СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ В МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКАХ ТРУБОПРОВОДОВ ПО НИЗКОЧАСТОТНЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ИЗМЕРЕНИЯМ Российский патент 2010 года по МПК G01N27/12 

Описание патента на изобретение RU2383011C2

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при разработке влагомеров, прежде всего, для определения содержания воды в потоках нефтяных трубопроводов.

Известно большое число конструкций влагомеров, основанных на емкостном диэлькометрическом методе с использованием различных модификаций емкостной измерительной ячейки. В связи с высокой электропроводностью воды подобные устройства работают в области достаточно высоких частот - более 10 МГц, на которых влияние электропроводности и химического состава воды снижается. В качестве примера можно привести одну из последних таких разработок [1]. Следует отметить чрезвычайную сложность конструкции и расчетных соотношений в данной разработке.

В качестве аналога предлагаемого способа можно рассматривать работу [2], в которой разработан индуктивный способ определения диэлектрических параметров водных растворов, в котором исследуемое вещество вводится в соленоидальные катушки индуктивности (L-ячейки). При вводе водного раствора в L-ячейку, подключенную к колебательному контуру куметра, происходит изменение добротности Q и емкости С колебательного контура куметра при резонансе - фиг.1. При этом по изменению добротности Q можно рассчитать величину ε'' - мнимую часть комплексной диэлектрической проницаемости раствора, а величина сдвига резонансной емкости ΔС на заданной резонансной частоте f прямо пропорциональна ее действительной величине, т.е. ε'.

Основное достоинство L-метода для исследования водных растворов связано с возможностью изучать их низкочастотные диэлектрические свойства не искаженные токами проводимости, поскольку вихревое электрическое поле L-ячеек настолько мало, что сила, с которой оно действует на ионы, оказывается меньше силы вязкого трения. В таких полях в диапазоне частот 10 кГц-10 МГц впервые выявляется низкочастотная дисперсия ε' растворов, наличие которой теоретически предсказывалось Дебаем еще в 30-х годах прошлого века [3]. На примере водных растворов эта дисперсия показана на фиг.2.

Предлагаемый способ определения содержания воды в многофазных потоках, как и в аналоге, основывается на низкочастотных диэлектрических измерениях с использованием соленоидальной измерительной L-ячейки, но меняется метод регистрации параметров этой ячейки и вводятся ограничения на частоту, на которых должны проводиться эти измерения.

Для использования L-ячеек в конструкции влагомеров их обмотка должна наноситься на внешнюю поверхность диэлектрической вставки трубопровода с исследуемым многофазным потоком. Такие вставки из толстостенного полиэтилена, выдерживающего достаточно высокие давления, с переходными фланцами из металла, позволяющими соединять их с металлическим трубопроводом, выпускаются промышленно. Поэтому перспективно использовать именно их в разрабатываемых устройствах.

Проанализируем, какими параметрами должна обладать измерительная L-ячейка и каким способом с ее помощью можно наиболее просто регистрировать объемное содержание воды в находящихся внутри ее многофазных потоках сначала на примере полного заполнения L-ячейки тем или иным водным раствором.

Согласно фиг.2 низкочастотные значения tgδ и ε'' водных растворов обладают очень сильной зависимостью от концентрации в них солей. Поскольку на каждом трубопроводе химический состав воды в той или иной степени меняется со временем, то регистрация содержания воды в многофазных потоках по величине tgδ или ε'' невозможна.

Для поставленной цели пригодно лишь измерение значений ε'. В аналоге предлагаемого способа значения ε' воды определялись по величине сдвига резонансной емкости ΔC=ε'/α на резонансной частоте f (фиг.1), где α - постоянная ячейки, определяемая по калибровочным экспериментам [2-3].

Согласно фиг.2 повышение содержания солей в воде смещает область дисперсии

водных растворов в область более высоких частот. Однако при этом максимально возможная величина εmax водных растворов на низких частотах порядка 20 кГц, а следовательно, и величина сдвига резонансной емкости колебательного контура ΔСmaxmax/α на этих частотах от введения растворов в L-ячейку при резонансе остаются неизменными.

Таким образом, для того чтобы величина сдвига резонансной емкости ΔС на резонансной частоте f определялась только содержанием воды в протекающем внутри измерительной L-ячейки многофазном потоке и не зависела от ее состава, измерения необходимо проводить на такой частоте, на которой ΔC=ΔCmaxmax/α. Так как для воды с повышенной электропроводностью диапазон частот, в котором ε'=εmax простирается до более высоких частот (фиг.2), то для такой воды можно увеличивать рабочую частоту f измерительной ячейки. Это, в свою очередь, позволяет снизить индуктивность, а следовательно, и число витков измерительной катушки, что упрощает ее изготовление.

