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［1-2］。目前，國內對0.01級油品含水率檢測裝置主要是進口國外產品。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行點線式的采樣，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。但是，該方法電路復雜、成本高，而且工況條件下高頻電路隨著工作時間的延長而產生顯著漂移，難以得到0.01級精度的檢測。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模型后，通過測量電容值就可得到含水率［3-4］。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

介電常數是介質的一種電特性，它與介質在電場中被極化的程度和過程相關。真空的介電常數ε0約為8.854×10-12F/m，習慣上用相對介電常數表示(以下簡稱介電常數)，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引起油水混合乳液介電常數的變化［3］。根據電介質物理學的理論，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。

當采用電容傳感器來檢測油水混合乳液的介電常數ε時，傳感器輸出電容Cx可表示為:

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

當電容傳感器的結構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，這時傳感器相對純油時的電容變化量ΔC為:

式(3)中，CH為純油時傳感器的輸出電容。

由式(3)可以看出，當油中為低含水率時，電容傳感器的ΔC與含水率W成線性關系。可見，在含水率較小的情況下，傳感器測得油中水分具有較好的線性度，此時含水率與電容值的關系可表示為:

介電常數法利用油水混合乳液的介電常數和含水率有關的原理來實現對油中含水率的測量。通常情況下為了便于分析計算，認為油水混合乳液的介電常數只與含水率有關，而常忽略烴類組成、壓力、密度、含氣量和溫度等因素的影響，對于潛用柴油來說，溫度的影響不可忽視，對于柴油這樣的輕質油品，介電常數隨溫度的變化的升高而減小。這是由于溫度升高時油水乳化液中分子的熱運動加強，使其極化更加困難。據測試，在含水率小于10%的時候，如果忽略溫度的因素，被測油溫變化10℃時，會引入約0.15%的測量誤差。

對于使用工況較好(如烴類組成穩定、微含氣量、、流動均勻、密度和壓力恒定)的柴油而言，溫度變化對油品含水率測量結果影響較大，因此，考慮介質溫度補償后，建立的電容傳感器的數學模型為:

式(5)中，W為油中含水率，μ、β、γ為系數，t0為基準溫度，t為介質溫度，Cx為電容實際數值。在已知標準含水率及介質溫度下，對上式進行標定，即可得到需要的電容傳感器的數學模型。

由式(5)可知，計算含水率W的相關因素中，Cx和t為W的兩個變元。根據最小二乘法的原理，確定參數μ、β、γ的問題最終歸結為求以下三元一次函數的極小點(μ*、β*、γ*)。

由多元函數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:

若取基準溫度t0=20℃，在標準含水率Wi條件下，測量電容傳感器的輸出電容Cxi和介質溫度ti，將實驗數據代入上式，即可求出參數μ*、β*、γ*，由此，電容傳感器的溫度補償數學模型就可以建立了。

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

1.2 電容器結構設計

電容傳感器是檢測儀的關鍵部件，為了簡化制造工藝和安裝方便，采用同軸圓筒形電容結構，電容傳感器探頭采用1Crl8Ni9Ti不銹鋼制備，電容的外電極板上開一定規律的圓孔，能夠起到自均流作用。內電極涂敷聚四氟乙烯絕緣層，表面光滑，以消除水分的導電效應，也可增強探頭的機械強度，增大抗壓能力，使得輸出信號基本穩定［5-8］。電容傳感器結構如圖1所示。

圖1電容傳感器結構示意圖

圖1 中，設同軸圓筒形電容傳感器探頭內電極半徑為r，外電極半徑為R，內電極絕緣層厚度為δ，絕緣材料介電常數為ε1，電極長度為L，油水混合乳液的介電常數為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值。Cp的表達式為:

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

又已知Cp相對純油時的電容增量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，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構，以保證其有很好的屏蔽性，可安裝在油箱的底部或側面。

2 系統方案設計

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

圖2檢測裝置組成原理圖

圖2 中，電容傳感器將油水乳液的介電常數轉換為電容量，實現油中含水率的在線實時測量，溫度傳感器實現油水乳液實時溫度的測量，電容和溫度信息輸入到測量裝置，并由測控裝置完成數據采集與處理、溫度補償處理，結果顯示以及遠程信息輸出等功能。

本系統采用專用集成電路AD7745實現電容傳感器的信號轉換［14-15］。AD7745是美國ADI公司推出的24 bit Σ-Δ電容數字轉換器(CDC)，可直接連接電容傳感器實現測量。其特點是:高分辨率(最低4 aF)、高線性度(±0.01%)和高精度(±4 fF工廠校準)等;具有一個雙線式與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℃。

