КОНТРОЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА И ПРОЦЕСС ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01N22/00 G01N22/04 G01R27/04 

Изобретение относится к системе и процессу для определения композиционного состава многокомпонентных смесей, которые являются либо неподвижными, либо текущими в трубах или трубопроводах, где компоненты имеют различные свойства полного электрического сопротивления и могут, или не могут, присутствовать в различных состояниях. В частности, это изобретение относится к средствам и способам для определения фракционного композиционного состава многокомпонентных текучих сред, твердых частиц и их смесей, компоненты которых имеют различные свойства полного электрического сопротивления. Текучие среды, твердые частицы и смеси могут быть неподвижными, перемещающимися порционно или непрерывно текущими. Более конкретно, это изобретение относится к системе и устройству, которые могут использоваться для таких случаев, как непрерывный или стационарный, как по отдельности, так и в совокупности, текущий контроль состава /1/ жидкостей в газах, /2/ твердых веществ /частиц/ в жидкостях и /3/ смесей твердых частиц, жидкостей и газов.

Вообще, многие возможные варианты осуществления этого изобретения, из которых некоторые предпочтительные варианты осуществления будут описываться в этой заявке, обеспечивают экономически выгодные и практически целесообразные средства текущего контроля состава, которые удовлетворяют потребности широкой номенклатуры отраслей промышленности и лабораторий. Отличительный признак этого изобретения состоит в том, что варианты его осуществления могут, когда представляется желательным, разрабатываться и конструироваться так, чтобы становиться компоновочными частями процессов, которые должны подвергаться текущему контролю, без вмешательства в эти процессы. Они могут разрабатываться и конструироваться так, чтобы выдерживать воздействие самих процессов и окружающих эти процессы сред, а также другого обеспечивающего проведение процессов оборудования, с которым они связываются. Они могут разрабатываться и конструироваться так, чтобы они были экономически эффективными в выражениях приобретения, установки, технического обслуживания, ремонта или замены как по отдельности, так и в совокупности. В частности, они могут разрабатываться и конструироваться так, чтобы они были более быстродействующими, и так, чтобы давать более точные и более широкие диапазоны измерений, чем существующие в настоящее время средства текущего контроля состава. Они могут разрабатываться и конструироваться, чтобы делать возможным композиционный текущий контроль для широкого диапазона применений, которые сегодня являются невозможными с применением любого контрольного устройства.

В множестве процессов, вовлекающих твердые вещества, жидкости, газы и смеси таковых, где компоненты и смеси могут быть неподвижными, движущимися в порциях или текущими непрерывно, имеются потребности в точных, относительно дешевых средствах и способах текущего контроля состава. Далее, часто представляется желательным, чтобы эти средства текущего контроля обладали способностью работать в последовательности с процессами, чтобы избегать обходных путей процесса, или байпасов, по соображениям текущего контроля. Часто представляется желательным, чтобы контрольное устройство было неинтрузивным с тем, чтобы не создавать помех процессам, которые подвергаются текущему контролю, или с тем, чтобы предохранять средства текущего контроля как по отдельности, так и в совокупности от ухудшения качеств, например, процессами, которые являются в высокой степени коррозионными или эрозионными как по отдельности, так и в совокупности.

Типично, такие требования текущего контроля состава связываются с качествами и количествами продуктов, которые приобретаются и продаются, продуктов, которые производятся, или продуктов, которые хранятся. Одинаково большими являются требования для текущего контроля состава для целей управления процессом, эффективности производства и безопасности.

Среди процессов, имеющих надобности в текущем контроле состава, одним заслуживающим особого внимания процессом является добыча нефти. Независимо от того где происходит добыча нефти - на наземных установках, или на расположенных вдали от берега платформах, или на морском дне, - имеет место неудовлетворенная потребность в непрерывном текущем контроле количеств нефти, воды и газа, которые добываются. Имеется много различных специфических причин для текущего контроля этих трех компонентов, однако их общая цель состоит в том, чтобы оптимизировать производство.

В настоящее время эти три компонента - нефть, вода и газ - могут измеряться только по отдельности посредством сепараторов. Для исследования по отдельным скважинам используются менее крупные сепараторы с меньшей пропускной способностью, чем промысловые сепараторы. Таковые являются обычно известными в качестве исследовательских сепараторов. Нормально, в данном нефтяном промысле является доступным только один исследовательский сепаратор и поэтому не представляется возможным непрерывный текущий контроль всех скважин одновременно. Вместо этого нефтяные скважины исследуются только с интервалами, типично один или два раза в месяц, однако более продолжительные интервалы не представляют собой редкое явление. Такое нечасто случающееся и неудовлетворительное исследование скважин имеет место также благодаря присущей медлительности процесса сепарации и необходимому текущему техническому обслуживанию, которые включают удаление осадков, таких как песок. Кроме того, имеются сложные и требующие много времени операции для трассирования продукции от отдельных скважин к исследовательскому сепаратору.

Поэтому ясно, что имеет место специфическая необходимость в недорогом и практически эффективном контрольном устройстве для определения состава, который может непрерывно измерять количества нефти, воды и газа, которые производятся каждой отдельной скважиной в производительном нефтяном промысле или бассейне, для того, чтобы знать эксплуатационные качества и состояние каждой нефтяной скважины. Из этих отдельных измерений, могут быть сделаны выводы относительно изменений в бассейне, которые могли бы влиять на нормы выработки и общей добычи.

Другой недостаток исследовательских сепараторов состоит в том, что на расположенных вдали от берега платформах они составляют значительные факторы расходов на строительство. Типично, исследовательские сепараторы имеют вес от 15 до 20 тонн, занимают значительное пространство и требуют бригады для эксплуатации и технического обслуживания. Вес, пространство и обеспечение обслуживающим персоналом являются главными стоимостными факторами на платформах, где, например, расплата по издержкам на метрическую тонну находится в диапазоне приблизительно от 200000 до 600000 долларов США. Следовательно, на платформах имеется особенная необходимость в замене исследовательских сепараторов контрольными устройствами для определения состава, которые являются легковесными и не требуют специальных бригад для эксплуатации. На буровых вышках для бурения в море дополнительным мотивом для замены исследовательских сепараторов является то, что их функции ухудшаются движениями буровой вышки /от бортовой качки и подъема и опускания/, делающими таковые менее безопасными в эксплуатации.

Для бурения, вообще, также имеется необходимость в контрольном устройстве для определения состава, которое может измерять непрерывно содержание нефти, воды, газа и твердых частиц /веществ/ возвращающегося бурового раствора. Среди причин для такого текущего контроля наиболее важной является знать добавляет ли бассейн жидкости к возвращающемуся буровому раствору, а если так, то в какой степени. Такой выход из коллектора /бассейна, резервуара/ может служить сигналом возможного выброса, который может предупреждаться ранним предупреждением.

Существующие средства для детектирования такого притока из коллектора /бассейна, резервуара/ являются примитивными и далекими от того, чтобы они отвечали существующим требованиям. Они состоят, например, из детекторов уровня жидкости с большими баками, которые являются нечувствительными к небольшим изменениям объема жидкости.

Очень дорогостоящей задачей текущего контроля состава при расположении установок в море является задача исследования добычи от расположенных под толщей морской воды устьев скважин, в особенности когда добыча от нескольких устьев скважин смешивается в одну поточную линию к приемной станции. Чтобы избегать перекрытия всех устьев, за исключением одного, которое должно исследоваться, дополнительная контрольная магистраль /линия/ к приемной станции должна использоваться, в которую должна направляться добыча от отдельной скважины, для исследования на приемной станции. Установка дополнительной линии является дорогостоящей сама по себе, однако маршрутирование добычи отдельной скважины требует дополнительных оборудования, строительных работ и устройств управления, которые особенно в подводной окружающей среде усложняют и снижают надежность добычи. Поэтому ясно, что имеется большая экономическая и практическая надобность в средствах текущего контроля состава, которые могут быть составной частью каждого подводного устья скважины, так чтобы только результаты текущего контроля необходимо было передавать к приемной станции кабелем или акустически.

Возможно, что конечной необходимостью для средств композиционного текущего контроля скважин является установка в нисходящей скважине в зоне или зонах добычи бассейна /резервуара, коллектора/. Никакой подобной аппаратуры не существует в настоящее время.

Другой необходимостью нефтяной промышленности для совместно работающих средств непрерывного композиционного текущего контроля является измерение небольших количеств воды в нефти для цели передачи результатов с обеспечением сохранности информации в точках подачи, в точках вдоль трубопровода, в приемных станциях и в процессе дальнейшей обработки и очистки нефти и нефтепродуктов. В настоящее время фискальные измерения проводятся взятием частых небольших проб продукта, из которых обычно процессами титрования определяют содержания воды, которые регистрируются, чтобы давать статистически определенное общее содержание воды. Как может ожидаться, неосведомленность относительно содержания воды между пробами дает в результате споры относительно методики измерений и полученных результатов между продавцами и покупателями.

В нефтяной промышленности часто используется ввод водяного пара в бассейн /коллектор, резервуар/, чтобы повышать или сделать возможной как по отдельности, так и в совокупности добычу тяжелых нефтепродуктов, то есть высоковязких нефтепродуктов, которые не могут литься свободно и не могут перекачиваться. Для того чтобы получать такие нефтепродукты, высокоэнергетической водяной пар, который легко распространяется по бассейну, вводится в таковой так, чтобы тепловая энергия, высвобожденная при конденсации газа, нагревала нефтепродукт, чтобы понижать его вязкость в достаточной степени, чтобы таковой мог добываться. Во время ввода водяного пара и после все добывающие скважины бассейна перекрываются. После некоторого периода времени, когда полагается, что весь водяной пар конденсировался в резервуаре, добыча начинается и является непрерывной до тех пор, пока снова не потребуется ввод водяного пара. Способ, описанный здесь, обычно обозначается способом "дутья и клуба" /"Huff and puff"/, однако также имеются "приводимые в действие" водяным паром нефтяные промыслы, где ввод водяного пара и добыча нефтепродуктов являются непрерывными. Из вышесказанного очевидно, что является экономически целесообразным осуществлять текущий контроль качества введенного водяного пара. Чем выше содержание газа, тем выше его качество. Одинаково очевидной является экономическая важность знания о том заключают в себе или нет добытые жидкости неконденсированный пар, который мог бы представлять неиспользованную энергию.

Поэтому нефтяная промышленность и по существу производители и пользователи водяного пара имеют потребность в средствах непрерывного текущего контроля водяного пара. Другим примером таких производителей и пользователей являются атомные электростанции.

Кроме добычи нефти имеются многие отрасли промышленности и области экономической деятельности, продукция и процессы которых требуют точного текущего контроля состава, однако таковые испытывают недостаток в средствах непрерывного или порционного как по отдельности, так и в совокупности текущего контроля для решения этой проблемы.

В целлюлозобумажной промышленности имеется надобность в непрерывном текущем контроле содержания воды в целлюлозных щелоках, которые перекачиваются в нагревательные печи. Если избыточная вода присутствует в щелоке, имеет место опасность, что печь будет взрываться. Из-за отсутствия подходяще точных, неагрессивных средств текущего контроля некоторые выпускающие целлюлозу и бумагу фирмы регулярно предусматривают в бюджете расходы на взрывы печей. Точные средства текущего контроля могли бы использоваться для того, чтобы предупреждать относительно избыточно высокого содержания воды в щелоке.

В пищевой промышленности также имеется надобность в средствах текущего контроля, которые могли бы быстро определять состав обработанных или исходных как по отдельности, так и в совокупности пищевых продуктов. Предметом особенной озабоченности является содержание воды. Молочная промышленность представляет типичный пример. Содержание воды и жира в молоке и молочных продуктах должно отвечать определенным техническим условиям, чтобы продукция могла продаваться на рынке, еще не было найдено никаких отвечающих требованиям средств текущего контроля для непрерывного измерения содержания жира и воды. Следовательно, производители и поставщики молочных продуктов должны класть избыточный молочный жир в их продукты, чтобы гарантировать их соответствие техническим условиям. Если бы точные, простые, непрерывного действия средства текущего контроля содержания жира и воды были доступными, излишний молочный жир мог бы использоваться в производстве сливочного масла или мороженого.

Системы транспортировки и распределения топлива имеют надобность в точных средствах непрерывного действия для текущего контроля содержания воды в топливах. Например, имеется необходимость в определении содержания воды в топливах для реактивных двигателей, когда эти топлива заправляются в самолет. Небольшой процент воды добавляется к топливам для реактивных двигателей, чтобы повышать степень полноты сгорания, однако, если избыточная вода будет присутствовать, серьезные проблемы могут появиться во время эксплуатации, включая отказ двигателя.

Внутри нефтехимической и химической отраслей промышленности имеется множество потребностей в средствах текущего контроля состава, где вовлекаемые жидкости могут не быть водой. Примерами таких используемых в процессах жидкостей являются пластифицированные смолы, полимеры, спирты, кислоты и органические растворители. В каждом случае существует необходимость в простых, непрерывного действия, прочных, химически инертных и недорогостоящих средствах текущего контроля, которые могут непрерывно определять состав смесей этих химических веществ, когда они подвергаются обработке и очистке.

Для многих из приведенных примеров текущего контроля состава в настоящее время нет никакой доступной технологии, чтобы выполнять задачи текущего контроля процесса. Цель этого изобретения состоит в том, чтобы описать средства и устройство текущего контроля, которые удовлетворяют требования центрального текущего контроля состава, которые являются общими для этих и многих других применений, которые подобны приведенным выше. Общие требования состоят в том, чтобы средства текущего контроля были:
1/ совместно работающими;
2/ делающими измерения непрерывно /то есть иметь короткий период времени цикла измерения/;
3/ обладающими способностью выдерживать:
- трудные условия процесса,
- высокие внутренние температуры и давления,
- агрессивные /коррозионные/ компоненты процесса,
- абразивные компоненты,
- вязкие жидкости;
4/ неинвазивными;
5/ точными;
6/ нечувствительными к геометрии за пределами контрольного сечения;
7/ надежными;
8/ относительно недорогими; и
9/ достаточно прочными, чтобы выдерживать условия промышленных окружающих сред.

Идея использования трубопровода течения процесса в качестве волновода для проведения ВЧ-диэлектрических измерений течения процесса не представляет собой новую концепцию. Другие устройства, описанные в патентной литературе, которая описывает волноводные измерения ВЧ-диэлектрической проницаемости, сделанные в трубопроводах, значительно различаются в их функции. Большинство представляют собой системы амплитудных измерений, для которых точности даже порядка одной тысячной могли бы являться трудными, чтобы поддерживать в течение некоторого периода времени. Примеры таких систем раскрываются в патенте США N 4651085, выданном 10 июля 1984 года Сакураи и др.; патенте США N 3498112, выданном 3 марта 1970 года Говарду; патенте США N 3883798, выданном 13 мая 1975 года Фри; и патенте США N 4301400, выданном 17 ноября 1981 года Паапу. Некоторые выполняют фазовые измерения, такие как патент США N 4423623, выданный 3 января 1984 года Хо и другим. Здесь также погрешность менее чем одна часть в тысяче в течение некоторого периода времени могла бы являться трудной. Патент, выданный Хо и другим, притязает, чтобы измерять критическую частоту волновода, что фундаментально представляет амплитудное измерение в качестве функции частоты; однако определение критической частоты является до некоторой степени условным и невозможным, чтобы измерять непосредственно. По сути устройство, описанное в патенте Хо и др., использует либо амплитудные, либо фазовые измерения и, таким образом, также не обладает способностью достигать точности дискриминирующего истинную частоту устройства. Устройство, описанное в патенте, выданном Фри и другим, измеряет частоту, но не является хорошо приспособленным для определения состава материалов по широкому диапазону с большими вариациями в диэлектрической проницаемости. Это устройство изолирует его контрольную /испытательную/ часть обеспечением различной ориентации поля у каждого конца контрольной части. Между тем как такое различие в ориентации полей легко обеспечивается при волноводе с прямоугольным поперечным сечением, таковая не может обеспечиваться при волноводе с круговым поперечным сечением. Для того чтобы обеспечить путь центральной непрерывной подачи в устройстве согласно патенту Фри и др. , толстые плоскопараллельные слои материала, имеющего диэлектрическую проницаемость, аналогичную диэлектрической проницаемости материала, на котором делаются измерения в этом устройстве, обеспечиваются в оконечных нагрузках на каждом конце контрольной /испытательной/ части. Это устройство является менее чувствительным, когда больше изменение между диэлектрической проницаемостью толстого слоя материала и диэлектрической проницаемостью материала, на котором проводятся измерения.

