CN204807497U - 微量水分变送器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了微量水分变送器，该微量水分变送器包括：第一单元，由电阻模块和温度调理电路模块组成，电阻模块在接触当前被测流体(含液体和气体)时发生阻值的变化，使得温度调理电路模块根据阻值产生与当前被测流体的温度相关的电压值并发送至控制单元；第二单元，由电容模块和振荡电路模块组成，电容模块在接触当前被测流体时发生容值的变化，使得振荡电路模块根据容值产生与当前被测流体的水活性相关的频率值并发送至控制单元；控制单元，连接至第一单元和第二单元，用于根据频率值和电压值计算当前被测流体的微水含量。本实用新型的微量水分变送器能够现场检测被测流体中的微量水分，具有节省时间、提高工作效率的优点。

Description

微量水分变送器

技术领域

本实用新型涉及微水含量的检测领域，具体涉及微量水分变送器。

背景技术

由于运行环境和技术工艺等方面的原因，在变压器油、润滑油、液压油等工业油品的生产、储存、运输及使用过程中，被测流体中极易造成水分的残留和侵入。同时，这类油品中都含有芳香烃类物质，具有较强的吸水能力。通常情况下，芳香烃类成分越多，相对来说油品的吸水能力就越强。由于含水量和溶解度的不同，油中水分多以溶解态、乳化态和游离态的形式存在。

变压器油以其稳定的电气性能，被广泛应用在油浸式电力变压器设备内部作为重要的绝缘介质，起到绝缘、冷却和灭弧的作用。变压器油中水分的增加会增加变压器油的介质损耗，降低变压器油的击穿电压。

在润滑系统中，油中含有水分不仅对润滑油本身的物理化学性质产生影响，而且危害润滑系统甚至是整个设备的正常运行。水分在润滑油中会形成乳化液，降低润滑油的粘性，使油品容易产生沉渣，堵塞油路；加速有机酸对系统部件的锈蚀。此外水污染物会破坏润滑油形成的油膜，因氢“自由基”而造成的微裂纹(也称为“氢脆”)随时间增长，造成点蚀和剥落。

液压油用作液压介质广泛应用于液压系统中，起着能量传递、系统润滑、防腐、防锈、冷却等作用。水分是液压油污染物的主要来源之一，若液压油中含有水分，则具有以下危害：(1)水与液压油可形成乳化液，使被测流体变稠，堵塞液压元件和滤油管道，影响液压系统的正常运行。(2)水与液压油中的化学成分作用使油品氧化变质，产生胶质、油泥等沉淀物，影响油品的性能。(3)液压油润滑性能变差，加剧系统零部件磨损。(4)锈蚀液压元件，降低系统的使用寿命。(5)低温时被测流体中的水分凝结成冰粒，也会堵塞元件间隙。

在线监测被测流体中水活性和微水含量以随时掌握油中含水量的变化，并根据设定的报警值适时报警和控制，对设备的安全运行十分重要。目前离线式监测油中水含量包括蒸馏法、气相色谱法以及卡尔费休法等等。这些方法是在现场抽取待测被测流体若干送到实验室，在实验室完成被测流体的检测工作，这往往需要很长的一段时间，通常需要一周左右。例如，卡尔费休法有滴定法与库仑电量法两种方法，卡氏库仑法(库仑电量法)测定水分是一种电化学方法，其原理是仪器的电解池中的卡氏试剂达到平衡时注入含水的样品，水参与碘、二氧化硫的氧化还原反应，在吡啶和甲醇存在的情况下，生成氢碘酸吡啶和甲基硫酸吡啶，消耗了的碘在阳极电解产生，从而使氧化还原反应不断进行，直至水分全部耗尽为止，依据法拉第电解定律，电解产生碘是同电解时耗用的电量成正比例关系的，1摩尔碘与1摩尔水的当量反应，即电解碘的电量相当于电解水的电量，电解1摩尔碘需要2×96493毫库仑电量，电解1毫摩尔水需要电量为96493毫库仑电量，则微水含量需要根据库伦电量予以确定，可见，库仑电量法需要复杂的操作工序、需要在实验室内进行操作、不能当场测量。

除了上述例举的油液之外，对于其他液体以及气体等流体，也存在类似的问题，故不再赘述。

上述现有技术的方法最主要的缺陷在于测试周期太长，不能实现现场快速测量；有的测试方法还存在测定工序复杂、测试结果不精确、费用高等缺陷。采用在线式监测油中微水含量的方法中，红外光谱测试精度高，但是价格昂贵，维护成本高，在在线式被测流体水分监测中的应用受到限制，直接测量被测流体介电常数的电容法和直接测量被测流体电导率的阻抗谱法受到被测流体中粒子、杂质、酸碱度等的影响，不能有效的测量被测流体中水分的含量。因此，开发一种便捷、小体积、现场快速测量水分的传感器(即微量水分变送器)具有重要意义。

