СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК G01N27/22 G01N29/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах технологического контроля влажности различных многокомпонентных жидкостей (МКЖ), например, нефти на объектах нефтедобычи или молока в пищевой промышленности.

Широко известей диэлькометрический способ определения влажности МКЖ, который основан на измерении ее диэлектрической проницаемости (емкости). Но емкость, кроме влагосодержания, зависит еще от ряда параметров, которые необходимо учитывать [1, с. 19].

Такими мешающими параметрами являются, прежде всего, плотность, содержание свободного газа (которое сильно влияет на сжимаемость МКЖ), температура [2, с. 105]. Измеряя эти параметры, можно вводить в результат измерения влагосодержания соответствующие корректирующие воздействия /3, с. 78/.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения влажности [4] , заключающийся в измерении диэлектрической проницаемости, температуры и затухания ультразвука (которое является функцией от плотности и сжимаемости МКЖ) и последующем вычислении влажности по эмпирической формуле.

Недостатком способа является неполная компенсация влияния указанных мешающих параметров по причине того, что практически достижимая точность измерения затухания ультразвука (УЗ) весьма ограничена. Измерения затухания УЗ - это, прежде всего, изменения амплитуды акустического сигнала. А любое амплитудное измерение подвержено влиянию большого количества факторов (влияние давления, влажности, температуры, электромагнитных наводок на сигнал датчика, нестабильность акустического контакта и т.д.), снижающих точность измерений. Кроме того, свою погрешность будут вносить и цепи аналого-цифровых преобразований, необходимые для стыковки первичных преобразовательных цепей с блоками дальнейшей вычислительной обработки.

Теорией и практикой электрических измерений доказано, что более точными, помехозащитными и рациональными (в смысле согласования с цифровой частью) являются методы преобразования, где выходным параметром является не амплитуда сигнала, а частота или длительность импульсов.

Цель изобретения - повышение точности и помехозащищенности измерений влагосодержания МКЖ за счет исключения из эмпирической формулы величин, для определения которых обязательны амплитудные преобразования, и введения в формулу для вычисления влагосодержания величин, выражаемых через частотно-временные параметры.

Цель достигнута тем, что в известном способе, включающем в себя измерения диэлектрической проницаемости и температуры, дополнительно измеряют скорость распространения УЗ в объеме жидкости и скорость распространения УЗ вдоль стенки волновода, а затем определяют значение влагосодержания по эмпирической формуле:
W = k₀+k₁•ε+k₂•C₀+k₃•C_в+k₄•t, (1) ,
где
K₀...K₄ - постоянные коэффициенты, определяемые при градуировке:
ε - измеренное значение диэлектрической проницаемости МКЖ;
c_о и c_В - измеренные значения скорости УЗ в объеме жидкости и вдоль стенки волновода соответственно;
t - измеренное значение температуры МКЖ.

Коэффициенты K₀. . . K₄ определяют, исходя из экспериментальных данных следующим образом.

Производят серию замеров ε (всего 16 замеров) согласно матрице планирования полного факторного эксперимента 2⁴ /5. с. 80/, в котором каждый из управляющих факторов (W - влагосодержание. n_g - газосодержание, ρ - плотность, t - температура) варьируют на двух уровнях. Путем обработки экспериментальных данных (например, методом Йетса /5, с. 87-88/ находят коэффициенты α₀ ... α₄ полинома первой степени:
ε = α₀+α₁•W+α₂•n_g+α₃•ρ+α₄•t. (2) .

Аналогично строят еще 2 таких же управления для C_о и C_В:
.

Решая задачу управлений (2), (3), (4) относительно W, n_g, ρ (температуру t можно считать известной величиной) получим уравнение (1), в котором коэффициенты K_i выражаются через α_i,β_i,γ_i(i=a...4). .

