程良獎，李保群，孫春鵬，曾 宏

(武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢430064)

0 引言

部分船舶燃油系統(tǒng)使用的燃油與海水混合一起儲存在各燃油艙中，向發(fā)動機供油時，通過補充海水將儲存在燃油艙的燃油壓至日用燃油箱進行沉淀、分離水分和雜質(zhì)，再通過日用燃油箱供給發(fā)動機使用。當燃油含水量較大，尤其是形成乳化油時，在較短時間內(nèi)，燃油不能得到充分有效的沉淀和分離，使得燃油中混合的海水進入發(fā)動機，會嚴重影響發(fā)動機的使用性能。在船舶燃油系統(tǒng)設置油中水分測量儀，可以在線、實時監(jiān)測發(fā)動機使用的燃油含水率，保證供給燃油合格，有效提高發(fā)動機的安全性和可靠性。

目前，在線測量油中水分的方法較多，主要有電容法［1］、短波法［2］、微波法［3］、紅外光法［4］等。短波法水分測量儀作為一種常見的在線式油中水分測量儀，廣泛應用于油田、石化、電站等工業(yè)領域，但在船舶燃油系統(tǒng)尚無應用先例。本文針對船用使用環(huán)境條件的特點，對短波法油中水分測量儀在船舶燃油系統(tǒng)使用情況進行了應用研究，研究其在實際使用過程中存在的各種問題，并分析其原因，為其船用適應性設計提供了參考依據(jù)。

1 短波法工作原理

無線電磁短波頻率范圍為3～30 MHz，根據(jù)電磁波的物理特性，電磁波在通過液體介質(zhì)時部分能量被介質(zhì)吸收。同一頻率的電磁波通過不同介質(zhì)時，被介質(zhì)吸收的短波能量是不同的，吸收能量符合朗伯－貝爾定律:

式中:I為穿透能量;I0為入射能量;u為吸收系數(shù);c為介質(zhì)濃度;L為介質(zhì)厚度。

將式(1)轉(zhuǎn)換為:

對混合介質(zhì)有:

式中:u1，c1，L1和 u2，c2，L2分別為不同介質(zhì)的吸收系數(shù)、介質(zhì)濃度和介質(zhì)厚度。

當測量儀用于測量油中含水量時，則分別代表油和水。當測量儀的發(fā)射器發(fā)射頻率為一定頻率(約4 MHz)時，油對這個頻率的電磁短波能量吸收系數(shù)u2很小，這里可以將其近似為0，則式(2)轉(zhuǎn)換為:

對于一定頻率的電磁波，水的系數(shù)u1保持不變，當發(fā)射器的結(jié)構尺寸一定時，則L1確定，電磁波透射的能量被管系吸收，這個能量隨介質(zhì)的變化很小，可近似認為恒定值。由式(3)可知，發(fā)射器發(fā)射能量I0只隨介質(zhì)濃度而變化，呈非線性曲線特征。發(fā)射器功率的變化將引起發(fā)射器內(nèi)部振蕩電源電流值的變化，將這個變化了的電流反饋給控制器，經(jīng)調(diào)零、放大、整形后，作為標準電流信號，再經(jīng)過智能軟件處理、溫度補償?shù)却胧瑢崿F(xiàn)油中含水率的測定［5］。

2 干擾因素對測量精度的影響

當前國內(nèi)外在線式油中含水測量儀的主要問題是受具體工程應用環(huán)境條件的影響，測量儀輸出信號不穩(wěn)定，實際測量精度不能保證。本文針對各種可能影響短波法油中含水測量儀的實際測量精度的因素分別進行試驗和分析，對影響實際測量精度的干擾因素給出相應的抑制、解決措施。