发明内容

根据本实用新型的第一方面，提供一种微量水分变送器，包括：第一单元，其至少部分用于伸入当前被测流体中感应被测流体的温度，从而产生与当前被测流体的温度相关的第一信号；第二单元，其至少部分用于伸入当前被测流体中感应被测流体的水活性，从而产生与当前被测流体的水活性相关的第二信号；控制单元，连接至第一单元和第二单元，用于根据第一信号得到当前被测流体的温度值，用于根据第二信号得到当前被测流体的水活性值，根据水活性值和温度值计算当前被测流体的微水含量。

本实用新型所说的被测流体包括液体和气体。被测的液体可以是油液(如变压器油、润滑油、液压油等)，被测的气体可以是六氟化硫气体等。

在一种实施方式中，控制单元根据水活性值和温度值计算当前被测流体的微水含量的计算式为

ppm＝aw*f(Ta)

其中，ppm为微水含量，aw为当前被测流体的水活性值，Ta为当前被测流体的温度值，f(Ta)为Ta的非线性函数。

在另一种实施方式中，控制单元根据水活性值和温度值计算当前被测流体的微水含量的计算式为

ppm＝aw*f(Ta)

其中，ppm为微水含量，aw为当前被测流体的水活性值，Ta为当前被测流体的温度值，f(Ta)为Ta的非线性函数。

控制单元根据水活性值和温度值计算当前被测流体的微水含量的计算式为

$ppm=aw*{10}^{\left(B+\frac{A}{(Ta+273.16)}\right)}$

其中，ppm为微水含量，aw为当前被测流体的水活性值，Ta为当前被测流体的温度，A为第一系数，B为第二系数；

或者

ppm＝aw*Ta/((100-(Ta-Tx))*(100+(Ta-Tx)*Kt))/Kaw/Tx其中，ppm为微水含量，aw为当前被测流体的水活性值，Ta为当前被测流体的温度，Tx为水活性系数的参考温度值，Kt为温度系数，Kaw为水活性系数。Tx、Kt、Kaw的值已经预存在单片机中。

第一单元包括温度传感器，控制单元根据温度传感器的输出得到当前被测流体的温度值。

温度传感器为热敏电阻，第一单元还包括与热敏电阻相连的温度调理电路模块，温度调理电路模块连接至控制单元，温度调理电路模块用于根据热敏电阻的电阻值产生与当前被测流体的温度相关的电压值，控制单元根据该电压值得到当前被测流体的温度值。

温度调理电路模块根据电阻值产生与当前被测流体的温度相关的电压值的计算式为

Vc＝Vmin+K*(Rx-Rmin)

其中，Vc为与当前被测流体温度相关的电压值，Vmin为对应第一单元的温度量程的最低测量温度的相关电压值，K为第一单元的放大倍数，Rmin为对应Vmin的电阻值，Rx为与当前被测流体的温度相关的电阻值。

第一信号为与当前被测流体温度相关的电压值，控制单元根据第一信号得到当前被测流体的温度值的计算式为

$Ta=T1+\frac{(T2-T1)*(Vc-V1)}{(V2-V1)}$

其中，Ta为当前被测流体的温度值，V为被测流体温度为T时温度调理电路产生的第一电压值，V为被测流体温度为T时温度调理电路产生的第二电压值，Vc为与当前被测流体温度Ta相关的电压值。

第二单元包括电容模块，电容模块感应被测流体介电常数的变化而产生变化的电容，控制单元根据电容模块的电容得到当前被测流体的水活性值。

第二单元还包括与电容模块相连接的振荡电路模块，振荡电路模块连接至控制单元，振荡电路模块用于根据电容模块的电容值产生与当前被测流体的水活性相关的频率值，控制单元根据振荡电路模块输出的频率值得到当前被测流体的水活性值。或者，第二单元还包括与电容模块相连接的差分电路模块，差分电路模块连接至控制单元，差分电路模块用于根据电容模块的电容值产生与当前被测流体的水活性相关的电压值，控制单元根据差分电路模块输出的电压值得到当前被测流体的水活性值。

第二信号为与当前被测流体的水活性相关的电压值，控制单元根据第二信号得到当前被测流体的水活性值的计算式为

$aw=aw1-(Vb-V1)*\frac{(aw1-aw2)}{(V2-V1)}$

其中，Vb为当前被测流体相当于参考温度时水活性相关的电压值，aw为被测流体在参考温度时的第一水活性值，V为被测流体在参考温度下水活性值为aw时相关的第一电压值；aw为被测流体在参考温度时的第二水活性值，V为被测流体在参考温度下水活性值为aw时相关的第二电压值；

