谐振腔微扰法测量原油含水率仿真研究

摘 要： 与传统在线测量原油含水率的方法相比，高频微波谐振腔微扰法具有受外界环境影响小，不受矿化度影响，测量精度高的特点。由于原油和水的介电常数相差较大，微小的含水率变化会引起介电常数较大变化，使得不同含水率原油对微波场的损耗不同。通过软件仿真的方法可以测量出含微扰源（样品原油）的微波谐振腔的谐振频率和品质因数变化情况，根据矩形谐振腔微扰公式可得出样品原油的介电常数，然后将所得结果代入原油含水率和介电常数关系公式求得原油含水率。并且将铝制边界条件和铜制边界条件下所测得的原油介电常数数据与理论值进行分析，求出其相对百分比误差，得出一种较为简单、实用、快速准确的测量中低含水率原油的方法。

关键词： 谐振腔； 谐振频率； 品质因数； 含水率； 微扰法

中图分类号： TN98?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）20?0004?04

Abstract： In comparison with the traditional on?line detecting method of moisture content of crude oil， the high?frequency microwave resonant cavity perturbation method is seldom influenced by the external environment and never influenced by the mineralization， and has high detecting accuracy. Since the permittivity of water and crude oil is significantly different， and the small change of water content can change the permittivity greatly， the crude oil with different moisture contents may result in the different losses of microwave field. The change of resonant frequency and quality factor of the microwave resonant cavity containing perturbation source （sample crude oil） are detected by means of software simulation. The permittivity of sample crude oil can be obtained according the perturbation formula of rectangle resonant cavity. And then the obtained result is substituted into the relation formula reflecting crude oil moisture content and permittivity to get the permittivity of the sample moisture content of crude oil. The crude oil permittivity data detected in aluminum and copper boundary conditions is analyzed with the theoretical value， and the relative percentage error is found out. A simple， practical， fast and accurate method to detect the crude oil with medium and low moisture content is obtained.

Keywords： resonant cavity； resonant frequency； quality factor； water content； perturbation method

0 引 言

随着社会经济对石油能源的需求量逐年提升，工业设备和石化采集、运输系统对原油含水率信息的要求越来越精细，使得原油含水率的测量技术直接影响着石油工业的发展，主要表现在原油的开采、脱水、集输计量、储运销售和石化炼制等重要环节，而精确及时的测量含水率十分困难，所以寻找一种及时准确的含水率测量方法显得尤为重要。及时准确地获得含水率信息不仅能够为稳定地控制石油生产的过程提供理论依据，而且能够保证成品原油的生产，进而降低生产成本，减少能源消耗。传统的测量方法（如电容法、电导法等）只能满足较低准确度，即使能够达到较高准确度也需要耗费大量的时间和人力（如电化学方法中的卡尔?费休法、蒸馏法和电脱法等）。在低含水（60%）时，水的矿化度会较大地影响电容式测量、电导式等在线测量方法的精度。据此提出了一种测量精确度高、测量时间短、并且不受原油矿化度影响的方法，即微波谐振腔微扰法测量原油含水率[1?2]。微波具有穿透能力强，不仅能够测量样品原油表层的水分，还可以检测样品原油内部（油包水）的水分，并且具有测量时间短、效率高、不受矿化度影响等显著优点[3?4]。谐振腔微扰法根据引入微扰源中的油、水介电常数相差较大，即水分子电场极化强度远远高于油。原油样品中含水量的多少对于电磁场的幅值损耗和相位延迟产生影响，使得高频电磁波在谐振腔内产生根据含水量变化的高频振荡谐振，谐振腔中的谐振频率和品质因数会随着发生变化。根据谐振腔内电磁谐振频率和品质因数可以得出样品原油的介电常数的变化，然后由原油含水率和介电常数的关系公式可求得样品原油的含水率。

1 原油含水率与介电常数关系

介电常数又称为电容率，表示介质在外电场作用下极化程度的物理量，反映了介质存储电荷的能力，是相对介电常数和真空绝对介电常数的乘积，常温常压下，一般水的相对介电常数为80左右，而纯油（如原油、柴油和煤油等）相对介电常数均为2.3左右。油水混合物的相对介电常数与其含水率密切相关，水分子作为极性分子，而油分子作为非极性分子，由于极性分子与非极性分子在电极化场的作用下极化机理不同，因此，油水混合物的相对介电常数值不等于它们的算术平均值。