本文試驗采用的短波法油中含水測量儀的標稱絕對測量精度為±0.01%(體積比)，工作范圍0～1%。

2.1 零點漂移

零點漂移是指當電路中輸入端短路時，輸出端也會有變化的電流存在的現(xiàn)象。當輸出端的有用信號較弱時，零點漂移可能將有用信號淹沒，造成電路無法正常工作。一般通過提高系統(tǒng)中硬件的性能可以有效抑制零點漂移［6］，如恒溫措施、溫度補償電路、差動放大電路［7］。在有些情況下硬件的方法是不可能完全滿足系統(tǒng)的要求的，必須結(jié)合軟件的方法才能更好地達到系統(tǒng)的要求［8］，如優(yōu)化零點漂移計算處理方法、溫度補償曲線等。試驗人員將油中水分測量儀置于靜止的、與大氣相通的純柴油中，觀察隨時間推移其零點漂移的情況，期間環(huán)境溫度在2～11℃范圍變化，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 零點漂移對實際測量精度的影響Fig.1 Effect on actual measurement precision for null drift

試驗用的油中水分測量儀采用“真假信號比較法”來抑制零點漂移，即實際現(xiàn)場測量信號(真信號)和模擬樣品測量信號(假信號)通過同一處理電路交替輸出測量信號，取2種信號的差值作為有效含水率信號。隨著環(huán)境溫度變化、零點漂移出現(xiàn)，實測信號和模擬樣品信號同時升降，但理論上二者的差值不變。通過這種方法可以有效抑制零點漂移影響。

從圖1可以看出，在長達18 h的試驗時間內(nèi)，零點漂移對短波法油中水分測量儀的實際測量精度的影響較小。

2.2 介質(zhì)溫度

在實際使用過程中，介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度或儀表監(jiān)控箱內(nèi)溫度一般并不相同，雖然部分儀表采取了抑制零點漂移的措施，但是介質(zhì)溫度變化也是引起測量誤差變化的一個主要原因之一。試驗人員將油中水分測量儀置于靜止的、與大氣相通的純柴油中，通過水浴改變柴油溫度，檢測溫度變化對實際測量精度的影響，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 介質(zhì)溫度對實際測量精度的影響Fig.2 Effect on actual measurement precision for liquid temperature

從圖2可以看出，介質(zhì)溫度對短波法實際測量含水率的影響較大，達到±0.08%左右，從5～35℃升溫過程中，測量含水率數(shù)據(jù)先降后升，在25℃左右為拐點;在從35～5℃降溫過程中，測量含水率先升后降，25℃左右為拐點。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有:介質(zhì)溫度影響探測頭的電氣性能，導致測量電流值發(fā)生變化，測量電流值的變化經(jīng)綜合處理后，體現(xiàn)為測量含水率的變化。

鑒于短波法油中水分測量儀受介質(zhì)溫度變化影響較大的特點，在實船使用時采取更加有效的介質(zhì)溫度補償措施，保證其實際使用性能能滿足要求。

2.3 壓力

介質(zhì)在管路流動，其壓力根據(jù)實際使用情況會發(fā)生變化，試驗人員將油中水分測量儀置于介質(zhì)壓力在0～1 bar～0變化的柴油介質(zhì)管路中，檢測壓力變化對實際測量精度的影響，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 壓力變化對實際測量精度的影響Fig.3 Effect on actual measurement precisionfor for pressure

從圖3可以看出，壓力較小時，壓力對短波法油中水分測量儀的測量精度影響也較小，當壓力逐步加大后，壓力產(chǎn)生的影響也明顯加大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因有以下幾個:

1)壓力對油中水分測量儀的探測器的電氣性能產(chǎn)生影響;

2)當壓力變化時，會導致探測器處油中含氣量發(fā)生變化，理論上壓力增大會導致含氣量在體積上減少，相應含水量會增加;同時壓力增大時探測器與油水混合液接觸面積增大(探測器上端始終存在部分空氣)，導致探測器接觸的混合液含水量也增加，測量含水率也相應變大。

3)當壓力變化時，介質(zhì)密度會發(fā)生變化，測量效果受介質(zhì)密度影響［9］。

鑒于短波法油中水分測量儀受工作壓力變化影響的特點，當工作壓力變化較小時，可以不采取介質(zhì)壓力補償措施，如果壓力變化較大，測量精度要求較高時，應當采取壓力補償措施，保證其實際使用性能能滿足要求。