Vb＝Va+(Ta-Tx)*Vt

其中，Va为与当前被测流体的水活性相关的电压值，Vt为水活性相关电压值随温度的变化系数，Tx为参考温度的数值。

第二信号还可以为与当前被测流体的水活性相关的频率值，控制单元根据第二信号计算当前被测流体的水活性值的计算式为

$aw=aw1-(fb-F1)*\frac{(aw1-aw2)}{(F2-F1)}$

其中，fb为当前被测流体相当于参考温度时水活性相关的频率值，aw为被测流体在参考温度时的第一水活性值，F为被测流体在参考温度下水活性值为aw时相关的第一频率值；aw为被测流体在参考温度时的第二水活性值，F为被测流体在参考温度下水活性值为aw时相关的第二频率值；

fb＝fa+(Ta-Tx)*Ft

其中，fa为与当前被测流体的水活性相关的频率值，Ft为水活性相关频率值随温度的变化系数，Tx为参考温度的数值。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的微量水分变送器，能够现场检测被测流体中的微量水分，与现有技术采取现场抽取待测被测流体若干再送往实验室进行检测的方式相比，具有节省时间、提高工作效率的优点。

附图说明

图1为本实用新型实施例一的微量水分变送器的组成框图；

图2为本实用新型实施例一的微量水分变送器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例一的第一单元的电路结构示意图；

图4为本实用新型实施例一的第二单元的电路结构示意图；

图5为本实用新型实施例一的模拟输出模块的电路结构示意图；

图6为本实用新型实施例一的电源单元的电路结构示意图；

图7为本实用新型实施例二的微量水分变送器的结构示意图；

图8为本实用新型实施例二的第二单元的电路结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

本实用新型所说的被测流体包含液体和气体。被测的液体可以是油液(如变压器油、润滑油、液压油等)，被测的气体可以是六氟化硫气体等。

以下实施例中所说的被测油液指油液，以对油液中微量水分的检测为例说明本实用新型的微量水分变送器的具体结构及其检测方法。

实施例一：

如图1所示为本实施例的微量水分变送器的组成框图，本实施例的微量水分变送器(或者称为油中微量水分变送器，也称为在线阻容式油中微量水分传感变送器)包括：第一单元300、第二单元200、控制单元100和输出单元400。

第一单元300用于伸入当前被测油液中，感应被测油液从而产生与当前被测油液的温度相关的第一信号，并将第一信号发送至控制单元100；第二单元200用于伸入当前被测油液中，感应被测油液从而产生与当前被测油液的水活性相关的第二信号，并将第二信号发送至控制单元100；控制单元100连接至第一单元和第二单元，用于根据第一信号得到当前被测油液的温度值，用于根据第二信号得到当前被测油液的水活性值，用于根据水活性值和温度值计算当前被测油液的微水含量，在具体实施例中，微水含量为水活性值的增函数，且受温度影响，例如微水含量ppm＝aw*f(Ta)，其中，ppm为微水含量，aw为当前被测流体的水活性值，Ta为当前被测流体的温度值，f(Ta)为Ta的非线性函数；输出单元400用于输出所需的检测结果信号。

如图2所示为本实施例的微量水分变送器的详细的结构示意图，由电阻模块301和温度调理电路302组成第一单元，电容模块201和振荡电路202组成第二单元，单片机101为控制单元，数字输出模块401和模拟输出模块402组成输出单元，变送器还包括抗干扰接地电路600、防浪涌吸收电路700和电源单元，电源单元由24V输入电源501、24V转5V电源502和24V转15V电源503组成。

单片机101检测到第一信号和第二信号后根据标定时存储在单片机101的存储器中的特征值进行运算，获得被测油液的温度、水活性和微水含量值。单片机可以采用STC12C5A60S2系列(包括STC12C5A16S2、STC12C5A32S2等)或者STC15F2K60S(包括STC15F2K16S2、STC15F2K32S2等)系列。

温度调理电路302连接至单片机101；在检测油液微水含量的过程中，将电阻模块301浸入待测的油液中，电阻模块301在接触当前油液时产生与当前油液的温度相关的电阻值，温度调理电路302根据电阻值产生与当前油液的温度相关的电压值Vc(即第一信号)，并将电压值Vc发送至单片机101。

电阻模块301为铂电阻(即Pt铂电阻)，优选地，采用PT1000铂电阻或者PT1000铂电阻温度传感器，给PT1000铂电阻上施加一个0.5mA的恒流源从而获得一个跟随被测油液温度变化的温度电压信号，经电压放大后(温度调理电路进行电压放大)发送给单片机101。