Большое разнообразие других систем текущего контроля для жидкости известны на предшествующем уровне развития техники в данной области. Патент США N 4458524, выданный 10 июля 1984 года Меадору и др., раскрывает анализатор добываемого потока сырой нефти, который использует измерения диэлектрической постоянной, плотности и температуры, чтобы определять состав добываемого потока сырой нефти. Это устройство также полагается на фазовые сдвиги, чтобы определить диэлектрическую постоянную. Другие контрольные устройства для определения состава раскрываются в следующих далее дополнительных, выданных в США патентах: N 3688188, выданном 29 августа 1972 года Бэку и другим; N 3816811, выданном 11 июня 1974 года Кмелику К.; N 3826978, выданном 30 июля 1974 гола Келли; N 3889182, выданном 10 июня 1975 года Исли и другим; 3897798, выданном 5 августа 1975 года Де Вэйли; 4104585, выданном 1 августа 1978 года Шофилду; N 4124475, выданном 7 ноября 1978 года Зеттеру и другим; N 4266188, выданном 5 мая 1981 года Томпсону; N 42886741, выданном 8 сентября 1981 года Дечену и другим; N 4327323, выданном 27 апреля 1982 года Уолкеру; N 4340938, выданном 20 июля 1982 года Россо; N 4345204, выданном 17 августа 1982 года Шелли; N 4370611, выданном 25 января 1983 года Грегори и другим; N 4387165, выданном 7 июня 1983 года Янгбладу; N 4429273, выданном 31 января 1984 года Маззагатти; N 4441362, выданном 10 апреля 1984 года Карлсону; N 4543192, выданном 24 сентября 1985 года Стюарту и другим; N 4555661, выданном 26 ноября 1985 года Венсону и другим; N 4559493, выданном 17 декабря 1985 года Гольдбергу и другим. Однако ни одна из этих систем не обладает способностью текущего контроля многокомпонентной жидкости, текущей в трубопроводе, без создания помех потоку жидкости или без подвергания компонентов системы повреждения потоком жидкости.

Измерители емкости и измерители удельной проводимости использовались обычно в прошлом для цели текущего контроля состава потоков жидкости в ходе процесса. Например, измерители емкости раскрываются в патенте США N 4266425, выданном 12 мая 1981 года Оллпорту, Скотту и другим, опубликованной Европейской патентной заявке N 0268399, датированной 25 мая 1988 года. Способы ВЧ текущего контроля полного сопротивления, описанные в этом описании изобретения, имеют несколько фундаментальных преимуществ в сравнении с низкочастотными способами. Низкочастотные устройства являются более чувствительными к потоку и более чувствительными к содержанию солей в воде. Измерители емкости не функционируют точно, когда вода представляет непрерывную фазу смеси, если только удельная проводимость воды не является низкой. Также очень трудной является разработка отдельного измерительного устройства, обладающего способностью измерения диэлектрической проницаемости и удельной проводимости потоков процесса, имеющих свойства полного сопротивления, подобные таковым смесей нефти с водой. Причина для этого состоит в том, что относительные уровни полного сопротивления непрерывных смесей нефтепродуктов и непрерывных смесей с водой являются различными по многим порядкам величины. И наконец, потенциальная погрешность измерителя емкости является не намного лучше, чем одна часть на тысячу для долговременного использования, т.к. емкости, которые измеряются, являются слишком малыми - полная шкала представляет только десятые доли пикофарад. Стабильность достигается трудно из-за дрейфов емкости линии передачи сигналов, температурных дрейфов, сигнальных дрейфов и т.п. С механической точки зрения многие измерители емкости используют коаксиальные электроды, один из которых центрируется в середине трубопровода. В такой конфигурации они делают невозможной чистку трубопровода стандартными техническими средствами. Кроме того, они являются открытыми для воздействия коррозионной и абразивной окружающей среды потоков многих процессов.

Далее известным в данной области техники является применение методов кросс-корреляции, чтобы определять скорость потока из измерений, взятых в различных точках вдоль сосуда, через который протекает жидкость. Такие устройства для измерения скорости потока раскрываются, например, в патентах США N 3762221, выданном 2 октября 1973 года Коултхарду; N 3967500, выданном 6 июля 1976 года Форстеру; N 4248085, выданном 3 февраля 1981 года Коултхарду; N 4257275, выданном 24 марта 1981 года Курита и другим; N 4380924, выданном 26 апреля 1983 года Накамото и другим; N 4402230, выданном 6 сентября 1983 года Рэптису; N 4417584, выданном 29 ноября 1983 года Кэтинголу и другим; патентах, на которые делалась ссылка выше, N 4423623 и N 4693319, выданных 15 сентября 1987 года Амемия, и N 4708021, выданном 24 ноября 1987 года Брауну и другим. Однако все эти устройства получают измерения, которые подвергаются кросс-корреляции не таким способом, как в этом изобретении. Патент США N 4548506, выданный 22 октября 1985 года подвергает кросс-корреляции сигналы, основанные на диэлектрических свойства материала, однако не для определения скорости потока.

Соответственно этому целью изобретения является разработка новых контрольного устройства для определения состава многокомпонентных текучих сред и процесса текущего контроля, которые будут осуществлять текущий контроль состава такой многокомпонентной текучей среды, текущей в трубопроводе, без создания в значительной степени помех для потока текучей среды.

Другой целью этого изобретения является разработка таких контрольного устройства и процесса, в которых активные электрические компоненты контрольного устройства не нуждаются в том, чтобы они находились в состоянии физического контакта с текучей средой.

Еще одной целью этого изобретения является разработка таких контрольного устройства и процесса, которые обладают способностью текущего контроля состава многокомпонентной текучей среды, имеющей более широкий диапазон диэлектрических свойств, чем это представляется возможным при контрольных устройствах и процессах известного уровня развития техники в данной области.

Еще другой целью этого изобретения является разработка таких контрольного устройства и процесса, которые обладают способностью текущего контроля состава многокомпонентной текучей среды, имеющей более высокую удельную проводимость, чем это представляется возможным при контрольных устройствах и процессах известного уровня развития техники в данной области.

Следующей далее целью этого изобретения является разработка таких контрольного устройства и процесса, которые обладают способностью текущего контроля состава такой текучей среды, когда один из компонентов смеси представляет морскую /соленую/ воду.

Еще одной целью этого изобретения является разработка таких контрольного устройства и процесса, в которых генерируется диаграмма стоячей электромагнитной волны, таким образом упрощающая механизм преобразования и повышающая точность.

Еще другой целью этого изобретения является разработка таких контрольного устройства и процесса, которые обладают способностью определения является ли текучая среда, контроль состава которой осуществляется, равномерно смешанной.

Очередной целью этого изобретения является разработка таких контрольного устройства и процесса, в которых состав трехкомпонентного потока определяется на основе измерений диэлектрической постоянной или удельной проводимости и плотности как по отдельности, так и в совокупности.

Еще одной целью этого изобретения является разработка высокоточного обеспеченного частотной дискриминацией контрольного устройства для потока двухкомпонентной текучей среды.

Следующей целью этого изобретения является разработка системы, включающей такие контрольное устройство и процесс, которая обладает способностью измерения скорости потока текучей среды, причем состав которой подвергается текущему контролю этими контрольными устройством и процессом.

Это изобретение описывает способ и устройство текущего контроля, обладающие способностью адресации требований текущего контроля состава этого типа. Кроме того, это устройство может использоваться, чтобы контролировать смеси, где многочисленные режимы потока являются возможными, благодаря несмешиваемости компонентов смеси. И наконец, это устройство разработано для простого производства и относительной низкой стоимости для пользователя.

Это устройство работает посредством измерения высокочастотной диэлектрической проницаемости или удельной проводимости как по отдельности, так и в совокупности потока процесса, представляющего интерес. Когда присутствуют более двух компонентов, измерение плотности может комбинироваться с измерением ВЧ полного сопротивления. Для большинства применений рабочие частоты этого устройства находятся в пределах каждому 50 МГц и 3 ГГц. Когда необходимо, это устройство также использует информацию относительно температуры и давления, чтобы корректировать данные поверки полного сопротивления компонента.

Это изобретение использует методику высокочастотных (ВЧ) мостов, чтобы параметризовать сложные диэлектрические свойства материалов в электрически изолированной, физически открытой структуре. Основными высокочастотными параметрами, используемыми для того, чтобы характеризовать материал, который испытывается, является частота и затухание. Это устройство функционирует посредством использования металлической трубы потока процесса в качестве электромагнитного волновода. Электромагнитная энергия соответствующей частоты связывается через апертуры, прорезанные в трубе. Эта энергия измеряется на некотором расстоянии ниже по ходу волновода через другую апертуру. Из этого измерения выводятся свойства полного сопротивления смеси. Данные относительно температуры и давления смеси от контрольных устройств используются для того, чтобы делать коррекции изменяющихся свойств полного сопротивления компонентов. Данные полного сопротивления смеси, в свою очередь, используются, чтобы определять состав потока, пользуясь либо калибровочными кривыми, либо теоретическим составом в сопоставлении с диэлектрической моделью. Преимущества концепции волновода со связью апертурой состоят в том, что таковая делает изготовление устройства относительно простым и таковая делает возможным получение неинвазивного, совместно работающего устройства текущего контроля процесса. Никакие антенны или электроды не вторгаются в поперечное сечение потока текучей среды внутри трубы.

Дополнительная характеристика способа и устройства согласно этому изобретению состоит в том, что таковые могут использоваться, чтобы определять, когда поток процесса является смешанным равномерно /с постоянной плотностью/. Эта способность является важной, т.к. многие из применений, для которых это устройство могло бы представлять наибольшую полезность, касается измерения несмешиваемых компонентов в потоке. Отношение измеренных свойств полного сопротивления к составу смеси зависит от текучей среды, которая находится в известном режиме потока.

Новым признаком концепции, описанной здесь, является средство, посредством которого делается измерение. Устройство конструируется таким путем, что в пределах области исследовательских измерений известной протяженности распространяющаяся электромагнитная энергия, проходящая в противоположных направлениях в трубе, вынуждается интерферировать. При определенных характеристических рабочих частотах интерференция является полностью конструктивной или деструктивной. Представляется простым делом, чтобы связать эти характеристические частоты с диэлектрической проницаемостью потока процесса в трубе. Таким образом, в эксплуатации устройство согласно этому изобретению функционирует посредством качания рабочей частоты входной апертуры или апертур, расположенных в других местах в исследовательском участке. Когда вносимые потери достигают максимума или минимума, рабочая частота записывается и посредством этого выводится диэлектрическая проницаемость текучей среды. Это устройство может конструироваться несколькими различными путями. Несколько способов будут описываться в этом описании изобретения. Однако это в общем представляет технику, которая представляет предмет этого изобретения.

В хорошо разработанном устройстве, использующем концепцию участка интерференции, характеристические частоты очень четко обозначаются, следовательно, потрясающая точность является возможной в определении характеристических частот. Представляется возможным идентифицировать их даже лучше, чем одну часть в 10⁵ /10 кГц в 1 ГГц/. Приборное оснащение является легко доступным для генерирования и измерения частот с этой точностью. Благодаря этим фундаментальным характеристикам, способ и устройство согласно этому изобретению могут использоваться для таких применений, как текущий контроль качества водяного пара и фискального текущего контроля качества нефтепродуктов в трубопроводе. Эти применения требуют точности диэлектрической проницаемости до примерно 1 части в 10000 или лучше.

Достижение упомянутых выше и связанных целей может успешно выполняться посредством использования нового многокомпонентного контрольного устройства и процесса, раскрываемых здесь. В одном аспекте этого изобретения контрольное устройство для определения состава текучей среды согласно этому изобретению включает средства для создания электромагнитной интерференции в исследовательском /экспериментальном, испытательном/ участке, встроенном в участок трубы, или другой заключающей текучую среду конструкции, в котором проводятся измерения. При характеристических частотах эта интерференция является конструктивной или деструктивной. Характеристическая частота может связываться просто с диэлектрической проницаемостью потока процесса. Такой способ измерения существенно упрощает средства преобразования и повышает точность. В другом аспекте этого изобретения несколько передающих и принимающих апертурных пар в участке измерений используются, чтобы определять является ли текучая среда в трубе равномерно смешанной. Равномерное смешивание является существенным фактором для точного текущего контроля состава текучей среды. В третьем аспекте этого изобретения состав непрерывного потока текучей среды, состоящей по меньшей мере из трех компонентов, определяется этим контрольным устройством и процессом на основе измерений диэлектрической постоянной или удельной проводимости и плотности.

Преобразователь контрольного устройства для определения многокомпонентного состава согласно этому изобретению имеет электрически проводящую стенку, ограждающую состав. Одна или более передающих электромагнитные волны апертур и принимающая электромагнитные волны апертура являются обращенными к оболочке. Передающие апертуры располагаются так, чтобы создавать электромагнитные волны в оболочке, а принимающая апертура располагается, чтобы принимать электромагнитные волны от оболочки. Средства для наведения электромагнитной интерференционной картины в испытательном участке, включающем передающую апертуру /апертуры/ и принимающую апертуру, располагаются между двумя параллельными плоскостями, проходящими через испытательный участок. В другом аспекте этого изобретения контрольное устройство для определения состава потока текучей среды включает средства для электрической изоляции испытательного участка.

Достижение упомянутых выше и связанных целей, преимуществ и признаков этого изобретения могло бы легче становиться очевидным для специалистов в данной области техники после рассмотрения следующего далее более детализированного описания этого изобретения вместе с чертежами.

Фиг. 1 представляет схематическое, обобщенное представление контрольного устройства для определения состава в соответствии с этим изобретением.

Фиг. 2 представляет принципиальную схему контура, используемого, чтобы повышать чувствительность показанного на фиг.1 обобщенного контрольного устройства для определения состава.

Фиг. 3 представляет принципиальную схему другого контура, используемого, чтобы повышать чувствительность показанного на фиг.1 обобщенного контрольного устройства для определения состава.

Фиг. 4 является схематическим представлением второго обобщенного контрольного устройства для определения состава в соответствии с этим изобретением.

Фиг.5 является схематическим представлением третьего обобщенного контрольного устройства для определения состава в соответствии с этим изобретением.

Фиг. 6 представляет: а - схематическое изображение в поперечном сечении четвертого обобщенного контрольного устройства для определения состава в соответствии с этим изобретением, б - изображение в поперечном сечении части обобщенного контрольного устройства для определения состава, показанного на фиг.6a.

Фиг. 7 - 11 представляют схематические изображения в поперечном сечении обобщенных контрольных устройств для определения состава в соответствии с этим изобретением, показывающие различные применения для них.

Фиг. 12 представляет перспективное изображение первого варианта осуществления контрольного устройства в соответствии с этим изобретением.

Фиг. 13 представляет изображение в сечении, взятом вдоль линии 13-13, показанной на фиг. 12.

