CN103234985B - 利用天线谐振频率测量物质含水率的方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

一种利用天线谐振频率测量物质含水率的方法及测量装置，所述测量装置包括由窄带天线组成的传感器，通过同轴连接器与传感器连接的网络分析仪；测量时，步骤一、将由窄带天线构成的传感器置于介电常数已知的物质中进行定标校准，以获取该窄带天线的谐振频率与物质等效介电常数间的拟合公式：步骤二、将传感器放入待测量物质中，测量该窄带天线的谐振频率；步骤三、根据测量得到的天线谐振频率，利用步骤一中获得的拟合公式计算出待测量物质的等效介电常数；步骤四、根据步骤三计算出的待测量物质的等效介电常数，利用等效介电常数与含水率的关系式计算出待测量混合物的含水率。本发明可在线测量，稳定性好，结构简单，操作性高。

Description

利用天线谐振频率测量物质含水率的方法及测量装置

技术领域

本发明属于水含量测量技术领域，特别涉及一种采用基于天线谐振理论的天线传感器检测原油中水分含量的方法及装置，可应用于化学工业中原油含水率或水利工程中水含量的检测。

背景技术

在工农业的生产过程中，含水率对物质的性能有着极其重要的影响。石油是现代工业社会应用最为广泛的能源物质之一，石油工业不仅是国民经济中的支柱产业，同时也带动了机械、炼油、化工、交通运输业以及为这些产业提供原料和动力的钢铁、电力、建材等工业部门的发展。石油的开发包括开采、分离、提炼，再到工业、生活、生产和消费等方面，仅开采部分就是极其复杂的过程。随着石油开采时间的加长，油层本身能量不断消耗，使得油层的压力不断下降，会导致地下残留大量的死油不能被开采出来。我国大多数油田都已经处于油田开发的中后期，开采石油已经不能通过自然手段让其自然喷发。为了弥补原油开采出后所造成的地下亏空，保持或提高地下油层的压力，实现油田高产稳产并获得较高的开采率，必须向油田内高压注水，利用油水的不同性质，使石油漂浮起来进行开采。但是，这会导致原油的含水率普遍较高，使得后期的过程更为复杂。而且油井含油量不高，出油量越来越小，严重时甚至会出现“空抽”的现象，“空抽”时的抽油机仍在不停的运转，不仅造成了能源的大量浪费，同时也会增加开采的成本，如油井的耗电量、注水的耗电量、脱水和污水处理的耗电量、井下材料消耗、检测费、生产用燃料费等等。因此，有必要对原油的含水率进行测量。

由于原油含水率的检测对于确定出水、出油层位，估计产量和预测油井的开发寿命以及减少能耗、降低成本、油井状态检测、油田的产量质量控制和采油管理自动化具有重要的意义，以及对原油产量的分配、公司的生产动态的掌握以及三次原油质量的提高，原油含水率检测都起着重要的作用。若含水率检测有误，会破坏电脱水器内部的电场，影响脱水质量，从而导致在原油的集输方面能源的浪费，并且还容易引起突沸等不良事故的发生。因此对原油含水率的检测越来越受到了人们的关注。

上世纪50年代到70年代，原油含水率检测技术开始起步发展。60年代Bryan报道了利用油水密度的差异性测量流体密度的方法，即利用伽马射线密度计来计算油中的含水量。1964年场射线衰减法被提出后，1979年Calgary大学电机工程系的相关研究人员已经采用场射线衰减法测量多相流分相含率。90年代中期后，斯伦贝谢等公司研究了利用探针法测量含水量，并陆续发表了相关文章。90年代，国内石油大学黄正华等研究的短波吸收型原油含水率测定仪，哈尔滨工业大学刘兴斌等研制的阻抗式两相含水率仪最具有代表性。