第一单元详细的电路结构示意图如图3所示，其中，铂电阻RT作为电阻模块，用于接触被测油液，铂电阻RT设置于以运算放大器TLC27L2(即图中的U2)为控制中心的温度调理电路的结构中(即在温度调理电路的RT1和RT2两个端点之间设置铂电阻RT，从而使得温度调理电路和铂电阻RT共同组成第一单元的电路结构)。测量油液温度时，PT_CON端由单片机给出一个低电平信号，这时5V电源通过电阻TR0施加到铂电阻RT上，铂电阻RT的阻值随温度成正比例变化，则RT上的电压随之改变，这样在运算放大器U2的1脚输出一个电压信号，经二级放大后在运算放大器U2的7脚输出温度电压信号Vc，电压值Vc发送至控制单元。通过改变电阻TR8、TR9和TR10可以调整温度电压信号Vc的大小，通过改变电阻TR4和TR5可以调整温度电压信号Vc随温度的变化速率。

为了减小在铂电阻上施加的测试电流的影响，可以通过单片机控制三极管Q1实现对测试电流的通断控制，仅在测试温度时使测试电流流过铂电阻。

温度调理电路302根据电阻模块301的电阻值产生与当前被测油液的温度相关的电压值的计算式为

Vc＝Vmin+K*(Rx-Rmin)(1)其中，Vc为与当前被测油液温度相关的电压值，Vmin为对应第一单元的温度量程的最低测量温度的相关电压值，K为第一单元的放大倍数，Rmin为对应Vmin的电阻值，Rx为电阻模块301接触油液时的与当前被测油液的温度相关的电阻值。

则单片机101根据Vc计算得到当前被测油液的温度值的计算式为

$Ta=T1+\frac{(T2-T1)*(Vc-V1)}{(V2-V1)}---\left(2\right)$

其中，Ta为当前被测油液的温度值，V1为被测油液温度为T1时温度调理电路302产生的第一电压值，V2为被测油液温度为T2时温度调理电路302产生的第二电压值，V1和V2的数值已经预先存储在单片机101中。

可以通过调节温度调理电路302，使得测量量程中对应最低温度Tmin的输出温度电压信号为0，量程中对应的最高温度为Tmax，对应Tmax的温度电压信号为Vmax，则得到对应的温度电压变化率为K(K＝(Tmax-Tmin)/Vmax)，K的单位为℃/V，当前的温度电压为Vc，则可以得到计算式(2)的更简洁的表达式即当前油液的温度Ta＝K*Vc。

在本实用新型的另一种实施例中，单片机101接收到与当前被测油液温度相关的电压值Vc后，还可以通过查表的方法或者其他计算式得到当前被测油液的温度值Ta。

第二单元包括电容模块201和与之相连接的振荡电路202，振荡电路202连接至单片机101。在检测油液微水含量的过程中，电容模块201伸入当前油液从而产生与当前油液的水活性相关的电容值，振荡电路202根据电容值产生与当前油液的水活性相关的频率值fa(即第二信号)，并将频率值fa发送至单片机101。

电容模块201采用高分子薄膜湿敏电容(也可以采用高分子湿敏电容或者油用高分子湿敏电容传感器)，溶解于油液中的水分子会改变高分子薄膜湿敏电容的介电常数，随着油液中水活性的增加，高分子薄膜湿敏电容的电容量增加，则振荡电路202输出的频率变低。

振荡电路202可以采用高频振荡电路或者称为水活性振荡电路，可以用到CD40106、NE555和mic1555之一，通过测量振荡频率达到间接测量湿敏电容的容值的作用。

如图4所示为本实施例第二单元的电路结构示意图，其中，U3为CD40106，为6斯密特触发器。湿敏电容传感器HC设置于以CD40106为控制中心的振荡电路的结构中(即在振荡电路的CD40106的5脚和隔直电容C7之间设置湿敏电容传感器HC，从而使得湿敏电容传感器HC和振荡电路共同构成第二单元的电路结构)。湿敏电容传感器HC在接触当前被测油液时其容值发生改变，从而在第二单元的输出端产生一个与当前被测油液的水活性相关的频率值fa，并将频率值fa发送至控制单元。具体地，当油液中水活性变大时，湿敏电容传感器HC的容值增加，隔直电容C7保护HC不受直流的伤害，电阻HR1和电阻HR2是起充放电作用的电阻，HC、C7、和HR1、HR2构成了充放电回路。电路的振荡频率的计算式如下

fa＝1/Ca*(HR1+HR2)(3)

