УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В ТРУБОПРОВОДЕ Российский патент 2003 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к технике измерений на ВЧ-, СВЧ-частотах и может быть использовано для исследования комплексных диэлектрических проницаемостей широкого класса материалов, в частности в диэлектрометрии для непрерывного определения компонентного состава гетерогенных потоков с принципиально неустранимой пространственной неоднородностью типа эмульсий, суспензий, аэрозолей. На практике изобретение может быть использовано для контроля технологических процессов в нефтедобывающей и химической промышленности.

При промышленном использовании приборов для контроля качества текучей среды в трубопроводах существует проблема, связанная с образованием отложений на стенках измерительной секции, соприкасающихся с контролируемой жидкостью. Отложения продуктов, входящих в состав исследуемой жидкости, нарушают нормальную работу первичных измерительных преобразователей, снижают точность измерений и требуют выполнения профилактических мероприятий для восстановления заданного технологического режима.

Известны различные химические и физические методы борьбы с отложениями. Химические методы связаны с применением различных ингибиторов и поверхностно-активных веществ, добавляемых в состав продукции, а также с преобразованием нерастворимых соединений в растворимые с последующей промывкой трубопроводов. Физические методы подразделяются на механические, тепловые, акустические и т.д. (Ибрагимов Г.З., Сорокин В.А., Хисамутдинов Н.И. Химические реагенты для добычи нефти. - М.: Недра, 1986. - 240 с.). Ни один из перечисленных методов борьбы с отложениями не решает полностью проблему измерения параметров осадкообразующих потоков.

Вместе с тем, процессы осаждения настолько распространены в различных технологических процессах, что при разработке средств контроля потоков продукции следует исключить или минимизировать возникающие сложности, связанные с отложениями. Необходимо, чтобы разрабатываемые измерительные устройства сохраняли требуемую точность измерения по крайней мере в течение периода времени, установленного регламентом профилактики. Обстоятельный анализ методов и технических средств для измерения параметров технологических процессов в радиоволновом диапазоне частот приведен в: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М. : Энергоатомиздат, 1989 - 208 с. Однако эффективных технических решений, позволяющих ослабить эффекты, связанные с отложениями на стенках первичных измерительных преобразователей, в специальной литературе и патентных источниках не обнаружено.

Ближайшим аналогом к заявляемому изобретению по назначению является устройство для измерения параметров нефти в трубопроводе, обеспечивающее измерение влажности сырых нефтей в интервале от нуля до ста процентов. Устройство содержит генератор, индикатор, элементы связи, измерительную секцию и представляет собой отрезок трубы, внутри которой расположен цилиндрический диэлектрический вкладыш, образующий волновод, внутренний диаметр которого равен диаметру трубопровода. Отношение длины рабочей волны λ к диаметру D выбрано больше 15 (Редькин Г.А., Катанухин В.К., Попов В.А., Чувакин А.И., Мудров А.Е., Иванов А.Н., Дыбовский В.Г. Устройство для измерения параметров нефти в трубопроводе. - А. с. СССР 1531644, МКИ G 01 N 22/00, выбрано в качестве прототипа).

Известное устройство работает в запредельной области частот, что существенно расширяет его функциональные возможности. Основной недостаток устройства-прототипа состоит в том, что в процессе эксплуатации, по мере роста слоя отложений на стенках измерительной секции преобразователя, изменяется заданный режим работы волновода, что снижает точность измерений.

Задачей изобретения является уменьшение вредного влияния осаждающихся на стенках трубопровода продуктов на стабильность работы устройства при сохранении требуемой точности измерений.

Поставленная задача решается изменением конструкции полого цилиндрического диэлектрического вкладыша, а именно упомянутый вкладыш выполнен в виде многослойного цилиндра, образованного не менее чем двумя коаксиальными диэлектрическими слоями, примыкающими друг к другу, причем диэлектрические проницаемости смежных слоев не равны между собой, а сами слои образуют радиально-ступенчатый многослойный волновод. Устройство работает на частотах, меньших частоты отсечки. Выбираемое в конкретном случае число слоев определяет передаточную характеристику и служит для получения требуемой для практики зависимости между параметрами или для достижения предельной точности измерений.