Измеряемые величины c_о и c_В, формально описываемые эмпирическими управлениями (2), (3), (4), являются интегральными оценками многих свойств МКЖ, зависящих от химического и гранулометрического состава смеси и влияющих на ε смеси. Одна из этих величин (c_о) в большей степени зависит от газосодержания n_g, другая (c_В) - от плотности ρ . Поэтому правомерно их использование в качестве корректирующих сигналов при измерении влагосодержания емкостными влагомерами.

В качестве ближайшего аналога устройства, реализующего описанный способ, выбрано автоциркуляционное устройство /6, с. 224/, содержащее сосуд с МКЖ, излучатель и приемник ультразвука (УЗ), усилитель мощности (УМ), детектор, каскад запуска и частотомер. Причем выход УМ соединен с излучателем УЗ, приемник УЗ подключен к последовательно соединенным усилителю, детектору, каскаду запуска. Выход каскада запуска подключен ко входу УМ и частотомеру. Излучатель и приемник УЗ закреплены на стенках сосуда с МКЖ друг напротив друга, поэтому в целом образуется электроакустически замкнутая система, частота автоциркуляции импульсов в которой зависит от свойств МКЖ.

Для реализации описанного выше способа измерения влажности МКЖ в рассмотренное устройство, содержащее сосуд с МКЖ, излучатель и приемник УЗ, усилитель, детектор и каскад запуска, дополнительно введены высокочастотный (ВЧ) генератор, датчик "температура-частота", формирователь, преобразователь "емкость-частота" и цифровое вычислительное устройство (ЦВУ), причем излучатель УЗ включен в цепь положительной обратной связи ВЧ-генератора, приемник УЗ соединен со входом усилителя, выход которого соединен со входами детектора и формирователя; выход формирователя подключен к первому входу ЦВУ, выход детектора соединен со входом каскада запуска, выход которого подключен к управляющему входу ВЧ-генератора, датчик "температура-частота" подключен ко второму входу ЦВУ, сосуд для исследуемой МКЖ выполнен в виде 2-х трубчатых электродов, расположенных коаксиально один в другом и связанных на концах диэлектрическими звукоизолирующими втулками, каждый из трубчатых электродов электрически связан со входными выводами преобразователя "емкость-частота", выход которого соединен с третьим входом ЦВУ, излучатель и приемник УЗ выполнены в виде пьезокерамических колец с металлизацией на цилиндрических поверхностях, жестко закрепленных на внешнем трубчатом электроде в местах, не совпадающих с местами установки диэлектрических втулок, и разнесенных друг от друга на расстояние, значительно превышающее ширину пьезокерамических колец.

На чертеже дана схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит внешний 1 и внутренний 2 металлические трубчатые электроды, связанные на концах диэлектрическими звукоизолирующими втулками 3 (количество втулок несущественно); пространство между электродами заполнено исследуемой жидкостью. На наружной стороне внешнего электрода 1 в местах, не совпадающих с местами установки втулок 3, жестко закреплены излучатель УЗ 4 и приемник УЗ 5, представляющие собой пьезокерамические кольца с металлизацией на цилиндрических поверхностях; кольца разнесены друг от друга на расстояние, значительно превышающее ширину колец. Излучатель УЗ 4 включен в цепь положительной обработки связи ВЧ-генератора 6 и является его частотозадающим элементом. Приемник УЗ 5 подключен ко входу усилителя 7, выход которого подключен к последовательно соединенным детектору 8 и каскаду запуска 9, а также ко входу формирователя 10; выход каскада запуска 9 соединен с управляющим входом ВЧ-генератора 6, а выход формирователя 10 соединен с первым входом ЦВУ 13. Трубчатые электроды 1 и 2 подсоединены ко входу преобразователя "емкость-частота" 11. Датчик "температура-частота" 12 соединен со вторым входом ЦВУ 13, а третий вход ЦВУ 13 соединен с выходом преобразователя 11.

Устройство работает следующим образом.