其中，fa为与当前油液的水活性相关的频率值，Ca为与当前油液的水活性相关的电容值(即湿敏电容传感器HC此时的电容值)。

流体的水活性反映当前条件下存在于被测油液中水分子和油分子的结合程度，用0至1.0aw表示，其值与吸湿物质在很小的密闭容器内与周围空间达到平衡时的相对湿度的值相等。单片机101根据fa计算当前被测油液的水活性值时，先按下式计算油液相当于参考温度的水活性相关的频率值fb，

fb＝fa+(Ta-25)*Ft(4)

其中，Ft为水活性相关频率值随温度的变化系数(即温度修正系数，是单片机中的预存参数)，参考温度为25℃，fb为当前被测油液相当于参考温度的水活性相关的频率值；

单片机101计算当前被测油液的水活性值的计算式为

$aw=aw1-(fb-F1)*\frac{(aw1-aw2)}{(F2-F1)}---\left(5\right)$

其中，aw为当前被测油液的水活性值，aw1为被测油液在参考温度时的第一水活性值，F1为被测油液在参考温度下水活性值为aw1时相关的第一频率值；aw2为被测油液在参考温度时的第二水活性值，F2为被测油液在参考温度下水活性值为aw2时相关的第二频率值。(即，对于当前被测油液，在25℃的温度下，调整被测油液的微水含量使微水含量改变，使得被测油液的水活性值为aw1，此时被测油液对应第一频率F1；在25℃的温度下，再次改变被测油液的微水含量，使得被测油液的水活性值为aw2，此时被测油液对应第二频率F2。利用F1、F2和fb就能计算出当前被测油液的水活性值aw。其中，在被测油液的水活性值分别为aw、aw1、aw2的情况下，被测油液具有不同的微水含量。)水活性值aw满量程范围为0-1，fb的值介于两相邻的特征频率值F1和F2之间。

在本实用新型的另一种实施例中，单片机101接收到与当前油液的水活性相关的频率值fa后，还可以通过查表的方法或者其他计算式得到当前被测油液的fb或者当前被测油液的水活性值aw。

进一步地，单片机101根据水活性值aw和温度值Ta计算当前被测油液的微水含量值的计算式为

$ppm=aw*{10}^{\left(B+\frac{A}{(Ta+273.16)}\right)}---\left(6\right)$

其中，ppm为微水含量值，A为第一系数，B为第二系数。

系数A和B预存在单片机101中，可以通过卡尔费休法或其他方式得到，例如，测量被测油液至少两个且温度差大于20℃的微水含量(ppm)值，用本实施例的在线阻容式油中微量水分传感变送器测试被测油液的水活性和温度，代入公式(6)就可以计算出A和B的值。

在另外一种实施例中，还可以采用以下计算式计算当前被测油液的微水含量值ppm，

ppm＝aw*Ta/((100-(Ta-26.8))*(100+(Ta-26.8)*0.18))/0.0148/26.8(7)其中，ppm为微水含量，aw为当前被测流体的水活性值，Ta为当前被测流体的温度，26.8为水活性系数的参考温度值(即参考温度为26.8℃)，0.18为温度系数，0.0148为水活性系数。

在上述计算式(4)中，温度修正系数Ft的数值已经预存在单片机101中，Ft的获得可以采用如下几种方式。

第一种获得Ft的方式：在常温条件下，用高精度的露点仪或者标准样机(指标定好的传感变送器)获得密封容器里空气的温度(TS1)和相对湿度值(HS1)，同时用待标定的传感变送器测量密封容器里空气的温度(TC1)和相对湿度值(HC1)。给容器加热升温到55℃±5℃，升温过程中允许容器内的气体膨胀后外泄，用高精度的露点仪或者标准样机获得密封容器里空气的温度(TS2)和相对湿度值(HS2)，同时用待标定的传感变送器测量密封容器里空气的温度(TC2)和相对湿度值(HC2)。则

Ft＝((HC2-HS2)-(HC1-HS1))/(TS2-TS1)(8)

即通过式(8)可以计算得到Ft。

第二种获得Ft的方式：采用饱和盐溶液法，在两个温度下(温差大于20℃)，待标定变送器测量的湿度值和饱和盐溶液相对湿度值(可以由标准样机测量得到)的偏差为σH1(对应于T1温度)和σH2(对应于T2温度)，温度差则为σT＝T2-T1，则

Ft＝(σH2-σH1)/(T2-T1)＝(σH2-σH1)/σT(9)

