基于介電常數法的高精度油品含水率檢測儀
油品含水率影響潛艇和飛機等裝備的液壓系統、燃油系統、滑油系統的可靠性和安全性，要求含水率小于0.01%�；�介電常數法建立了采集油水混合乳液介電常數變化的電容傳感器的數學(xué)模型，并經(jīng)過(guò)溫度補償修正。采用S3C2410ARM9作為控制核心，以WinCE作為操作系統管理多個(gè)任務(wù)，通過(guò)AD7745實(shí)現介電常數與電容量的數字轉換，設計實(shí)現了0.01級精度的油品含水率檢測儀。實(shí)驗表明：在-5℃～60℃溫度條件下和0～0.35%含水率范圍內，潤滑油和輕質(zhì)成品油的含水率精度達到了0.01，且具有重復性好、可靠性高、設備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)�？蓱迷谂炌�、電力、航空航天等對油品含水率要求嚴格的領(lǐng)域，以保證裝備的可靠性和安全性。
油品中的水分對潛艇、飛機等裝備中的高性能液壓系統、燃油系統、滑油系統可靠性和安全性等有著(zhù)重要影響，這些系統通常要求含水率小于0.01%，即達到0.01級的品質(zhì)。目前，國內對0.01級油品含水率檢測裝置主要是進(jìn)口國外產(chǎn)品。用于油品含水率檢測的方法主要有：短波吸收法、射頻法。短波法是對油管內二相流體進(jìn)行點(diǎn)線(xiàn)式的采樣，不能有效表達混合兩相流的情況，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量誤差。射頻法是基于射頻阻抗理論，具有重復性好、體積小、響應快等特點(diǎn)。是，該方法電路復雜、成本高，而且工況條件下高頻電路隨著(zhù)工作時(shí)間的延長(cháng)而產(chǎn)生顯著(zhù)漂移，難以得到0.01級精度的檢測。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)考慮到水和油介電常數相差較大，且油品含水量是影響油品介電常數的主要因素，其微小變化就可引起油品介電常數的較大變化，當建立與介電常數變化相對應的電容值變化的數學(xué)模型后，通過(guò)測量電容值就可得到含水率。因此，本文擬采用介電常數法研究0.01級精度的油品含水率檢測方法和儀器，以滿(mǎn)足高精度油品含水率檢測到需求。
1、油品電容模型設計
1.1、介電常數法原理
介電常數是介質(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ε0約為8.854×10-12 F/m，習慣上用相對介電常數表示(以下簡(jiǎn)稱(chēng)介電常數)，其定義為介電常數與真空介電常數之比，即εr=ε/ε0，柴油的介電常數為2.1，汽油的為1.9，而水的介電常數為80，油與水的介電常數相差較大，含水率微量的變化就會(huì )引起油水混合乳液介電常數的變化。根據電介質(zhì)物理學(xué)的理論，油水混合乳液的介電常數的表達式為：
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。
4、系統實(shí)驗
為了檢驗檢測儀的性能，分別采用5W-40/SM潤滑油和93號輕質(zhì)成品油進(jìn)行了檢測實(shí)驗，在-5℃～60℃的情況下，測得的與不同含水率相對應的電容值變化和介電常數的變化關(guān)系如圖4和圖5所示。
圖4 潤滑油電容及介電常數與含水率變化關(guān)系
圖5 輕質(zhì)成品電容及介電常數與含水率變化關(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)，油品的介電常數變化顯著(zhù)，使得檢測得到的電容值也相應變化，在0.01精度要求范圍內，電容值與含水率的關(guān)系呈線(xiàn)性關(guān)系。
5、結語(yǔ)
依據介電常數法建立了油水混合液含水率檢測的電容器數學(xué)模型，并設計實(shí)現了電容傳感器。介電常數法采用了管道內混合流體的平均法測量，特別適合工況條件下油水二相流流型復雜的要求。介電常數法的量程范圍小，非常適用于檢測潛艇與航空類(lèi)裝備中油品含水率較低的應用。采用ARM嵌入式系統實(shí)現的含水率檢測儀，經(jīng)過(guò)對潤滑油和輕質(zhì)油品進(jìn)行檢測實(shí)驗，驗證了含水率與油品介電常數關(guān)系及以及建立的電容數學(xué)模型的正確性，在0.01級檢測精度要求范圍內呈線(xiàn)性關(guān)系，使檢測儀精度達到了0.01級，可以滿(mǎn)足潛艇和航空裝備中對檢測油品含水率精度的需要，保障系統的可靠性和安全性，也可應用在其他各類(lèi)對油品含水率有嚴格要求的領(lǐng)域。具有測量精度高、重復性好、可靠性高，設備簡(jiǎn)單、安裝和維護方便等優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現0.01級精度油品含水率檢測儀國產(chǎn)化提供了技術(shù)方案。
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