設置AD7745工作在單端偏置模式，電容輸入范圍為13 pF～21 pF，根據上述分析，在含水率計量范圍為0～3%時，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。假設電容傳感器在計量范圍內測量結果是理想的，計量精度為RM，計量動態范圍為ΔM=3%，已知AD7745在整個量程范圍內最大絕對誤差為RC=|±4aF|=4 ×10-3pF，量程為ΔC≈1.44 pF，則依據RM/ΔM= RC/ΔC，可得含水率轉換精度RM≈±8.3×10-6。

溫度補償電路中，選用抗干擾能力強的數字溫度傳感器DS18B20采集溫度數據。

嵌入式工控主板選用具有“ARM9+WinCE”架構的S3C2410來實現，S3C2410為三星公司生產，已內置了WinCE嵌入式操作系統;顯示屏選用帶觸摸屏的TFT LCD，實時顯示含水率、溫度等數據信息。

系統工作時，ARM處理器通過I2C接口電容信號轉換器以及溫度單總線轉換器相連，實現數據采集;以太網接口為主機調試接口，通過其下載執行代碼;RS232串口實現與其他擴展智能串口設備連接;顯示屏主要完成界面顯示功能;矩陣鍵盤為輸入設備，主要實現參數的輸入和控制等功能。

3 系統軟件設計

本系統的嵌入式操作系統為WinCE 5.0，開發環境為Embedded VC++4.0。

系統中的功能程序模塊結構如圖3所示。采用多線程結構，利用多個線程、完成數據采集、數據處理、數據顯示和數據存儲等任務。

圖3 應用軟件功能模塊

系統充分利用Windows CE操作系統的多線程的特點將不同的任務分布到各個線程中，使各個任務同步而協調地進行。主線程負責人機接口，其中包括數據的LCD實時顯示、串口數據的定時發送、觸摸屏輸入響應以及看門狗WDT的響應等。為了保證數據的采集不被其他線程中斷，設置了一個優先級較高的線程管理數據采集，保證了各個任務線程(人機接口線程、數據采集線程、數據處理線程)協調地完成各自的工作。線程間的通訊通過消息響應函數實現。

4 系統實驗

為了檢驗檢測儀的性能，分別采用5W-40/SM潤滑油和93號輕質成品油進行了檢測實驗，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系

圖5 輕質成品電容及介電常數與含水率變化關系

從圖4和圖5可以看出，兩類油品中含水率的增加時，油品的介電常數變化顯著，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系呈線性關系。

5 結語

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模型，并設計實現了電容傳感器。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裝備中油品含水率較低的應用。采用ARM嵌入式系統實現的含水率檢測儀，經過對潤滑油和輕質油品進行檢測實驗，驗證了含水率與油品介電常數關系及以及建立的電容數學模型的正確性，在0.01級檢測精度要求范圍內呈線性關系，使檢測儀精度達到了0.01級，可以滿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對油品含水率有嚴格要求的領域。具有測量精度高、重復性好、可靠性高，設備簡單、安裝和維護方便等優點，為實現0.01級精度油品含水率檢測儀國產化提供了技術方案。

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張平川(1968-)，副教授，博士，微電子學與固體電子學專業。研究方向為嵌入式系統、射頻技術與信號處理，362764053 @qq.com;

李興山(1972-)，男，河南滑縣，碩士，1996年于河南師范大學獲學士學位，副教授，研究方向為單片機和電子技術應用，604141388@qq.com;

黎步銀(1966-)，湖北荊州，華中科技大學教授，博導，研究方向為信息功能材料與器件、智能系統、傳感器與儀器儀表、鋰離子電池與燃料電池，libuyin @mail.hust.edu.cn。

基于介電常數法的高精度油品含水率檢測儀*

張平川1，2，李興山3，黎步銀2*
(1.河南科技學院信息工程學院，河南新鄉453003;2.華中科技大學光學與電子信息學院，武漢430074; 3.漯河醫學高等專科學校，河南漯河462002)

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%。基于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模型，并經過溫度補償修正。采用S3C2410 ARM9作為控制核心，以WinCE作為操作系統管理多個任務，通過AD7745實現介電常數與電容量的數字轉換，設計實現了0.01級精度的油品含水率檢測儀。實驗表明: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、設備簡單等優點。可應用在艦艇、電力、航空航天等對油品含水率要求嚴格的領域，以保證裝備的可靠性和安全性。

潛艇與飛機油品;含水率;介電常數;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

項目來源:河南省教育廳自然科學科技攻關項目(2011C510009)