目前，用于测量原油含水率的方法有传统测量法和在线测量法。传统测量法包括蒸馏法、离心法、电脱法等；在线测量法测量过程中一般不用人为提取样品，取样频率高，主要包括密度法、相位法、射线法、微波法和电容电导法等；而油品中微水含量的测量一般采用卡尔·费休法。由于传统测量法的耗时、非在线性、随机性大，相比较而言，在线测量法的应用更广泛。但是现有的在线测量法在应用上也存在着一些不足，如射线型原油含水率检测仪由于含有辐射源，射线产生的辐射较强对人体有很大的危害，需特别防护措施；微波法测量仪在含水量超过60%后，测量可靠性不稳定，现场应用时需要反复调校；而一些测量准确、有较好在线补偿校准能力的检测仪器结构复杂，价格昂贵，使用和后期维护成本高，不利于大范围推广应用。针对上述不足，急需提供一种可在线测量、稳定性好、价格便宜、结构简单适用于大范围含水率检测的测量方法和仪器，以满足市场需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用天线的谐振特性测量物质的等效介电常数，从而对物质含水率进行测量的方法。

本发明的另一目的是提供一种测量物质含水率的测量装置，尤其适用于检测原油中水分含量的情况。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

利用天线谐振频率测量物质含水率的方法，包括以下步骤：

步骤一、将由窄带天线构成的天线传感器置于介电常数已知的物质中进行定标校准，测量该窄带天线与不同介电常数相对应的谐振频率，根据相对应的介电常数与谐振频率的数据获取该窄带天线的谐振频率与物质等效介电常数间的拟合公式：

$f=a+{\mathrm{be}}^{c\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}+d}$

拟合公式中的f为测量得到的窄带天线的谐振频率，f＞30MHz，ε_r为外围介质的等效介电常数，a、b、c、d均为常数，前述常数与窄带天线的具体结构相关；

步骤二、将天线传感器放入待测量物质中，测量该窄带天线的谐振频率；

步骤三、根据测量得到的窄带天线的谐振频率，利用步骤一中获得的拟合公式计算出待测量物质的等效介电常数；

步骤四、根据步骤三计算出的待测量物质的等效介电常数，利用等效介电常数与含水率的关系式计算出待测量混合物的含水率。

用前述方法测量物质含水率的测量装置，包括：由窄带天线构成的天线传感器；网络分析仪；所述天线传感器通过同轴连接器与网络分析仪连接。

优选的，所述天线传感器还包括金属屏蔽筒，所述窄带天线设置于所述金属屏蔽筒内。

优选的，所述窄带天线沿所述金属屏蔽筒的径向设置于所述金属屏蔽筒内。

优选的，所述窄带天线为单振子天线。

优选的，所述窄带天线为对称振子天线或单振子天线。

优选的，所述窄带天线外设置有保护介质层。

优选的，所述金属屏蔽筒内周壁上设置有不易氧化的环氧树脂保护层。

由以上可知，本发明基于介电常数微波测量原理，提出一种基于天线谐振特性测量物质等效介电常数从而计算物质含水率的方法，该方法利用窄带天线谐振频率与外围介质的等效介电常数间的关系，通过测量窄带天线的谐振频率，利用拟合公式计算出外围介质的等效介电常数，最后通过等效介电常数与含水率的关系计算出物质的含水率。采用本发明方法测量含水率的测量装置的传感器结构简单，可在线测量，操作性高，成本低，有利于大范围推广应用。

附图说明

图1为本发明仿真模型1的示意图；

图2为模型1的对称振子天线的谐振曲线图；

图3为模型1的谐振频率-介电常数曲线图；

图4为本发明仿真模型2的示意图；

图5为介电常数在11～20间变化时模型2的对称振子天线的谐振曲线图；

图6为模型2的谐振频率-介电常数曲线图；

图7为本发明仿真模型3的示意图；

图8为介电常数在13～21间变化时模型3的对称振子天线的谐振曲线图；

图9为介电常数在63～71间变化时模型3的对称振子天线的谐振曲线图；

图10为模型3的谐振频率-介电常数曲线图；

图11为本发明仿真模型4的示意图；

图12为介电常数在19～27间变化时模型4的对称振子天线的谐振曲线图；

图13为介电常数在59～67间变化时模型4的对称振子天线的谐振曲线图；

图14为模型4的谐振频率-介电常数曲线图；

图15为本发明仿真模型5的示意图；

图16为图5另一角度的示意图；

图17为介电常数在20～30间变化时模型5的单振子天线的谐振曲线图；

图18为介电常数在60～70间变化时模型5的单振子天线的谐振曲线图；

图19为模型5的谐振频率-介电常数曲线图。

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

具体实施方式

电介质包括一切绝缘体，还包括内部结构会在外电场的作用下发生变化且能反过来影响外电场的物质。所有非金属，甚至在一定条件下的金属，也属于电介质。原油是一种复杂的混合物，其组成成分多种多样，主要包括饱和酚、芳香酚、胶质和沥青质，可以认为原油是一种比较特殊的电介质，并且由于原油组分含量的不同，原油表现出的介电特性也不一样。