2.4 鹽度

在船用環(huán)境使用過程中，油中所含水分的鹽度可能會發(fā)生變化，鹽度變化是否會影響油中水分測量儀的實際測量精度需要進行試驗驗證。受氣候與大陸的影響，海水鹽度因所處位置不同而有差異，世界大洋的平均鹽度為3.5‰［10］。試驗人員將純柴油與淡水混合均勻，再逐步加入NaCl，使油中所含水分鹽度在從0升至4‰，將油中水分測量儀至于均勻混合液中，檢測油中所含水分的鹽度變化對實際測量精度的影響，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 鹽度變化對實際測量精度的影響Fig.4 Effect on actual measurement precision for salinity

從圖4可以看出，鹽度對短波法油中水分測量儀影響甚微，其影響不超過其自身測量精度的波動范圍(±0.01%)。

2.5 流速

介質(zhì)在管路流動，其流速會根據(jù)實際使用情況發(fā)生變化，試驗人員將油中水分測量儀置于流速在0～1.5 m/s～0變化的柴油介質(zhì)管路中，整個試驗過程介質(zhì)的雷諾數(shù)Re≤2 300，處于層流狀態(tài)，檢測流速變化對實際測量精度的影響，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 流速變化對實際測量精度的影響Fig.5 Effect on actual measurement precision for liquid temperature

從圖5可以看出，在層流狀態(tài)下，流速對短波法油中水分測量儀的實際測量精度影響很小，其影響不超過其自身測量精度的波動范圍(±0.01%)。

2.6 雜質(zhì)

由于管路腐蝕等因素影響，介質(zhì)可能存在金屬雜質(zhì)，試驗人員將油中水分測量儀置于純柴油中，再摻入若干細鐵屑，并攪拌，定性觀察雜質(zhì)對實際測量精度的影響，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 雜質(zhì)變化對實際測量精度的影響Fig.6 Effect on actual measurement precision for impurity

從圖6可以看出，在雜質(zhì)含量較少，對油中水分測量儀的實際測量精度影響較小，但隨著雜質(zhì)含量增加，對實際測量精度影響急劇增大，甚至導致設備無法正常工作。

由于短波法油中水分測量儀通過檢測短波的能量損失來探測含水率，因此任何導致短波能量損失干擾因素都可能影響實際測量精度，油中所含金屬雜質(zhì)吸收部分短波的能量，相當于油中含水量“增加”，因此油中金屬雜質(zhì)含量對油中水分測量儀的實際測量精度有直接的影響，同時當雜質(zhì)含量較大時，油中水分測量儀的探測頭表面會粘附部分雜質(zhì)，嚴重影響油中水分測量儀的性能，造成實測含水率讀數(shù)大范圍波動或嚴重失實，甚至導致設備損壞。

鑒于雜質(zhì)對短波法油中水分測量儀測量精度有較大影響，當油中可能含有較多雜質(zhì)時，應配置油過濾器，防止雜質(zhì)污染探測頭，影響實際測量精度，保證其實際使用性能能滿足要求。

2.7 含氣量

介質(zhì)在管路里流動的實際上是油、氣、水三相流，且油、氣、水的3種成份是動態(tài)變化的。試驗人員將油中水分測量儀置于柴油管路中，通過不斷攪拌使介質(zhì)混入大量空氣，通過停止攪拌，隨著時間推移，管路中空氣逐步消失，檢測油中含氣量變化對實際測量精度的影響，試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 含氣量變化對實際測量精度的影響Fig.7 Effect on actual measurement precision for amount of gas

從圖7可以看出，攪拌時油中含氣量增大，測量出來的含水率逐漸下降;攪拌到一定時間后油氣平衡，含氣量不再增加，測量出來的含水率基本不發(fā)生較大變化;停止攪拌后，油中含氣量逐漸減少，測量出來的含水率逐漸上升。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是空氣與油品一樣，對短波能量的吸收很少，此時由于介質(zhì)中含有氣體，則造成吸收能量減少，氣體成份可以當油來看，這樣造成油水含量比例測定誤差［11］。為了防止含氣量對短波法油中水分測量儀的使用效果造成干擾，在實船使用過程中應當在其進口前配置油氣分離器。

2.8 油水混合均勻性

介質(zhì)中油、水同時存在，一般情況下處于非均勻混合狀態(tài)，試驗人員將油中水分測量儀置于裝有油水混合液的油桶中，通過改變油中水分測量儀測點位置及緩慢攪拌油水混合液，測量不同位置和不同混合狀態(tài)的油水混合液，試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 油水混合均勻性對實際測量精度的影響Fig.8 Effect on actual measurement precision for uniformity between oil and gas

