微波式原油含水分析仪基本测量原理和组成及结构

微波式原油含水分析仪基本测量原理和组成及结构微波式含水分析仪是利用微波通过油样时，会引起微波的强度衰减，或产生相位变化，或发生频率变化这三种特征而工作的。目前用的比较多的是采用衰减法和移相法.

1.基本测量原理

微波是一种高频电磁波，频率范围约为1-lOOOMHz。微波含水分析仪一般使用频率为1OMIlz、波长约3cm的微波。微波传递方向性较好，能里集中。微波也像其他电磁波一样，在通过一些介质时，会使介质的分子极化、振动与摩擦，吸收掉一部分能量。而当傲波从一种介质射人另一种介质时，将在两种介质的分界面上产生折射与反射。不同的介质，对微波的吸收不同，对微波的反射也不同。

原油与水两种介质的波阻抗明显不同，原油比水的波阻抗大得多。在原油中传播的徽波遇到水滴时，会产生强烈的反射。原油中含水量越高，对微波的反射越强。在人射波强度不变的条件下，通过测量原油中反射微波的强弱，便可测定原油中的含水贵。

反射徽波的强弱与介质的波阻抗z有关。波阻抗是表征电磁波在介质中传播时，其电场、磁场强度比值大小的参数.在自由空间中，横电磁波的波阻抗等于这种介质的磁导率p 与介电常数。之比的平方根。不同的介质，其波阻抗不同.当微波垂直于两种介质的分界面传播时，反射波功率与人射波功率之比—功率反射系数与两种介质的波阻抗有关，可以表示为:

例如，水的波阻抗约为47，某原油的波阻抗为266，空气的波阻抗约为377。当微波从空气中的天线探头射人纯原油中时，功率反射系数为0.1726，而当徽波从空气射人纯水中时，功率反射系数为0.7783，可见微波反射能里相差很大。当微波射人含水量不同的原油时，其功率反射系数如表6-1所示。功率反射系数随含水量增加而增加。

2.组成及结构

微波含水分析仪由变送器和显示器两部分组成。

变送器装在输油管道上，用于将含水率转换为电信号送往显示部分，其组成框图如图

6-5所示。

测量时，微波源产生一定强度的微波，由环形器、换向开关进人调配器，达到阻抗匹配，再由天线探头射入量油筒内的吸收筒中。在吸收筒内，徽波产生一定的反射，反射徽波沿相反的路径经天线探头、调配器、换向开关后进人环形器，经环形器导向进人隔离器，最后进人检波器，由检波二极管将反射波的强弱变成相应的电压信号输出。天线探头发射至原油中的徽波只是部分地被反射，未被反射的透射波则进人微波吸收器被完全吸收。

各部分的作用如下所述。

(1)微波源:是产生徽波的器件，是由体效应二极管作为振荡源组成的微波波导腔振荡器.当体效应二极管外加11V直流偏置电压时，其内产生浪涌电流振荡，在波导腔中形成微波

电磁场，由辐合窗口发射到环形器上去.

(2)环形器:是一种对微波有引导作用的器件。从某种意义上说是一种换向器、隔离器.

从微波源进人A口的人射信号，可以从B口发射到换向器进人A油筒，其间能f损失很小。但人射波却不能从A口直接射到C口进人检波器，此方向隔离很好。另一方面，从A油筒来的反射波，可以无损耗地从B口进人C口射向检波器检波，但不能反向进人A口到微波源.这样，人射微波与反射微波各行其道，互不影响。

(3)调配器:是一个阻抗变换元件，使天线探头的特性阻抗与传愉微波的波导管的阻抗相匹配。调配器上的螺钉可以产生与无线探头相反的额外反射波，此反射波可以与探头本身的辐射波相抵消，以达到阻抗匹配的目的，但不会阻碍人射波和油品反射波的通过。

(4)检波器:用来检侧原油对徽波的反射波的强弱，并由检波二极管变换为直流电压信号。

(5)隔离器:是一种徽波铁氧体元件。其作用是利用波导管中的铁权体元件将从检波器泄漏出来的辐射徽波全部吸收掉，以防止反射波窜人微波源，影晌正常测量。但由于铁载体元件的特殊形状和位里，对从天线来的油品反射波无阻碍作用，使之顺利进人检波器检波。

(6)换向开关和监视有:监视臂是一个阻抗可调节的徽波元件.是在波导管中安装的一个位置可调的活塞，可以部分地吸收徽波辐射。利用它可以产生与已知含水量的标准油样相同的反射波，等效于已知含水量的油样，以校正仪表的显示.利用微波换向开关可迅速将监视臂接人测最系统中，以便观侧仪表的显示位是否等于已知的标准值，因而起到对仪表的自校作用。

(7)补偿电极:用来检测原油的电阻率，以利用水在原油中的分布状态(油包水、水包油)对电阻率的影响，在电路中实现分布状态的自动补偿.

油水的混合状态有两种，即油包水型和水包油型。理论和实践都证明，在含水盈相同的条件下，水包油型对微波的反射要比油包水型强些，电导率也要高些。仪表利用电导率的变化来自动补偿因反射波变化而引起的含水指示值的变化，从而消除了由于油水相变所造成的误差。

显示器的作用有三个:一是向变送器提供11V电源供微波源使用;二是将检波管输出的电压信号加以放大，并转换成含水值指示出来;三是将含水率转换成标准信号输出，以供二次仪表显示或控制之用。

来源：《石油仪表及自动化》