СВЧ-УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ В НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТАХ Российский патент 1997 года по МПК G01N22/04 

Изобретение относится к области измерительной техники СВЧ диапазона длин и волн и может быть использовано в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности для контроля качества нефти и нефтепродуктов непосредственно в трубопроводе.

Известно СВЧ устройство для измерения влагосодержания в нефти и нефтепродуктах [1] содержащее первичный измерительный преобразователь, выполненный в виде одномодового волновода, генератор СВЧ колебаний и приемник прошедших через исследуемый продукт СВЧ колебаний, электрически связанные с волноводом.

Недостатком известного устройства является высокая погрешность измерений. Связано это с тем, что при использовании одномодового волновода с поперечным сечением, эквивалентны по пропускной способности стандартному нефтепроводу (диаметр ≈ 50 мм), измерения ведут на относительно низких частотах. Известно, однако что с уменьшением измерительной частоты увеличивается абсолютная погрешность измерения влагосодержания нефти.

Известно также СВЧ устройство для измерения влагосодержания в нефти и нефтепродуктах [2] содержащее первичный измерительный преобразователь, представляющий собой СВЧ линию передачи в виде отрезка трубопровода, в противоположных стенках которого расположены радиопрозрачные окна с присоединенными к ним передающей и приемной рупорными антеннами, генератор СВЧ колебаний, связанный с передающей антенной, и приемник прошедших через исследуемый продукт СВЧ колебаний, связанный с приемной антенной.

Абсолютная погрешность измерений этой конструкции может быть снижена путем увеличения диаметра трубопровода. Однако с ростом диаметра трубопровода снижается коэффициент передачи СВЧ колебаний за счет расходимости электромагнитного поля в такой линии передачи, а также возникают технические сложности выполнения герметичных радиопрозрачных окон большого размера.

Из числа известных технических решений наиболее близким к предложенному является устройство для измерения влагосодержания в нефти и нефтепродуктах [3] содержащее первичный измерительный преобразователь, выполненный в виде двухпроводной СВЧ линии передачи, расположенной в отрезке трубопровода, генератор СВЧ колебаний и приемник прошедших через исследуемый продукт СВЧ колебаний, электрически связанные с СВЧ линией передачи. Рабочая частота этого устройства не превышает 1 ГГц, что не позволяет существенно снизить погрешность измерений.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в уменьшении абсолютной погрешности измерения влагосодержания в нефтепродуктах обусловленной сортностью нефтепродукта, соленостью воды и температурой смеси.

Для решения поставленной задачи в известном СВЧ устройстве для измерения влагосодержания в нефти и нефтепродуктах, содержащем первичный измерительный преобразователь, выполненный в виде СВЧ линии передачи, расположенной в отрезке трубопровода, генератор СВЧ колебаний и приемник прошедших через исследуемый продукт СВЧ колебаний, электрически связанные с СВЧ линией передачи, упомянутая СВЧ линия передачи выполнена в виде металлического проводника с диаметром d, выбранном из условия

где с скорость света,
f рабочая частота генератора СВЧ колебаний, выбранная в интервале (27 - 33) ГГц,
e диэлектрическая проницаемость исследуемого продукта.

СВЧ линия передачи связана с генератором и приемником СВЧ колебаний через согласующие переходы, размещенные в полых металлических пальцах, установленных в поперечных сечениях отрезка трубопровода. Внутренняя поверхность этого отрезка может быть покрыта материалом, поглощающим СВЧ излучение.

Изобретение поясняется прилагаемым рисунком, на котором показана конструкция предложенного устройства. Оно содержит отрезок 1 трубопровода с фланцами 2, два полых металлических пальца 3, установленных в поперечных сечениях отрезка 1 трубопровода, и размещенные в полых металлических пальцах 3 согласующие переходы, каждый из которых состоит из отрезка одномодового волновода 4 с фланцем 5 с одного конца и подстроечным короткозамыкающим поршнем 6 с другого конца. В стенке каждого волновода 4 выполнено отверстие связи, в которое входит полый винт 7 с уплотняющей втулкой 8. В отрезке 1 трубопровода вдоль его оси расположен металлический проводник 9, концы которого закреплены в уплотняющих втулках 8. К одному из согласующих переходов подключается выход генератора СВЧ колебаний, а к другому вход приемника СВЧ колебаний (на рис. не показаны). Металлический проводник 9, электрически связанный через одномодовые волноводы 4 с генератором и приемником СВЧ колебаний, образует открытую однопроводную СВЧ линию передачи. Диаметр d его выбирается из условия

