、密度和壓力恒定)的柴油而言，溫度變化對(duì)油品含水率測(cè)量結(jié)果影響較大，因此，考慮介質(zhì)溫度補(bǔ)償后，建立的電容傳感器的數(shù)學(xué)模型為:

式(5)中，W為油中含水率，μ、β、γ為系數(shù)，t0為基準(zhǔn)溫度，t為介質(zhì)溫度，Cx為電容實(shí)際數(shù)值。在已知標(biāo)準(zhǔn)含水率及介質(zhì)溫度下，對(duì)上式進(jìn)行標(biāo)定，即可得到需要的電容傳感器的數(shù)學(xué)模型。

由式(5)可知，計(jì)算含水率W的相關(guān)因素中，Cx和t為W的兩個(gè)變?cè)?。根?jù)最小二乘法的原理，確定參數(shù)μ、β、γ的問(wèn)題最終歸結(jié)為求以下三元一次函數(shù)的極小點(diǎn)(μ*、β*、γ*)。

由多元函數(shù)取極值的必要條件可知，μ*、β*、γ*為下列方程的解。

即可得到如下方程組:

若取基準(zhǔn)溫度t0=20℃，在標(biāo)準(zhǔn)含水率Wi條件下，測(cè)量電容傳感器的輸出電容Cxi和介質(zhì)溫度ti，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入上式，即可求出參數(shù)μ*、β*、γ*，由此，電容傳感器的溫度補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型就可以建立了。

從模型可以看出，介電常數(shù)法采用管道內(nèi)混合流體的平均值，適合于工況條件下二相流流型復(fù)雜的要求，即使管道有少量游離氣體存在，也不會(huì)引起較大測(cè)量值誤差，容易實(shí)現(xiàn)工況條件下的測(cè)量精度的要求。且介電常數(shù)法的量程小，特別適用于檢測(cè)含水率較小的情況。

1.2 電容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電容傳感器是檢測(cè)儀的關(guān)鍵部件，為了簡(jiǎn)化制造工藝和安裝方便，采用同軸圓筒形電容結(jié)構(gòu)，電容傳感器探頭采用1Crl8Ni9Ti不銹鋼制備，電容的外電極板上開(kāi)一定規(guī)律的圓孔，能夠起到自均流作用。內(nèi)電極涂敷聚四氟乙烯絕緣層，表面光滑，以消除水分的導(dǎo)電效應(yīng)，也可增強(qiáng)探頭的機(jī)械強(qiáng)度，增大抗壓能力，使得輸出信號(hào)基本穩(wěn)定［5-8］。電容傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 中，設(shè)同軸圓筒形電容傳感器探頭內(nèi)電極半徑為r，外電極半徑為R，內(nèi)電極絕緣層厚度為δ，絕緣材料介電常數(shù)為ε1，電極長(zhǎng)度為L(zhǎng)，油水混合乳液的介電常數(shù)為ε2。電容傳感器的電容量Cp等效為絕緣層和油水混合乳液電容的串聯(lián)值。Cp的表達(dá)式為:

由于δ取值較小(約幾十μm)，遠(yuǎn)小于r和R (約幾十毫米)，因此上式可變換成:

又已知Cp相對(duì)純油時(shí)的電容增量ΔC為:

式中，εH，ε0，ε分別表示純油、純水和混合乳液的介電常數(shù)，W表示油中含水率。

取L=100 mm，R=40 mm，r=20 mm，純油的情況下，Cp≈16.82 pF，如果W為0～3%，代入上式，可得到ΔC≈1.44 pF。

傳感器采用全封閉鎧裝結(jié)構(gòu)，以保證其有很好的屏蔽性，可安裝在油箱的底部或側(cè)面。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

油品含水率檢測(cè)儀系統(tǒng)方案如圖2所示，其主要由傳感器和測(cè)控兩部分組成［9-13］。

圖2檢測(cè)裝置組成原理圖

圖2 中，電容傳感器將油水乳液的介電常數(shù)轉(zhuǎn)換為電容量，實(shí)現(xiàn)油中含水率的在線實(shí)時(shí)測(cè)量，溫度傳感器實(shí)現(xiàn)油水乳液實(shí)時(shí)溫度的測(cè)量，電容和溫度信息輸入到測(cè)量裝置，并由測(cè)控裝置完成數(shù)據(jù)采集與處理、溫度補(bǔ)償處理，結(jié)果顯示以及遠(yuǎn)程信息輸出等功能。

本系統(tǒng)采用專(zhuān)用集成電路AD7745實(shí)現(xiàn)電容傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換［14-15］。AD7745是美國(guó)ADI公司推出的24 bit Σ-Δ電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)，可直接連接電容傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量。其特點(diǎn)是:高分辨率(最低4 aF)、高線性度(±0.01%)和高精度(±4 fF工廠校準(zhǔn))等;具有一個(gè)雙線式與I2C兼容的串行接口;可采用2.7 V～5.25 V單電源供電，額定工作溫度范圍為-40℃～125℃。

