基于微波截止频率的原油含水量测量方法的研究

孙士平

(长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

陈文胜

(上海宝冶建设有限公司，上海 200941)

基于微波截止频率的原油含水量测量方法的研究

孙士平

(长江大学电子信息学院，湖北 荆州 434023)

陈文胜

(上海宝冶建设有限公司，上海 200941)

含水量是评估原油质量的一个重要指标。对原油的储存、运输、开采等有着至关重要的意义。通过分析微波通过矩形波导时，波导内介质的介电常数不同，微波通过时的截止频率也不同这一原理，通过本底噪声扣除的测量方法，测量待测样品原油的含水量。该方法具有抗干扰能力强，测量速度快，测量精度高，通用性强等优点。

截止频率；介电常数；含水量；微波

原油的含水量是原油在存储、运输、开采、加工等过程中至关重要的性能指标。目前原油含水量的测量方法虽然很多，但总显得测量过程繁琐，测量精度不够准确等问题存在。自从20世纪60年代晚期，人们开始尝试使用微波来探测固体物质的含水量，由于当时微波器件价格昂贵，微波频率的测量精度有限，基于微波技术的含水量测量一直没有被广泛使用。近年来，随着电路技术的发展，微波器件的价格也逐渐下降，对微波频率的测量精度也逐渐上升，使得人们制造高精度的微波探测设备成为可能。

笔者提出一种基于H面T形波导截止频率的原油含水量测量方法❶，该方法使用微波网络矢量分析仪，通过测量不同情况下H面T形波导两共线臂截止频率的比值，采用本底噪声扣除的测量方法，来测量待测样品原油的含水量。

1 测量原理

微波测量含水量的原理是，不同介质的介电常数不同，相同的介质不同的含水量其介电常数不相同，它们对微波的吸收率也不相同。利用微波吸收技术进行含水率的测量，就是依据潮湿时的复介电常数比干燥时的复介电常数大，导致较潮湿时明显吸收更多的能量，使传感器检测到系统发射的能量发生变化，这就为微波测量含水量提供了基础。

不同潮湿度的相同介质对微波的散射和吸收程度不同，也可用介质对微波的吸收系数来表征。当入射波强度为E0,透射波的强度E随介质厚度d有指数衰减的规律[1]，即：

E=E0e-εd=E0e-(α+jβ)d

(1)

式中,ε=α+jβ为吸收系数,它决定于介质材料的性质；α为衰减常数；β为相位常数[2]：

(2)

式中，K为波导内电磁波的波数；Kc为电磁波在波导中所对应的截止波数。

对于TEmn模式的电磁波，截止波数可以表示为[3]：

(3)

式中，fc为截止频率；a和b对应波导横截面的长和宽；C为电磁波的传播速度；μ为波导的磁导率。

由式(3)可得，对于任意TEmn模式的电磁波，其在波导内的截止频率：

(4)

可见,截止频率不仅与波导的截面尺寸有关，还与波导内填充介质的介电常数和磁导率有关。

又β为相位常数，必为实数，所以：

K≥Kc

即：

f≥fc

(5)

式(5)说明只有频率大于或等于fc的电磁波才能通过，也就是说波导相当于一个高通滤波器。而物质的含水量对其介电常数影响非常大。所以，可以通过测量截止频率来间接测算波导内介质的含水量。

2 试验测量方法及测量数据

测量试验装置如图1所示。微波扫频信号由HP8350B提供，发射频率范围是2GHz～18GHz。波导管采用的T型接头是H面T形接头(并联T形),如图2所示。对于H面T形接头，如果2个同相波分别从共线臂的端口1和端口2输入，那么在端口3的输出波在相位上与输入波同相，振幅为2个输入波相加。相反，如果波从端口3输入，那么波分成相等的2个部分由端口1和端口2输出，其相位相同，振幅也相同。

图1 测量试验装置 图2 H面T型波导

H面T形波导由端口3输入微波信号源HP8350B传输来的微波信号，由端口2接收通过待测样品的微波信号，由端口1接收通过参考样品的微波信号。待测样品和参考样品大小相等，分别置于T型波导的两端。如果待测样品与参考样品含水量相同，则端口1和端口2接收到的信号振幅相等，相位相同，截止频率相同；如果待测样品与参考样品含水量不相同。则端口1和端口2接收到的信号振幅，相位，截止频率均不相同。

图3 空波导功率频率曲线

使用HP8510C微波矢量网络分析仪来获得2路微波信息。设置HP8510C微波矢量网络分析仪在0～20MHz频带范围内扫描，获得实时的频率信息。将实时信号通过HP8510C微波矢量网络分析仪的信号端口与计算机连接进行数据分析。

如果T型头端口1为空波导，可测得端口1的功率-频率曲线，如图3所示。

由图3可明显得看出，微波频率在11.27MHz处功率显著增加，即此处为此波导管微波截止频率点，高于11.27MHz的微波信号可以很好的由T型波导传输，而低于11.27MHz的微波不能传输，处于截止频率以下。所以可得：f0=11.27MHz。

如果端口1为样品介质，端口2为含水介质，可测得端口1和端口2的功率-频率曲线，如图4所示。

由图4可得样品介质的截止频率：

f1=11.01MHz

含水介质的截止频率：

f2=10.95MHz

且：

f0gt;f1gt;f2

(6)

由式(6)可知含水介质由于介质的介电常数增加，相对应的截止频率就会下降。因此，可以通过测量截止频率的方法来测算含水量的多少。

试验过程中通过改变含水量，做多次测量，对应的测量结果如图5所示。

图4 样品介质和含水介质功率-频率曲线 图5 不同含水量所对应的功率-频率曲线

通过图5所示的测量结果，建立不同含水量的原油截止频率特性曲线，可以很方便地随时测出不同原油的含水量。

3 结 语

原油含水量的变化，会引起介电常数相应变化，导致其所填充的微波波导管的截止频率也发生相应的变化。但微波波导管的截止频率还会受到空气湿度、温度等条件影响，在实际测量过程中，采用T型波导管有效的解决了这一问题。T型波导的边臂输入微波信号，输出由共线臂分成相等的2个部分(端口1和端口2)输出，其相位相同，振幅也相同。然后再在其中一个端口加入样品物质，另外一个端口加入待测物质，同时测量，最后求出2个截止频率的比值，由比值反映待测物质的相对湿度。这样有效的利用了自适应抵消原理，使测量系统避开了因环境条件的变化、器件的不稳定性、电路的静态漂移、环境干扰噪声和器件噪声等对测量精度和稳定性带来的影响，试验表明,测量速度和稳定性优于传统测量系统。

[1]李英.微波、毫米波传感器与非电量检测[M].北京:电子工业出版社,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]蒋毓新,张少华.接收机固定的双基SAR的CS算法[J].遥感信息,2008，(5):12～15.

[编辑] 易国华

2009-08-13

孙士平(1968-)，男，1991年大学毕业,副教授，现主要从事测控技术与仪器方面的研究工作。

❶长江大学科研基金项目(2003Z0931)。

TP216

A

1673-1409(2009)04-N066-03