В начальный момент времени при включении питания каскад запуска 9 вырабатывает одиночный нормированный импульс длительностью τ , стробирующий ВЧ-генератор 6. Частотозадающим элементом, включенным в цепь положительной обратной связи ВЧ-генератора 6, является излучатель УЗ 4 вместе с объемом МКЖ, заключенным между трубчатыми электродами 1 и 2. Резонансный режим в ВЧ-генераторе 6 возникает при установлении в промежутке между электродами 1 и 2 стоячей УЗ-волны (т.е. когда в промежутке укладывается целое число длин полуволн). А так как длина волны (или скорость c_о распространения УЗ-волны в объеме МКЖ) зависит от свойств МКЖ (газосодержания, дисперсности и т.д.), то частота генерации f≈c_о также является функцией этих свойств. Подобным образом работает резонансное устройство, описанное в [6, с. 225].

Возбужденный импульс ультразвука распространяется не только в промежутке между электродами 1 и 2, но и вдоль тонкой стенки трубчатого электрода 1 со скоростью c_о, достигая через время Т приемника 5. Сигнал с приемника 5 усиливается усилителем 7 и поступает на формирователь 10, откуда пачка нормированных прямоугольных импульсов частотой следования f поступает для дальнейшей обработки в ЦВУ 13. С выхода усилителя 7 ВЧ-импульс поступает и на детектор 8, где преобразуется в видеоимпульс, который, пройдя через каскад запуска 9, нормируется по амплитуде и длительности (τ) и вновь запускает ВЧ-генератор 6. Цикл повторяется. Частота автоциркуляции пачек импульсов F= 1/Т≈c_В. Эта частота также измеряется в ЦВУ 13. В алгоритм работы ЦВУ 13 заложено также (кроме определения f≈c_о и F≈c_В) измерение частоты следования импульсов, вырабатываемых преобразователем "емкость-частота", который является автогенераторной схемой с частотозадающим элементом - конденсатором, обкладки которого образованы трубчатыми электродами 1 и 2. Емкость этого конденсатора зависит от диэлектрической проницаемости МКЖ, следовательно, с преобразователя 11 на второй вход ЦВУ 13 будут поступать импульсы с периодом следования Т_с≈ ε . Выходной сигнал датчика "температура-частота" 12, представляющий из себя прямоугольные импульсы частотой следования F_t≈t, также подается на ЦВУ (на второй вход). Таким образом, ЦВУ 13 получает весь необходимый набор точных частотно-временных параметров, выражающих c_о, c_В, ε и t, по которым рассчитывается влагосодержание W по формуле (1).

Таким образом, устройство, основу которого составляет многофункциональный комбинированный датчик с частотно-временными выходными параметрами, реализует описанный выше способ.

Предлагаемый способ определения влажности МКЖ имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
1) в качестве измеряемых параметров, по значениям которых корректируется сигнал основного (емкостного) преобразователя, выбраны c_о и c_В - параметры, которые могут быть измерены с гораздо большей точностью и достоверностью, чем λ - затухание ультразвука. Это объясняется тем, что c_о и c_В позволяют получить информативный сигнал в частном или временном виде, минуя амплитудные преобразования, которые всегда сопровождаются значительными погрешностями. В целом это придает способу повышенную точность;
2) способ отличается от прототипа большей помехозащищенностью измерений, т. к. все участвующие в расчетах влажности величины выражаются посредством частотных или временных параметров, передача которых на расстояние и влияние помех мало сказываются на результате;
3) способ может быть реализован с меньшими аппаратурными затратами, так как предлагает использование более рациональных и экономичных видов преобразований сигналов.

Устройство для реализации способа выгодно отличается от других аналогичных компактностью многофункционального комбинированного датчика, полученной благодаря конструктивному и функциональному совмещению элементов акустического и емкостного измерительных преобразователей; как следствие - отсутствие необходимости размещения и обслуживания нескольких отдельных датчиков.

Датчик устройства может применяться как в качестве заливаемого элемента для отельных проб жидкостей, так и в качестве участка трубопровода с непрерывно транспортируемой жидкостью.

Источники информации:
1. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов /Е.С.Кричевский, В.К.Бензарь, М.В.Бенедиктов и др. - М.: Энергия, 1980.