Фиг. 14 представляет график экспериментальных результатов, полученных контрольным устройством в соответствии с этим изобретением.

Фиг. 15 представляет блок-схему электронной аппаратуры, используемой с контрольным устройством, показанным на фиг. 12, 13.

Фиг. 16 представляет второй вариант осуществления этого изобретения, содержащий блок-схему второй формы электронной аппаратуры, используемой с модификацией контрольного устройства, показанного на фиг. 12, 13.

Фиг. 17 представляет третий вариант осуществления этого изобретения, содержащий блок-схему третьей формы электронной аппаратуры, используемой с контрольным устройством, показанным на фиг. 12, 13.

Фиг. 18 и 19 представляют изображения вида сбоку и в сечении четвертого варианта осуществления контрольного устройства в соответствии с этим изобретением.

Фиг. 20 представляет изображение в сечении пятого варианта осуществления контрольного устройства в соответствии с этим изобретением.

Фиг. 21 представляет изображение в сечении шестого варианта осуществления контрольного устройства в соответствии с этим изобретением.

Фиг. 22 и 23 представляют изображение в сечении и вид с торца седьмого варианта осуществления контрольного устройства в соответствии с этим изобретением.

Фигуры 24(а - ж) представляют виды с торца модификаций к контрольному устройству, показанному на Фиг. 23 и 24.

Фиг. 25 представляет блок-схему электронной аппаратуры, которая может использоваться с контрольными устройствами, показанными на фиг. 18 - 24.

Фиг. 26 - 34 представляют графики экспериментальных результатов, полученных контрольным устройством в соответствии с этим изобретением.

Фиг. 35, 36 представляют виды с торца и сбоку восьмого варианта осуществления контрольного устройства в соответствии с этим изобретением.

Фиг. 37 представляет схематический вид сбоку системы для определения состава, содержащей девятый вариант осуществления в соответствии с этим изобретением.

Фиг. 38 представляет схему последовательности операций процесса преобразования, которое производится системой, показанной на фиг. 37.

Фиг. 39, 40 представляют виды сбоку и с торца системы текущего контроля в соответствии с этим изобретением.

Фиг. 41 - 43 представляют блок-схему электронной аппаратуры для использования с системой текущего контроля, иллюстрированной на фиг. 39, 40.

Фигуры 44, 45 представляют схематические виды сбоку систем текущего контроля скорости потока в соответствии с этим изобретением.

Использование параметров частоты и затухания и теоретического базиса для этого изобретения будет объяснено с помощью модели линии передачи, показанной на фиг. 1. На фиг. 1 синусоидальный ВЧ-сигнал от источника 2 разделяется на два равных по фазе сигнала в позиции 3, которые возбуждают оба конца 4 и 5 линии передачи 6. Измерительный преобразователь напряжения 7 соединяется с этой линией передачи в точке 8, которая не является равноудаленной от двух концов 4 и 5. Допуская, ради этой иллюстрации, что измерительный преобразователь напряжения 7 слабо связывается с линией передачи 6 и что эта линия передачи является хорошо согласованной на обоих концах, можно выразить напряжение на измерительном преобразователе 7 в качестве суммы двух векторов
V_p = V_o[exp/G•L₁/+exp/-G•L₂/] (1)
где для беспотерного случая комплексная постоянная распространения /G/ является мнимой, а L₁, L₂ представляют физические протяженности между концами 4 и 5 линии передачи и измерительным преобразователем напряжения 7. Отрицательный знак во втором члене имеет место, благодаря выбору системы координат. В этом случае мы взяли начало нашей системы координат так, чтобы оно было слева от фигуры. Это дает в результате что L₁ является положительной величиной, а L₂ является отрицательной величиной. Следовательно, в обоих выражениях амплитуда напряжения является меньше и его фаза является запаздывающей, таковая соответствующей точки возбуждения. Комплексная постоянная распространения зависит от геометрии линии передачи 6 и от ее составляющих материалов. Например, если мы строим полую линию передачи и наполняем ее деионизированной водой, тогда эта комбинированная линия передачи будет иметь относительную постоянную распространения и создавать удельное напряжение измерительного преобразователя /удельные амплитуду и фазу/. Если мы добавим некоторое количество соли к воде в линии передачи, тогда постоянная распространения будет изменяться и, таким образом, будет изменяться напряжение измерительного преобразователя, поскольку соль вводит ионы в раствор, его удельная проводимость изменяется, это проявляется, главным образом, в качестве изменения в вещественной части постоянной распространения. На измерительном преобразователе 7 добавление соли образует изменение в амплитуде, между тем как фаза остается по существу неизменной.

Имеются несколько путей повышения чувствительности описанной выше системы к этим изменениям. Мы будет обсуждать несколько таких способов, реально понимая, что специалисты в данной области техники могут применять другие способы, чтобы реализовать настоящее изобретение. Первый способ использует мост обобщенных сопротивлений 9, такой как мост, показанный на фиг. 2. В этом случае контрольная установка испытательного элемента /полой линии передачи, например L₁/ устанавливается регулированием аттенюатора /R_T/ и фазовращателя /Ф_Т/ вплоть до тех пор, пока напряжение измерительного преобразователя не будет становиться нулевым. Затем любое изменение в полном сопротивлении /импедансе/ элемента или характеристик распространения, как по отдельности, так и в совокупности, будет разбалансировать мост 9. В этом случае чувствительность моста 9 является регулируемой изменением отношения полных сопротивлений фиксированных плеч /R₁ и R₂/.

Второй способ использует схему 10, показанную на фиг.3, образует контрольный нуль, либо регулированием разности между протяженностями линии передачи /L₁ и L₂/, либо регулированием частоты ВЧ-источника 2. В любом случае, цель состоит в том, чтобы получить разность сдвигов фазы передачи между этими двумя частями испытательного элемента /L₁ и L₂/ прядка 180 градусов. Когда материал с большим затуханием заполняет испытательный элемент /испытательную камеру/, амплитуды двух волн у измерительного преобразователя не будут одинаковыми и, следовательно, не будут исключать друг друга, чтобы образовывать нуль. Затем регулируется аттенюатор 11, показанный на фиг. 3, чтобы получать требуемый нуль на измерительном преобразователе 7. Другое, менее чувствительное изменение на этой технике состоит в использовании произвольных протяженностей в испытательном элементе, вставляя фазовращетель последовательно с аттенюатором, и использовании этого /вместо частоты/, чтобы устанавливать разность сдвига фаз передачи, как описано выше.

Предшествующее рассмотрение предполагало, что линия передачи была хорошо согласована за пределами испытательного элемента. Это позволяет игнорировать любые отражения, благодаря рассогласованиям за пределами испытательного элемента. На практике это может достигаться установкой резистивных или реактивных оконечных частей на обоих концах испытательного элемента. Использование резистивных оконечных частей 12 и 13, которые показаны на фиг.4, будет обсуждаться первым. На этой фигуре, высокочастотная энергия подводится в испытательный элемент в точках A и B. Напряжение измерительного преобразователя отводится и остающаяся энергия поглощается хорошо согласованными оконечными нагрузками 12 и 13 на любом конце /обозначенными Т/. Если мы продолжим этот пример полой линии передачи, такой как труба, эти оконечные нагрузки 12 и 13 будут изолировать испытательный элемент /испытательную камеру/ от остальной части системы трубопроводов. Другими словами, коленчатые части или вентили как по отдельности, так и в совокупности за пределами этих оконечных нагрузок 12 и 13 будут иметь малое влияние или вообще не будут влиять на выходной сигнал измерительного преобразователя 7.

Для того чтобы при помощи участков с реактивной оконечной нагрузкой изолировать испытательную камеру от остальной части системы трубопроводов, величина реактивного сопротивления должна быть либо очень большой, либо очень малой. Идеально величина коэффициента отражения у границы раздела между испытательной камерой и участком реактивной оконечной нагрузки, должна бы быть единицей. Когда испытательная камера наполняется беспотерным материалом, испытательный сигнал проходит туда и обратно и отражается этими оконечными нагрузками. В качестве результата один из портов ввода сигналов, представленных позициями A и B на фиг.4, может исключаться. Можно было бы также исключать измерительный преобразователь 7 в точке C и вставлять направленный ответвитель в остальную часть линии ввода. Сигнал, отраженный испытательной камерой в качестве контролируемого этим направленным ответвителем, мог бы тогда представлять сигнал измерительного преобразователя. Этот вариант испытательного устройства является полезным для текущего контроля состава материалов с малыми потерями, однако обладает недостаточной чувствительностью, когда коэффициент рассеяния испытываемых материалов увеличивается.

Испытательное устройство 14, использующее испытательную камеру с реактивными оконечными нагрузками 15 и 16 и повышенной чувствительностью для текущего контроля состава материалов с большими потерями, показывается на фиг.5. В этой реализации отношение, данное в уравнении (1), все еще может применяться, однако теперь обратно бегущая волна образуется отражением от реактивной конечной нагрузки 15 или 16. Для специалистов в данной области техники очевидно, что этот тип испытательной камеры /испытательного элемента/, подобный тем, которые описаны выше, может реализоваться несколькими путями. Реактивные оконечные нагрузки 15 и 16 могут образоваться посредством использования предельного волновода, зонно-режекторных структур или других элементов связи. Местоположения источника 2 и измерительного преобразователя 7 /A и B на этой фигуре/ являются регулируемыми в зависимости от требуемых рабочих характеристик. Элементы связи источника и измерительного преобразователя не нуждаются в том, чтобы они были одинаковой геометрии или типа. Можно было бы использовать взаимодействие электрических полей, между тем как другие использовали взаимодействие магнитных полей.

В качестве простого примера такой испытательной камеры рассмотрим прямоугольный волновод 17 протяженности /L/, называемый испытательным участком, завершаемым на обоих концах подобными волноводами 18, ширина которых составляет половину ширины испытательного участка, как это показано на фиг.6a. Для этого примера длина испытательного участка является такой, что превышает его ширину в 3 - 4 раза . Три зонда для измерения электрического поля 19, 20 и 21 предполагаются в этой схеме, один 19, центрированный вдоль длины этого участка, и другие два 20 и 21 на расстоянии несколько меньше четверти этой длины от каждого конца испытательного участка 17, как это показано на этой фигуре. Если малопотерной текучей среде позволяется проходить потоком через эту волноводную конструкцию и частота испытательного генератора 20 будет регулироваться к резонансу второго резонатора, величина электрического поля 22 в испытательном участке будет такой, как показано на фиг.6б. Это распределение поля прочно связывается с источником тестовой частоты 20 и зондом 21, связанными с измерительным преобразователем N 2, однако опорный нуль образуется в зонде 19, связанном с измерительным преобразователем N 1. Как обсуждалось ранее, этот нуль представляет чувствительный индикатор для любого изменения диэлектрических свойств пробы.

Это изобретение использует зависимость между комплексной постоянной распространения и комплексной диэлектрической постоянной материала, содержащего линию передачи, чтобы реализовать очень чувствительное устройство текущего контроля хода процесса.

В анализе отдельной системы передачи, такой как волновод или коаксиальный кабель, заключающий в себе предписанный материал, такой как воздух или некоторый другой материал, начинают с уравнений Максвелла и составных уравнений для этой среды. Представляющим интерес здесь является отношение между плотностью электрического потока /D/ и электрическим полем /E/ в этой среде.

Это фундаментальное соотношение включает свойства материала в эти уравнения для начального распространения. Диэлектрическая проницаемость /e/ представляет скаляр для изотропных материалов и тензор для анизотропных материалов. Для нашего настоящего обсуждения мы будем предполагать изотропный материал, ε - скаляр. Форма результирующего уравнения распространения зависит от режимов, поддерживаемых этой системой. Для поперечных электромагнитных волн /волн типа ТЕМ/ уравнение распространения представляет
Г² + К² := 0,
где Г представляет постоянную распространения и К дается выражением
К² := W²me.

В случае волны типа ТЕМ постоянная распространения является пропорциональной корню квадратному диэлектрической постоянной.

Для поперечной электрической волны /волны типа ТЕ/ или поперечной магнитной волны /волны типа ТМ/, уравнение распространения представляет
Г²:= Кс² - К²
где Кс представляет постоянную, определенную представляющими интерес режимом и граничных условий.

Эти отношения могут использоваться, чтобы определить диэлектрическую проницаемость материала из измерений постоянной распространения.

Способ и устройство согласно этому изобретению имеют отношение к технике высокочастотных диэлектрических измерений материалов. Эта информация может использоваться для того, чтобы определять состав материала, гомогенность материала или скорость потока материала как по отдельности, так и в совокупности, если таковой каким-либо образом находится в состоянии движения.

Устройство согласно этому изобретению имеет уникальную конструкцию, которая является электрически изолированной, однако физически открытой. Электрическая изоляция испытательного участка достигается способом, который делает возможными очень точные диэлектрические измерения материалов, на котором проводятся измерения. Фактически открытая конструкция делает возможным измерять непрерывно текущие материалы, измерять материалы в порциях или просто измерять отдельные единицы материала, которые вводятся в испытательный участок. Структурно испытательный участок представляет полую линию передачи, через которую могут распространяться электромагнитные волны, как это происходит в волноводе, и в который вводится представляющий интерес материал. Нет надобности в том, чтобы электроды, антенны или другие устройства высовывались внутрь испытательного участка. Устройство согласно этому изобретению может конструироваться так, чтобы выдерживать высокие внутренние температуры и давления в испытательном участке. Материалы, на которых должны проводиться измерения, могут быть очень коррозионными или абразивными без нанесения значительного повреждения устройству текущего контроля или снижения через некоторое время его эксплуатационных качеств. Вообще устройство согласно этому изобретению является подходящими для текущего контроля состава материалов в множестве установок с трудными промышленными процессами.

Способ и устройство согласно этому изобретению являются полезными для измерения широкого ассортимента различных материалов, где диэлектрические свойства материала могут связываться с составом. Эти способ и устройство могут использоваться, чтобы измерять жидкости, твердые вещества, газы и смеси таковых.

Например:
1/ Способ и устройство согласно этому изобретению могут использоваться, чтобы определять состав, скорость потока или гомегенность как по отдельности, так и в совокупности текучих сред или смесей текучих сред. Применения включают непрерывное определение состава смесей нефти и воды или определение степени полимеризации партии пластической смолы. Фиг.7 иллюстрирует, каким образом устройство 23 могло бы использоваться, чтобы измерять текучую среду 24.

2/ Способ и устройство, согласно этому изобретению, могут использоваться, чтобы определять состав, скорость потока или гомогенность смесей твердого вещества и жидкости. Применения включают измерение содержания каменного угля в каменноугольных пунктах, содержания жира в молоке, или нечистот в сточной воде. Фиг. 8 иллюстрирует, каким образом устройство 25 могло бы использоваться, чтобы измерять смеси жидкости 26 /штрихпунктирные линии/ и твердого вещества 27.

3/ Способ и устройство согласно этому изобретению могут использоваться, чтобы определять состав, скорость потока и гомогенность смесей жидкости и газов. Применения включают текущий контроль микропустотного содержания насыщенного водяного пара, который может использоваться, чтобы помогать определять качество водяного пара или измерению содержания нефти, воды и газа в смесях, истекающих из нефтяных скважин. Фиг. 9 иллюстрирует, каким образом устройство 28 могло бы использоваться, чтобы измерять смеси жидкости 29 /пунктирные линии/ и газа 30 /волнистые линии/.

4/ Способ и устройство согласно этому изобретению могут использоваться, чтобы определять состав, скорость потока и гомогенность твердотельных, жидких и газовых смесей. Применения включают текущий контроль содержания воды и газа бурового раствора в нефтедобывающей промышленности или измерение содержания воды подвергающегося сушке пищевого продукта. Фиг. 10 иллюстрирует, каким образом устройство 31 могло бы использоваться, чтобы измерять твердотельные 32, жидкие 33 и газовые 34 смеси.

