СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ НЕФТЕПРОДУКТА Российский патент 2008 года по МПК G01N22/04 

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

Известен способ, реализуемый автоматическим влагомером, построенным по мостовой схеме и имеющим одну приемопередающую антенну (см. В.А.Викторов и др. «Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин», 1978, стр.254), в котором коэффициент отражения от контролируемого вещества с учетом разности напряженностей волн, отраженных от эталона (образец среды с постоянной влажностью), и контролируемого вещества служит мерой его влажности.

Недостатком этого известного способа является сложность процедуры измерения влажности, связанная с образованием мостовой схемы.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ определения влажности в потоке вещества (см. В.А.Викторов и др. «Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин», 1978, стр.253-254). Согласно устройству, реализующему указанный способ, возбуждают электромагнитные колебания в измерительном и эталонном объемных резонаторах, пропускают через трубку, вмонтированную в центре измерительного резонатора, поток контролируемой среды, ответвляемый от основной магистрали (эталонный резонатор заполнен полностью обезвоженным веществом), и по рассогласованию частотных сигналов этих двух резонаторов (устройство построено по мостовой схеме) получают информацию о влажности потока.

Недостатком данного способа следует считать низкую чувствительность из-за сложности преобразования информативного о влажности частотного сигнала.

Задачей заявляемого технического решения является повышение чувствительности измерения.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения влажности нефтепродукта, протекающего по диэлектрическом трубопроводу, проходящему через измерительный объемный резонатор, в котором возбуждают электромагнитные колебания и фиксируют смещение вдоль оси частот частотных характеристик объемного резонатора, измеряют сдвиг фазы Δϕ сигнала резонансной частоты f объемного резонатора, соответствующий сдвигу частоты Δf, и по измеренной величине сдвига фазы определяют влажность нефтепродукта.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных признаков, состоит в том, что получают информацию о влажности нефтепродукта по сдвигу фазы сигнала резонансной частоты объемного резонатора.

Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существенных признаков позволяет решить поставленную задачу определения влажности нефтепродукта на основе фиксации смещения вдоль оси частот фазочастотной характеристики объемного резонатора и измерения сдвига фазы сигнала его резонансной частоты с желаемым результатом, т.е. высокой чувствительностью измерения.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит генератор электромагнитных колебаний 1, измерительный объемный резонатор 2, прибор для наблюдения частотных характеристик 3. На чертеже цифрой 4 обозначен проходящий через измерительный объемный резонатор трубопровод, по которому протекает нефтепродукт.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

Как известно, при радиоволновом измерении влажности нефтепродукта на основе резонансных систем информацию о влажности получают по резонансной частоте резонатора. Зависимость этого параметра от влажности через диэлектрическую проницаемость контролируемой среды определяют смещением по оси частот амплитудно-частотной характеристики резонатора, т.е. сдвигом частоты резонанса.

Практика показывает, что определение влажности веществ с малым содержанием (до 5%) влаги не всегда обеспечивает высокую чувствительность измерения.

Согласно предлагаемому способу при возбуждении электромагнитных колебаний в объемном резонаторе с проходящим через него трубопроводом, по которому протекает обводненный нефтепродукт, сдвиг фазы Δϕ резонансного сигнала, связанного с изменением влажности нефтепродукта, можно выразить зависимостью, обнаруженной экспериментально

Q_р.об - добротность объемного резонатора;

f₀ - резонансная частота резонатора (без возмущения резонатора);

Δf - сдвиг частоты резонанса, обусловленный изменением влажности нефтепродукта.

Из представленной формулы вытекает, что при смещении вдоль оси частот фазочастотной характеристики (ФЧХ) резонатора с известной зависимостью Δf от влажности путем измерения параметра Δϕ можно определить влажность нефтепродукта.

В рассматриваемом случае при измерении малых влагосодержаний нефтепродукта, протекающего, например, по диэлектрическому трубопроводу, проходящему по данному резонатору, резонансную частоту Δf (сдвиг частоты) последнего можно выразить следующей формулой (см. В.А.Викторов и др. «Радиоволновые измерения параметров технологических процессов». М.: Энергоатомиздат, 1989, стр.176).

где

ε - диэлектрическая проницаемость обводненного нефтепродукта,

ε_T - диэлектрическая проницаемость трубопровода,

А - коэффициент, зависящий от типа колебаний в полости резонатора, ее размеров и

т.д. Этот коэффициент можно считать приблизительно постоянным.

Из последней формулы видно, что при известных величине ε_T и зависимости диэлектрической проницаемости обводненного нефтепродукта от влагосодержания (см. формулу Винера. «Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов». Под общ. редакцией Е.С.Кричевского, М.: Энергия, 1980, стр.55) можно определить влажность нефтепродукта.