2 Зайцев Л. А. , Панарин В.В. Системы сбора и обработки информации для резервуарных парков. - М.: Недра, 1984.

3. Беляков В.Л. Автоматический контроль параметров нефтяных эмульсий. - М.: Недра. 1992.

4. Авторское свидетельство 1681221 (СССР), кл. G 01 N 27/22. Способ измерения влажности жидких сред Беляков В.Л. и др., опубл. в БИ N 36, 1991.

5. Адлер Ю. П. , Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1976.

6. Кивилис С.С. Плотномеры. - М.: Энергия, 1980.

Способ определения влажности многокомпонентных жидкостей заключается в измерении диэлектрической проницаемости ε , температуры t и скорости ультразвука в объеме жидкости С_о и вдоль стенки волновода С_в, заполненного жидкостью. Влагосодержание определяется по формуле: W=K_o+K₁ε+K₂•C_o+K₃•C_в+K₄t, где К₀, К₁, к₂, К₃, К₄ - постоянные коэффициенты, определяемые при градуировке. Устройство для определения влажности содержит два коаксиальных трубчатых электрода 1, 2, между которыми находится анализируемая жидкость. Электроды на концах связаны диэлектрическими звукоизолирующими втулками 3. Устройство включает излучатель 4 и приемник 5 ультразвука в виде пьезокерамических колец с металлизацией из поверхности. Излучатель 4 включен в цепь положительной обратной связи ВЧ - генератора 6. Приемник 5 подключен к усилителю 7, соединенному с детектором 8 и формирователем 10. Каскад запуска 9 соединен с детектором 8 и управляющим входом ВЧ - генератора 6. Цифровое вычислительное устройство 13 подключено к формирователю 10, датчику "температура - частота" 12 и преобразователю 11 "емкость - частота", электрически связанному с трубчатыми электродами 1, 2. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения влажности многокомпонентных жидкостей, заключающийся в измерении диэлектрической проницаемости и температуры, отличающийся тем, что дополнительно измеряют скорость распространения ультразвука в объеме жидкости и скорость распространения ультразвука вдоль стенки волновода, а затем определяют значение влагосодержания по эмпирической формуле
W = k₀+k₁•ε+k₂•C₀+k₃•C_в+k₄•t,
где k₀ - k₄ - постоянные коэффициенты, определяемые при градуировке;
ε - измеренное значение диэлектрической проницаемости жидкости;
С_о и С_в - измеренные значения скорости ультразвука в объеме жидкости и вдоль стенки волновода соответственно;
t - измеренное значение температуры жидкости. 2. Устройство для определения влажности многокомпонентных жидкостей, содержащее сосуд с исследуемой жидкостью, излучатель и приемник ультразвука (УЗ), усилитель, детектор и каскад запуска, отличающееся тем, что в него дополнительно введены высокочастотный (ВЧ) генератор, датчик температура - частота, формирователь, преобразователь емкость - частота и цифровое вычислительное устройство (ЦВУ), причем излучатель УЗ включен в цепь положительной обратной связи ВЧ-генератора, приемник УЗ соединен с входом усилителя, выход которого соединен с входами детектора и формирователя, выход формирователя подключен к первому входу ЦВУ, выход детектора соединен с входом каскада запуска, выход которого подключен к управляющему входу ВЧ-генератора, датчик температура - частота подключен к второму входу ЦВУ, сосуд для исследуемой жидкости выполнен в виде двух трубчатых электродов, расположенных коаксиально один в другом и связанных на концах диэлектрическими звукоизолирующими втулками, каждый из трубчатых электродов электрически связан с входными выводами преобразователя емкость - частота, выход которого соединен с третьим входом ЦВУ, излучатель и приемник УЗ выполнен в виде пьезокерамических колец с металлизацией на цилиндрических поверхностях, жестко закрепленных на внешнем трубчатом электроде в местах, не совпадающих с местами установки диэлектрических втулок, и разнесенных друг от друга на расстоянии, значительно превышающее ширину пьезокерамических колец.