孫士平

(長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

陳文勝

(上海寶冶建設有限公司，上海 200941)

基于微波截止頻率的原油含水量測量方法的研究

孫士平

(長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

陳文勝

(上海寶冶建設有限公司，上海 200941)

含水量是評估原油質量的一個重要指標。對原油的儲存、運輸、開采等有著至關重要的意義。通過分析微波通過矩形波導時，波導內介質的介電常數(shù)不同，微波通過時的截止頻率也不同這一原理，通過本底噪聲扣除的測量方法，測量待測樣品原油的含水量。該方法具有抗干擾能力強，測量速度快，測量精度高，通用性強等優(yōu)點。

截止頻率；介電常數(shù)；含水量；微波

原油的含水量是原油在存儲、運輸、開采、加工等過程中至關重要的性能指標。目前原油含水量的測量方法雖然很多，但總顯得測量過程繁瑣，測量精度不夠準確等問題存在。自從20世紀60年代晚期，人們開始嘗試使用微波來探測固體物質的含水量，由于當時微波器件價格昂貴，微波頻率的測量精度有限，基于微波技術的含水量測量一直沒有被廣泛使用。近年來，隨著電路技術的發(fā)展，微波器件的價格也逐漸下降，對微波頻率的測量精度也逐漸上升，使得人們制造高精度的微波探測設備成為可能。

筆者提出一種基于H面T形波導截止頻率的原油含水量測量方法?，該方法使用微波網(wǎng)絡矢量分析儀，通過測量不同情況下H面T形波導兩共線臂截止頻率的比值，采用本底噪聲扣除的測量方法，來測量待測樣品原油的含水量。

1 測量原理

微波測量含水量的原理是，不同介質的介電常數(shù)不同，相同的介質不同的含水量其介電常數(shù)不相同，它們對微波的吸收率也不相同。利用微波吸收技術進行含水率的測量，就是依據(jù)潮濕時的復介電常數(shù)比干燥時的復介電常數(shù)大，導致較潮濕時明顯吸收更多的能量，使傳感器檢測到系統(tǒng)發(fā)射的能量發(fā)生變化，這就為微波測量含水量提供了基礎。

不同潮濕度的相同介質對微波的散射和吸收程度不同，也可用介質對微波的吸收系數(shù)來表征。當入射波強度為E0,透射波的強度E隨介質厚度d有指數(shù)衰減的規(guī)律[1]，即：

E=E0e-εd=E0e-(α+jβ)d

(1)

式中,ε=α+jβ為吸收系數(shù),它決定于介質材料的性質；α為衰減常數(shù)；β為相位常數(shù)[2]：

(2)

式中，K為波導內電磁波的波數(shù)；Kc為電磁波在波導中所對應的截止波數(shù)。

對于TEmn模式的電磁波，截止波數(shù)可以表示為[3]：

(3)

式中，fc為截止頻率；a和b對應波導橫截面的長和寬；C為電磁波的傳播速度；μ為波導的磁導率。

由式(3)可得，對于任意TEmn模式的電磁波，其在波導內的截止頻率：

(4)

可見,截止頻率不僅與波導的截面尺寸有關，還與波導內填充介質的介電常數(shù)和磁導率有關。

又β為相位常數(shù)，必為實數(shù)，所以：

K≥Kc

即：

f≥fc

(5)

式(5)說明只有頻率大于或等于fc的電磁波才能通過，也就是說波導相當于一個高通濾波器。而物質的含水量對其介電常數(shù)影響非常大。所以，可以通過測量截止頻率來間接測算波導內介質的含水量。

2 試驗測量方法及測量數(shù)據(jù)

測量試驗裝置如圖1所示。微波掃頻信號由HP8350B提供，發(fā)射頻率范圍是2GHz～18GHz。波導管采用的T型接頭是H面T形接頭(并聯(lián)T形),如圖2所示。對于H面T形接頭，如果2個同相波分別從共線臂的端口1和端口2輸入，那么在端口3的輸出波在相位上與輸入波同相，振幅為2個輸入波相加。相反，如果波從端口3輸入，那么波分成相等的2個部分由端口1和端口2輸出，其相位相同，振幅也相同。