即通过式(9)可以计算得到Ft。

第三种获得Ft的方式：给被测油液注入干燥的氮气(或空气)将使水活性降低，给被测油液注入潮湿空气将使水活性提高，因此，分别给被测油液注入干燥的或者潮湿的空气从而获得两种条件下的水活性(即给一组被测油液注入干燥的空气从而得到对应的水活性值，给另一组被测油液注入潮湿的空气从而得到对应的水活性值。具体地，将被测油液分为两份，给其中一份被测油液注入干燥的空气从而得到对应的水活性值，给另一份被测油液注入潮湿的空气从而得到对应的水活性值。)，在常温下用已经标定好的传感变送器产品测量被测油液的温度和水活性，同时采用卡尔费休法测试当前被测油液的微水含量，这样可以得到一组温度、水活性和微水含量的对应数据，用归纳法获得单一温度下水活性和微水含量关系的经验公式；然后在密封条件下改变被测油液温度，控制微水含量相同，由于温度不同水活性则不同，从而得到水活性相对于微水含量公式中的温度修正系数。

在上述计算式(6)中，第一系数A和第二系数B也已经预存在单片机101中，关于系数A和B的获得，可以采用如下方式：将待测油液加入一个密封容器中，用已经标定好的传感变送器测量当前被测油液的温度和水活性，采用卡尔费休法测试当前被测油液的微水含量，然后升温到70℃以上，缓慢冷却至55℃保温，用待标定的传感变送器测量待测油液的温度和水活性，采用卡尔费休法再次测量当前被测油液的微水含量，带入公式(6)中计算出待测油液的系数A和B，将计算出来的系数A和B写入程序代码中或者写入存储器中。由于获得了系数A和B，故根据当前的被测油液温度和水活性就能计算出被测油液微水含量。

对于变送器的数字输出，单片机101输出一组标准的RS232数字信号或者RS485数字信号，数字信号包括温度值、水活性值、微水含量值和报警输出值中的一个、多个或者全部，然后经由数字输出模块401将数字信号向外输出。报警输出值为微水含量值超过预设阈值时，单片机产生的报警信号。

即数字输出可以采用RS485总线方式、RS232串口输出方式和can总线方式等，输出参量可以选择温度、水活性和水含量ppm的部分或者全部。

对于变送器的模拟输出，单片机101输出两路pwm(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)信号经模拟输出模块402的输出转换电路生两路4-20mA输出电流信号或者标准的0-5V(或0-10V)电压信号，这两路模拟量输出(即图2中的pwm1信号和pwm2信号)代表温度值、水活性值、微水含量值和报警输出值中的任意两个(例如可以代表温度值和水活性值，也可以代表温度值和微水含量值)。

模拟输出模块402的两路模拟输出电路图采用图5所示的电路结构，单片机101输出的pwm信号经RC滤波后，经跟随器处理后经恒流电路输出4-20mA的电流信号I。

以下对模拟输出的技术方案做详细说明，模拟输出的两路信号可以是4-20mA、0-10V和0-5V的其中两路，两路模拟信号可以选择温度、水活性，也可以选择温度和水含量ppm。模拟量输出是通过单片机输出占空比与温度、水活性和微水含量ppm成比例关系的pwm信号实现的。例如，温度-40℃输出4mA，80℃输出20mA，调整单片机的数字输出为温度值-40℃，调整单片机的pwm输出使得通过图5所示的模拟输出值为4mA，这时的pwm值记为pwm1；调整单片机的数字输出为温度值80℃，调整单片机pwm输出使得通过图5所示的模拟输出值为20mA，这时的pwm值记为pwm2，则按照公式(10)计算温度为Ta时的pwm输出值即pwm_Ta，

pwm_Ta＝pwm1+(Ta*10+400)*(pwm2-pwm1)/1200(10)同理，当前的水活性和水含量对应的pwm信号也可以按照上述方法计算，水活性aw输出为0或者水含量输出为0ppm时，调整单片机的pwm输出使得模拟输出模块输出4mA，这时的pwm值记为pwm1；水活性aw输出为1或者水含量输出为满量程(不同种类的油品水含量满量程的值不一样，常见的变压器油满量程位100ppm)，调整单片机的pwm输出使得模拟输出为20mA，这时的pwm值记为pwm2，则按照公式(11)计算水活性和微水含量的pwm输出值即pwm_X，

pwm_X＝pwm1+(pwm2-pwm1)*X/FS(11)

其中，X代表当前的水活性值aw或者微水含量值ppm；FS为满量程值，如水活性是1，微水含量是100ppm或者其他量程。

如图2所示，电源单元的24V输入电源501通过24V转5V电源502与温度调理电路302连接，其通过24V转15V电源503与模拟输出模块402连接。

如图6所示为电源单元的详细电路结构示意图，24V转5V电源502为78L05，24V转15V电源为LM317，则24V输入电源501输入24V的直流电源后，经78L05输出5V电源给单片机、振荡电路、温度调理电路和数字输出信号供电，模拟输出模块由LM317提供15V电源。电源输入端和信号输出端采用TVS浪涌吸收管提升电路抗干扰能力，该电源电路采用的是共模滤波电路。