5/ Способ и устройство согласно этому изобретению может использоваться для того, чтобы определять состав, скорость потока и гомогенность смесей твердых веществ и газов. Одним из применений является текущий контроль содержания твердых частиц порошковых материалов. Фиг. 11 иллюстрирует каким образом устройство 35 могло бы использоваться, чтобы определять состав твердотельных 36 и газовых 37 смесей.

Даже когда состав измеряемых материала или смеси не может определяться в арретированной форме диэлектрической информацией, обеспечиваемой способом и устройством согласно этому изобретению, тем не менее это устройство может использоваться в качестве точного монитора тенденции /трейд-монитора/.

Способ и устройство согласно этому изобретению функционируют благодаря возбуждению распространения электромагнитной волны в полном металлическом испытательном участке, который действует в качестве волновода. Электромагнитная энергия ответвляется в конструкция волновода через диэлектрически нагруженные апертуры, прорезанные в металлическом волноводе. В сущности, волноводный испытательный участок является специально разработанным участком трубопровода. Этот испытательный участок обеспечивается оконечными нагрузками на обоих концах для того, чтобы электрически изолировать испытательный участок от другой аппаратуры, расположенной поблизости. Эти оконечные нагрузки принимают форму либо реактивных, либо резистивных нагрузок.

Устройство согласно этому изобретению разработано, чтобы вызывать распространение электромагнитной энергии в противоположных направлениях в испытательном участке волновода, чтобы интерферировать. Посредством качания рабочей частоты те частоты, при которых происходит конструктивная или деструктивная интерференция, могут быть идентифицированы. Эта информация может связываться с диэлектрическими свойствами материала, которые, в свою очередь, могут связываться с информацией относительно состава материала.

Это устройство работает как высокочастотный уравновешенный мост, где сигналы в двух плечах различного распространения уравновешиваются по фазе и величине для того, чтобы образовывать острый пик или нуль. Частота, при которой появляется пик или нуль, может измеряться с большой точностью. Эта новая схема для определения диэлектрических свойств материала в физически открытой структуре делает возможными непрерывные измерения ВЧ диэлектрической проницаемости материалов с точностью, которая до сих пор являлась нереализуемой в промышленно пригодных устройствах.

Когда удельная проводимость испытываемого материала является высокой, ослабление распространения электромагнитной энергии в испытательном участке волновода становится значительным. Если удельная проводимость является достаточно высокой, интерференционная картина является неразличимой и диэлектрическая проницаемость не может определяться при помощи технического средства, показанного на фиг. 3. Вместо этого устройство будет измерять затухание электромагнитной энергии между щелями связи при определенных фиксированных частотах. Из этих измерений будет определяться удельная проводимость испытываемого материала.

Новое устройство согласно этому изобретению для получения ВЧ диэлектрической информации относительно материалов является более совершенным относительно двух важных ограничений, присущих техническим средствам известного уровня развития техники в данной области для текущего контроля состава потоков промышленных процессов, основанных на высокочастотных измерениях.

Во-первых, таковое упрощает преобразование измеренной амплитуды электромагнитных колебаний и измерений фазы в точную диэлектрическую информацию потока процесса. Характеристические частоты, при которых происходит конструктивная или деструктивная интерференция, для текущей среды данного процесса зависят почти полностью только от пяти параметров: протяженности испытательного участка, диаметра трубки внутри испытательного участка, коэффициента отражения обеспечивающих оконечной нагрузкой частей, расстояния разнесения между различными щелями связи и диэлектрической проницаемости текучей среды. Когда источник является слабо связанным с испытательным участком, генерирующая внешние сигналы схема имеет очень малое влияние на измерение уравновешенного моста. Более важно, что механизм связи между источником сигналов и испытательным участком не нуждается в том, чтобы он был хорошо выделенным. Следовательно, относительно простое соотношение существует между измеренными характеристическими частотами и диэлектрической проницаемостью материала. Эта простота имеет результатом непосредственно повышенную точность. Это также делает гораздо менее трудным применение этого устройства к широкому ассортименту различных материалов с широко изменяющимися диэлектрическими свойствами без необходимости в значительном изменении конструкции.

Второе фундаментальное преимущество этого изобретения получается из его нечувствительности к искажениям измерений, вызванных аппаратурой процесса за пределами испытательного участка. В промышленной установке устройство текущего контроля состава описанного здесь типа могло бы помещаться в любом вместе в трубопроводе процесса. Оно могло бы помещаться в нескольких футах позади насоса, рядом с вставным расходомером, вентилем или просто примыкающим к колену в трубе. Когда материал процесса является относительно свободным от потерь в электрическом смысле, эти предметы могли бы отражать побочную энергию обратно в испытательный участок контрольного устройства для определения состава, основанного на волноводе. Эта отраженная энергия могла бы видоизменять амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики измеренного сигнала, ухудшая таким образом точность этого устройства. Способ и устройство согласно этому изобретению электрически изолируют испытательный участок устройства от остальной части установки так, что фактически никакой электромагнитной энергии не распространялось за пределы испытательного участка. Это исключает возможность ошибки измерения, вызываемой отражением побочной энергии при разрыве непрерывности трубы обратно в испытательный участок. Это также делает возможным использовать устройство согласно этому изобретению в качестве автономного контрольного устройства для определения состава материала, которое даже может не включаться в трубопровод.

Новое устройство согласно этому изобретению прослеживает изменения в составе материал, скорости потока или гомогенности как по отдельности, так и в совокупности на основе измеренных ВЧ диэлектрических свойств материала. Диэлектрические свойства многих материалов изменяются в качестве функции температуры и давления. Для того чтобы корректировать такие изменения, устройство согласно этому изобретению включает устройства для измерения температуры и давления, когда это необходимо.

Многие физические варианты осуществления этого способа являются возможными, которые структурно наводят электромагнитные интерференционные картины в физически открытом, но электрически изолированном волноводном испытательном участке. Несколько вариантов осуществления будут подробно описываться здесь. Однако многие другие варианты осуществления этого способа, трактуемые этим изобретением, являются возможными. Различные механизмы связи, апертурные структуры, режимы работы волноводов, способы обеспечения оконечными нагрузками, положения апертур, волноводные конструкции /например, прямоугольные вместо круглых/ и т.п. могли бы использоваться без отклонения от контрольного устройства и процесса согласно этому изобретению.

Варианты осуществления универсальных уравновешенных мостов.

Способ измерения с использованием универсальных уравновешенных мостов состоит из способа, посредством которого два идентичных электрических сигнала пропускаются через расходящиеся электрические пути, или плечи, для которого диэлектрические свойства одного из плеч должны определяться. Передаточные свойства другого регулируются при фиксированной частоте до тех пор, пока эти два выходных сигнала не будут уравновешиваться, или исключаться, и образовывать нуль. Передаточные свойства /амплитуда и фаза/, при которых уравновешивание плеча устанавливается, когда достигается нуль, замечательно связываются с передаточными свойствами в неизвестном плече моста. Этот способ иллюстрируется фиг. 2.

В тех случаях, где не требуется универсальность полностью уравновешенного моста, можно использовать подход, описанный ранее и показанный на фиг. 4. В том случае диэлектрические свойства каждого плеча являются одинаковыми, однако неизвестными. Отсутствие равновесия в двух плечах достигается такой установкой, чтобы электрическая длина одного моста отличалась от другой. Для того чтобы уравновешивать плечи моста, фаза и амплитуда двух сигналов регулируется до тех пор, пока не будет получаться нуль на выходе. Это достигается регулированием частоты обоих входных сигналов и амплитуды одного из них до тех пор, пока нуль не будет появляться на выходе. Этот режим работы иллюстрирован на фиг. 3. Диэлектрические свойства испытываемого материала тогда могут определяться из частоты или частот, при которых появляется нуль, разницы в электрических длинах двух плеч моста и ослабления, приданного одному сигналу, чтобы получить нуль на выходе. Этот режим работы будет описываться более подробно в описании варианта осуществления 1.

Вариант осуществления 1. Первый вариант осуществления этого изобретения, воплощающий концепцию, показанную на фиг. 4, показывается на фиг. 12 и 13. Таковой использует две апертуры передачи 137, чтобы вводить две распространяющиеся волны одинаковой частоты в волновод. Одна принимающая апертура 139 располагается несимметрично между апертурами передачи 137, чтобы делать выборку интерференционной формы волны, которая получается в результате. Испытательный участок 141 оканчивается резистивными нагрузками 145, чтобы поглощать электромагнитную энергию, которая выделяется из испытательного участка. При определенных фиксированных частотах сдвиг фаз между двумя волнами у принимающей апертуры представляет целое, кратное 180^o, то есть разность электрических длин представляет целое, кратное половине длины волны. При этих частотах вносимые потери у принимающей апертуры 139 представляют просто разницу в амплитуде этих двух волн. Если амплитуды обеих волн являются равными у принимающей апертуры, тогда четкий нуль появляется в спектре измеренных вносимых потерь. Амплитудное выравнивание делается регулированием затухания /ослабления/ входного сигнала, идущего в передающую апертуру, которая является ближайшей к принимающей апертуре. Фиг. 14 показывает спектр вносимых потерь прототипа этого варианта осуществления данного изобретения.

Две протяженности испытательного участка между передающими апертурами и принимающей апертурой представляют два плеча мостового измерительного устройства. Когда измеренные сигналы являются сдвинутыми по фазе на 180^o и уравновешенными по величине, нуль появляется на выходе. Характеристические частоты, разница в электрических длинах двух путей сигналов и разница в затухании двух путей сигналов могут связываться непосредственно с диэлектрической проницаемостью и удельной проводимостью материала в испытательном участке. Даже когда измеряемый материал является настолько кондукционным, чтобы предупреждать разрешение, выраженное в нуле, удельная проводимость потока процесса может определяться просто измерением затухания в сигнале в самом коротком плече моста испытательного участка.

Фиг. 15 показывает простую схему, которая может использоваться с преобразователем 135. Входной сигнал разделяется на две части, одно ответвление пропускается через фазовращатель 153 и регулируемый аттенюатор 149. Необязательный фазовращатель 153 используется, чтобы компенсировать любые разности фаз между двумя линиями 155 и 157, входимых сигналов. Электронная аппаратура 151 включает процессор цифровых сигналов 159. Процессор 159 соединяется с оцифрованно синтезированным источником 161 шиной 163. Генератор сигналов 161 соединяется с преобразователем 135 ВЧ выходными линиями 155 и 157 через делитель мощности 165. Высокочастотная выходная линия 157 связывается через направленный ответвитель 167 и через детекторные диоды 168 и 171 к линии ввода мощности падающей волны 173 и линии ввода отраженной мощности 175 соответственно, обе из которых соединяются, чтобы обеспечивать вводы к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 177. Линия ввода мощности падающей волны 173 обеспечивает сигнал, представляющий входную ВЧ-мощность, подаваемую по линии 155 к преобразователю 135 и преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 177. Некоторая часть входной ВЧ-мощности, поданной к преобразователю 135, отражается преобразователем 135 обратно на линию 155. Линия ввода отраженной мощности 175 обеспечивает сигнал, индицирующий величину этой отраженной мощности к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 177. Принимающая переданную мощность апертура 139, разнесенная на некоторое расстояние от передающих апертур 137 на преобразователе 135, соединяется посредством линии ввода переданной мощности 179 с преобразователем из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 177 через детектор 178. Принимающая апертура 139 обеспечивает сигнал преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 177 по линии 179, представляющий часть ввода ВЧ мощности, переданной через преобразователь 135. Измерительные преобразователи температуры и давления 181 и 183 на преобразователе 135 аналогично обеспечивают входные сигналы температуры и давления на линиях 185 и 187 к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 177. Шина 189 соединяет преобразователь из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 177 и процессор 159 для действующей в двух направлениях связи. Процессор 159 соединяется с преобразователем из цифровой формы в аналоговую /ЦАП/ 400 шиной 402. Преобразователь из цифровой формы в аналоговую /ЦАП/ 400 обеспечивает управляющий сигнал на линиях 404 для регулирования затухания регулируемого аттенюатора 149 и фазовращателя 153.

Вместо оцифрованно синтезированного источника могли бы использоваться генератор качающейся частоты /ГКЧ/, управляемый напряжением генератор /ГУН/ или управляемый током генератор. Схема, показанная на фиг. 15, могла бы упрощаться во многих практических применениях. Таковая дается здесь в ее общей форме для того, чтобы демонстрировать типы измерений, которые могли бы требоваться, чтобы полностью характеризовать диэлектрические свойства данной пробы.

Вариант осуществления 2. Фиг. 16 иллюстрирует блок-схему электронной аппаратуры, с которой этот вариант осуществления мог бы стать реализованным. Этот вариант осуществления использует преобразователь 135А, который является одинаковым с преобразователем, показанным на фиг. 12 и 13, однако только с парой апертур 137A и 137B. Апертура 137A представляет передающую апертуру. Другое различие между вариантами осуществления 1 и 2 состоит в том, что вариант осуществления 2 осуществляет резистивную балансную схему, как на фиг. 2, чтобы регулировать общую чувствительность системы. Регулированием отношения сопротивления между переменными резисторами R₁ и R₂ по существу любая чувствительность может достигаться. Оцифрованно синтезированный источник 199 имеет разделение его выходного сигнала, пользуясь 180^o гибридной схемой 201, соединенной линиями 203 и 205 с фазорасщепителями 207 и 209. Расщепители 207 и 209 обеспечивают их соответствующие сигналы расщепленной фазы к резисторам R₁ и R₂. Расщепитель 207 подает его другой сигнал к передающей апертуре 137A преобразователя 135A. Другой сигнал от расщепителя 209 подается через фазовращатель 211 и регулируемый резистор R₃, чтобы позволять регулирование. Выходной сигнал от принимающей апертуры 137B преобразователя 135A на линии 213 комбинируется с сигналом от расщепителя 209 и подается через операционный усилитель 215 и диод D1 к положительному вводу дифференциального усилителя 217. Совмещенные выходные сигналы от переменных резисторов R₁ и R₂ подаются через операционный усилитель 219 и диод D2 к отрицательному вводу дифференциального усилителя 217. Выходной сигнал от дифференциального усилителя 217 обеспечивает индикацию диэлектрической постоянной материала, текущего через преобразователь 135A.

Вместо оцифрованно синтезированного источника могли бы использоваться генератор качающейся частоты, управляемый напряжением генератор или управляемый током генератор. Схема, показанная на фиг. 16, могла бы упрощаться во многих практических применениях. Таковая дается в ее общей форме для того, чтобы демонстрировать типы измерений, которые могли бы требоваться, чтобы полностью характеризовать диэлектрические свойства пробы.