設(shè)置AD7745工作在單端偏置模式，電容輸入范圍為13 pF～21 pF，根據(jù)上述分析，在含水率計(jì)量范圍為0～3%時(shí)，電容傳感器的變化范圍約為16.82 pF～18.26 pF，顯然可以滿足AD7745的輸入要求。假設(shè)電容傳感器在計(jì)量范圍內(nèi)測(cè)量結(jié)果是理想的，計(jì)量精度為RM，計(jì)量動(dòng)態(tài)范圍為ΔM=3%，已知AD7745在整個(gè)量程范圍內(nèi)最大絕對(duì)誤差為RC=|±4aF|=4 ×10-3pF，量程為ΔC≈1.44 pF，則依據(jù)RM/ΔM= RC/ΔC，可得含水率轉(zhuǎn)換精度RM≈±8.3×10-6。

溫度補(bǔ)償電路中，選用抗干擾能力強(qiáng)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)。

嵌入式工控主板選用具有“ARM9+WinCE”架構(gòu)的S3C2410來(lái)實(shí)現(xiàn)，S3C2410為三星公司生產(chǎn)，已內(nèi)置了WinCE嵌入式操作系統(tǒng);顯示屏選用帶觸摸屏的TFT LCD，實(shí)時(shí)顯示含水率、溫度等數(shù)據(jù)信息。

系統(tǒng)工作時(shí)，ARM處理器通過(guò)I2C接口電容信號(hào)轉(zhuǎn)換器以及溫度單總線轉(zhuǎn)換器相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集;以太網(wǎng)接口為主機(jī)調(diào)試接口，通過(guò)其下載執(zhí)行代碼;RS232串口實(shí)現(xiàn)與其他擴(kuò)展智能串口設(shè)備連接;顯示屏主要完成界面顯示功能;矩陣鍵盤(pán)為輸入設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)的輸入和控制等功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)為WinCE 5.0，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Embedded VC++4.0。

系統(tǒng)中的功能程序模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用多線程結(jié)構(gòu)，利用多個(gè)線程、完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等任務(wù)。

圖3 應(yīng)用軟件功能模塊

系統(tǒng)充分利用Windows CE操作系統(tǒng)的多線程的特點(diǎn)將不同的任務(wù)分布到各個(gè)線程中，使各個(gè)任務(wù)同步而協(xié)調(diào)地進(jìn)行。主線程負(fù)責(zé)人機(jī)接口，其中包括數(shù)據(jù)的LCD實(shí)時(shí)顯示、串口數(shù)據(jù)的定時(shí)發(fā)送、觸摸屏輸入響應(yīng)以及看門(mén)狗WDT的響應(yīng)等。為了保證數(shù)據(jù)的采集不被其他線程中斷，設(shè)置了一個(gè)優(yōu)先級(jí)較高的線程管理數(shù)據(jù)采集，保證了各個(gè)任務(wù)線程(人機(jī)接口線程、數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)處理線程)協(xié)調(diào)地完成各自的工作。線程間的通訊通過(guò)消息響應(yīng)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

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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［15］AD7745/AD7746 Datasheet［M］.USA:Analog Device Inc，2005:9.

張平川(1968-)，副教授，博士，微電子學(xué)與固體電子學(xué)專(zhuān)業(yè)。研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、射頻技術(shù)與信號(hào)處理，362764053 @qq.com;

李興山(1972-)，男，河南滑縣，碩士，1996年于河南師范大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位，副教授，研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)和電子技術(shù)應(yīng)用，604141388@qq.com;

黎步銀(1966-)，湖北荊州，華中科技大學(xué)教授，博導(dǎo)，研究方向?yàn)樾畔⒐δ懿牧吓c器件、智能系統(tǒng)、傳感器與儀器儀表、鋰離子電池與燃料電池，libuyin @mail.hust.edu.cn。

基于介電常數(shù)法的高精度油品含水率檢測(cè)儀*

張平川1，2，李興山3，黎步銀2*
(1.河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003;2.華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院，武漢430074; 3.漯河醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校，河南漯河462002)

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%?；诮殡姵?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S3C2410 ARM9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)?？蓱?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。

潛艇與飛機(jī)油品;含水率;介電常數(shù);電容傳感器模型;可靠性;ARM

TP212.1;E919

A

1004－1699(2014)03－0416－05

2013-12-31修改日期:2014-03-07

C:7210A;7230L;7310K;7990

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.03.026

項(xiàng)目來(lái)源:河南省教育廳自然科學(xué)科技攻關(guān)項(xiàng)目(2011C510009)