基于介电常数法的高精度油品含水率检测仪

　　油品含水率影响潜艇和飞机等装备的液压系统、燃油系统、滑油系统的可靠性和安全性，要求含水率小于0.01%。基于介电常数法建立了采集油水混合乳液介电常数变化的电容传感器的数学模型，并经过温度补偿修正。采用S3C2410ARM9作为控制核心，以WinCE作为操作系统管理多个任务，通过AD7745实现介电常数与电容量的数字转换，设计实现了0.01级精度的油品含水率检测仪。实验表明：在-5℃～60℃温度条件下和0～0.35%含水率范围内，润滑油和轻质成品油的含水率精度达到了0.01，且具有重复性好、可靠性高、设备简单等优点。可应用在舰艇、电力、航空航天等对油品含水率要求严格的领域，以保证装备的可靠性和安全性。

　　油品中的水分对潜艇、飞机等装备中的高性能液压系统、燃油系统、滑油系统可靠性和安全性等有着重要影响，这些系统通常要求含水率小于0.01%，即达到0.01级的品质。目前，国内对0.01级油品含水率检测装置主要是进口国外产品。用于油品含水率检测的方法主要有：短波吸收法、射频法。短波法是对油管内二相流体进行点线式的采样，不能有效表达混合两相流的情况，尤其是工况条件下，油水的混合不可能是完全均匀的，因此工况条件下存在较大的测量误差。射频法是基于射频阻抗理论，具有重复性好、体积小、响应快等特点。是，该方法电路复杂、成本高，而且工况条件下高频电路随着工作时间的延长而产生显著漂移，难以得到0.01级精度的检测。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)考虑到水和油介电常数相差较大，且油品含水量是影响油品介电常数的主要因素，其微小变化就可引起油品介电常数的较大变化，当建立与介电常数变化相对应的电容值变化的数学模型后，通过测量电容值就可得到含水率。因此，本文拟采用介电常数法研究0.01级精度的油品含水率检测方法和仪器，以满足高精度油品含水率检测到需求。

1、油品电容模型设计

　　1.1、介电常数法原理

　　介电常数是介质的一种电特性，它与介质在电场中被极化的程度和过程相关。真空的介电常数ε0约为8.854×10^-12 F/m，习惯上用相对介电常数表示(以下简称介电常数)，其定义为介电常数与真空介电常数之比，即εr=ε/ε0，柴油的介电常数为2.1，汽油的为1.9，而水的介电常数为80，油与水的介电常数相差较大，含水率微量的变化就会引起油水混合乳液介电常数的变化。根据电介质物理学的理论，油水混合乳液的介电常数的表达式为：

　　式(1)中，W表示油品含水率，ε0、εH、ε分别表示纯水、纯油和混合乳液的介电常数。

4、系统实验

　　为了检验检测仪的性能，分别采用5W-40/SM润滑油和93号轻质成品油进行了检测实验，在-5℃～60℃的情况下，测得的与不同含水率相对应的电容值变化和介电常数的变化关系如图4和图5所示。

图4 润滑油电容及介电常数与含水率变化关系

图5 轻质成品电容及介电常数与含水率变化关系

　　从图4和图5可以看出，两类油品中含水率的增加时，油品的介电常数变化显著，使得检测得到的电容值也相应变化，在0.01精度要求范围内，电容值与含水率的关系呈线性关系。

5、结语

　　依据介电常数法建立了油水混合液含水率检测的电容器数学模型，并设计实现了电容传感器。介电常数法采用了管道内混合流体的平均法测量，特别适合工况条件下油水二相流流型复杂的要求。介电常数法的量程范围小，非常适用于检测潜艇与航空类装备中油品含水率较低的应用。采用ARM嵌入式系统实现的含水率检测仪，经过对润滑油和轻质油品进行检测实验，验证了含水率与油品介电常数关系及以及建立的电容数学模型的正确性，在0.01级检测精度要求范围内呈线性关系，使检测仪精度达到了0.01级，可以满足潜艇和航空装备中对检测油品含水率精度的需要，保障系统的可靠性和安全性，也可应用在其他各类对油品含水率有严格要求的领域。具有测量精度高、重复性好、可靠性高，设备简单、安装和维护方便等优点，为实现0.01级精度油品含水率检测仪国产化提供了技术方案。

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