当变送器的外壳为金属时，抗干扰接地电路600的目的在于增强金属外壳的屏蔽性能，防浪涌吸收电路700能提升电路的抗干扰能力。

实施例二：

如图7所示，本实施例的微量水分变送器(也称为在线阻容式油中微量水分传感变送器)包括：单片机801、湿敏电容802、振荡电路803、温度传感器804、数字输出模块805和模拟输出模块806。

本实施例与实施例一的区别主要在于两点：(1)第一单元为温度传感器804，直接将温度传感器804的输出传送至单片机801。(2)第二单元包括湿敏电容802和差分电路803，差分电路803根据湿敏电容802的容值的变化，产生与当前被测油液的水活性相关的电压值并传送至单片机801；而实施例一是振荡电路根据电容模块的容值而产生与水活性相关的频率值。

温度传感器804可采用DS18b20温度传感器，在其它实施例中，温度传感器804也可采用其它类型的温度传感器，在检测过程中，温度传感器804接触被测油液，从而输出温度数字信号。

如图8所示为第二单元的电路结构示意图，主要包括顺次连接的第一恒流源2011、标准电容C1、电子开关K1，顺次连接的第二恒流源2012、传感器电容C2、电子开关K2，分别与电子开关K1、电子开关K2连接的端口P1，分别与电子开关K1、电子开关K2连接的仪表放大器2013。传感器电容C2设置于以仪表放大器2013为控制中心的差分电路的结构中(即传感器电容C2一端连接至差分电路的电子开关K2，另一端连接至差分电路的仪表放大器2013，从而使得差分电路和传感器电容C2共同组成第二单元的电路结构)。通过端口P1发送一个占空比为1/10的pwm控制信号，该控制信号pwm由开关三极管或者集成式模拟开关元件构成的电子开关K1、K2驱动。当P1输入为低电平时，电子开关K1和K2断开，第一恒流源2011给标准电容C1充电，第二恒流源2012给传感器电容C2充电；当P1为高电平时，电子开关K1和K2闭合，标准电容C1和传感器电容C2放电，两路信号作为仪表放大器2013的差分输入信号；当C1和C2相等时，仪表放大器2013输出为0，当传感器电容C2的容值改变时，仪表放大器2013输出与容值相对应的电压值Va，并将Va发送至单片机801，Va即为与当前被测流体的水活性相关的电压值。第一开关K1和第二开关K2用于控制标准电容C1和传感器电容C2处于充电或者放电的状态。

在检测过程中，湿敏电容802接触当前油液从而产生与当前油液的水活性相关的电容值，差分电路803根据电容值产生与当前油液的水活性相关的电压值(即第二信号)，并将该电压值发送至单片机801。

单片机801根据该电压值计算当前被测油液的水活性值时，先按下式计算油液相当于参考温度的水活性相关的电压值Vb，

Vb＝Va+(Ta-25)*Vt(12)

其中，Vb为当前被测流体相当于参考温度的水活性相关的电压值，Va为与当前被测油液的水活性相关的电压值，Vt为水活性相关电压值随温度的变化系数，参考温度取25℃；

单片机801计算当前被测油液的水活性值的计算式为

$aw=aw1-(Vb-V1)*\frac{(aw1-aw2)}{(V2-V1)}---\left(13\right)$

其中，aw为当前被测油液的水活性值，aw1为被测油液在参考温度时的第一水活性值，V1为被测油液在参考温度下水活性值为aw1时相关的第一电压值；aw2为被测油液在参考温度时的第二水活性值，V2为被测油液在参考温度下水活性值为aw2时相关的第二电压值，Vb介于两相邻的特征电压值V1和V2之间。

在本实用新型的另一种实施例中，单片机101接收到与当前油液的水活性相关的电压值Va后，还可以通过查表的方法或者其他计算式得到当前被测油液的Vb或者当前被测油液的水活性值aw。

进一步地，单片机801根据水活性值aw和温度值Ta计算当前被测油液的微水含量值的计算式为

$ppm=aw*{10}^{\left(B+\frac{A}{(Ta+273.16)}\right)}---\left(6\right)$

其中，ppm为微水含量值，A为第一系数，B为第二系数。

在另外一种实施例中，还可以采用以下计算式计算当前被测油液的微水含量值ppm，

ppm＝aw*Ta/((100-(Ta-26.8))*(100+(Ta-26.8)*0.18))/0.0148/26.8(7)其中，ppm为微水含量，aw为当前被测流体的水活性值，Ta为当前被测流体的温度，26.8为水活性系数的参考温度值(即参考温度为26.8℃)，0.18为温度系数，0.0148为水活性系数。

