УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВА Российский патент 2008 года по МПК G01N27/00 G01N22/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств (плотности, концентрации, смеси веществ, влагосодержания и др.) веществ (жидкостей, газов), находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.) и перемещаемых по трубопроводам. В частности, оно может быть применено для измерения плотности нефтепродуктов, сжиженных углеводородных газов (смеси пропана и бутана), для измерения плотности природного газа (метана) и др.

Известны различные устройства для определения физических свойств веществ, основанные на измерении диэлектрической проницаемости жидкостей с применением радиочастотных датчиков, содержащих контролируемую жидкость (монографии: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз. 1963. Стр.37-144; патент США №3933030, М. Кл. G01N 9/00). Недостатком таких измерительных устройств является их невысокая точность измерения, обусловленная зависимостью результатов измерений от температуры как контролируемого вещества, так и окружающей среды. При этом возможны температурные изменения параметров чувствительных элементов датчиков, существенно снижающие точность измерения.

Известно также техническое решение (патент США №4864850, М. Кл. G01N 5/02), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит радиочастотный датчик в виде отрезка коаксиальной линии. Применение этого устройства рассмотрено для измерений физических свойств (влагосодержания) вещества, перемещаемого по трубопроводу.

Недостатком этого устройства-прототипа является зависимость результатов измерения от температуры. Оно имеет в своей конструкции элементы, температурные измерения параметров которых влияют на величину информативного параметра (в данном устройстве - на электрическую емкость) и, следовательно, на точность измерения. Таким конструктивным элементом является, в первую очередь, гермоввод, содержащий металлический корпус с диэлектрическим уплотнением.

Так, при измерении физических свойств сжиженных углеводородных газов (СУГ) с применением такого устройства с коаксиальным датчиком гермоввод должен быть выполнен с уплотнением диэлектриком (используется фторопласт, полиамид или капролон) и обеспечивать хорошую герметичность при длительной эксплуатации при высоком избыточном давлении (избыточное давление в трубопроводах и резервуарах со сжиженными углеводородными газами достигает 1,6 МПа, а в трубопроводах и резервуарах с метаном до 20 МПа). При таких требованиях не удается конструктивно выполнить гермоввод с малой величиной электрической емкости. При использовании фторопласта в качестве диэлектрического уплотнения электрическая емкость гермоввода составляет 12 пФ. Диэлектрическая проницаемость такого уплотнения (втулки) изменяется при изменении температуры, что приводит к изменению емкости гермоввода. При изменении температуры на ±10°С емкость гермоввода изменяется на ±0,06 пФ, или на ±0,5%. В реальных условиях температура может изменяться в пределах ±30°С; при этом емкость гермоввода изменится на ±0,2 пФ, что составляет ±1,5%.

Изменение электрической емкости датчика при его заполнении контролируемым веществом (сжиженным углеводородным газом) составляет 20 пф. Изменение же электрической емкости гермоввода на ±0,2 пФ вызовет погрешность измерения плотности СУГ ±5 кг/куб. м, или около 1%.

Следовательно, для обеспечения погрешности измерения плотности СУГ не более ±1 кг/куб. м необходимо произвести коррекцию погрешности, вызванной изменением емкости гермоввода при изменении температуры.

При измерении температуры гермоввода с погрешностью не более ±5°С нескомпенсированное значение изменения емкости гермоввода составит ±0,02 пФ, что вызовет соответствующую погрешность измерения плотности СУГ ±5 кг/куб.м, или около 1%.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель в предлагаемом устройстве для измерения физических свойств вещества, содержащем радиочастотный датчик в виде отрезка коаксиальной линии, подсоединенный с помощью гермоввода к электронному блоку, подключенному к первому входу функционального преобразователя, обеспечивается тем, что оно содержит датчик температуры гермоввода, подключенный ко второму входу функционального преобразователя, а выход функционального преобразователя является выходом устройства. Датчик температуры гермоввода может быть размещен в диэлектрической втулке гермоввода или в его металлическом корпусе, имеющем теплозащитное покрытие. В качестве датчика температуры может использоваться как миниатюрное термосопротивление, так и микросхема, обеспечивающая измерение температуры и выдачу ее значения в виде унифицированного токового сигнала или в цифровом виде.

Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, является, во-первых, введение в состав устройства датчика температуры гермоввода, располагаемого в диэлектрической втулке гермоввода или в его металлическом корпусе, имеющем теплозащитное покрытие; во-вторых, подключение датчика температуры гермоввода к одному из входов функционального преобразователя.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обеспечивает его новое свойство: независимость результатов измерений физических свойств контролируемого вещества от температуры окружающей среды (температуры конструкции устройства).

Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения. Авторам не известны технические решения, содержащие такую же совокупность отличительных признаков и проявляющие при этом то же свойство, что и предлагаемое устройство, т.е. оно, по мнению авторов, соответствует критерию "существенные отличия".

Предлагаемое устройство поясняется чертежами. На фиг.1. изображена схема устройства, в котором датчик температуры гермоввода размещен в диэлектрической втулке гермоввода. На фиг.2 - схема устройства, в котором датчик температуры гермоввода размещен в его металлическом корпусе. На фиг.3 показано применение устройства для измерений физических свойств вещества в технологической емкости, а на фиг.4 - для измерений физических свойств вещества, перемещаемого по трубопроводу.

Здесь введены обозначения: 1 - металлический корпус, 2 - наружный проводник, 3 - внутренний проводник, 4 - шайба (из металла), 5 - диэлектрическая втулка, 6 - подвижная шайба (из металла), 7 - гайка, 8 - резьбовое соединение, 9 - винт, 10, 11 - линии связи, 12 - электронный блок, 13 - отверстие, 14 - датчик температуры, 15 - функциональный преобразователь, 16 - теплозащитное покрытие, 17 - резервуар, 18 - трубопровод.

В данном устройстве совокупность металлического корпуса 1, наружного проводника 2, внутреннего проводника 3, приваренной к его концу металлической шайбы 4, диэлектрической втулки 5, фиксируемой с одной стороны с помощью шайбы 4, а с другой - с помощью подвижной металлической шайбы 6 и гайки 7, образует жесткую конструкцию коаксиального датчика. Резьбовое соединение 8 служит для подсоединения датчика к технологической емкости или трубопроводу. Винт 9 служит для закрепления проводника 10, соединяющего конец внутреннего проводника 3 с электронным блоком 12, к которому с помощью проводника 11 подсоединен и наружный (заземленный) проводник 2 коаксиальной линии. В наружном проводнике 2 имеется сквозное отверстие 13 для обеспечения поступления контролируемого вещества (жидкости, газа) в пространство между проводниками коаксиальной линии.

Устройство работает следующим образом.

Датчик температуры 14 размещен в диэлектрической втулке 5 гермоввода (фиг.1) или в металлическом корпусе 1 (фиг.2). В первом случае этот датчик измеряет температуру непосредственно диэлектрической втулки 5, а во втором - температуру металлического корпуса 1. В последнем случае для обеспечения достоверности показаний, соответствующих именно температуре втулки 5, металлический корпус 1 имеет теплозащитное покрытие 16, позволяющее втулке 5 и корпусу 1 иметь одинаковую температуру в процессе функционирования измерительного устройства.

Радиочастотный датчик в виде рассматриваемого отрезка коаксиальной линии с помощью линии связи подсоединен к электронному блоку 12. В состав электронного блока входят генератор электромагнитных колебаний, блок для измерения информативного параметра радиочастотного датчика. Таким радиочастотным датчиком может являться: 1) отрезок коаксиальной длинной линии с информативным параметром в виде резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка длинной линии, являющегося резонатором; 2) коаксиальный емкостный датчик с информативным параметром в виде электрической емкости.

Выход электронного блока 12 подсоединен к одному из входов функционального преобразователя 15. К его другому входу подсоединен датчик температуры 8. В преобразователе 15 совместное функциональное преобразование выходных сигналов электронного блока 12 и датчика температуры 14 позволяет обеспечить независимость результатов измерения физических свойств контролируемого вещества от температуры окружающей среды, определяющей температуру гермоввода отрезка коаксиальной линии.