油和水在静置时，由于密度的差异，两者之间会出现分界面，水在下，油在上。搅拌后，两者互相渗透，混合时会出现两种状态：当油的成分多于水时，水会以直径大小不等的颗粒悬浮在油中，这种状态称为油包水，当水的成分多于油时，油以珠状散布在水相中，常常称为水包油。常温常压下，纯水的（相对）介电常数为81，原油的（相对）介电常数为2.1，原油（混合物）中气相的含量相对较少，因此可以近似地认为，原油是由水和油组成的油水混合物。由于这两者的介电常数相差较大，在一定的频率变化范围内，油水混合物介电常数的大小主要由水分来决定，因此，可以通过测量油水混合物的等效介电常数来计算油水混合物（原油）中水分含量的多少。

天线的谐振频率随着介质介电常数的不同而不同，以半波对称振子天线为例，半波对称振子天线的总长度为l，在介质中，半波对称振子天线的谐振频率与天线尺寸和介质介电常数的关系为：

$f=\frac{c}{2l\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_{r^{\′}}}}$

其中，f为半波对称振子天线的谐振频率，c为电磁波在真空中的速度，μ_r、ε_r'为介质的相对磁导率和相对介电常数。由于顺磁质和抗磁质的相对磁导率都接近于1，因此半波对称振子天线在尺寸不变的情况下，天线的谐振频率只和介质的介电常数有关。

发明人经过实验发现，在常温常压下，窄带天线的谐振频率与外围介质（混合物）的介电常数间呈现出一种单调的指数衰减关系，根据这种对应关系，可以通过测量窄带天线的谐振频率，对应得到窄带天线外围介质的等效介电常数，从而根据等效介电常数与含水率的关系式最后计算出混合物的水分含量。在外电场作用下，水的极化程度远大于其他物质，有研究表明，当电磁波的频率大于30MHz时，水的介电常数的虚部趋于零，基本可以不考虑其介电损耗。

下面通过几个仿真实验对本发明作进一步的说明，仿真实验采用的软件为Ansoft HFSS高频电磁仿真软件。为了验证外围介质的介电常数对天线谐振频率的影响，利用仿真软件根据原油和水的介电常数来改变外围介质的介电常数，常温下，水的（相对）介电常数为81，原油的（相对）介电常数为2.1，从两种极端的情况考虑，仿真时将介电常数设置于2～81之间。

实验1

实验1中使用的窄带天线为对称振子天线，对称振子天线是最基本的天线，它由两段长度对称的直导线构成，在中间端馈电。如图1所示，模型1的参数如下：对称振子天线1为金属铜片，对称振子天线1的宽为0.2mm，单臂长为24.5mm，馈电间距为1mm，两臂总长为50mm。对称振子天线1置于介电常数可变的外围介质2中，外围介质2的尺寸为80mm×20mm×1mm。辐射边界3（也称吸收边界）设置为110mm×80mm×80mm。一般情况下，辐射边界与天线间的距离要大于天线的四分之一波长，本模型中，对称振子天线1的四分之一波长为25mm，因此将辐射边界3的长对应设置为110mm。

仿真结果如图2和表1所示，图2显示了介电常数变化时对称振子天线的谐振特性，表1是模型1的介电常数-谐振频率数据列表。图2中，自右向左分别为介电常数以步长1从1增加到35所对应的谐振曲线，从图2和表1可以看出对称振子天线1的谐振频率随着介电常数的增加，呈现出单调递减的变化趋势，反射系数也逐渐增加。在介电常数比较小时（<10），随着介电常数变化，对称振子天线谐振频率变化的范围较大，介电常数较大时(>10)，对称振子天线谐振频率变化的范围较小。