Вариант осуществления 3. Фиг. 17 иллюстрирует блок-схему электронной аппаратуры для этого варианта осуществления данного изобретения. Этот вариант осуществления использует преобразователь 125C, подобный преобразователю, показанному на фиг. 12 и 13, за исключением того, что принимающая апертура 139C располагается равноудаленно между передающими апертурами 137C. Различие между вариантом осуществления 1 и вариантом осуществления 3 состоит в том, что последний возбуждается двумя сигналами с различными частотами, между тем как первый возбуждается одночастотным сигналом. Входной сигнал подразделяется на две части, одно ответвление которого пропускается через удвоитель частоты 231, фазовращатель 135 и регулируемый аттенюатор 149. Необязательный фазовращатель 153 используется, чтобы компенсировать любую разность фаз между двумя линиями входных сигналов 155 и 157. Процессор цифровых сигналов 159 соединяется с оцифрованно синтезированным источником 161 шиной 163. Сигнал-генератор 161 соединяется с преобразователем 135 посредством ВЧ выходных линий 155 и 157 через делитель мощности 165. Высокочастотная выходная линия 157 связывается через детекторные диоды 169 и 171 с линией ввода мощности падающей волны 173 и линией ввода отраженной мощности 175 соответственно, обе из которых соединяются, чтобы обеспечивать входные сигналы к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 177. Линия ввода мощности подающей волны 173 обеспечивает сигнал, представляющий входную ВЧ мощность, подаваемую по линии 157 к преобразователю 135C и преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 177. Некоторая часть входной ВЧ мощности, подаваемой к преобразователю 135C, отражается преобразователем 135C обратно на линию 157. Линия ввода отраженной мощности 175 обеспечивает сигнал, индицирующий величину этой отраженной мощности к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 177. Принимающая переданную мощность апертура 139C, разнесенная на некоторое расстояние от передающих апертур 137C на преобразователе 135C, соединяется линией ввода переданной мощности 179 через диод 233 с преобразователем из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 177 через диод 233 с преобразователем из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 177. Принимающая апертура 139C обеспечивает сигнал к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 177 на линии 179, представляющий часть входного сигнала ВЧ мощности, переданного через преобразователь 135C. Измерительные преобразователи температуры и давления 181 и 183 на преобразователе 135 аналогично обеспечивают входные сигналы температуры и давления на линиях 185 и 187 к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 177. Шина 189 соединяет преобразователь из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 177 и процессор 159 для действующей в двух направлениях связи. Процессор 159 соединяется с преобразователем из цифровой формы в аналоговую /ЦАП/ 400 шиной 402. Преобразователь из цифровой формы в аналоговую /ЦАП/ 400 обеспечивает управляющий сигнал на линии 404 для изменения затухания на регулируемом аттенюаторе 149.

Вместо оцифрованно синтезированного источника могли бы использоваться генератор качающейся частоты /ГКЧ/, управляемый напряжением генератор /ГУН/ или управляемый током генератор. Схема, показанная на фиг. 17, могла бы упрощаться во многих практических применениях. Таковая дается здесь в ее общей форме для того, чтобы демонстрировать типы измерений, которые могли бы требоваться, чтобы полностью характеризовать диэлектрические свойства пробы.

Варианты осуществления упрощенных уравновешенных мостов.

Варианты осуществления уравновешенных мостов, описанные до сих пор, имеют многочисленные пути прохождения сигналов и резистивные оконечные нагрузки. Они работают в качестве схем уравновешенных мостов, где многочисленные пути входных сигналов уравновешиваются регулированием частоты и затухания в одном плече до тех пор, пока нуль не будет получаться при характеристической частоте, связанной с диэлектрической проницаемостью материала. Этот способ работы может упрощаться, чтобы получать набор вариантов осуществления настоящего изобретения, где амплитудное выравнивание между двумя интерферирующими электромагнитными волнами является ненужным. Эти варианты осуществления изобретения используют реактивные нагрузки и одну передающую апертуру способом, иллюстрироварнным на фиг. 5.

Передающие апертуры в испытательном участке наводят распространение электромагнитных волн в обоих направлениях в волноводе. Если две противоположно направленных волны отражаются обратно в испытательный участок реактивными нагрузками у концов испытательного участка, они будут интерферировать друг с другом. Фактически при специфических частотах интерференционная картина стоячей волны будет наводиться в испытательном участке. Принимающая апертура будет делать выборку фазы и величины этой картины стоячей волны. При определенных характеристических частотах интерференционная картина является либо конструктивной, либо деструктивной и распознаваемые пики или нули измеряются в спектре вносимых потерь. Эти измеренные характеристические частоты определяют диэлектрическую проницаемость материала в испытательном участке.

Несколько примеров вариантов осуществления данного изобретения, которые реализуют этот упрощенный способ, описываются ниже. Многие другие варианты осуществления этого способа применения упрощенных уравновешенных мостов являются возможными.

Вариант осуществления 4. Поперечное сечение одного варианта осуществления этого способа применения упрощенных уравновешенных мостов иллюстрируется на фиг. 18 и 19. В этом варианте осуществления нарушения электрической непрерывности принимают форму двух полосно-заграждающих /режекторных/ фильтров 44, разделенных фиксированным расстоянием. Передающая и принимающая апертура 46 и 47 помещаются между этими фильтрами 44 в испытательном участке 45. Фильтры 44 рассчитываются так, чтобы препятствовать распространению через них электромагнитной энергии в пределах определенного частотного диапазона. Если испытательный участок 45 эксплуатируется при частотах в пределах этого диапазона, тогда энергия отражается обратно в испытательный участок 45. Полосно-заграждающие /режекторные/ фильтры 44 создаются посредством образования нескольких скачкообразных переходов 47, 48, 49 и 51 в металлическом волноводе 42 изменяющихся протяженностей, разделенных определенными расстояниями. Эти скачкообразные переходы 47-51 прикрываются металлическими экранирующими оболочками 53, 55, 57, чтобы предупреждать потери на излучение. Втулка 59 из изолирующего материала, такого как керамика, вставляется внутри волновода 42, чтобы поддерживать простую внутреннюю геометрию в преобразователе 40 и изолировать испытываемый материал от линий электрических сигналов.

Очевидно, что это представляет только один пример многих путей, которыми может реализоваться реактивная согласованная нагрузка.

Вариант осуществления 5. Фиг. 20 показывает другой вариант осуществления контрольного устройства, использующего способ измерения с упрощенным уравновешенным мостом. В преобразователе 60 этого контрольного устройства волновод 62 футеруется внутри различными диэлектрическими материалами 66 и 68. Испытательный участок 64 футеруется материалом 66, имеющим очень отличающуюся диэлектрическую постоянную, чем материал 68 снаружи измерительного участка 64. Результатом является создание нарушений электрической непрерывности. Эти нарушения непрерывности отражают большую часть распространяющегося электромагнитного сигнала обратно в испытательный участок, эффективно изолируя этот испытательный участок 64. Передающая апертура 70 и принимающая апертура 72 обеспечивается в металлическом волноводе через первый изолирующий материал 66. На практике различные диэлектрические материалы 66 и 68 могут осуществляться применением керамических или пластмассовых материалов. Втулка 68 могла бы даже быть металлической.

Вариант осуществления 6. Фиг. 21 показывает другой вариант осуществления 80, использующий способ измерения с упрощенным уравновешенным мостом. На фиг. 21 преобразователь 80 контрольного устройства имеет физически более крупноразмерный волноводный испытательный участок 82, соединенный с участком волновода 84. Электрически изолирующая втулка 83 футерует волновод 84 и проходит через центр волноводного испытательного участка 82 без всякого изменения в диаметре. Передающая апертура 86 и принимающая апертура 88 располагаются внутри волноводного испытательного участка 82. Частота сигнала, выше которой волноводный испытательный участок 82 будет распространять, называемая критической частотой, является ниже критической частоты волноводного участка 84. Если рабочая частота преобразователя 80 поддерживается ниже, чем критическая частота волновода 83, однако выше таковой испытательного участка 82, однако переходы 90 и 92, где волновод изменяет размер, действуют в качестве очень эффективных отражателей энергии. Таким образом, переходы 90 и 92 действуют в качестве нарушителей электрической непрерывности 94, которые электрически изолируют испытательный участок 82 и при характеристических частотах дают в результате интерференционные картины стоячей волны, которые устанавливаются в испытательном участке 82.

Вариант осуществления 7. Фиг. 22 и 23 показывают еще один вариант осуществления преобразователя 410, пользуясь способом упрощенного уравновешенного моста. Этот вариант осуществления работает аналогично варианту осуществления 6 в том, что участки реактивной нагрузки волновода 241 и 243 за пределами испытательного участка 245 имеют более высокую критическую частоту, чем имеет испытательный участок 245. Это достигается сегментированием элементов нагрузки 241 и 243 в меньшие части, пользуясь металлическими пластинами 247. Таким образом, вариант осуществления 7 является инвазивным, между тем как другие не являются таковыми. Испытательный участок 245 этого варианта осуществления конструируется и работает одинаковым образом, как и испытательный участок 64 в варианте осуществления 5 /фиг. 20/.

В работе, если испытательный участок 245 эксплуатируется при частоте ниже критической частоты участков нагрузки 241 и 243, однако выше частоты испытательного участка 245, распространяющаяся энергия отражается на переходах 249 и 251. Таким образом, переходы 249 и 251 действуют в качестве разрывов электрической непрерывности, которые электрически изолируют испытательный участок и при характеристических частотах дают в результате интерференционные картины стоячей волны, которые устанавливаются в испытательном участке 245.

На фиг. 22 и 23 две металлические пластины 247 используются, чтобы сегментировать нагрузочный участок на четыре части. Как показано на фиг. 24a-ж, многие различные ориентации металлических пластин 247a-247h являются возможными, все из которых достигают одинаковых целей: электрически изолировать испытательный участок и делать возможным осуществление подхода упрощенного уравновешенного моста.

Фиг. 25 показывает простой электронный модуль, который мог бы использоваться с вариантами осуществления 4, 5, 6 и 7. Электронный модуль 100 включает процессор цифровых сигналов 102, реализуемый любыми из большого разнообразия коммерчески доступных микропроцессорных интегральных схем. Процессор 102 соединяется с оцифрованно синтезированным источником 104 шиной 106. Вместо оцифрованно синтезированного источника могли бы использоваться генератор качающейся частоты /ГКЧ/, управляемый напряжением генератор или управляемый током генератор. Генератор сигналов 104 соединяется с преобразователем 80 высокочастотной выходной линией 108, причем принимается, что преобразователь 40, 60 или 410 может заменять показанный преобразователь 80. Высокочастотная выходная линия 108 связывается в позиции 110 через детекторные диоды 112 и 114 с линией ввода мощности падающей волны 116 и линией ввода отраженной мощности 118 соответственно, обе из которых соединяются, чтобы обеспечивать входные сигналы к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 120. Линия ввода мощности падающей волны 116 обеспечивает сигнал, представляющий входную ВЧ мощность, подаваемый по линии 108 к преобразователю 80 и преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 120. Некоторая часть входной ВЧ мощности, подаваемой к преобразователю 80, отражается преобразователем 80 обратно на линию 108. Линия ввода отраженной мощности 118 обеспечивает сигнал, индицирующий величину этой отраженной мощности, к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 120. Измерительный преобразователь переданной мощности 122, разнесенный на некоторое расстояние от ВЧ входной линии 108 на преобразователе 80, соединяется через диод 124 и линию ввода переданной мощности 126 с преобразователем из аналоговой формы в цифровую 120. Измерительный преобразователь 122 обеспечивает сигнал к преобразователю из аналоговой формы в цифровую 120 по линии 126, представляющий часть ввода ВЧ мощности, переданной через преобразователь 80. Измерительные преобразователи температуры и давления 128 и 180 на преобразователе 80 аналогично обеспечивают входные сигналы температуры и давления на линиях 132 и 134 к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 120. Шина 136 соединяет преобразователь из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 120 и процессор 102 для действующей в двух направлениях связи.

Фиг. 26 и 27 показывают типичные спектры измеренных вносимых потерь, полученные техникой упрощенного уравновешенного моста, использующей одну входную щель и прерывания электрической непрерывности, чтобы создавать интерференционную картину в испытательном участке. Фиг. 26 показывает сравнение экспериментальных измерений, сделанных прототипным контрольным устройством, аналогичным конфигурации преобразователя варианта осуществления 6, заполненного воздухом, и предсказанного спектра простой модели. Фиг. 27 показывает соответствующие данные, когда прототип был выполнен деионизированной водой. Хотя общие величины вносимых потерь не прогнозируются хорошо при этой модели, положения пиков 251 и 253 в каждом графике прогнозируются в пределах 1%.

Фиг. 28 показывает график скорости света, деленной на частоту в качестве функции квадратного корня диэлектрической проницаемости материала в испытательном участке для прототипа варианта осуществления 6. Зависимость является нелинейной, так как испытательный участок диэлектрически нагружается воздухом и изолирующей втулкой в дополнение к испытываемому материалу. Таким образом, эффективная диэлектрическая проницаемость испытательного участка является меньшей, чем таковая данного материала.

Для вариантов осуществления этой концепции, таких как варианты осуществления 4, 5 и 7, где испытываемый материал заполняет по существу весь испытательный участок, зависимость между резонансными частотами и квадратным корнем диэлектрической проницаемости материала является в сущности линейной. Фиг. 29 показывает эту зависимость для такого прототипа в сравнении с прогнозами простой модели волновода. Результаты этой модели являются очень близкими, несмотря на тот факт, что прогнозы для общих величин вносимых потерь являются недостаточными. Фиг. 28 и 29 иллюстрируют простоту, с которой достигается этим изобретением преобразование измеренных характеристических частот в диэлектрическую проницаемость материала.

Фиг. 30 и 31 иллюстрируют точность, с которой устройство согласно этому изобретению может использоваться, чтобы определять состав. Эти фигуры показывают сдвиг характеристической частоты прототипа варианта осуществления 6, когда нефть с очень малыми процентными содержаниями воды добавляется к нему. Эти измерения индицируют, что потенциальная точность такового устройства могла бы быть лучше, чем 0,1% воды в нефти. При этом уровне точности это устройство могло бы обладать способностью делать точные определения состава воды в сырой нефти для применений передачи результатов с обеспечением сохранности информации в нефтяной промышленности. Фиг. 32 показывает измеренный спектр 255 для содержания воды 0,025% в нефтепродукте в сравнении с кривой 257 для чистого нефтепродукта. Кривая более высокой частоты 257 является кривой для чистого нефтепродукта. Хотя общий сдвиг частоты составляет только 0,4 МГц, таковой является разрешимым. Сдвиг в диэлектрической проницаемости составляет примерно 0,077%, а соответствующий сдвиг в частоте составляет 0,044%.

Концепция электромагнитной интерференции, вокруг которой рассчитывается способ измерения диэлектрической проницаемости, работает наилучшим образом, если удельная проводимость испытываемого материала не будет слишком высокой. Если материал имеет большой коэффициент рассеяния, распространяющаяся электромагнитная энергия затухает в испытательном участке так быстро, что не может образоваться распознаваемая интерференционная картина. Следовательно, характеристические частоты не могут измеряться этой методикой, как и не может определяться диэлектрическая проницаемость текучей среды. Фиг. 33 показывает спектры измеренных вносимых потерь прототипного варианта осуществления этого способа изобретения в качестве функции удельной электрической проводимости воды. Эти измерения делают прототипным контрольным устройством, аналогичным конфигурации преобразователя варианта осуществления 6. Для этого прототипа пики и нули характеристики являются скрытыми, когда удельная электрическая проводимость материала, на котором проводятся измерения, достигает 0,35 мОм/м. Когда удельная электрическая проводимость материала повышается выше этого уровня, должна использоваться другая техника. Фиг. 34 показывает несколько спектров, измеренных в том же самом прототипе водных растворов более высокой удельной электрической проводимости. Как эти результаты показывают, при более высоких частотах вносимые потери являются очень чувствительными к уровню удельной электрической проводимости. При 220 МГц вносимые потери увеличиваются приблизительно на 50 дБ, когда удельная проводимость увеличивается в 30 раз. Динамический диапазон становится даже более широким при более высоких рабочих частотах. Эти результаты показывают, что устройство, иллюстрируемое вариантами осуществления 1-6, может использоваться, чтобы измерять удельную электрическую проводимость материала, когда удельная проводимость является настолько высокой, что измерения диэлектрической проницаемости являются невозможными. Информация относительно удельной электрической проводимости может связываться с составом материала совершенно так же, как может диэлектрическая проницаемость. С приданием этой дополнительной способности различные возможные варианты осуществления этого изобретения могут использоваться, чтобы измерять любой материал или смеси материалов, где диэлектрические свойства изменяются в широком диапазоне. Это устройство может обращаться в сущности с любым уровнем удельной электрической проводимости или диэлектрической проницаемости, который мог бы встречаться в материале промышленных процессов.