Выражение (1) с учетом выражения (2) примет вид:

Из приведенного выше рассуждения следует, что по сдвигам резонансной частоты объемного резонатора и фазы резонансного сигнала можно определить влажность нефтепродукта.

Согласно предлагаемому техническому решению необходимо оценить чувствительность преобразования влажности через диэлектрическую проницаемость ε в данном случае в частоту и фазу, сравнить эти характеристики и показать перспективность преобразования влажности в фазу.

Если обозначить изменения частоты и фазы через f и ϕ соответственно, то выражения (2) и (3) в общем виде могут быть представлены как

Из теории измерительной техники известно, что под чувствительностью преобразователя надо понимать отношение величины преобразователя к его входному сигналу. В соответствии с этим чувствительности по частоте S_f и по фазе S_ϕ в данном случае могут быть определены как

где df и dϕ - приращения частоты и фазы (выходные величины) соответственно,

dε - приращение диэлектрической проницаемости обводненного нефтепродукта (входной сигнал). Здесь принимается отсутствие влияния побочных факторов (температуры, давления) на преобразователь и постоянство параметров ε_T, Q_p.об и А.

Дифференцирование уравнений (4) и (5) по ε дает возможность определить абсолютную чувствительность (см. В.Ю.Кнеллер. «Автоматическое измерение составляющих комплексного сопротивления». Л.: Энергия, 1967, стр.77) по частоте S_f и по фазе S_ϕ следующими формулами:

Из анализа полученных формул видно, что благодаря добротности резонатора, определяющей крутизну ФЧХ, чувствительность по фазе может оказаться больше, чем по частоте. При этом следует отметить, что измерение фазы необходимо проводить на линейном участке ФЧХ с возможностью обеспечения максимального динамического диапазона.

Расчеты показывают, что при использовании в качестве измерительного преобразователя, например, прямоугольного резонатора с резонансной частотой 3000 мГц и добротностью ≈19600 (см. Л.Д.Гольдштейн, Н.В.Зернов. «Электромагнитные поля и волны». - М.: Советское радио, 1971, стр.520) можно обеспечить увеличение чувствительности по фазе.

В устройстве, реализующем данное техническое решение, выходным сигналом генератора электромагнитных колебаний 1 возбуждают электромагнитные колебания в объемном резонаторе 2 с проходящим через него диэлектрическим трубопроводом, по которому протекает контролируемый обводненный нефтепродукт. После этого при резонансе на экране прибора для наблюдения частотных характеристик 3 фиксируют амплитудно-частотную (АЧХ) и фазочастотную (ФЧХ) характеристику резонатора. При отсутствии нефтепродукта в трубопроводе 4 определяют собственную резонансную частоту и добротность (см. Л.Д.Гольдштейн, Н.В.Зернов. «Электромагнитные поля и волны», М.: Советское радио, 1971, стр.512, формула 13.22). Смещение по оси частот АЧХ и ФЧХ, свидетельствующее о наличии в трубопроводе обводненного нефтепродукта, используется для определения сдвига резонансной частоты и фазы сигнала резонанса. При этом в области частот вблизи точки перегиба, где ФЧХ может быть аппроксимирована линейной зависимостью, сдвигу частоты Δf, связанной с влажностью нефтепродукта через диэлектрическую проницаемость обводненного нефтепродукта, соответствует изменение фазы (сдвиг) Δϕ резонансного сигнала. В результате при известных величинах f₀ и добротности Q_р.об измерение Δf (преобразование отношения Δf/f₀ согласно формуле (2), например) позволяет определить влажность нефтепродукта при ее изменении.

Таким образом, согласно предлагаемому способу на основе измерения сдвига фазы сигнала резонансной частоты, соответствующего сдвигу резонансной частоты резонатора, можно обеспечить высокую чувствительность измерения влажности нефтепродукта.

Использование: в области измерительной техники. Технический результат заключается в повышении чувствительности измерения. Способ заключается в том, что измеряют сдвиг фазы сигнала резонансной частоты объемного резонатора Δϕ, соответствующий сдвигу частоты, при смещении вдоль оси частот его фазочастотной характеристики, при этом определяют влажность нефтепродукта, зависящую от диэлектрической проницаемости. 1 ил.

Способ определения влажности нефтепродукта, протекающего по диэлектрическому трубопроводу, проходящему через измерительный объемный резонатор, в котором возбуждают электромагнитные колебания и фиксируют смещение вдоль оси частот частотных характеристик объемного резонатора, отличающийся тем, что измеряют сдвиг фазы Δϕ сигнала резонансной частоты f₀ объемного резонатора, соответствующий сдвигу частоты Δf,

,

где ε - диэлектрическая проницаемость обводненного нефтепродукта;

ε_т - диэлектрическая проницаемость трубопровода;

А - коэффициент, зависящий от типа колебаний в полости резонатора, ее размеров и т.д.,

и определяют влажность нефтепродукта, зависящую от диэлектрической проницаемости ε.