表1.模型1的介电常数-谐振频率数据列表

介电常数	谐振频率(GHz)	介电常数	谐振频率(GHz)
				1.0000	2.7800	19.0000	1.5200
2.0000	2.4900	20.0000	1.5000
				3.0000	2.3000	21.0000	1.4900
4.0000	2.1600	22.0000	1.4700
				5.0000	2.0500	23.0000	1.4700
6.0000	1.9800	24.0000	1.4500
				7.0000	1.9300	25.0000	1.4400
8.0000	1.8800	26.0000	1.4200
				9.0000	1.8200	27.0000	1.4100
10.0000	1.7700	28.0000	1.4000
				11.0000	1.7300	29.0000	1.3800
12.0000	1.7000	30.0000	1.3600
				13.0000	1.6900	31.0000	1.3500
14.0000	1.6400	32.0000	1.3400
				15.0000	1.6200	33.0000	1.3400

16.0000	1.5900	34.0000	1.3300
				17.0000	1.5600	35.0000	1.3100
18.0000	1.5400

同时参照图3，图3是根据表1的数据得到的谐振频率-介电常数曲线图，从图3可以看出，随着介电常数的逐渐增加，对称振子天线的谐振频率的变化趋势类似于指数的衰减形式。

将仿真数据进行拟合，得到的拟合公式为：

$f=1.1434+0.004e^{-\mathrm{0.4.344}\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}+8.6985}---(1-1)$

式（1-1）中，f为测量得到的窄带天线的谐振频率，ε_r为外围介质的等效介电常数。

通过拟合公式，当得知外围介质的等效介电常数时，可以利用拟合公式计算窄带天线的谐振频率，或者当测得窄带天线的谐振频率时，可以利用拟合公式计算出外围介质的等效介电常数。

实验2

参照图4，模型2的参数如下：对称振子天线1的宽为0.4mm，两臂总长为50mm，在对称振子天线1外围包裹有一层保护介质层4，保护介质层4的材质为环氧树脂（FR4），保护介质层4的尺寸为10mm×60mm×2mm。采用FR4介质层包裹对称振子天线1，可以使对称振子天线1和外围介质保持很好的绝缘性，防止天线与外围长期接触而腐蚀氧化，还可以使天线不易发生形变。包裹了保护介质层4的对称振子天线1置于介电常数可变的外围介质2中，外围介质2的尺寸为40mm×100mm×40mm。辐射边界3设置为130mm×220mm×130mm。

为了使仿真计算更精确，模型2通过分段仿真的方法，将介电常数从1～45分为4段，每仿真一次便得出介电常数变化10次的结果。仿真结果如图5和表2所示，图5为介电常数在11～20间变化时对称振子天线的谐振曲线图，是比较具有代表性的仿真结果。图5中，自右向左介电常数逐渐增大，从图5可以看出，随着介电常数的增加，对称振子天线的谐振频率逐渐向低频移动。表2列出了所有仿真结果的数据，从谐振频率的变化趋势来看，变化的规律和模型1中的变化规律是一致的，也是随着介电常数的增加，对称振子天线的谐振频率逐渐向低频移动，移动的速度逐渐变缓。

表2.模型2的介电常数-谐振频率数据列表

介电常数	谐振频率(GHz)	介电常数	谐振频率(GHz)	介电常数	谐振频率(GHz)
						1.0000	1.9200	22.0000	1.1200	43.0000	1.0300
2.0000	1.6300	23.0000	1.1000	44.0000	1.0000
						3.0000	1.5000	24.0000	1.1000	45.0000	1.0000
4.0000	1.4300	25.0000	1.0900
						5.0000	1.3800	26.0000	1.0800
6.0000	1.3400	27.0000	1.0900
						7.0000	1.3000	28.0000	1.0900
8.0000	1.2700	29.0000	1.0900
						9.0000	1.2400	30.0000	1.0600
10.0000	1.2300	31.0000	1.0800
						11.0000	1.2300	32.0000	1.0700
12.0000	1.2200	33.0000	1.0600
						13.0000	1.2100	34.0000	1.0400
14.0000	1.2000	35.0000	1.0400
						15.0000	1.1900	36.0000	1.0400
16.0000	1.1300	37.0000	1.0300
						17.0000	1.1700	38.0000	1.0400
18.0000	1.1400	39.0000	1.0200
						19.0000	1.1500	40.0000	1.0300
20.0000	1.1000	41.0000	0.9500
						21.0000	1.1400	42.0000	1.0300