Вариант осуществления 8. Одна из проблем с контрольными устройствами для определения состава, применяемыми для измерения непрерывно текущих материалов или смесей, состоит в том, что состав материала является неоднородным и неравномерно смешанным. Это является особенно справедливым и для применений, вовлекающих смеси несмешивающихся компонентов, имеющих отличающиеся плотности. Примеры включают: смеси твердое вещество/жидкость, такие как суспензии, смеси жидкость/газ, такие как водяной пар, или нефтепродукт/вода/газ; или даже смеси чистых жидкостей, такие как нефть/вода. Трудность состоит в том, что большинство таких контрольных устройств измеряют некоторые общие физические свойства смеси, такие как диэлектрические свойства, плотность или оптические свойства, и используют эту информацию, чтобы определять состав. Если не имеется постоянной физической конфигурации компонентов в смеси вообще, такое устройство никогда не будет работать, т.к. измеренные физические свойства не смогут точно связываться с составом. Равномерное и полное смешивание некоторого вида требуется для точного текущего контроля состава трудных смесей, содержащих несмешивающиеся текучие среды или компоненты, имеющие отличающиеся друг от друга плотности. Это изобретение не является невосприимчивым к этой проблеме, т.к. оно также измеряет физические свойства общей смеси и связывает таковые со составом этой смеси.

Однако один аспект этого изобретения состоит в том, что оно может быть легко разработано, чтобы определять, когда измеряемая смесь является равномерно смешанной. Эта способность достигается вариантом осуществления преобразователя 140 на фиг. 35 и 36, в котором пары апертур передатчика 142 и апертур приемника 144 равномерно распределяются вокруг периферии испытательного участка 146. Характерная особенность этого изобретения состоит в том, что посредством сравнения сигналов, принятых апертурами приемника 144, оно определяет является ли смешивание однородным. Если сигналы являются одинаковыми, материал является равномерно смешанным. Если нет, материал является неоднородным и точность определения состава будет, соответственно, понижаться. Это устройство могло бы неправильно срабатывать только в случае, когда присутствует аксиально симметричная смесь, такая как кольцевой поток. Это является маловероятным или при большинстве условий. Контрольное устройство для определения состава, включающее преобразователь 140, может самоблокироваться или инициировать корректирующее действие, когда не присутствует равномерное смешивание. Другая альтернатива состоит в том, чтобы получать среднее значение сделанного композиционного определения, пользуясь информацией отдельно от показаний каждой пары апертур. В любом случае ошибки будут уменьшаться и будут являться возможными точные суммированные измерения. Концепция многочисленных пар измерительных апертур, иллюстрированная в испытательном участке преобразователя 140, может применяться в испытательном участке преобразователя 140 в вариантах осуществления 1-7 одинаковым образом, чтобы придавать этим вариантам осуществления дополненную способность измерения однородности материала.

Вариант осуществления 9. Способ и устройство, описанные до сих пор, могут измерять температуру и давление испытываемого материала и его диэлектрической проницаемости или удельной электрической проводимости как по отдельности, так и в совокупности. Для многих применений текущего контроля состава эта комбинация измерений будет являться достаточной, чтобы определять состав материала, однако для других эта информация является недостаточной, чтобы полностью определять состав. Состав смесей материалов, состоящих из четырех или более компонентов, имеющих отличающиеся диэлектрические свойства, мог бы определяться вариантами осуществления 1-8, хотя эти варианты осуществления могли бы еще использоваться в качестве очень точных контрольных устройств тенденции. В специальных случаях состав даже трехкомпонентных смесей не мог бы определяться точно этими вариантами осуществления данного изобретения. Одним важным примером являются смеси нефтепродукта, воды и газа. Для того чтобы расширить диапазон полезных материалов и применений, к которым способы и устройства, описанные в этом изобретении, могли бы применяться, дополнительное измерительное средство для определения плотности материала должно добавляться к устройству для ВЧ диэлектрических измерений, описанному в качестве вариантов осуществления 1-8. Этот новый вариант осуществления данного изобретения, вариант осуществления 9, показывается на фиг. 37. Высокочастотное диэлектрическое устройство для определения состава 261 и контрольное устройство для определения плотности 263 соединяются последовательно с трубой 265, через которую испытываемый материал 267 может проходить свободно между двумя измерительными устройствами.

Высокочастотное диэлектрическое контрольное устройство для определения состава 261 могло бы быть любым из вариантов осуществления 1-8 или любым из других возможных вариантов осуществления данного изобретения, согласующимся с способами диэлектрического измерения согласно этому изобретению. Контрольное устройство для определения плотности 263 могло бы быть любым из коммерчески доступных устройств для измерения плотности материалов, текущих в трубопроводе. Двумя примерами являются денситометры сил Кориолиса и гамма-лучевые денситометры. Эти системы требуют равномерного смешивания для точных показаний, так же как требует волноводный диэлектрический преобразователь. Таким образом, конструкция преобразователя 140 является одинаково важной для предупреждения ошибок в измерении плотности этих устройств.

Пример зависимости между диэлектрической проницаемостью смеси, плотностью смеси и составом смеси описывается в следующих далее формулах. Данный пример представляет смеси нефтепродукта, воды и газа.

x = объемное отношение компонента 1 /нефтепродукт/.

y = объемное отношение компонента 2 /вода/.

z = объемное отношение компонента 3 /газ/.

Суммарное объемное отношение = 1 = x+y+z. (2)
Измеренная плотность смеси = ax+by+c, (3)
где a = плотность компонента 1;
b = плотность компонента 2;
c = плотность компонента 3 /0 для газа/.

Уравнение (3) упрощается к выражению
измеренная плотность = ax + by. (4)
Модель Брюггемана связывает диэлектрическую постоянную двухкомпонентной смеси с диэлектрической постоянной этих компонентов следующим образом:

где e₂ = диэлектрическая постоянная двухкомпонентной смеси;
e_m = диэлектрическая постоянная непрерывной среды эмульсии /предположим, что таковая представляет компонент 1/;
e_p1 = диэлектрическая постоянная первой дисперсной фазы /предположим, что таковая представляет компонент 2/;
Ф₁ = объемное отношение первой дисперсной фазы в непрерывной среде /при некоторых допущениях, это равняется y/(x+y) /.

Эта схема может обобщаться до тех компонентов при итеративном решении следующим образом:
e₃ = F / F • / e_m, e_p1, Ф₁/, e_p2, Ф₂/
где e₃ - измеряемая электрическая постоянная общей смеси;
e_p2 - диэлектрическая постоянная второй дисперсной фазы /предположим, что таковой является компонент 3/;
Ф₂ - объемное отношение второй дисперсной фазы /в этом случае, равняется z.

Мы имеем следующую далее зависимость для диэлектрической постоянной:
уравнение (5)
e_meas = F/F/e_comp1, e_comp2, y/x+y, e_comp3, z/
Из измерения диэлектрической постоянной и плотности уравнения (2), (4) и (5) могут использоваться, чтобы определять какими являются соотношения отдельных компонентов. Соотношение Брюггемана-Ханаи было представлено здесь для того, чтобы иллюстрировать зависимость между диэлектрической постоянной и объемными отношениями компонентов. Другие зависимости могли бы использоваться, как и могли бы использоваться калибровочные кривые.

Фиг. 38 показывает алгоритм анализа конкретного процесса в использовании варианта осуществления 8, как показано на фиг. 37. Этот алгоритм является применяющимся для применений к нефтепродукту, воде и газу, где содержание свободного газа остается ниже примерно 20% по объему. Другой алгоритм должен использоваться, если относительное содержание газа будет выше 20%. Измеряемыми свойствами смеси являются диэлектрическая проницаемость или удельная электрическая проницаемость как по отдельности, так и в совокупности, плотность, температура и давление. Переменные, использованные на фиг. 38, представляют объемное отношение газа, Ф_G, объемное отношение воды, Ф_W, объемное отношение нефтепродукта, Ф_O, измеренную диэлектрическую проницаемость смеси /или измеренную удельную электрическую проводимость смеси/, Z_M, и измеренную плотность смеси, D_M. Температура, давление, диэлектрическая проницаемость и плотность смеси измеряются в позиции 270. Z_O, Z_W, D_O и D_W вычисляются из измеренных температуры, давления и данных предварительно калиброванного полного сопротивления компонента в позиции 272. Из этих результатов и допуская, что смесь представляет сплошную водную эмульсию и что не присутствует никакого газа в этой смеси /Ф_G = 0/, как показано в позиции 274, Ф_G1 и Ф_O вычисляются из Z_M в позиции 276. Из этих результатов вычисляется в позиции 278 проверочная плотность D. Если D > D_M, Ф_G увеличивается, а Ф_W и Ф_O регулируются до тех пор, пока не получится D = D_M в позиции 280. Из этих величин Ф_O, Ф_W и Ф_G в позиции 282 вычисляется пробное значение Z. Если это пробное значение Z < Z_M, Ф_W уменьшается и Ф_O и Ф_G регулируются до тех пор, пока не будет иметь место равенство D = D_M в позиции 284. Затем пробное значение вычисляется снова в позиции 282. Этапы 282 и 284 повторяются до тех пор, пока не будет получено равенство Z = Z_M, которое завершает процесс, давая в результате правильные значения Ф_O, Ф_W и Ф_G, в позиции 286. Возвратимся к этапу 278, если это пробное D < D_M, смесь представляет сплошную эмульсию нефтепродукта, то есть предположение в позиции 274 является неправильным. В таком случае Ф_G допускается = 0, а Ф_O и Ф_W вычисляются из D_M в позиции 288. Затем проводится этап 282 и, если вычисленное дробное значение Z < Z_M, Ф_W увеличивается, а Ф_O и Ф_G регулируются до тех пор, пока не будет получаться равенство D = D_M в позиции 290. Этапы 282 и 290 повторяются до тех пор, пока не будет пробное значение Z = Z_M, дающее правильные значения Ф_O, Ф_W и Ф_G в позиции 286.

Фиг. 39 и 40 показывают преобразователь контрольного устройства 150, который объединяет признаки, обсуждающиеся ранее для вариантов осуществления 6, 8 и 9. Преобразователь 150 имеет испытательный участок 152 увеличенного диаметра, аналогичный испытательному участку 82 в варианте осуществления этого изобретения, показанном на фиг. 21. Участки трубы 154 на любой стороне испытательного участка 152 имеют меньший диаметр, например половину диаметра испытательного участка 152. Изолирующая втулка 157 постоянного диаметра проходит через участки трубы 154 и испытательный участок 152 увеличенного диаметра. Изменение диаметра меду испытательным участком 152 и участками трубы 154 создает пару разрывов непрерывности 158. Энергия от каналов ввода высокой частоты 160, 162 и 164, которая связывается в испытательном участке 152, существенно ограничивается внутри преобразователя 150 разрывами непрерывности 158. Контрольное устройство плотности 271 соединяется с преобразователем 150 участком трубы 154. Кроме того, если средство для измерения скорости потока смеси соединяется с системой для определения состава, объединенная система могла бы обладать способностью определения общего физического объема в продукции каждого отдельного компонента в течение некоторого периода времени.

Фиг. 41-43 показывают различные детализированные блок-схемы электронных устройств, которые могли бы использоваться с преобразователем 150, когда таковой объединяется с средством для измерения плотности в соответствии с концепцией варианта осуществления 9. Электронные устройства, показанные на фиг. 41-43, могли бы использоваться одинаково хорошо, если бы любой из вариантов осуществления 4, 5 и 7 заменял вариант осуществления 6, как показано на фиг. 39 и 40. Более того, при подходящих модификациях для дополнительных передающих каналов и частотных источников в соответствии с конструкциями основных электронных устройств, показанными на фиг. 16 и 17, для приведения в действие вариантов осуществления 1-3 эти электронные устройства также могли бы использоваться с вариантами осуществления 1-3. Необходимые модификации могли бы являться очевидными для специалистов в данной области техники.

Фиг. 41 показывает электронные устройства 200 для использования с преобразователем контрольного устройства 150, чтобы обеспечивать полное контрольное устройство для текущего контроля состава трехкомпонентного потока, такого как нефть, вода и газ в устье скважины. Как на фиг. 25, процессор для цифровой обработки сигналов 202 соединяется с генератором оцифрованно синтезированных сигналов 204 посредством двунаправленной управляющей шины 206. Высокочастотная выходная линия 208 подает ВЧ-сигналы по линиям 210, 212 и 214 к ВЧ-вводам 160, 162 и 164 преобразователя 150. Делитель мощности 180 делит ВЧ-сигналы между линиями 210-214. Линии 216 и 218 связываются с линией 210 направленным ответвителем 220, чтобы подавать первые входные сигналы ВЧ-мощности падающей волны I₁ и отраженной ВЧ-мощности R₁, которые подаются к преобразователю 150 и принимаются от него, преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 222, через диоды 224 и 226. Линии 228 и 230 связываются 212 направленным ответвителем 232, чтобы подавать вторые сигналы ВЧ мощности подающей волны I₂ и отраженной ВЧ мощности R₂, которые подаются к преобразователю 150 и принимаются от него, преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 222, через диоды 234 и 236. Линии 238 и 240 связываются с линией 214 в позиции 242, чтобы подавать третьи входные сигналы ВЧ-мощности падающей волны I₃ и отраженной ВЧ мощности R3, которые подаются к преобразователю 150 и принимаются от него, к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 222 через диоды 244 и 246. Аналогично линии 248, 250 и 252 соединяют соответственно ВЧ-выводы 166, 168 и 170 через диоды 273, 275 и 277, чтобы обеспечивать первый, второй и третий ВЧ-сигналы T₁, T₂ и T₃ от преобразователя 150 к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 222. Линии 254 и 256 соединяют измерительный преобразователь температуры 172 и измерительный преобразователь давления 174, чтобы обеспечивать входные сигналы температуры и давления текущего потока к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 222. Линия 258 обеспечивает входной сигнал плотности текущего потока к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 222 от преобразователя плотности 176.

Использование прецизионного обеспеченного цифровым управлением генератора сигналов 264 в системе, показанной на фиг. 41, дает в высокой степени точную, однако имеющую время относительно медленной реакции систему текущего контроля многокомпонентных материалов. Показанная на фиг. 41 система является специально устроенной для применений, где точность текущего контроля является главным требованием для материалов широким диапазоном диэлектрических свойств.

Фиг. 42 показывает более простой вариант электронных устройств 200. Электронная аппаратура 260 включает цифровой процессор 262. Процессор 262 соединяется с оцифрованно синтезированным источником 264 шиной 266. Генератор сигналов 264 соединяется с преобразователем 150 ВЧ-линией вывода 268 через трехходовой делитель мощности 269. Преобразователь 150 соединяется через детекторные диоды 270, 272 и 274 с вводами переданной мощности T₁, T₂ и T₃ преобразователя из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 280. Входные сигналы температуры и давления обеспечиваются по линиям 292 и 294 к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 260. Шина 296 соединяет преобразователь из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 280 и процессор 262 для двухсторонней связи. Здесь падающая и отраженная энергии не измеряются. Измеряется только передняя энергия. Этот вариант мог бы являться наиболее подходящим для текущего контроля почти беспотерных текучих сред, где состав текучей среды не изменяется в широком диапазоне и где расходы представляют важный вопрос. Двумя такими изменениями являются фискальный текущий контроль качества нефти в трубопроводе и текущий контроль качества водяного пара.

