УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И КАЧЕСТВА ВЕЩЕСТВ МАГИСТРАЛЬНОГО ТРУБОПРОВОДА Российский патент 2009 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, а именно к определению физического состояния и качества нефтегазового продукта, пропускаемого через магистральные трубопроводы, по показателям диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь, и может быть использовано на трубопроводах, построенных из диэлектрического материала.

Известны устройства для определения параметров диэлектрических материалов, транспортируемых по трубопроводу, содержащие измерительную секцию в виде отрезка трубы, встраиваемого в трубопровод, генератор электромагнитных колебаний, усилитель, элементы возбуждения и съема электромагнитной энергии, поляризаторы и регистратор [патент RU №2131120, G01N 22/00, БИ №15, 1999, аналог].

Эти устройства осуществляют амплитудно-фазовые измерения жидких, газообразных и сыпучих диэлектрических материалов. Недостатком является то, что эти решения работают по индивидуальным программам, имеющим ограничение по измерению качества продукта, особенно нефтепродуктов, включающих в себя около 30 параметров, важными из которых могут быть влагосодержание, плотность, массовая доля компонент примесей, вязкость и др. Более того, недостаточная надежность и долговечность из-за больших объемов перекачиваемых продуктов, давления, скорости, налипания на внутренние стенки трубы и элементы измерительной схемы, размещенные внутри трубы, вязких фракций, что требует систематическую чистку и калибровку устройств.

Известно устройство для определения качества продукции магистрального трубопровода, выбранное в качестве прототипа, содержащее генератор электромагнитного излучения, приемник электромагнитного излучения, амплитудно-фазовый регистратор, измерительную секцию из диэлектрика [В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Совлуков. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М. Энергоатом издат. 1989. - С.170-173, прототип].

В измерительной секции этого устройства нет элементов схемы, размещенных внутри секции, и качество продукта определяют по влагосодержанию в нем. Взаимосвязь устройства с внутренней средой трубопровода осуществляется через радиопрозрачную стенку измерительной секции, на внешнюю боковую стенку которой накладывается полосковая линия, по которой распространяется электромагнитная волна. Ее поле проникает через диэлектрическую стенку в полость трубопровода частично, вследствие чего изменяются (искажаются) характеристики волны из-за дополнительных диэлектрических потерь. Кроме того, полосковая линия выполнена узкополосной, что обеспечивает контроль транспортируемого продукта только (приблизительно) в 1/5 всего поперечного объема и, тем самым, ограничивает полноту определения качества продукта.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для определения физического состояния и качества веществ магистрального трубопровода, содержащее генератор электромагнитного излучения, приемник электромагнитного излучения, систему передачи излучения от генератора к приемнику, амплитудно-фазовый регистратор, магистральный трубопровод из диэлектрического материала, система передачи электромагнитного излучения выполнена в виде волновода из диэлектрического материала, вплотную опоясывающего снаружи трубопровод, образуя друг с другом пару связанных линий, при этом концы волновода снабжены дополнительными переходными волноводами, выполненными из металла с равными поперечными размерами кольцевому волноводу и длиной, не менее глубины залегания трубопровода, входы которых соединены с выходом генератора и входом приемника соответственно, размещенными на поверхности грунта, при этом в кольцевом и дополнительных волноводах возбуждена генератором основная электромагнитная волна типа H₁ на частоте, близкой к значению f≈0,1 c/h, где с - скорость электромагнитной волны в вакууме, h - толщина стенки трубопровода.

Техническим преимуществом является то, что существенно повышена чувствительность определения качества продукта и его физического состояния путем точного измерения тангенса угла потерь и диэлектрической проницаемости транспортируемого по трубопроводу продукта особенно ярко выраженных указанных характеристик при транспортировке нефте- и газопродуктов.

На фиг.1 показана структурная схема устройства; на фиг.2 - секция трубопровода с диэлектрическим волноводом.

Оно содержит трубопровод 1, уложенный под слоем грунта, кольцевой волновод 2, два дополнительных волновода 3, генератор 4 электромагнитного излучения, приемник 5 электромагнитного излучения и амплитудно-фазовый регистратор 6.

Трубопровод 1 представляет собой магистральную трубу для транспортирования, например, нефте-, газопродуктов и выполнен либо целиком из диэлектрического материала (стеклопластика), либо из металла, но снабженный диэлектрической вставкой, на которой размещен кольцевой волновод 2. Этот волновод 2 выполнен из гибкого диэлектрического материала, например полистирола, радиопрозрачного как и стеклопластик для электромагнитного излучения в диапазоне сверхвысоких частот, взаимодействующего со средой, находящейся внутри трубы. С тем чтобы было устранено влияние изменяющихся характеристик грунта на показатели измерения характеристик продукта, находящегося внутри трубы 1, кольцевой волновод совместно с трубопроводом 1 по одному из вариантов изолированы от грунтовой почвы электромагнитным экраном (не показано), по другому варианту - изменение характеристик от влажности, меняющейся от дождевых осадков, должно быть известно в этом грунте.