圖1 測量試驗裝置 圖2 H面T型波導

H面T形波導由端口3輸入微波信號源HP8350B傳輸來的微波信號，由端口2接收通過待測樣品的微波信號，由端口1接收通過參考樣品的微波信號。待測樣品和參考樣品大小相等，分別置于T型波導的兩端。如果待測樣品與參考樣品含水量相同，則端口1和端口2接收到的信號振幅相等，相位相同，截止頻率相同；如果待測樣品與參考樣品含水量不相同。則端口1和端口2接收到的信號振幅，相位，截止頻率均不相同。

圖3 空波導功率頻率曲線

使用HP8510C微波矢量網(wǎng)絡分析儀來獲得2路微波信息。設置HP8510C微波矢量網(wǎng)絡分析儀在0～20MHz頻帶范圍內掃描，獲得實時的頻率信息。將實時信號通過HP8510C微波矢量網(wǎng)絡分析儀的信號端口與計算機連接進行數(shù)據(jù)分析。

如果T型頭端口1為空波導，可測得端口1的功率-頻率曲線，如圖3所示。

由圖3可明顯得看出，微波頻率在11.27MHz處功率顯著增加，即此處為此波導管微波截止頻率點，高于11.27MHz的微波信號可以很好的由T型波導傳輸，而低于11.27MHz的微波不能傳輸，處于截止頻率以下。所以可得：f0=11.27MHz。

如果端口1為樣品介質，端口2為含水介質，可測得端口1和端口2的功率-頻率曲線，如圖4所示。

由圖4可得樣品介質的截止頻率：

f1=11.01MHz

含水介質的截止頻率：

f2=10.95MHz

且：

f0gt;f1gt;f2

(6)

由式(6)可知含水介質由于介質的介電常數(shù)增加，相對應的截止頻率就會下降。因此，可以通過測量截止頻率的方法來測算含水量的多少。

試驗過程中通過改變含水量，做多次測量，對應的測量結果如圖5所示。

圖4 樣品介質和含水介質功率-頻率曲線 圖5 不同含水量所對應的功率-頻率曲線

通過圖5所示的測量結果，建立不同含水量的原油截止頻率特性曲線，可以很方便地隨時測出不同原油的含水量。

3 結 語

原油含水量的變化，會引起介電常數(shù)相應變化，導致其所填充的微波波導管的截止頻率也發(fā)生相應的變化。但微波波導管的截止頻率還會受到空氣濕度、溫度等條件影響，在實際測量過程中，采用T型波導管有效的解決了這一問題。T型波導的邊臂輸入微波信號，輸出由共線臂分成相等的2個部分(端口1和端口2)輸出，其相位相同，振幅也相同。然后再在其中一個端口加入樣品物質，另外一個端口加入待測物質，同時測量，最后求出2個截止頻率的比值，由比值反映待測物質的相對濕度。這樣有效的利用了自適應抵消原理，使測量系統(tǒng)避開了因環(huán)境條件的變化、器件的不穩(wěn)定性、電路的靜態(tài)漂移、環(huán)境干擾噪聲和器件噪聲等對測量精度和穩(wěn)定性帶來的影響，試驗表明,測量速度和穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)測量系統(tǒng)。

[1]李英.微波、毫米波傳感器與非電量檢測[M].北京:電子工業(yè)出版社,1991.

[2]Zehnder C B.Application of the Combination Microwave-Gamma Ray Gauge to blood Chip Weight and Moisture Measurement[J]. Pulp and Paper Magazine of Canada, 1967，(10): 678～689.

[3]蔣毓新,張少華.接收機固定的雙基SAR的CS算法[J].遙感信息,2008，(5):12～15.

[編輯] 易國華

2009-08-13

孫士平(1968-)，男，1991年大學畢業(yè),副教授，現(xiàn)主要從事測控技術與儀器方面的研究工作。

?長江大學科研基金項目(2003Z0931)。

TP216

A

1673-1409(2009)04-N066-03