同时参照图6，图6是根据表2的数据得到的谐振频率-介电常数曲线图，从图6可以看出，随着介电常数的逐渐增加，对称振子天线的谐振频率的变化趋势类似于指数的衰减形式。

将仿真数据进行拟合，得到的拟合公式为：

$f=1.0445+1.4165e^{-0.6922\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}+0.1478}---(1-2)$

式（1-2）中，f为测量得到的窄带天线的谐振频率，ε_r为外围介质的等效介电常数。

实验3

由实验1和实验2可知，在介质的影响下，对称振子天线的谐振特性和介质的介电常数呈现出单调的关系。参照图7，为了结合工程中的实际应用，模拟原油在金属管道内部流动，同时屏蔽外围环境对天线的干扰，实验3在实验2的基础上，将对称振子天线1和保护介质层4置于金属材质的圆筒3’中，对称振子天线1位于圆筒3’中间，圆筒3’内部填充介电常数可变的外围介质。模型3的参数如下：对称振子天线1的宽为0.4mm，两臂总长为15m，保护介质层4的尺寸为20mm×10mm×2mm，圆筒3’的半径为20mm，高度为90mm，辐射边界为圆筒3’的两端面。圆筒3’的两端不封闭，模拟圆形的管道结构。模型3的对称振子天线1的长度对应波长为30mm，当金属壳与天线之间的距离大于半波长时，仿真有很好的结果，因此圆筒高度的选取为三个波长，这样既减少了计算量又能模拟实际中的管道大小。

模型3同样采用分段仿真的方法，将介电常数从1～81分为8段，每仿真一次得出介电常数变化10次的结果。仿真结果如图8、图9和表3所示，图8和图9为两次比较具有代表性的结果，图8为介电常数在13～21间变化时对称振子天线的谐振曲线图，图9为介电常数在63～71间变化时对称振子天线的谐振曲线图，介电常数步长为2。图8和图9中，介电常数自右向左逐渐增大，由于加上金属筒体后，出现了四个谐振点，谐振频率较多，因此选取了比较容易观察到的第一个谐振点来进行分析。由图8和图9来看，模型3的对称振子天线谐振频率的变化与模型1和模型2中的变化规律一致。由于此模型在金属管道内部，能够很好的避免外界环境的干扰。表3列出了所有仿真结果的数据，介电常数小于3时，以步长0.5递增，介电常数大于3时，以步长2递增，表3中的符号“—”代表在结果中找不到对应的数据。

表3.模型3的介电常数-谐振频率数据列表

介电常数	第一谐振点(GHz)	介电常数	第一谐振点(GHz)
				1.0000	—	39.0000	2.1800
1.5000	—	41.0000	2.1300
				2.0000	—	43.0000	2.0800
2.5000	—	45.0000	2.0300
				3.0000	—	47.0000	1.9900
5.0000	—	49.0000	1.9500
				7.0000	—	51.0000	1.9100
9.0000	—	53.0000	1.8700
				11.0000	3.7900	55.0000	1.8400
13.0000	3.5900	57.0000	1.8000
				15.0000	3.4000	59.0000	1.7700
17.0000	3.2400	61.0000	1.7500
				19.0000	3.0800	63.0000	1.7200
21.0000	2.9400	65.0000	1.6900
				23.0000	2.8100	67.0000	1.6700
25.0000	2.7100	69.0000	1.6400
				27.0000	2.6100	71.0000	1.6200
29.0000	2.5200	73.0000	1.6000
				31.0000	2.4400	75.0000	1.5800
33.0000	2.3700	77.0000	1.5600

35.0000	2.3000	79.0000	1.5400
				37.0000	2.2400	81.0000	1.5200

图10是根据表3的数据得到的谐振频率-介电常数曲线图，从图10可以看出，随着介电常数的逐渐增加，对称振子天线的谐振频率的变化趋势也是类似于指数的衰减形式。

将仿真数据进行拟合，得到的拟合公式为：

$f=0.9943+0.1125e^{-0.2947\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}+4.1992}---(1-3)$

式（1-3）中，f为测量得到的窄带天线的谐振频率，ε_r为外围介质的等效介电常数。

实验4

如图11所示，实验4在实验3的基础上，在圆筒3’的内表面涂覆一层不易氧化的FR4保护层5。模型4的参数如下：对称振子天线1的宽为0.4mm，两臂总长为15mm，保护介质层4的尺寸为20mm×2mm×1mm，辐射边界3的内径为15mm，高度为80mm。