Основная электромагнитная волна типа H₁ на частоте, близкой к значению

,

где f - частота электромагнитного излучения, с - скорость электромагнитной волны в вакууме, h - толщина стенки трубопровода. Для увеличения доли электромагнитного излучения внутри секции и повышения чувствительности к измеряемым параметрам продукта, в формуле (1) это отражено коэффициентом со значением 0.1 согласно [журнал Дефектоскопия, №5, 1992, с.80-84, где обосновывается выбор значения коэффициента].

Кольцевой волновод 2 размещен контактно на поверхности трубопровода 1 для улучшения контактного взаимодействия электромагнитного излучения со средой, находящейся в трубопроводе 1.

Два дополнительных волновода 3 выполнены из металла, но идентичными по геометрическим размерам волноводу 2. Волноводы 3 выполнены из металла с тем, чтобы исключить взаимодействие электромагнитного излучения генератора 4 со средой грунта. Выход генератора 4 соединен через один из дополнительных волноводов 3 с входом кольцевого волновода 2, а выход кольцевого волновода 2 соединен через второй дополнительный волновод 3 с входом приемника 4 электромагнитного излучения.

Амплитудно-фазовый регистратор 6 включен между генератором 4 и приемником 5 электромагнитного излучения и предназначен для измерения параметров электромагнитного излучения (амплитуды и фазы), меняющихся от вариации диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь материала продукта, транспортируемого по трубопроводу 1.

Работа устройства.

Электромагнитная волна от генератора 4 на частоте согласно формулы (1) распространяется по первому из дополнительных волноводов 3, кольцевому волноводу 2, второму дополнительному волноводу 3, поступает в приемник 5 электромагнитного излучения. Проходя через тракт волновода 2, электромагнитное излучение взаимодействует с характеристиками продукта, находящегося внутри трубопровода 1. Об изменении физического состояния и качества продукта судят по изменению диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь продукта, которые изменяют электрические параметры электромагнитного излучения, распространяющегося по кольцевому волноводу 2. Это изменение фиксируется и обрабатывается на уровне опорного сигнала генератора 1, затем фиксируется амплитудно-фазовым регистратором 6, по изменению выходного сигнала которого оператор судит о качестве и физическом состоянии транспортируемого продукта по трубопроводу 1. Предложенная схема обработки сигнала, с использованием соответствующих материалов и частоты возбуждения, дает в совокупности перспективу возможности лучшего распознавания свойств и качества транспортируемого продукта.

Техническим результатом изобретения является доступная возможность анализа качества и физического состояния продуктов, транспортируемых по подземным магистралям, обеспечивающим сохранность продуктов, а в целом благосостояние индустрии.

Использование: в области контрольно-измерительной техники для определения физического состояния и качества нефтегазового продукта, пропускаемого через магистральные трубопроводы. Технический результат заключается в повышении точности и чувствительности измерений. В устройстве система передачи электромагнитного излучения выполнена в виде кольцевого волновода из диэлектрического материала, вплотную опоясывающего снаружи трубопровод, образуя с ним пару связанных линий, при этом концы волновода снабжены дополнительными переходными волноводами, выполненными из металла с равными поперечными размерами кольцевому волноводу и длиной, не менее глубины залегания трубопровода, входы которых соединены с выходом генератора и входом приемника соответственно, размещенными на поверхности грунта. 2 ил.

Устройство для определения физического состояния и качества веществ, транспортируемых по магистральному трубопроводу, содержащее генератор электромагнитного излучения, приемник электромагнитного излучения, систему передачи излучения от генератора к приемнику, амплитудно-фазовый регистратор, магистральный трубопровод из диэлектрического материала, отличающееся тем, что система передачи электромагнитного излучения выполнена в виде кольцевого волновода из диэлектрического материала, вплотную опоясывающего снаружи трубопровод, образуя друг с другом пару связанных линий, при этом концы волновода снабжены дополнительными переходными волноводами, выполненными из металла с равными поперечными размерами кольцевому волноводу и длиной, не менее глубины залегания трубопровода, входы которых соединены с выходом генератора и входом приемника соответственно, размещенными на поверхности грунта, при этом в кольцевом и дополнительных волноводах возбуждена генератором основная электромагнитная волна типа H₁ на частоте, близкой к значению f≈0,1 c/h, где f - частота электромагнитного излучения, с - скорость электромагнитной волны в вакууме, h - толщина стенки трубопровода.