где l_д длина волны СВЧ колебаний в исследуемом продукте, с скорость света, f рабочая частота генератора СВЧ колебаний, ε диэлектрическая проницаемость исследуемого продукта. Такое ограничение диаметра проводника позволяет исключить возбуждение в нем высших типов поверхностных волн, являющихся источником погрешности измерений. В случае выполнения отрезка 1 трубопровода из металла внутренняя поверхность его покрывается материалом 10, поглощающим СВЧ излучение, например, эпоксидной смолой с добавлением сажи, для предотвращения влияния металлической стенки трубопровода на электрические свойства однопроводной СВЧ линии передачи. Отрезок 1 трубопровода с помощью фланцев 2 монтируется непосредственно в нефтепровод. Устройство работает следующим образом. СВЧ сигнал с выхода генератора СВЧ колебаний поступает через входной согласующий переход на вход однопроводной линии передачи, образованной металлическим проводником 4, и возбуждает в ней бегущую электромагнитную волну, распространяющуюся вдоль отрезка 1 трубопровода. С выхода линии передачи СВЧ сигнал поступает через согласующий переход на приемник СВЧ колебаний и затем на индикатор, регистрирующий уровень выходного сигнала. При заполнении трубопровода исследуемым продуктом (нефтью или нефтепродуктом) часть энергии бегущей электромагнитной волны поглощается, при этом величина поглощения зависит от диэлектрических свойств исследуемого продукта. Для определения влагосодержания в нефти и нефтепродуктах используется тот факт, что при достаточно высокой частоте бегущей электромагнитной волны (f ≈ десятков ГГц) поглощение энергии ее в воде достаточно велико (≈ 20 дБ/мм), а в сухой нефти незначительно (≈ 0,015 дБ/мм). Поэтому, измеряя коэффициент передачи (отношение уровней СВЧ сигнала на выходе и на входе линии передачи), можно с достаточно высокой точностью определить процентное содержание воды в исследуемом продукте.

Исследования авторов изобретения показали, что абсолютная погрешность измерения влагосодержания в нефти с помощью предложенного устройства может быть существенно уменьшена путем оптимального выбора диапазона частот СВЧ колебаний, в котором производятся измерения. Этот диапазон, в котором выбирается рабочая частота генератора СВЧ колебаний, составляет (27^oC33) ГГц. При измерениях на этих частотах дополнительная погрешность от изменения сорта сухой нефти не превышает 0,1% и одновременно изменение поглощения воды от мольной солености в пределах от 0 до 2,5 в интервале температур (10^oC40)^oС не превышает 2%
Испытания макета предложенного устройства на калиброванных смесях нефтей разных сортов с водой в широких пределах изменения температуры и солености воды показали, что оно обеспечивает абсолютную погрешность измерения влагосодержания в нефти ≈ 0,05% при максимальном влагосодержании 1% без коррекции по сортности, солености воды и температуре смеси.

Источники информации
1. Демьянов А.А. Мериакри В.В. "Об одном способе автоматического определения влагосодержания в нфти". Автометрия, 1970, N5.

2. Патент США N 4301400, G 01 R 27/04, опубл. 17.11.81.

3. Патентная заявка Великобритании N 2110377, G 01 N 22/00, опубл. 15.06.83.

Использование: контроль качества нефтепродуктов. Сущность изобретения: СВЧ устройство для измерения влагосодержания в нефтепродуктах и нефти содержит первичный измерительный преобразователь, выполненный в виде СВЧ линии передачи, в качестве которой использован металлический проводник. Металлический проводник электрически связан с генератором СВЧ колебаний и приемником прошедших через исследуемый продукт СВЧ колебаний. Приведено выражение для расчета диаметра металлического проводника. Отрезок трубопровода может быть покрыт материалом, поглощающим СВЧ излучения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СВЧ-устройство для измерения влагосодержания в нефтепродуктах и нефти, содержащее первичный измерительный преобразователь, выполненный в виде СВЧ-линии передачи, расположенной в отрезке трубопровода, генератор СВЧ-колебаний и приемник прошедших через исследуемый продукт СВЧ-колебаний, электрически связанные с СВЧ-линией передачи, отличающееся тем, что СВЧ-линия передачи выполнена в виде металлического проводника с диаметром d, выбранным из условия

где С скорость света,
f рабочая частота генератора СВЧ-колебаний, выбранная в интервале 27 - 33 ГГц,
e - диэлектрическая проницаемость исследуемого продукта. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что однопроводная СВЧ-линия передачи связана с генератором СВЧ-колебаний и приемником прошедших через исследуемый продукт СВЧ-колебаний через согласующие переходы, размещенные в полых металлических пальцах, установленных в поперечных сечениях отрезка трубопровода. 3. Устройство по пп.1 или 2, отличающееся тем, что внутренняя поверхность отрезка трубопровода покрыта материалом, поглощающим СВЧ-излучение.