從圖8可以看出，雖然在同一桶油水混合液中，但由于油水混合不均勻，帶來測量結(jié)果有很大的偏差，且具有隨機性。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是短波法油中水分測量儀的有效測量流場有限，只能探測到探測頭與屏蔽罩之間的介質(zhì)的含水率，其他位置的介質(zhì)含水率不能感知，其測量原理屬于對管內(nèi)兩相流體點線式采樣，不能正確全面反映混合兩相流的情況，在實驗室條件下測量精度能達到要求，在具體的現(xiàn)場工況條件下不能滿足測量精度要求［12］。因此在實際使用過程中應盡量將油中水分測量儀探測頭布置在油水混合比較均勻的位置，如經(jīng)過一段彎管后向上流動的豎直管道內(nèi)。

2.9 電磁場干擾

電磁場對有些精密儀表可能會產(chǎn)生干擾，為了定性驗證電磁場是否會干擾短波法油中水分測量儀的實際測量精度，試驗人員將油中水分測量儀置于油水均勻混合液中，在靠近油中水分測量儀探測頭及監(jiān)控箱約0.2 m處頻繁手動電鉆，試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 電磁場對實際測量精度的影響Fig.9 Effect on actual measurement precision for electromagnetic field

從圖9可以看出，手動電鉆產(chǎn)生的電磁場對短波法油中水分測量儀的測量精度影響甚微，其影響不超過其自身測量精度的波動范圍(±0.01%)。

2.10 振動

油中水分測量儀安裝在系統(tǒng)管路上，不可避免地要受到外力作用發(fā)生振動，為了定性驗證管路振動是否會干擾短波法油中水分測量儀的實際測量精度，試驗人員將油中水分測量儀置于油水混合均勻的管路上，在離油中水分測量儀0.5 m處小幅度搖晃管路，在油中水分測量儀處產(chǎn)生1～2 mm的振幅，觀察測量含水率是否發(fā)生變化，再加大搖晃幅度，然后停止搖晃，觀察測量含水率是否發(fā)生變化，試驗結(jié)果如圖10所示。

圖10 振動對實際測量精度的影響Fig.10 Effect on actual measurement precision for oscillation

從圖10可以看出，小幅度振動對傳感器測量精度影響較小，當振幅顯著加大時，測量含水率讀數(shù)有1個顯著的跳躍性波動，停止振動后含水率讀數(shù)逐步下降。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是當振動幅度較小時，不會對管路中油水混合均勻性產(chǎn)生較大影響，因此對含水率測量誤差也影響較小;當振動幅度加大時，不但對油水混合均勻性產(chǎn)生較大影響，而且造成油中含氣量發(fā)生變化、探測器處測量壓力也發(fā)生波動，探測器與油水混合液也不能有效接觸，因此測量含水率出現(xiàn)劇烈波動;停止振動后測量壓力恢復正常，含氣量較以前有較大增加，因此體現(xiàn)出含水率下降。但經(jīng)過較長時間后，其含氣量、油水混合均勻性恢復到以前狀態(tài)，因此其測量含水率也基本恢復到試驗開始時的數(shù)值。

鑒于振動對油中水分測量儀測量精度有較大影響，在實船使用過程中應當采取減振措施，并對油中水分測量儀進行固定，防止振動對使用效果造成干擾。

3 結(jié)語

短波法油中水分測量儀在船舶燃油系統(tǒng)應用存在許多可能影響其實際測量精度的干擾因素，如零點漂移、介質(zhì)溫度、壓力、鹽度、流速、雜質(zhì)、含氣量、油水混合均勻性、電磁場、振動等。本文通過試驗研究表明:介質(zhì)溫度、壓力、雜質(zhì)、含氣量、油水混合均勻性、振動等干擾因素對短波法油中水分測量儀實際使用效果有較大的影響，裝船使用還需完善適應性改進設計或在系統(tǒng)管路上采取相應的抑制干擾措施。本文為短波法油中水分測量儀的改進設計和提高其現(xiàn)場使用性能提供了較好的理論基礎和試驗依據(jù)。

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