Фиг. 43 показывает другую форму электронных устройств 300, которые могут использоваться с контрольным устройством для определения состава 150. Процессор для цифровой обработки сигналов 302 соединяется шиной цифровой передачи 304 с преобразователем из цифровой формы в аналоговую /ЦАП/ 306 и к частотомеру 308. Преобразователь из цифровой формы в аналоговую /ЦАП/ 306 соединяется с источником тока 309 посредством линии 310. Источник тока 309 соединяется линией 312 с ВЧ-генератором качающейся - в пределах от 0,1 до 2 ГГц - частоты /ГКЧ/ 314. Выходной сигнал 316 от генератора 314 подается двухходовому делителю мощности 281. Выходной сигнал 318 от делителя мощности 281 подается к трехходовому делителю мощности 283 и выходной сигнал 320 подается к смесителю 322. Трехходовой делитель мощности соединяется с контрольным устройством для определения состава 150 посредством линий 285, 287 и 289. Линия 320 связывается с частотомером 308 через элемент связи 326. Частотомер 308 образует контур обратной связи, чтобы компенсировать уход частоты в источнике 314.

Генератор 328 с стабильной частотой 30 МГц соединяется линией 330 с смесителем 322. Смеситель 322 соединяется через полосовой усилитель 332 с характеристиками 0,1 ГГц + 10 - 15 дБ, линию 300, трехходовой делитель мощности 291 и линии 334 - 338 с смесителями 340 - 344. Выходные линии 334 - 338 от контрольного устройства 150 также соединяются с смесителями 340 - 344. Выходы 352 - 356 от смесителей 340 - 344 соединяются через полосовые фильтры на 30 МГц 358 - 362 с работающими на промежуточной частоте 30 МГц усилителями с автоматически регулируемым усилением 364 - 368. Выходные сигналы 370 - 374 от усилителей 364 - 368 подаются через детекторные диоды 376 к преобразователю из аналоговой формы в цифровую /АЦП/ 378. Остальные соединения между вводами к контрольному устройству 150, преобразователю из аналоговой формы в цифровую 378 и цифровому процессору 302 являются такими же, как на схемах 300, показанных на фиг. 41, и поэтому они не будут описываться далее. Помимо того как показано и описано, конструкция и работа показанного на фиг. 43 варианта осуществления этого изобретения является одинаковой с таковыми вариантами осуществления этого изобретения, показанного на фиг. 41.

Система, показанная на фиг. 43, имеет как более короткое время реагирования, так и более низкую стоимость, чем имеет система, показанная на фиг. 41, т.к. она не использует прецизионный, широкополосный, обеспеченный цифровым регулированием генератор сигналов. Показанная на фиг. 43 система поэтому является полезной для применений общего текущего контроля, где не требуется более высокая точность показанной на фиг. 41 системы.

Применение технологии текущего контроля состава к измерениям скорости потока.

Способ и устройство согласно этому изобретению, описанные до сих пор и иллюстрированные вариантами осуществления 1 - 9, разработаны, чтобы точно измерять диэлектрические свойства материалов. Благодаря физически открытой конструкции, сделанной возможной этим изобретением, устройство согласно этому изобретению является особенно целесообразным для измерения материалов и смесей, которые являются движущимися, то есть текущими через измерительное устройство. Точность и скорость, с которыми диэлектрические измерения могут делаться, делают возможным выбирать конфигурацию различных вариантов осуществления этого способа таким образом, чтобы измерять скорость потока материала, проходящего через устройство. Имеется два способа, посредством которых это может делаться.

Вариант осуществления 10. В одном варианте осуществления системы для измерения скорости потока, который показан на фиг. 44, два устройства текущего контроля состава 301 и 303 соединяются трубой 305 известной длины. Выходной сигнал этих двух устройств текущего контроля состава кросс-коррелируется по времени, чтобы измерять скорость потока материала процесса. Другими словами, измеряется разность во времени, в течение которого данная часть материала проходит от контрольного устройства для определения состава 301 к контрольному устройству для определения состава 303. Эта разность во времени и расстояние между этими контрольными устройствами для определения состава непосредственно определяют скорость потока материала, проходящего через систему. Конкретным контрольным устройством для определения состава, используемым для этого варианта осуществления данного изобретения, могло бы быть любое устройство, которое является согласующимся с этим изобретением.

Поскольку метод кросс-корреляции для измерения скорости потока не представляет собой новый метод, таковой не будет более подробно описываться здесь. Однако важно отметить, что этот метод будет работать только в этом случае, когда материал, на котором проводятся измерения, изменяет его диэлектрические свойства достаточно разительно вдоль линии потока процесса. Фактически таковой работает наилучшим образом, когда имеются мгновенные изменения, такие как изменения, которые появляются при условиях потока с крупными пузырями газа. Если материал, на котором проводятся измерения, является равномерно смешанным и не изменяется очень резко, его диэлектрические свойства, как это обычно бывает, тогда этот метод кросс-корреляции не станет работать. Выходной сигнал контрольных устройств для определения состава 301 и 303 должен быть по существу идентичным во все моменты времени.

Вариант осуществления 11. Вообще более удобный метод для измерения скорости потока течения процесса, использующий устройство для диэлектрических измерений материала согласно этому изобретению, показывается на фиг. 45. В этом варианте осуществления настоящего изобретения канал или вентиль 311 для ввода материала соединяется выше по потоку относительно контрольного устройства для определения состава 313 посредством трубы 315. Расстояние между вентилем 311 и контрольным устройством для определения состава 315 является фиксированным и известным. Канал ввода 311 используется, чтобы вводить материал 317 в поток процесса 319, который будет видоизменять диэлектрические свойства потока 319, когда таковые будут измерены контрольным устройством для определения состава 313. Для того чтобы измерять скорость потока, канал ввода 311 используется, чтобы вводить небольшой заряд материала 317 в потоке 319 в момент времени t₁. Материал 317 должен иметь значительно отличающиеся диэлектрические свойства, чем представляющая основной объем среда. Когда добавленный материал 317 увлекается через контрольное устройство для определения состава 313, выходной сигнал контрольного устройства 313 резко изменяется, обозначая его прохождение. Когда таковой проходит отмечается момент времени t₂. Расстояние между каналом ввода 311 и контрольным устройством 313, деленное на разницу во времени t₂ - t₁, дает скорость потока течения процесса. Конкретным контрольным устройством для определения состава, используемым для этого варианта осуществления данного изобретения, могло бы быть любое устройство, которое согласуется с этим изобретением.

Пример относительно того, каким образом этот способ определения скорости потока мог бы реализоваться, обеспечивается применением текущего контроля нефтепродукта, воды и газа. Если соляной раствор вводится в смесь нефтепродукта /нефти/, воды и газа, тогда должны повышаться диэлектрическая проницаемость и удельная электрическая проводимость смеси. Это повышение могло бы легко измеряться диэлектрическим измерительным устройством согласно этому изобретению. Более традиционные способы измерения скорости потока нефтепродукта /нефти/, воды и газа, такие как турбинные расходомеры, объемные счетчики вытеснительного типа и счетчики с трубкой Вентури не срабатывают, так как эта текучая среда является двухфазной /жидкость - газ/ по природе. Таким образом, способ измерения величины скорости потока, описанный в настоящем описании, является многозначительным.

Теперь для специалистов в данной области техники должно быть очевидно, что новые способы и устройство для текущего контроля состава материалов и многокомпонентных смесей обладают способностью достижения сформулированных целей этого изобретения, которое обеспечивается. Способ и устройство согласно этому изобретению позволяют осуществлять измерение диэлектрических свойств фактически любого материала или его смеси, включающие твердые вещества, жидкости или газы, или смеси твердых веществ/газов, твердых веществ/жидкостей, жидкостей/газов, жидкостей/жидкостей или твердых веществ/жидкостей/газов. Это изобретение может использоваться чтобы измерять отдельные образцы испытываемого материала, партии или непрерывно текущий материал. Способ и устройство согласно этому изобретению могут использоваться для того, чтобы определять состав материалов, где диэлектрические свойства могут связываться с составом материала. Когда таковые не могут, это устройство может все же использоваться в качестве контрольного устройства тенденции /тренд-монитора/.

Способ согласно этому изобретению использует технику уравновешенного моста для ВЧ диэлектрических измерений в физически открытых, электрически изолированных структурах. Физически открытая структура способа и устройства согласно этому изобретению позволяет текущий контроль материалов, движущихся через измерительное устройство, без создания устройством помех материалу или без повреждения материалом данного устройства. Электрическая изоляция испытательного участка этого устройства снижает или исключает потенциальные ошибки, которые могли бы вызываться отраженными помехами от других машин или устройств за пределами испытательного участка. Способ и устройство согласно этому изобретению разработаны, чтобы получать электромагнитную интерференционную картину между электромагнитными волнами, распространяющимися в противоположных направлениях в этом устройстве. Рабочая частота раскачивается, чтобы находить характеристические частоты, при которых интерференция является либо конструктивной, либо деструктивной и измеренные вносимые потери являются либо максимальными, либо минимальными. Характеристические частоты преобразуются в информацию относительно диэлектрической проницаемости текучей среды. Эта интерферометрическая техника уравновешенного моста сильно упрощает механизм преобразования и повышает точность. Когда удельная электрическая проводимость материала, на котором проводятся измерения, является слишком большой, это устройство вместо этого удельную электрическую проводимость текучей среды посредством измерения изменений вносимых потерь. Посредством измерения свойств текучей среды в местоположениях, разнесенных друг от друга на некоторое расстояние вокруг испытательного устройства, данное устройство определяет является ли материал, на котором проводятся измерения, гомогенно смешанным. Это устройство использует измерения диэлектрической проницаемости или удельной электрической проводимости и плотности, чтобы определять состав трех- или четырехкомпонентных смесей, таких как нефтепродукт /нефть/, вода и газ.

Способ и устройство согласно этому изобретению могут также использоваться, чтобы измерять скорости потока материала процесса посредством использования либо методики кросс-корреляции, осуществляемой двумя контрольными устройствами для определения состава, установленными на известном расстоянии друг от друга в течении процесса, либо посредством использования одного контрольного устройства для определения состава, установленного ниже по потоку на известном расстоянии от устройства ввода потока, которое вводит материал в течение потока, видоизменяющий его диэлектрические свойства.

Далее должно быть очевидным для специалистов в данной области техники, что различные изменения в форме и деталях этого изобретения, которое показано и описано, могут делаться. Полагается, что такие изменения должны включаться в пределы сущности и объема пунктов формулы изобретения, приложенных к описанию.

Изобретение предназначено для определения состава многокомпонентных смесей, текущих в трубах или трубопроводах, скорости потока состава, а также его температуры и давления. Технический результат заключается в разработке средств, позволяющих осуществить непрерывный или порционный текущий контроль материалов и их смесей, в том числе двух- и трехкомпонентных составов, без создания помех для потока текучей среды. Используют технические приемы компоновки высококачественных мостовых схем, чтобы параметризовать сложные диэлектрические свойства твердых веществ, жидкостей, газов и их смесей. Параметризацию выполняют в электрически изолированной, физически открытой конструкции - испытательном участке, для чего используют в качестве волновода трубу, в которой течет смесь, причем в данном волноводе распространяющаяся высокочастотная электромагнитная энергия наводится через нагруженные диэлектриком апертуры. Измерение выполняют в электрически изолированном потоке через испытательный участок, который наводит конструктивные или деструктивные интерференционные картины при характеристических частотах. По характеристической частоте определяют диэлектрическую постоянную смеси, диэлектрические свойства, в свою очередь, используют для определения состава смеси. Для трехкомпонентных потоков, таких как нефтепродукт, вода и газ, производят определение плотности. Для того чтобы корректировать наведенные изменения в калиброванных значениях полного сопротивления и плотности компонентов, производят измерения температуры и давления. 4 с. и 55 з.п. ф-лы, 45 ил.