在实际生产中原油和水的混合存在三种取向极化状态[5]：

本文为了符合实际情况，仿真设计中采取第三种取向极化状态的表达式，根据极化式（3）可求得不同含水率原油的混合介电常数的变化情况。

2 微扰法原理

微波谐振腔主要分为圆柱形谐振腔和矩形谐振腔。由于矩形谐振腔有着广泛的理论基础和测试研究，有较为准确的测试表达公式，并且具有品质因数高和传输损耗小的特点，所以在此只讨论矩形谐振腔的微扰法[6?8]，其结构如图1所示。 由于水的介电常数远远大于原油的介电常数，所含水分对微波场的损耗比纯净原油大的多，将含水原油样品放到谐振腔的适当位置，微波通过谐振腔中的油体样品时，其谐振频率和品质因数会发生相应变化，对于原油含水率测量来说，主要关心的是由于含水量不同所引起的介电常数变化，所以将样品放在谐振腔微波电场最大，而微波磁场为零处，当样品[dh?110] 很小时，可以将[f-f0] 看成微扰[9]。

式中：[f0]为谐振腔谐振频率；[f]为放入样品后谐振频率；[Δ1QL]为放入样品后谐振腔的有载品质因数[QL] 的倒数变化；[μ]为样品的张量磁导率；[I]为单位张量；[εr]为样品的相对介电常数；[E0]和[H0]为空腔中的电磁场；[E]和[H]为放入样品后腔中的电磁场；[VS]为样品的体积；[V0]为谐振腔体积（[VS?V0]）。

为了分析简便，将样品放入谐振腔电场最大而磁场为零处时，仿真结果和理论相一致，即矩形谐振腔在本征模式条件下存在两处电场最强而磁场强度为零的点，[x=a2，y=l4]，空腔仿真图形，如图2所示。

由式（7）可知，通过测量谐振腔谐振频率和品质因数的变化，可以将复介电常数中的[ε′]和[ε″]求出[8]。其中[ε″]是复介电常数中表示电磁波在谐振腔中介质的电极化损耗，而[ε′]是介电常数部分[9]。

3 仿真及结果分析

本文为了方便计算和仿真，采用国标BJ?9型矩形谐振腔，其起始频率为0.76 GHz，截止频率为1.15 GHz，内截面尺寸[247.6 mm×123.8 mm，]外截面尺寸[253.6 mm×129.8 mm，]内部圆角[r=1.2 mm，]谐振腔长度选择为[400 mm]，厚度为[3 mm]。由于本文只对腔体中所存在的电磁场结构和对应的频率值进行数值上的求解，所以采用谐振腔本征模的数值求解方法。其设置最小求解频率为0.8 GHz，最大迭代次数3次，收敛误差10%，其求解模式数有5个，其中模式1为最低次模。仿真计算所得到的频率具有虚部和实部，其中实部是谐振频率，而谐振频率的虚部和各种损耗有关，在此不考虑损耗，所以忽略虚部的影响。

将空腔的面电场图和放入纯油的面电场图进行比较发现，矩形谐振腔中电场强度最大的两个点的值减少了约0.027 V/m，满足微扰的条件要求，如图3所示。

原油样品含水率取12组油水两相不同配比的样品，纯油、1%含水率的油、10%含水率的油、20%含水率的油、30%含水率的油、40%含水率的油、50%含水率的油、50%含水率的油、60%含水率的油、70%含水率的油、80%含水率的油、90%含水率的油和纯水。矩形谐振腔内电场强度随着微扰样品中原油含水率的增加而减少，如图4所示，其谐振腔的谐振频率也依次降低，如图5所示，能够较好地反应出原油含水率的变化情况。

相对介电常数为第三种既有串联又有并联的形式，经计算所得理论介电常数和仿真计算所得介电常数对比如表1所示。

4 实验结果

根据所求得的谐振频率代入式（7）中，可以算出所测油水混合物的介电常数，对于本文仿真分析来说，取原油样品充分混合，对于样品即油水混合物相对介电常数为第三种既有串联又有并联的形式取原油样品充分混合，对于样品即油水混合物将两组数据进行数据处理并画出图形进行对比，如图6所示，当含水率低于70%时，仿真测量相对介电常数和理论值非常接近，说明仿真的准确性；当含水率高于70%时，测量值略低于理论计算值，仿真出现较大误差。

如图7所示，当含水率小于70%的时候，样品原油介电常数测量值和理论真实值的相对百分比误差小于5%，和真实值较为接近，可以满足实际测量的需要（铜制边界条件下的测量结果和铝制边界结果基本相同，故只列出铝制边界条件下的仿真结果）。

5 结 语

本文提出一种测量精确度高、测量时间短、并且不受原油矿化度影响的方法，即微波谐振腔微扰法测量原油含水率，并进行仿真，结果表明该方法可以满足实际测量的需要。

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