1 引言
在有色冶炼过程中，许多厂矿采用重油作为冶金炉的燃料。重油中的水分对炉内的燃烧和冶金反应过程都有很大影响。重油含水多时，不仅降低了发热量和燃烧温度，还会由于水分的汽化影响供油设备的正常运行，甚至影响火焰的稳定。因此，水分多时应设法去掉。但是，有时为了改善高粘度重渣油的雾化性能和降低烟气中NO的含量，向重油中掺入适量的水分经乳化后可取得经济的燃烧效果。这都要求对重油中的含水量进行测量，尤其是为了提供生产过程的参数，需要进行快速定量分析。
本文介绍的重油含水率测量仪，采用射频法进行检测。这种方法基于射频阻抗理论，把含水重油作为电介质，由被测油水混和液对射频信号呈现的阻抗特性，即测量其介电常数的变化来反映重油中的含水量。
2 检测原理与系统组成
2.1 检测原理
重油是由多种碳氢化合物混和而成，属于非极性物质，其介电常数约为2.3。而水是极性分子，由水分子组成的液态水为极性电介质，其介电常数是80，两者相差甚大，因而所呈现的射频阻抗特性不同。当射频信号传到以油为介质的电容式射频传感器负载时，该负载阻抗随着混和液中不同的油水比而变化。
忽略重油中所含杂质的影响，含水重油可近似看作纯油和纯水两种介质的混和，其有效介电常数可用下式表示〔1〕：
(1)
式中：εr——混和介质的介电常数
ε1——纯水的介电常数
ε2——纯油的介电常数
D——介质水的体积百分率
由上式可见，混和介质的有效介电常数介于二者之间，重油中含水量的变化将显著地影响重油的介电常数。
电容器置于含水重油中，当电容器的结构及外形尺寸一定时，电容量为
C=K.ε (2)
式中：ε——介质的介电常数
K——常数，由电容器的结构、尺寸而定
射频阻抗为：
Z=Rs+1/jωC (3)
式中：ω——射频信号角频率
C——电容量，Rs——等效电阻
由(1)、(2)、(3)式可见，油中含水量D不同，则传感器的射频阻抗Z就不同。
2.2 系统组成
系统组成框图如图1所示。测量时将传感器探头插入样品油中，同时检测水分电压值Vw和温度电压值Vt，两路信号经滤波电路和高精度仪用放大器AD620放大处理后，送入PCL—711数据采集板进行A/D转换，再由计算机进行数据处理、温度补偿、显示和打印。
图1 测量系统框图
3 介质温度补偿与多参数的非线性校正
重油的品牌有多种，品牌不同，则介电常数和其它性质就不同。即使是同一种重油，当介质温度T不同时，测量出的Vw也不同。因为介质温度变化时，介电常数会发生变化，同时还会影响射频信号的频率、幅度，导致测量值发生变化。因此，为了准确地测量重油的含水量，在检测Vw的同时，还要检测Vt。
本系统采用查表和插值法对温度进行补偿和校正。对于每种重油，通过标定实验建立W，Vt，Vw的三维标定采样表，如表1所示。
选择若干个标准试样，其含水率分别为W1，W2，W3，…Wn，每一种标准试样通过加热改变温度，测量某一温度下的Vt与Vw。例如试样含水率为W1时，可测得不同温度下的若干组数据Vt11,Vw11，Vt12,Vw12，…，Vt1m,Vw1m。实际测量时，根据采样表中的数据，通过查表和样条函数插值运算即可得到含水量W。
设S(x)为区间［A，B］上的样条函数〔2〕，根据三次样条函数的定义，在插值结点处二次导数存在，设：
S″(xk)=Mk,k=0，1，…，n
又由于在每一个子区间上，S(x)是一个不超过三次的多项式，因此，在每一个子区间上，其二阶导数为线性函数，即
式中：hk-1=xk-xk-1 k=0,1,…n
对S″(x)积分两次，则得到样条函数 (4)
其中p,q为任意常数，可以根据结点条件S(xk-1)=yk-1,S(xk)=yk来确定
p=yk-1-(Mk-1h2k-1/6)
q=yk-(Mkh2k-1/6)
M则可利用下列方程组来求解：
ukMk-1+2Mk+λk=dk (k=1,2,…n-1) (5)
2M0+M1=d0 (6)
Mn-1+2Mn=dn (7)
式中：
通过样条函数插值计算得到补偿校正三维标定表，如表2所示。
注：1 (Vtx),(Vwx)为测量值。2 V1x，V2x，…，Vjx，V(j+1)x，…V8x为通过直线插值求得的值。
测量时，设某点温度电压采样值为Vtx，水分电压采样值为Vx，首先在表2中找到与Vtx值相近的Vti与Vt(i+1)，即
Vti＜Vtx＜Vt(i+1)
然后在表2中利用直线插值法求出对应Vtx之V1x，V2x，…，V8x，再用Vx值找出与之对应的Vjx与V(j+1)x，使之满足
Vjx＜Vx＜V(j+1)x
最后根据Vjx与V(j+1)x按直线插值法求出水分电压采样值为Vx时的含水率Wx：
(8)
4 测试结果及误差分析
表3是在不同温度下，利用射频法对含水量分别为0%、5%、10%、15%的四种标准样品进行测量的结果。表中T，W分别表示介质温度和样品油含水量，测试结果用百分数表示。
下面对测试结果进行误差分析〔3〕：
算术平均值
残差
非线性误差
均方根误差
算术平均值误差
表4给出了用上述公式对表3的测量数据进行误差分析的结果。
对样品进行重复性及稳定性测试，结果见表5所示。
5 结论
基于射频阻抗理论对重油含水量进行检测，利用三维补偿校正查表法进行温度补偿，可以提高检测精度，简化仪器结构，缩短测量时间，为油品中的水分检测提供了一种新的有效方法。如果利用单片机将二次表做成便携式智能仪表，操作更方便，具有推广价值。
<中国国际环保网>