Такая конструкция волновода приводит к появлению у устройства принципиально новых свойств:
- на кривых зависимости передаточной характеристики от электрофизических и геометрических параметров слоев диэлектрического вкладыша появляется плоский участок, что позволяет создавать измерительные устройства, не чувствительные к изменению внутреннего диаметра измерительной секции;
- существенно увеличивается чувствительность и многообразие форм передаточной характеристики преобразователя в зависимости от диэлектрической проницаемости слоев и соотношения их размеров {ε_i, r_i}, что позволяет разрабатывать измерительные устройства с заданными аппаратными функциями, от линейных до представимых в виде степенных полиномов;
- устраняется зависимость передаточной характеристики от изменения частоты зондирующего сигнала, что позволяет проводить измерения в более широком диапазоне частот.

Каждый из отмеченных эффектов имеет самостоятельное значение, однако, для решаемой технической задачи наиболее важно то, что волновод становится нечувствительным к изменению проходного сечения измерительной секции.

В частных случаях параметры устройства могут быть конкретизированы.

С целью повышения точности измерений слой, контактирующий с измеряемым продуктом, может быть выполнен из материала, диэлектрическая проницаемость которого равна диэлектрической проницаемости материала осадка.

Для обеспечения максимальной крутизны передаточной характеристики второй в направлении радиуса слой вкладыша, смежный со слоем, контактирующим с исследуемым продуктом, целесообразно выполнять из материала, диэлектрическая проницаемость которого не превышает половину максимальной величины диэлектрической проницаемости исследуемого продукта. Если же необходимо обеспечить максимальную линейность передаточной характеристики, величину диэлектрической проницаемости слоя, примыкающего к слою, контактирующему с исследуемым продуктом, выбирают больше максимальной величины проницаемости исследуемого продукта.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен эскиз устройства для измерения электрофизических свойств текучих сред для случая трехслойного диэлектрического вкладыша.

Фиг. 2. показывает зависимость затухания от радиуса измерительной секции (r₃=0,085 м, ε₃=20).

Фиг.3. - зависимость затухания от радиуса измерительной секции (r₃=0,085 м, ε₃=10).

Фиг.4. - зависимость затухания от радиуса измерительной секции (r₃=0,085 м, ε₃=4).

Фиг. 5. - зависимость затухания от радиуса измерительной секции (r₃= 0,0825 м, ε₃=4).

Фиг. 6. - зависимость затухания от радиуса измерительной секции (r₃=0,07 м, ε₃=2).

Фиг. 7. - зависимость затухания от радиуса измерительной секции (r₃=0,07 м, ε₃=1).

Фиг.8. - зависимость затухания от проницаемости исследуемого материала.

Фиг.9. - частотная зависимость затухания.

Устройство для измерения электрофизических свойств текучих сред в трубопроводах (фиг.1) содержит несколько концентрических цилиндров (2, 3, 4) с разными показателями диэлектрической проницаемости и представляет собой отрезок волновода со сложным радиально-ступенчатым сечением. Как видно из приведенного на фиг. 1 поперечного сечения, каждый i-й слой волновода характеризуется диэлектрической проницаемостью ε_i, а его форма задается внешним радиусом r_i. Последний n-й слой имеет радиус R_a и ограничен металлическим экраном (5). Длина волновода зависит от диаметра контролируемого участка и ограничена мощностью генератора и чувствительностью индикатора.

Устройство для измерения электрофизических свойств текучей среды работает как обычный волновод, использующий запредельную область частот, с тем существенным отличием, что его многослойная структура позволяет корректировать передаточную характеристику волновода для конкретной контролируемой текучей среды. Параметры корректирующих слоев выбирают такими, чтобы сигнал, поступающий от элемента связи на индикатор, практически не зависел от диаметра проходного сечения измерительной секции.

Для этого на основе известных физических закономерностей подбирают соотношение параметров ε_i и r_i диэлектрических слоев устройства, обеспечивающее минимизацию эффектов, возникающих за счет отложения осадков на стенках диэлектрического трубопровода, которые уточняют экспериментальным путем.

Однако такие волноведущие структуры допускают возможность строгого решения внутренней граничной электродинамической задачи [4], что позволяет получить оптимальные параметры устройства. В литературе анализ волноведущих структур из-за математических сложностей ограничивается случаями, когда количество диэлектрических слоев n≤3. Поэтому авторами изобретения выбран наиболее современный путь построения электродинамической и математической моделей волноводного измерительного преобразователя, позволяющих путем проведения численных экспериментов оптимизировать параметры многослойной структуры по заданным критериям [5-6]. Разработаны математические модели и алгоритмы определения электродинамических характеристик круглых волноводов с многослойным осесимметричным диэлектрическим заполнением, позволяющие определять постоянные распространения полного спектра собственных волн в случае произвольного количества слоев, в том числе и в области запредельных частот [6]. Сложности, связанные с переходом к конечным по длине структурам, являются общеизвестными в технике СВЧ и преодолеваются экспериментальным путем.