仿真结果如图12、图13和表4所示，图12为介电常数在19～27间变化时对称振子天线的谐振曲线图，图13为介电常数在59～67间变化时对称振子天线的谐振曲线图，介电常数自右向左逐渐增大。同样选取模型4的第一个谐振点来进行分析。从图12、图13和表4可以看出，随着介电常数的增加，对称振子天线的谐振频率逐渐向低频移动。

表4.模型4的介电常数-谐振频率数据列表

介电常数	第一谐振点(GHz)	介电常数	第一谐振点(GHz)	介电常数	第一谐振点(GHz)
						1.0000	—	31.0000	2.9300	61.0000	2.1500
3.0000	—	33.0000	2.8500	63.0000	2.1200
						5.0000	—	35.0000	2.7900	65.0000	2.0900
7.0000	—	37.0000	2.6800	67.0000	2.0600
						9.0000	—	39.0000	2.6200	69.0000	2.0300
11.0000	—	41.0000	2.5700	71.0000	2.0000
						13.0000	—	43.0000	2.5200	73.0000	1.9700
15.0000	—	45.0000	2.4900	75.0000	1.9400
						17.0000	—	47.0000	2.4400	77.0000	1.9200
19.0000	3.5000	49.0000	2.3900	79.0000	1.8900
						21.0000	3.3600	51.0000	2.3500	81.0000	1.8700
23.0000	3.2600	53.0000	2.3000
						25.0000	3.1800	55.0000	2.2600
27.0000	3.0800	57.0000	2.2200
						29.0000	3.0100	59.0000	2.1900

图14是根据表4的数据得到的谐振频率-介电常数曲线图，从图14可以看出，随着介电常数的逐渐增加，对称振子天线的谐振频率的变化趋势类似于指数的衰减形式。

将表4的仿真数据进行拟合，得到的拟合公式为：

$f=1.3829+3.78256e^{-0.2770\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}+0.6108}---(1-4)$

式（1-4）中，f为测量得到的窄带天线的谐振频率，ε_r为外围介质的等效介电常数。

实验5

实验5中采用的窄带天线为单振子天线，参照图15和图16，本实验中模型参数如下：单振子天线1’的长为50mm，直径为9.6mm，金属屏蔽圆筒3’的外径为76mm，内径为66mm，长为82mm；单振子天线1’沿金属屏蔽圆筒3’径向穿入金属屏蔽圆筒3’中。

仿真结果如图17、图18和表5所示，图17为介电常数在20～30间变化时单振子天线的谐振曲线图，图18为介电常数在60～70间变化时单振子天线的谐振曲线图，介电常数自右向左逐渐增大。同样选取模型5的第一个谐振点来进行分析。从图17、图18和表5可以看出，随着介电常数的增加，单振子天线的谐振频率逐渐向低频移动。

表5.模型5的介电常数-谐振频率数据列表

介电常数	第一谐振点(GHz)	介电常数	第一谐振点(GHz)
				2.0000	2370.0000	42.0000	554.0000
4.0000	1705.0000	44.0000	532.0000
				6.0000	1405.0000	46.0000	520.0000
8.0000	1215.0000	48.0000	510.0000
				10.0000	1091.5000	50.0000	498.0000
12.0000	997.8000	52.0000	490.0000
				14.0000	926.6000	54.0000	480.0000
16.0000	874.2000	56.0000	472.5000
				18.0000	825.5000	58.0000	462.5000
20.0000	780.5000	60.0000	455.0000
				22.0000	743.5000	62.0000	446.0000
24.0000	713.0000	64.0000	440.0000
				26.0000	690.5000	66.0000	434.0000
28.0000	664.3000	68.0000	428.0000
				30.0000	645.6000	70.0000	420.0000
32.0000	622.0000	72.0000	416.0000
				34.0000	601.0000	74.0000	410.0000

36.0000	586.0000	76.0000	406.0000
				38.0000	571.0000	78.0000	400.0000
40.0000	556.0000	80.0000	396.0000

图19是根据表5的数据得到的谐振频率-介电常数曲线图，从图19可以看出，图19的曲线光滑且符合指数规律。

将表5的仿真数据进行拟合，得到的拟合公式为：

$f=0.4043+3.4773e^{-0.5452\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}+0.1542}---(1-5)$

