СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ НЕФТЕПРОДУКТА В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ТРУБОПРОВОДЕ Российский патент 1999 года по МПК G01N22/00 G01N22/04 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известен способ определения влагосодержания (а.с. СССР N 1015287, Бюл. N 16, 1983 г. ), согласно которому по разности поглощений СВЧ-излучения в контролируемой нефти и в эталонном образце из фторопласта судят о величине влагосодержания в непрерывном потоке товарной нефти.

Недостатком этого известного способа является сложность процедуры определения влагосодержания, связанная с вводом эталонного образца в зону распространения излучения.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ определения влагосодержания сырой нефти (В.А.Викторов и др. "Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин", М.: Наука, 1978, с. 254). Устройство, реализующее указанный способ, содержит измерительный и эталонный резонаторы, подсоединенные через усилитель к осциллографу, аттенюатор, детектор и источник излучения. В этой разработке по разности частот эталонного резонатора, заполненного обезвоженной нефтью, и измерительного резонатора, в центре которого вмонтирована диэлектрическая трубка для пропускания потока контролируемой среды, ответвленного от основной магистрали, определяют влагосодержание измеряемой среды.

Недостатком этой разработки следует считать погрешность, обусловленную изменением диэлектрической проницаемости измеряемой нефти.

Задачей заявляемого технического решения является повышение точности измерения влагосодержания.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения влагосодержания нефтепродукта в диэлектрическом трубопроводе, основанном на использовании колебательных характеристик возбужденного электромагнитными колебаниями резонатора, электромагнитные колебания возбуждают в открытом резонаторе, образованном двумя четвертьсферическими отражателями, устанавливаемыми диаметрально на наружную поверхность диэлектрического трубопровода, измеряют собственную резонансную частоту ω открытого резонатора и ширину его резонансной кривой Δω на уровне половины мощности и определяют влагосодержание W нефтепродукта по формуле

где q - постоянное число, C - скорость распространения электромагнитных волн, α - относительная потеря энергии при единичном взаимодействии волны с отражателями, D - наружный диаметр трубопровода, ε_т - диэлектрическая проницаемость трубопровода.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что по двум информативным параметрам открытого резонатора (собственной резонансной частоте и ширине резонансной кривой) судят о влагосодержании нефтепродукта в диэлектрическом трубопроводе.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существенных признаков позволяет решить поставленную задачу определения влагосодержания нефтепродукта с желаемым техническим результатом, т.е. высокой точностью измерения.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее данное техническое решение, содержит генератор качающейся частоты 1, первый и второй четверть сферические отражатели 2 и 3, установленные диаметрально на наружной поверхности диэлектрического трубопровода 4, входной элемент связи 5, выходной элемент связи 6, подключенный ко входу детектора 7 и блок для исследования амплитудно-частотных характеристик 8.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Как известно при возбуждении электромагнитных колебаний в открытом резонаторе для его резонансной частоты ω можно записать

где l - расстояние между отражателями, q - большое число (практически q>3) C - скорость распространения электромагнитной волны между отражателями. Здесь принимается, что величина дифракционных потерь P ≃ O.

В рассматриваемом случае, если отражатели установить на наружную поверхность диэлектрического трубопровода, то в формуле (I) вместо l - следует использовать наружный диаметр трубопровода, а вместо C - значение скорости волны при ее распространении через диэлектрический трубопровод с измеряемым диэлектрическим нефтепродуктом.

В силу этого формула (I) примет следующий вид:

где D - наружный диаметр трубопровода, K - параметр, учитывающий влияние диэлектрических свойств трубопровода и измеряемого водоэмульсионного потока на скорость распространения волны одновременно.

В данном случае параметр K с определенной точностью можно представить как сумму диэлектрических проницаемостей трубопровода ε_т и обводненного нефтепродукта ε_н. Так как величина ε_т зависит от материала, из которого изготовлен трубопровод, то ее в процессе измерения можно считать постоянной.

Тогда, как следует из последней формулы, при постоянных значениях ε_т и D изменение резонансной частоты ω будет определяться изменением диэлектрической проницаемости водоэмульсионного потока.

Вышесказанное и известная зависимость диэлектрической проницаемости обводного потока (формула Винера) от влагосодержания позволяют получить выражение, определяющее связь резонансной частоты открытого резонатора от влагосодержания в потоке нефтепродукта.