В результате выполнения численных экспериментов определены соотношения {ε_i, r_i}, обеспечивающие максимальную чувствительность измерительного преобразователя в заданных пределах изменения свойств контролируемой среды и независимость передаточной характеристики от толщины слоя осаждения на стенках измерительной секции. Для удобства моделирования параметры среды r₁ и ε₁ считаются здесь параметрами одного из слоев волновода. На фиг.2-7 приведены зависимости затухания для рабочего типа волны в четырехслойном волноводе от радиуса r₁ измерительного трубопровода (k₀Г" - постоянная распространения). В качестве параметра на фиг.2-7 выступает значение диэлектрической проницаемости ε₁ исследуемого материала. Радиус второго слоя r₂= r₁+Δr, Δr= 0,005 м, радиус четвертого слоя r₄=0,09 м, диэлектрические проницаемости второго и четвертого слоев ε₂=4, ε₄=2, волновое число k₀=1, остальные изменяющиеся параметры приведены в подписях к чертежам.

Представленные материалы численных экспериментов показывают, что величина затухания при оптимально выбранных параметрах многослойной волноводной структуры зависит в основном от величины диэлектрической проницаемости контролируемой среды. При этом существуют такие соотношения геометрических и физических параметров слоев, при которых затухание практически не зависит от радиуса измерительной секции в диапазоне изменения ε₁ от 1 до 100. Эффект минимизации зависимости затухания от толщины слоя отложения наиболее отчетливо проявляется, если слой, контактирующий с измеряемым продуктом, выполнен из материала, диэлектрическая проницаемость которого равна или близка к диэлектрической проницаемости материала осадка.

Экспериментальная проверка механизма минимизации погрешности измерения от толщины слоя отложения на стенках проводилась на лабораторном макете заявляемого устройства путем введения в измерительную секцию дополнительного диэлектрического вкладыша, имитирующего осадок. Испытаны датчики со следующими параметрами: r₂=55 мм, r₃=85 мм, R_a=90 мм, ε₂=4, ε₃=20, ε₄=2 при разных значениях r₁= 50, 45, 40 мм. Выходной сигнал индикатора при измерении двух крайних значений диэлектрической проницаемости (ε₁=1 - воздух, ε₁=80 - вода) представлен в таблице.

Из приведенных результатов измерений видно, что в 10%-м интервале изменения радиуса измерительного трубопровода величина изменения сигнала индикатора не превышает ±1%, в 20%-м интервале уменьшения радиуса ошибка не превышает ±2%.

Для имитации осадкообразования выбрана величина ε₂=4, т.к. эффективная относительная диэлектрическая проницаемость осадков, пропитанных сырой нефтью, находится в пределах от 3,5 до 6. Кроме того, этому параметру удовлетворяют широко используемые диэлектрические трубы на основе стеклоткани с эпоксидным связующим.

Зависимость затухания от диэлектрической проницаемости контролируемого слоя при соотношении радиусов, обеспечивающем максимальную чувствительность к изменению диэлектрических свойств потока, приведена на фиг.8. При этом диэлектрическая проницаемость слоя, корректирующего зависимость передаточной характеристики от величины диэлектрической проницаемости исследуемого материала, выступает в качестве параметра. Из поведения кривых видно, что изменение параметра слоя волновода позволяет получить такой вид затухания электромагнитного поля, который обеспечивает максимальную крутизну передаточной характеристики при полиномиальной зависимости выходного сигнала от проницаемости контролируемой среды. Вместе с тем, имеется возможность максимальной линеаризации передаточной характеристики.

Выбор конкретного вида передаточной характеристики зависит от свойств исследуемых продуктов и интервалов изменения их электрофизических свойств. При оптимально выбранных параметрах устройства важным является вопрос о его частотных параметрах. На фиг.9 приведены кривые, отображающие зависимость затухания от частоты, которые показывают, что при различном диэлектрическом заполнении волноводная структура допускает, по крайней мере, десятикратное изменение частоты и позволяет легко выбрать требуемый для данной среды диапазон зондирующих частот.

Установленные закономерности являются принципиальными особенностями многослойных волноводных структур в области запредельных частот и обусловлены наличием радиальных скачков диэлектрической проницаемости волновода, что является отличительным существенным признаком заявленного устройства.