式（1-5）中，f为测量得到的窄带天线的谐振频率，ε_r为外围介质的等效介电常数。

从以上几个仿真实验的结果可知，随着天线外围介质介电常数的增加，窄带天线的谐振频率逐渐往低频移动，窄带天线谐振频率与物质介电常数间呈现出指数衰减的趋势，本发明正是利用窄带天线的谐振频率随外围介质等效介电常数变化的规律来测量混合物的含水率，测量时步骤如下：

步骤一、将由窄带天线构成的天线传感器置于介电常数已知的物质（外围介质）中进行定标校准，测量窄带天线与不同介电常数相对应的谐振频率，利用相对应的介电常数和谐振频率的数据获取该窄带天线的谐振频率与物质等效介电常数间的拟合公式：

$f=a+{\mathrm{be}}^{c\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}+d}$

拟合公式中的f为测量得到的窄带天线的谐振频率，f＞30MHz，ε_r为外围介质的等效介电常数，a、b、c、d均为常数，这些常数与窄带天线的具体结构相关，当如窄带天线的尺寸或形状结构等参数变化时，上述四个常数的数值也会改变；因此每一天线都需要进行定标校准后，才能获得对应的拟合公式；

步骤二、将天线传感器放入待测量物质中，测量该窄带天线的谐振频率；

步骤三、根据测量得到的窄带天线谐振频率，利用步骤一中获得的拟合公式计算出待测量物质的等效介电常数；

步骤四、根据步骤三计算出的待测量物质的等效介电常数，利用等效介电常数与含水率的关系式计算出待测量混合物的含水率。

下面列举几个常用的原油混合物含水率测量领域的相对介电常数的计算公式：

（1）对数公式

lnε_混＝v_水lnε_水+v_油lnε_油

（2）雷列伊公式

（3）H-B公式

（4）串联公式

（5）并联公式

ε_混＝ε_油v_油+ε_水v_水

（6）串并联公式

k为并联系数，与含水率有关，可表示为：

前述公式中，ε_混为混合物的等效介电常数，ε_油为原油的相对介电常数，v_油为原油含量的体积分数，ε_水为水的相对介电常数，v_水为水含量的体积分数。可以根据不同类型的混合物选择相应的计算方法。

天线的谐振频率由天线的尺寸等具体结构所确定，测量时，同一天线的谐振频率随着（不同）介质介电常数的不同而不同。当电磁波的频率大于30MHz时，水的介电常数的虚部趋于零，此时可以不考虑其介电损耗，因此在定标校准过程中，将窄带天线放入已知介电常数的介质中进行谐振频率的测量时，只有测量得到的谐振频率f大于30MHz时，才能忽略介电损耗，测量数据才为有效数据，才能用于得到拟合公式，即前述拟合公式适用于谐振频率大于30MHz的情况，当测量得到的谐振频率小于30MHz时，测量数据不符合前述拟合公式使用的要求。

下面，以模型5所示结构的传感器为例，对本发明的测量方法和测量装置做详细说明。

采用本发明方法测量含水率的测量装置包括：天线传感器、同轴连接器及线缆、网络分析仪。如图15和图16所示，天线传感器包括单振子天线1’和金属屏蔽圆筒3’，单振子天线1’设置于金属屏蔽圆筒3’内，金属屏蔽圆筒3’的两端开口，将单振子天线1’设置于金属屏蔽圆筒3’内，是为了屏蔽外界环境对单振子天线的干扰，提高测量的准确性。为了便于安装单振子天线1’，优选地使单振子天线1’沿金属屏蔽圆筒3’的径向插入金属屏蔽圆筒3’内。其中，金属屏蔽圆筒3’的外径为76mm，内径为66mm，长为82mm；单振子天线1’长为50mm，直径为9.6mm。单振子天线1’通过同轴连接器6与网络分析仪相连，从而将天线的测量数据传输至网络分析仪，本发明所使用的网络分析仪型号为Agilent N5230C网络分析仪。

下面利用干沙进行含水量测试的实验，实验过程为：在金属屏蔽筒内填充一定体积的干沙后，每次向金属屏蔽筒中加入5mL的水，每隔10分钟记录一次单振子天线的谐振频率，重复实验3次，取3次实验的平均值。当水含量增加到85mL，再继续加水时，金属屏蔽筒3’中的水开始溢出，实验结束。