1. Контрольное устройство многокомпонентного состава, содержащее преобразователь с электропроводной стенкой, образующей оболочку с открытыми концами для ввода состава, причем преобразователь включает в себя испытательный участок с первым концом и вторым концом, по меньшей мере один передающий электромагнитные волны элемент связи и принимающий электромагнитные волны элемент связи, обращенный к упомянутой оболочке, при этом по меньшей мере один передающий электромагнитные волны элемент связи расположен в первом местоположении на испытательном участке для создания электромагнитных волн в оболочке, а принимающий электромагнитные волны элемент связи расположен во втором местоположении на упомянутом испытательном участке для приема электромагнитных волн от упомянутой оболочки, отличающееся тем, что преобразователь дополнительно содержит участок полного сопротивления на каждом из упомянутых первого и второго концов испытательного участка, каждый из участков полного сопротивления имеет полное сопротивление, отличающееся от полного сопротивления испытательного участка, схему, в которой преобразователь образует по меньшей мере один электрический тракт, и средство для образования минимального или максимального выходного сигнала с упомянутой схемы наведением электромагнитной интерференционной картины, причем минимальный или максимальный выходной сигнал служит для характеристики относительного содержания компонентов в составе. 2. Контрольное устройство по п.1, отличающееся тем, что испытательный участок имеет периметр, протяженность которого отличается от протяженности периметра каждого участка полного сопротивления. 3. Контрольное устройство по п.2, отличающееся тем, что испытательный участок имеет размер, отличный от размера каждого участка полного сопротивления. 4. Контрольное устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что испытательный участок имеет форму иную, нежели каждый участок полного сопротивления. 5. Контрольное устройство по любому из пп.2 - 4, отличающееся тем, что испытательный участок имеет геометрическую компоновку иную, нежели каждый участок полного сопротивления. 6. Контрольное устройство по одному из пп.2 - 5, отличающееся тем, что испытательный участок имеет диаметр иной, нежели каждый участок полного сопротивления. 7. Контрольное устройство по п.6, отличающееся тем, что испытательный участок имеет больший диаметр, чем каждый участок полного сопротивления. 8. Контрольное устройство по п.6, отличающееся тем, что испытательный участок имеет меньший диаметр, чем каждый участок полного сопротивления. 9. Контрольное устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый участок полного сопротивления для завершения упомянутого испытательного участка содержит по меньшей мере один физический разрыв в электропроводной стенке. 10. Контрольное устройство по п.9, отличающееся тем, что каждый физический разрыв в электропроводной стенке содержит по меньшей мере одну часть электропроводной стенки с большим поперечным сечением, чем остальная часть электропроводной стенки. 11. Контрольное устройство по п.9, отличающееся тем, что каждый физический разрыв лежит по существу в плоскости, поперечной к продольному размеру оболочки. 12. Контрольное устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый участок полного сопротивления содержит втулку из изолирующего материала, расположенную на внутренней поверхности электропроводной стенки, причем втулка из изоляционного материала имеет первую часть из первого изоляционного материала, примыкающую к передающему и принимающему элементам связи, втулка из изоляционного материала имеет вторые части второго изоляционного материала, причем одна из вторых частей соединена с первой частью на каждой стороне передающего и принимающего элементов связи, второй изоляционный материал имеет диэлектрическую проницаемость, по существу отличную от первого изоляционного материала. 13. Контрольное устройство по п.1, отличающееся тем, что участок полного сопротивления содержит части электропроводной стенки, расположенные на каждой стороне упомянутого испытательного участка, который имеет частоту отсечки, отличную от частоты отсечки участка полного сопротивления. 14. Контрольное устройство по п.13, отличающееся тем, что включает в себя изолирующую втулку, проходящую через первую часть и вторые части электропроводной стенки. 15. Контрольное устройство по п.1, отличающееся тем, что участок полного сопротивления содержит волноводный реактивно нагруженный участок, соединенный с каждым из упомянутых первого и второго концов испытательного участка, при этом волноводные реактивно нагруженные участки в общем случае параллельны продольному размеру упомянутого испытательного участка и сегментированы множеством металлических поверхностей. 16. Контрольное устройство по п.1, отличающееся тем, что участок полного сопротивления содержит участок рассеивающей мощность нагрузки, соединенный с каждым из первого и второго концов испытательного участка. 17. Контрольное устройство по п.16, отличающееся тем, что включает в себя по существу волноводный материал без потерь, расположенный в испытательном участке, а участок полного сопротивления включает в себя материал волновода с большими потерями, расположенный на каждом из двух концов испытательного участка. 18. Контрольное устройство по п.17, отличающееся тем, что волноводный материал без потерь и материал волновода с большими потерями приспособлены для электроизоляции испытательного участка преобразователя. 19. Контрольное устройство по любому из пп.1, 16 - 18, отличающееся тем, что по меньшей мере один передающий элемент связи содержит по меньшей мере первый передающий элемент связи и второй передающий элемент связи, а принимающий элемент связи расположен на расстоянии от первого передающего элемента связи, отличном от расстояния от второго передающего элемента связи. 20. Контрольное устройство по одному из пп.1 - 19, отличающееся тем, что по меньшей мере один передающий электромагнитные волны элемент связи содержит множество передающих электромагнитные волны отверстий, а по меньшей мере один из принимающих электромагнитные волны элементов связи содержит множество принимающих электромагнитные волны отверстий, при этом передающие и принимающие отверстия расположены вокруг электропроводной стенки. 21. Контрольное устройство по одному из пп.1 - 20, отличающееся тем, что включает в себя средство, внешнее к испытательному участку, для разделения входного сигнала к испытательному участку на первую и вторую сигнальные части, при этом схема содержит мостовую схему для уравновешивания первой и второй сигнальных частей, причем средство для разделения входного сигнала подключено для пропускания по меньшей мере одной первой сигнальной части через испытательный участок, а средство для образования минимального или максимального выходного сигнала от схемы подключено для приема второй сигнальной части для настройки схемы для образования минимального или максимального выходного сигнала. 22. Контрольное устройство по п.21, отличающееся тем, что мостовая схема выполнена с возможностью пропускания первой и второй сигнальных частей через испытательный участок и пропускания второй сигнальной части без первой сигнальной части через средство для образования минимального или максимального выходного сигнала. 23. Контрольное устройство по п.21 или 22, отличающееся тем, что включает в себя генератор переменной частоты, подключенный для образования входного сигнала на средство разделения сигнала. 24. Контрольное устройство по любому из пп.21 - 23, отличающееся тем, что включает в себя регулятор фазы, подключенный для регулировки фазы второй сигнальной части. 25. Контрольное устройство по одному из пп.21 - 24, отличающееся тем, что включает в себя переменный резистор, подключенный для регулировки ослабления второго сигнала. 26. Контрольное устройство по п.21, отличающееся тем, что средство для образования минимального выходного сигнала от мостовой схемы включает в себя средство для регулировки характеристики передачи второй сигнальной части для получения нулевого выходного сигнала. 27. Контрольное устройство по п.26, отличающееся тем, что средство для регулировки характеристики передачи второй сигнальный части включает в себя средство для регулировки фазы второй сигнальной части. 28. Контрольное устройство по п. 26 или 27, отличающееся тем, что средство для регулировки характеристики передачи второй сигнальной части включает в себя средство для регулировки ослабления второй сигнальной части. 29. Контрольное устройство по любому из пп.26 - 28, отличающееся тем, что включает в себя средство, подключенное по меньшей мере к одному передающему элементу связи, для изменения частоты электромагнитных волн. 30. Контрольное устройство по одному из пп.21 - 29, отличающееся тем, что средство для образования минимального выходного сигнала от мостовой схемы включает в себя средство для получения разности фаз передачи в 180^o между первой и второй сигнальными частями. 31. Контрольное устройство по одному из пп.1 - 20, отличающееся тем, что схема составляет мостовую схему, а преобразователь содержит два электрических тракта в мостовой схеме. 32. Контрольное устройство по п.31, отличающееся тем, что включает в мостовую схему регулировочные схемные элементы, внешние по отношению к упомянутому преобразователю. 33. Контрольное устройство по п.32, отличающееся тем, что регулировочные схемные элементы включают в себя переменный аттенюатор. 34. Контрольное устройство по п.32 или 33, отличающееся тем, что регулировочные схемные элементы включают в себя переменный фазовращатель. 35. Контрольное устройство по одному из пп.1 - 34, отличающееся тем, что включает в себя контрольное устройство плотности, соединенное с преобразователем в местоположении, отнесенном от испытательного участка, для измерения плотности состава. 36. Контрольное устройство по п.35, отличающееся тем, что средства получения минимального или максимального выходного сигнала мостовой схемы и выходного сигнала контрольного устройства плотности объединены для определения соотношений материалов компонентов в составе. 37. Контрольное устройство по п.35 или 36, отличающееся тем, что включает в себя средство, соединенное с контрольным устройством плотности, для сравнения измеренной плотности с вычисленной плотностью для состава. 38. Контрольное устройство по одному из пп.1 - 37, отличающееся тем, что оболочка включает в себя канал, приспособленный для протекания через него состава. 39. Контрольное устройство по п.38, отличающееся тем, что включает в себя средство, соединенное с упомянутым каналом для определения скорости потока состава через него. 40. Контрольное устройство по одному из пп.1 - 39, отличающееся тем, что передающий и принимающий элементы связи расположены в электропроводной стенке. 41. Контрольное устройство по п.38, отличающееся тем, что установлено в первом местоположении на трубе для протекания через нее упомянутого состава в комбинации со вторым контрольным устройством, которое установлено во втором местоположении на трубе на расстоянии от первого местоположения, причем первое и второе контрольные устройства составляют вместе средство для определения скорости потока состава через трубу, кроме того, включает в себя средство, соединенное с первым и вторым контрольными устройствами для определения взаимной корреляции выходных сигналов от первого и второго контрольных устройств состава для определения длительности времени, требуемого для прохождения части состава от первого местоположения до второго местоположения. 42. Контрольное устройство по п.39, отличающееся тем, что содержит контрольную часть, при этом средство для определения скорости потока состава, соединенное с каналом, содержит вход для ввода вещества, установленный на трубе выше по потоку от контрольной части контрольного устройства, которое также установлено на трубе, причем контрольная часть и вход для ввода вещества вместе приспособлены для определения скорости потока состава через канал, контрольное устройство содержит далее средство для измерения количества времени, требуемого для прохождения вещества, введенного в упомянутый вход для ввода вещества, до упомянутой контрольной части. 43. Способ измерения состава многокомпонентной смеси, включающий в себя (1) обеспечение по меньшей мере одного передающего электромагнитные волны элемента связи на расстоянии от принимающего элемента связи, (2) передачу электромагнитных волн в смесь, (3) прием переданных электромагнитных волн принимающим элементом связи, отличающийся тем, что содержит (4) генерирование интерференционной картины электромагнитных волн в смеси, (5) изменение частоты электромагнитных волн, (6) наблюдение частот, на которых принимаются минимумы или максимумы переданной энергии, и вынесение заключения о свойствах состава, исходя из наблюдаемых частот. 44. Способ по п.43, отличающийся тем, что включает в себя операцию измерения плотности многокомпонентной смеси. 45. Способ по п.43, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя вынесение заключения о допустимости состава путем (7) измерения температуры и давления многокомпонентной смеси, (8) определения измеренной диэлектрической проницаемости многокомпонентной смеси из наблюдаемых минимальной или максимальной частот, (9) определения измеренной плотности многокомпонентной смеси, (10) установки первой переменной, относящейся к волюметрическому отношению первой компоненты смеси, равной нулю, (11) вычисления волюметрического отношения для каждой оставшейся компоненты смеси помимо первой компоненты из измеренной диэлектрической проницаемости многокомпонентной смеси, (12) вычисления плотности многокомпонентной смеси из вычислительных волюметрических отношений оставшихся компонент смеси, (13) сравнения вычисленной плотности смеси с измеренной плотностью смеси, (14) если вычисленная плотность не превышает измеренную плотность смеси, - перехода к операции (17), (15) если вычисленная плотность больше, чем измеренная плотность смеси, - переустановки первой переменной на новое значение и повторного вычисления волюметрических отношений оставшихся компонент на основании упомянутой переустановленной первой переменной, (16) повторения операции (15) до тех пор, пока вычисленная плотность смеси не сравняется с измеренной плотностью смеси, а затем переход к операции (19), (17) если вычисленная плотность меньше измеренной плотности, - установки второй переменной, относящейся к волюметрическому отношению компоненты с наименьшей плотностью смеси, равной нулю, если вычисленная плотность не меньше измеренной плотности, то переходят к операции (19), (18) повторного вычисления на основании измеренной плотности волюметрических отношений других компонент в смеси помимо компоненты с наименьшей плотностью, включая вычисление третьей переменной, относящейся к компоненте с наибольшим значением диэлектрической проницаемости, (19) вычисления проницаемости смеси на основании волюметрических отношений компонент смеси, где волюметрические отношения, используемые в вычислении диэлектрической проницаемости, являются повторно установленными и повторно вычисленными отношениями, если такая повторная установка и повторное вычисление выполнялись, (20) сравнения вычисленной диэлектрической проницаемости смеси с измеренной диэлектрической проницаемостью смеси, (21) если вычисленная диэлектрическая проницаемость больше измеренной диэлектрической проницаемости, - осуществления уменьшения третьей переменной, а если вычисленная диэлектрическая проницаемость меньше измеренной диэлектрической проницаемости, - увеличения третьей переменной и повторного вычисления волюметрических отношений оставшихся компонент в смеси помимо компоненты с наибольшим значением диэлектрической проницаемости на основании повторно установленной третьей переменной так, чтобы вычисленная плотность поддерживалась равной измеренной плотности, (22) повторения операции (21) до тех пор, пока вычисленная плотность не сравняется с измеренной плотностью, для того, чтобы дать волюметрические отношения компонент смеси. 46. Способ по п.45, отличающийся тем, что первая компонента смеси является газом. 47. Способ по п.45, отличающийся тем, что первая компонента и компонента с наименьшей плотностью являются одной и той же компонентой. 48. Способ по п.43, отличающийся тем, что дополнительно включает в себя (1) измерение температуры, давления и диэлектрической проницаемости смеси, (2) определение измеренной диэлектрической проницаемости и измеренной плотности многокомпонентной смеси, (3) установку первой переменной, относящейся к волюметрическому отношению одной из компонент смеси, равной нулю, (4) вычисление волюметрического отношения для каждой оставшейся компоненты помимо упомянутой первой компоненты смеси по измеренной диэлектрической проницаемости многокомпонентной смеси, (5) вычисление плотности многокомпонентной смеси из вычисленных волюметрических отношений оставшихся компонент смеси, (6) сравнение вычисленной плотности смеси с измеренной плотностью смеси, (6.1) если вычисленная плотность не больше измеренной плотности, то переход к операции (9), (7) если вычисленная плотность больше измеренной плотности, переустановку упомянутой первой переменной на новое значение и повторное вычисление волюметрических отношений оставшихся компонент на основании упомянутой переустановленной первой переменной, (8) повторение операции (7) до тех пор, пока вычисленная плотность не сравняется с измеренной плотностью смеси и тогда переход к операции (12), (9) если вычисленная плотность меньше измеренной плотности, установку второй переменной, относящейся к волюметрическому отношению компоненты с наименьшей плотностью смеси, равной нулю, и если вычисленная плотность не меньше измеренной плотности, то переход к операции (11), (10) повторное вычисление на основании упомянутой измеренной плотности волюметрических отношений других компонент в смеси помимо компоненты с наименьшей плотностью, включая вычисление третьей переменной, относящейся к волюметрическому отношению компоненты с наибольшим значением диэлектрической проницаемости, (11) вычисление диэлектрической проницаемости смеси на основании волюметрических отношений компонент смеси, где волюметрические отношения, используемые в вычислении диэлектрической проницаемости, являются повторно установленными и повторно вычисленными отношениями, если такая повторная установка и повторное вычисление выполнялись, (12) сравнение вычисленной диэлектрической проницаемости смеси с измеренной диэлектрической проницаемостью смеси, (13) если вычисленная диэлектрическая проницаемость больше измеренной диэлектрической проницаемости, уменьшение третьей переменной, а если вычисленная диэлектрическая проницаемость меньше измеренной диэлектрической проницаемости, увеличение третьей переменной и повторное вычисление волюметрических отношений оставшихся компонент в смеси помимо компоненты с наибольшей диэлектрической проницаемостью на основании переустановленной третьей переменной так, что вычисленная плотность поддерживается равной измеренной плотности, (14) повторение операций (13) до тех пор, пока вычисленная диэлектрическая проницаемость не сравняется с измеренной диэлектрической проницаемостью для того, чтобы дать волюметрические отношения смеси компонент. 49. Способ по п.48, отличающийся тем, что первая компонента смеси является газом. 50. Способ по одному из пп.43 - 49, отличающийся тем, что электромагнитные волны передают и принимают на множестве точек вокруг испытательного участка, заключающего смесь. 51. Способ по одному из пп.43 - 50, отличающийся тем, что включает в себя операцию пропускания смеси мимо передающих элементов связи и принимающего элемента связи. 52. Способ по одному из пп.43 - 51, отличающийся тем, что осуществляют изоляцию передающего и принимающего элементов связи с нагрузкой на каждой стороне передающих элементов связи, удаленных от принимающего элемента связи. 53. Способ по п.52, отличающийся тем, что нагрузка содержит реактивную нагрузку. 54. Способ по п.52, отличающийся тем, что нагрузка содержит резистивную нагрузку. 55. Способ по одному из пп.43 - 54, отличающийся тем, что включает в себя операцию определения скорости потока многокомпонентной смеси. 56. Способ по п.55, отличающийся тем, что операции 1 - 6, определенные в п. 43, выполняют на первом местоположении в первый момент времени и содержат первое измерение состава, а операция определения скорости потока включает в себя операции определения второго измерения состава путем измерения состава многокомпонентной смеси в соответствии с п.43 во второй момент времени на втором местоположении, отнесенном от первого местоположения, и определения взаимной корреляции первого и второго измерений состава. 57. Способ по п.55, отличающийся тем, что операции 1 - 6, определенные в п. 43, выполняются на первом местоположении, а операция определения скорости потока включает в себя операции введения вещества в многокомпонентную смеси на втором местоположении с известным расстоянием от первого местоположения и определения скорости потока из времени прохождения введенного вещества от второго местоположения до первого местоположения. 58. Измеритель потока для измерения скорости потока состава, протекающего в трубе, отличающийся тем, что включает в себя первое контрольное устройство по любому из пп.1 - 38, расположенное в первом местоположении на трубе, и второе контрольное устройство по любому из пп.1 - 38, расположенное во втором местоположении на трубе, и средство для определения взаимной корреляции первого и второго значений, обнаруженных первым и вторым контрольными устройствами, для определения времени, потребного для прохождения данной части состава от первого контрольного устройства до второго контрольного устройства. 59. Измеритель потока для измерения скорости потока состава, протекающего в трубе, отличающийся тем, что включает в себя средство, соединенное с трубой в первом местоположении, для введения вещества в трубу, причем вещество имеет по меньшей мере одну электрическую характеристику со значением, отличным от значения той же самой электрической характеристики для состава, контрольное устройство по любому из пп.1 - 38, расположенное на втором местоположении на трубе для измерения значений электрической характеристики введенного вещества и состава, средство для генерирования значений характеристики при обнаружении контрольным устройством для обнаружения изменений в упомянутых значениях для определения времени, потребного введенному веществу для протекания от первого местоположения до второго местоположения.