Разработка первичных измерительных преобразователей для конкретных текучих сред заключается в исследовании электрофизических свойств продуктов осаждения и проведения на их основе численных расчетов волноводной структуры, которые обеспечивают необходимый комплекс конструкторских параметров.

Таким образом, разработанное устройство для измерения электрофизических свойств текучих сред с использованием многослойных радиально-ступенчатых диэлектрических цилиндров является "самозащищенным" от толщины слоя осаждений, выделяющихся на стенках измерительного трубопровода, т.е. практически полностью исключает зависимость точности измерений от величины отложений. Заявленное техническое решение не только решает поставленную задачу, но, при оптимальном выборе параметров слоев, дает возможность для целого ряда других практических приложений.

Источники информации
1. Ибрагимов Г.З., Сорокин В.А., Хисамутдинов Н.И. Химические реагенты для добычи нефти. - М.: Недра, 1986. - 240 с.

2. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 208 с.

3. Редькин Г.А., Катанухин В.К., Попов В.А., Чувакин А.И., Мудров А.Е., Иванов А. И. , Дыбовский В.Г. Устройство для измерения параметров нефти в трубопроводе. - А. с. СССР 1531644, МКИ G 01 N 22/00.

4. Веселов Г. И., Раевский С.Б. Слоистые металлодиэлектрические волноводы. - М.: Радио и связь, 1988. - 248 с.

5. Мещеряков В. А., Мудров А.Е., Редькин Г.А. Многослойные гиротропные волноводные структуры с азимутальным намагничиванием. //Изв. ВУЗов СССР. Физика. - 1981. - 4. - С. 24-28.

6. Жуков А.А., Редькин Г.А., Мудров А.Е., Хасанов В.Я. Контроль электрофизических параметров текучих сред радиоволновыми методами на запредельных волноводах. //Дефектоскопия. - 1998. - 10. - С. 47-58.

Изобретение относится к технике измерений на ВЧ-, СВЧ-частотах и может быть использовано в диэлектрометрии для непрерывного определения компонентного состава гетерогенных потоков с принципиально неустранимой пространственной неоднородностью. На практике изобретение может быть использовано для контроля технологических процессов в нефтедобывающей и химической промышленности. Устройство представляет собой отрезок трубопровода, содержащий полый диэлектрический вкладыш, выполненный в виде многослойного цилиндра, который образован не менее чем двумя коаксиальными диэлектрическими слоями, примыкающими друг к другу, причем диэлектрические проницаемости смежных слоев не равны между собой, а сами слои образуют радиально-ступенчатый многослойный волновод. Слой волновода, контактирующий с измеряемым продуктом, выполнен из материала, диэлектрическая проницаемость которого равна диэлектрической проницаемости материала осадка. Устройство работает на частотах, меньших частоты отсечки. Благодаря новой конструкции измерительной секции практически полностью исключено вредное влияние осаждающихся на стенках продуктов на выходной сигнал преобразователя. Устройство стабильно в работе и обеспечивает заданную точность измерений в течение промежутка времени, заданного технологическим режимом производства. 4 з.п.ф-лы, 1 табл., 9 ил.

1. Устройство для измерения электрофизических свойств текучей среды, включающей продукты, образующие отложения в трубопроводе, содержащее генератор электромагнитных волн, индикатор, элементы связи, отрезок трубы и расположенный внутри него соосно полый диэлектрический вкладыш, имеющий осевое отверстие, отличающееся тем, что упомянутый вкладыш выполнен в виде многослойного цилиндра, образованного не менее чем двумя коаксиальными диэлектрическими слоями, примыкающими друг к другу, причем диэлектрические проницаемости смежных слоев не равны между собой, а сами слои образуют многослойный радиальноступенчатый волновод. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диэлектрический слой, контактирующий с вышеуказанной текучей средой, выполнен из материала, диэлектрическая проницаемость которого равна или близка к диэлектрической проницаемости материала отложений. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что диэлектрический слой, смежный со слоем, контактирующим с текучей средой, выполнен из материала, диэлектрическая проницаемость которого не превышает половину максимальной величины диэлектрической проницаемости упомянутой текучей среды. 4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что диэлектрический слой, смежный со слоем, контактирующим с текучей средой, выполнен из материала, диэлектрическая проницаемость которого больше максимальной величины проницаемости упомянутой текучей среды. 5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что максимальная частота сигнала генератора электромагнитных волн выбирается в 2(ε_cp)^0,5 раз меньше частоты отсечки незаполненной полости диэлектрического вкладыша, образованной осевым отверстием, где ε_cp - осредненная диэлектрическая проницаемость текучей среды.