金属屏蔽筒的内径为66mm，长为82mm，水含量最多时为85mL，则干沙的体积为金属屏蔽筒的体积减去水含量最多时水的体积，即干沙体积为：π(6.6/2)²×8.2-85(mL)，计算得出干沙体积约是195mL。

随着水含量的增加，混合物的介电常数也随着变化。当固、液两相混合时，可以利用并联公式（5）计算混合物的等效介电常数：干沙的相对介电常数为5，水的相对介电常数为81，根据并联公式（5）计算实验时的等效介电常数。

由并联公式（5）转化得：

其中，ε_混为混合物的等效介电常数，ε_沙为干沙的相对介电常数，v_沙为干沙含量的体积分数，ε_水为水的相对介电常数，v_水为水含量的体积分数。

模型5的拟合公式为：

$f=0.4043+3.4773e^{-0.5452\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}+0.1542}---(1-5)$

f为测量得到的窄带天线的谐振频率，ε_r为外围介质的等效介电常数。

实验结果如表6所示，表6中各项数据分别为：第1列为加水量，第2列为根据加水量计算出的实际含水率，第3列为测量得到的单振子天线第一谐振点的谐振频率，第4列为根据测量得到的天线的第一谐振频率用拟合公式（1-5）计算出来的混合物的等效介电常数，第5列为根据等效介电常数用并联公式计算出的混合物的含水率，第6列为实际含水率和计算得到的含水率的误差比较。

表6.干沙实验数据列表

由于受实验时测量数据精确度的影响和受测试装置条件的限制，含水率最高只有0.303的体积分数，计算出的含水率和实际含水率略有误差，测试的最大误差为0.0468，但以上结果证明了本发明方法的可行性。

由以上技术方案可知，本发明基于介电常数微波测量原理，提出一种基于天线谐振特性测量物质等效介电常数进而计算物质含水率的方法，利用窄带天线谐振频率与外围介质的等效介电常数间的关系，通过测量窄带天线的谐振频率，利用拟合公式计算出外围介质的等效介电常数，最后通过等效介电常数与含水率的关系计算出物质的含水率。采用本发明方法测量含水率的测量装置的传感器结构简单，可在线测量，操作性高，成本低，有利于大范围推广应用。

当然，本发明的技术构思并不仅限于上述实施例，还可以依据本发明的构思得到许多不同的具体方案，例如，窄带天线可使用单振子天线、对称振子天线或其它形式的窄带天线；天线可以设置于屏蔽筒里，也可以直接插入测量物质中，当天线设置于屏蔽筒内时，可沿屏蔽筒的径向设置，也可以沿屏蔽筒的中轴线设置；此外，为了保护天线或便于安装，可以在天线外包裹保护介质层或将天线设置于介质板上；前述方案中由于受实验条件的限制，当天线出现多于一个谐振点时，选择了比较容易观察到的第一谐振点来进行分析，在条件允许的情况下，可以选择一个或一个以上的谐振点进行分析，以提高测量的精确度；诸如此等改变以及等效变换均应包含在本发明技术方案所述的范围之内。

Claims (1)

1.利用天线谐振频率测量物质含水率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将由窄带天线构成的天线传感器置于介电常数已知的物质中进行定标校准，测量该窄带天线与不同介电常数相对应的谐振频率，根据相对应的介电常数与谐振频率的数据获取该窄带天线的谐振频率与物质等效介电常数间的拟合公式：

$f=a+{\mathrm{be}}^{c\sqrt{{\mathrm{\&epsiv;}}_r}+d}$

拟合公式中的f为测量得到的窄带天线的谐振频率，f＞30MHz，ε_r为外围介质的等效介电常数，a、b、c、d均为常数，前述常数与窄带天线的具体结构相关；

步骤二、将天线传感器放入待测量物质中，测量该窄带天线的谐振频率；

步骤三、根据测量得到的窄带天线谐振频率，利用步骤一中获得的拟合公式计算出待测量物质的等效介电常数；

步骤四、根据步骤三计算出的待测量物质的等效介电常数，利用等效介电常数与含水率的关系式计算出待测量混合物的含水率。