Для определения указанного функционального преобразования могут быть использованы как эмпирические, так и расчетные данные, характеризующие температурную зависимость различных изоляционных материалов, используемых в коаксиальных кабелях. Так, температурные изменения диэлектрической проницаемости ε фторполимеров, используемых в качестве диэлектриков, могут составлять 4÷6% в диапазоне значений температуры Т окружающей среды. В рабочем диапазоне температур зависимость ε(Т) может быть выражена следующей формулой (монография: Гальперович Д.Я., Павлов А.А., Хренков Н.Н. Радиочастотные кабели. М.: Энергоатомиздат. 1990. Стр.133-147): ε(T)=[(ε₂₉₃+2)k(T)+ε₂₉₃]/[(ε₂₉₃+2)k(T)+1]. Здесь ε₂₉₃ - значение диэлектрической проницаемости при температуре 293К (т.е. 20°С); k - коэффициент линейного теплового расширения или сжатия относительно нормальных условий, имеющий отрицательные значения при температурах ниже 293К и положительные значения при температурах выше 293К. Отсюда следует, что для фторполимеров (политетрафторэтилена, фторопласта и др.) зависимость ε(T) имеет монотонный характер (ε убывает с возрастанием Т). Так, для фторопласта-4МБ среднее расчетное значение ε≈2,09 при 0°С изменяется от 2,11 до 2,07 (т.е. ±1%) при изменении температуры от -30 до +30°С. Зная зависимость ε(T) для конкретного диэлектрика, применяемого в качестве материала диэлектрической втулки 6 коаксиальной линии, можно использовать ее в качестве одного из уравнений для совместного преобразования сигналов от блоков 12 и 14 в функциональном преобразователе 15 с целью устранения температурной зависимости результатов измерения физических свойств контролируемого вещества. Выходной сигнал блока 15 может быть выходным сигналом измерительного устройства или/и использоваться для управления технологическим процессом.

Для радиочастотного датчика наличие зависящей от температуры Т электрической емкости С_г(T) гермоввода влияет на величину информативного параметра. В частности, для емкостного датчика с эквивалентной емкостью С_э, зависящей от физических свойств вещества, результирующая электрическая емкость С выражается соотношением С=С_э+С_г(T). Зависимость С_г(Т) устанавливается или расчетным путем, или экспериментально для конкретного датчика.

Датчиком температуры 14 может служить терморезистор или иной термозависимый элемент с известной выходной характеристикой - зависимостью его информативного параметра от температуры. Такой датчик может быть размещен в материале диэлектрической втулки 5 (фиг.1) или в металлическом корпусе 1 (фиг.2); в последнем случае для выравнивания температуры в нем и диэлектрической втулке 5 предусмотрено наличие у металлического корпуса 1 теплозащитного покрытия 16.

На фиг.3 приведена схема размещения устройства при измерениях в резервуаре 17, а на фиг.4 - при измерениях в трубопроводе 18, где датчик установлен соосно потоку в одном из частей трубопровода, расположенных перпендикулярно (здесь направление потока вещества показано стрелками).

Таким образом, в данном устройстве устранено влияние изменений температуры гермоввода на выходной сигнал измерительного устройства, что приводит к существенному увеличению точности измерения физических свойств контролируемого вещества.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств (плотности, концентрации, смеси веществ, влагосодержания и др.) веществ (жидкостей, газов), находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.) и перемещаемых по трубопроводам. В частности, оно может быть применено для измерения плотности нефтепродуктов, сжиженных углеводородных газов (смеси пропана и бутана), для измерения плотности природного газа (метана) и др. Устройство для измерения физических свойств вещества содержит радиочастотный датчик в виде отрезка коаксиальной линии, подсоединенный с помощью гермоввода к электронному блоку, подключенному к первому входу функционального преобразователя. Устройство содержит датчик температуры гермоввода, подключенный ко второму входу функционального преобразователя, а выход функционального преобразователя является выходом устройства. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения физических свойств вещества, содержащее радиочастотный датчик в виде отрезка коаксиальной линии, подсоединенный с помощью гермоввода к электронному блоку, подключенному к первому входу функционального преобразователя, отличающееся тем, что оно содержит датчик температуры гермоввода, подключенный ко второму входу функционального преобразователя, а выход функционального преобразователя является выходом устройства.2. Устройство для измерения физических свойств вещества по п.1, отличающееся тем, что датчик температуры гермоввода размещен в диэлектрической втулке гермоввода.3. Устройство для измерения физических свойств вещества по п.1, отличающееся тем, что датчик температуры гермоввода размещен в его металлическом корпусе, имеющем теплозащитное покрытие.