Отсюда для влагосодержания W в потоке нефтепродукта имеем

Из последнего выражения видно, что при постоянных значениях диэлектрических проницаемостей нефтепродукта ε_н и диэлектрического трубопровода, а также его наружного диаметра по резонансной частоте открытого резонатора, образованного двумя отражателями, установленными на наружной поверхности диэлектрического трубопровода, можно оценить величину влагосодержания в обводненном нефтепотоке.

Однако при изменении диэлектрической проницаемости нефтепродукта ε_н может иметь место погрешность в определении влагосодержания.

Согласно предлагаемому техническому решению для исключения указанной погрешности необходимо знание еще одного параметра, связанного с влагосодержанием нефтепродукта. В соответствии с этим рассмотрим так, например, добротность Q данного открытого резонатора.

В рассматриваемом случае добротность измерительного резонатора с учетом ( λ - длина электромагнитных волн) может быть определена как

где α - относительная потеря энергии при единичном взаимодействии волны с отражателями.

Из электродинамики известно, что добротность резонатора может быть определена отношением резонансной частоты ω к частотной ширине Δω резонансной кривой на уровне половины мощности, т.е. Тогда с учетом этого и K = ε_т+ε_oн(ε_oн = ε_н(1+3W)) выражение (3) примет следующий вид:

Отсюда для искомой величины W получаем

Из последнего выражения получаем, что по величине ширины резонансной кривой на уровне половины мощности можно судить о влагосодержании в потоке нефтепродукта.

Анализ показывает, что на основе совместных решений выражений (2) и (4) можно обеспечить результат измерения влагосодержания вне зависимости от изменения диэлектрической проницаемости нефтепродукта. Для этого определим величину ε_н из выражения (2), равную

Подставляя последнее соотношение в выражение (4) и выполняя преобразования, для W имеем:

Последнее выражение показывает, что путем изменения одновременно резонансной частоты открытого резонатора и ширины его резонансной кривой на уровне половины мощности можно исключить погрешность в измерении влагосодержания, обусловленную изменением диэлектрической проницаемости нефтепродукта.

Устройство, реализующее предлагаемый способ работает следующим образом. Выходным сигналом генератора качающейся частоты 1, прошедшим через входной элемент связи 5, возбуждают электромагнитные колебания в измерительном резонаторе, образованном двумя четвертьсферическими отражателями, установленными диаметрально на наружной поверхности диэлектрического трубопровода 4. В рассматриваемом случае для измерения собственной резонансной частоты и ширины резонансной кривой открытого измерительного резонатора электромагнитный сигнал с помощью выходного элемента связи 6 поступает на вход детектора 7. После этого продетекрированный сигнал воспроизводиться в блоке для исследования амплидутно-частотных характеристик (АЧХ) 8.

В устройстве по вершине резонансной кривой (импульса), наблюдаемого на экране блока АЧХ, определяют собственную резонансную частоту ω измерительного резонатора, а по разности частот, соответствующих нижнему и верхнему границам полосы пропускания резонатора на уровне половины мощности его резонансной кривой - Δω.
Таким образом, согласно предлагаемому способу на основе одновременного измерения резонансной частоты открытого резонатора и частотной ширины на уровне половины мощности резонансной кривой указанного резонатора можно обеспечить более высокую точность измерения влагосодержания нефтепродукта в трубопроводе.

Способ определения влагосодержания нефтепродукта в диэлектрическом трубопроводе заключается в возбуждении электромагнитных колебаний в открытом резонаторе, образованном двумя четвертьсферическими отражателями, установленными диаметрально на наружную поверхность диэлектрического трубопровода, измерении собственной резонансной частоты открытого резонатора и ширины его резонансной кривой на уровне половины мощности и определении влагосодержания нефтепродукта по приведенному расчетному соотношению. Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения. 1 ил.

Способ определения влагосодержания нефтепродукта в диэлектрическом трубопроводе, при котором в резонаторе возбуждают электромагнитные колебания и по его колебательным характеристикам судят о контролируемом параметре, отличающийся тем, что электромагнитные колебания возбуждают в открытом резонаторе, образованном двумя четвертьсферическими отражателями, установленными диаметрально на наружную поверхность диэлектрического трубопровода, измеряют собственную резонансную частоту ω открытого резонатора и ширину его резонансной кривой Δω на уровне половины мощности и определяют влагосодержание W нефтепродукта по формуле

где q - постоянное число;
C - скорость распространения электромагнитных волн;
α - относительная потеря энергии при единичном взаимодействии волны с отражателями;
D - наружный диаметр трубопровода;
ε_т - диэлектрическая проницаемость трубопровода.