本实施例在数字输出模块805、模拟输出模块806、单片机801以及电源单元等方面的技术特征可以参照实施例一，故不再赘述。

采用本实用新型的微量水分变送器(在线阻容式油中微量水分传感变送器)，通过被测流体中水活性和温度的测试获得被测流体中的微水含量，保证了被测流体中水分测试的精度和可靠性，实际使用效果可以满足以下设计指标：

被测流体温度：-40℃～80℃，±0.5℃(即本实用新型能有效测试的被测流体温度范围为-40℃～80℃，误差为±0.5℃，下同)；

被测流体水活性(范围)：0～0.9aw，±0.03aw，和/或0.9～1.0aw，±0.05aw；

数字输出信号：RS485或RS232可选；

数字输出参量：温度、水活性、水含量可选；

模拟输出信号：4-20mA、0-5V和0-10V可选；

模拟输出参量：温度、水活性或者温度、水含量二选一；

抗扰度：见下表

本领域技术人员可以采用其他的常规技术手段对本实用新型的电容模块、电阻模块、温度调理电路、振荡电路、单片机等相关模块进行简单的替换和容易想到的改进，但只要没有超出本实用新型的构思且没有本质上的不同，则仍然属于本实用新型的保护范围之内。另外，本领域技术人员只是对本实用新型中所使用的各个公式做简单的变形、替换、合并或者细化，或者在计算中以加法或减法的形式增添与测量参数无关的系数，或者在计算式中以乘除法的形式扩大或减小某些量的数值，只要是利用了本实用新型公布的计算式(1)至(13)的基本框架而没有对计算式做本质上的改进，则对本实用新型各个公式的变形仍然属于本实用新型的保护范围之内。

在本实用新型的另外的实施例中，第二单元向单片机传送的第二信号也可以是电容值，即第二单元包括电容模块，通过电容模块感应被测流体的介电常数的变化而输出变化的电容值，单片机根据该电容值计算当前被测流体的水活性值。

本实用新型就是针对现有技术的不足，提供一种针对溶解水条件下的被测流体微量水分的在线阻容式微量水分传感变送器，能够现场检测被测流体中的微量水分，不仅节省时间、提高工作效率，而且具有很高的检测精度，可以长期稳定的运行于复杂工况下对被测流体微量水分进行监测。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (5)

1.一种微量水分变送器，其特征在于，包括：

第一单元，其至少部分用于伸入当前被测流体中感应被测流体的温度，从而产生与当前被测流体的温度相关的第一信号；

第二单元，其至少部分用于伸入当前被测流体中感应被测流体的水活性，从而产生与当前被测流体的水活性相关的第二信号；

控制单元，连接至所述第一单元和所述第二单元，用于根据所述第一信号得到当前被测流体的温度值，用于根据所述第二信号得到当前被测流体的水活性值，根据所述水活性值和所述温度值计算当前被测流体的微水含量。

2.如权利要求1所述的变送器，其特征在于，所述第一单元包括温度传感器，控制单元根据温度传感器的输出得到当前被测流体的温度值。

3.如权利要求2所述的变送器，其特征在于，温度传感器为热敏电阻，所述第一单元还包括与热敏电阻相连的温度调理电路模块，所述温度调理电路模块连接至所述控制单元，所述温度调理电路模块用于根据所述热敏电阻的电阻值产生与当前被测流体的温度相关的电压值，控制单元根据该电压值得到当前被测流体的温度值。

4.如权利要求1所述的变送器，其特征在于，所述第二单元包括电容模块，电容模块感应被测流体介电常数的变化而产生变化的电容，控制单元根据电容模块的电容得到当前被测流体的水活性值。

5.如权利要求4所述的变送器，其特征在于，所述第二单元还包括与电容模块相连接的振荡电路模块，所述振荡电路模块连接至所述控制单元，所述振荡电路模块用于根据所述电容模块的电容值产生与当前被测流体的水活性相关的频率值，控制单元根据振荡电路模块输出的频率值得到当前被测流体的水活性值；

或者，所述第二单元还包括与电容模块相连接的差分电路模块，所述差分电路模块连接至所述控制单元，所述差分电路模块用于根据所述电容模块的电容值产生与当前被测流体的水活性相关的电压值，控制单元根据差分电路模块输出的电压值得到当前被测流体的水活性值。