Электропроводность водных растворов, начиная с которой величина ΔС изготовленной катушки на выбранной резонансной частоте f измерения оказывается равной ΔСmax и перестает увеличиваться при повышении концентрации растворов, определяет нижний концентрационный предел применимости данной катушки в качестве влагомера. Например, для модельного устройства с измерительной ячейкой длиной порядка 40 см и диаметром около 10 см величина ΔС в диапазоне частот 120-200 кГц перестает зависеть от электропроводности растворов, начиная с 700 мкСм/см - фиг.3. Поскольку пластовые воды имеют гораздо более высокую электропроводность, то данная катушка вполне может использоваться для определения содержания таких вод в многофазных потоках. Пресная водопроводная вода имеет электропроводность порядка 100-400 мкСм/см. Для определения содержания таких вод должны изготавливаться катушки с большей индуктивностью с тем, чтобы с ними достигался резонанс в колебательном контуре на более низких частотах. Приблизительную оценку максимально возможной рабочей резонансной частоты f влагомера для воды с удельной электропроводностью æ (мкСм/см) можно провести по соотношению, полученному по данным фиг.3:

f(кГц)=0,46·æ(мкСм/см)-20

Для практического использования соленоидальных L-ячеек в качестве влагомеров вместо определения величины ΔС с помощью дорогостоящих и крупногабаритных куметров, требующего к тому же ручного поиска резонанса, гораздо проще определять сдвиг частоты Δf колебательного контура, возникающего из-за изменения параметров подключаемых к нему L-ячеек при вводе в них жидкости. Такой сдвиг частоты легко фиксируется любым частотомером, может вводиться в память компьютера и усредняться по тому или иному промежутку времени. Согласно проведенным тестовым экспериментам величина Δf прямо пропорциональна объему вводимой в ячейку жидкости, обратима при повторных экспериментах и может достигать весьма внушительной величины. Например, для описанного выше устройства с измерительной ячейкой длиной порядка 40 см и диаметром около 10 см величина Δf при полном заполнении ячейки водой составляет почти 30 кГц при резонансной частоте f пустой катушки (без жидкости) порядка 200кГц - фиг.4. Таким образом чувствительность устройства к наличию воды весьма высока.

Согласно представленным на фиг.4 данным величина Δf прямо пропорциональна содержанию воды в измерительной ячейке, что существенно упрощает калибровку влагомера. Отклонения некоторых экспериментальных точек на фиг.4 связаны с точностью измерения заливаемой жидкости, а также с влиянием поля катушки на состояние жидкости. Выявлено заметное изменение резонансной частоты катушки с жидкостью от времени нахождения в ней жидкости (величина Δf со временем уменьшается). В протекающем внутри L-ячейки потоке жидкости этот эффект будет мал, тем не менее для его уменьшения необходимо максимально снижать напряженность воздействующего на жидкость вихревого электрического поля внутри катушки, что вполне осуществимо.

Источники информации

1. Андрейчиков Б.И., Шубладзе A.M. и др. Способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу, и устройство для его осуществления. Патент РФ №4947883 от 25.06.91.

2. Семихина Л.П. Способ определения диэлектрических параметров воды и ее растворов в низкочастотной области с помощью L-ячейки. Патент РФ №2234102// БИПМ №6, 2004.

3. Семихина Л.П. Низкочастотная диэлькометрия жидкостей в слабых вихревых электрических полях. Автореферат докторской дисс. на соискание степени д.ф.-м.н. Тюмень, 2006.

Похожие патенты RU2383011C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОДЫ И ЕЕ РАСТВОРОВ В НИЗКОЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ С ПОМОЩЬЮ L-ЯЧЕЙКИ 2002
  • Семихина Л.П.
RU2234102C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ДИНАМИЧЕСКОЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЕЙ ВЕЩЕСТВ В НИЗКОЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ С ПОМОЩЬЮ ИНДУКТИВНЫХ L-ЯЧЕЕК 2006
  • Семихина Людмила Петровна
RU2347230C2
СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ЭФФЕКТА СИНЕРГИЗМА В КОМПОЗИЦИОННЫХ ИНГИБИТОРАХ КОРРОЗИИ ПО НИЗКОЧАСТОТНЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ИЗМЕРЕНИЯМ 2009
  • Семихина Людмила Петровна
RU2416100C2
СПОСОБ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ В ТКАНЯХ ЖИВЫХ ЖИВОТНЫХ 2011
  • Семихина Людмила Петровна
RU2485490C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКОВ СПЛОШНЫХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1992
  • Майсурадзе П.А.
  • Кикнадзе Г.И.
  • Гачечиладзе И.А.
  • Плещ А.Г.
  • Майсурадзе А.П.
RU2037811C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ НЕФТЕПРОДУКТА 2006
  • Ахобадзе Гурам Николаевич
RU2325632C1
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НЕФТЯНОГО ВЛАГОМЕРА 1992
  • Демьянов Анатолий Алексеевич
RU2024862C1
СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ЭФФЕКТА СИНЕРГИЗМА В КОМПОЗИЦИОННЫХ ДЕЭМУЛЬГАТОРАХ ПО НИЗКОЧАСТОТНЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ИЗМЕРЕНИЯМ 2006
  • Семихина Людмила Петровна
  • Семихин Дмитрий Витальевич
RU2301253C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ РАСТВОРА ЭЛЕКТРОЛИТА 2012
  • Савинов Вячеслав Иванович
  • Ильин Владимир Кузьмич
  • Ильин Олег Владимирович
RU2519495C1
СПОСОБ ОЦЕНКИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МЕДА 2008
  • Семихина Людмила Петровна
RU2394239C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 383 011 C2

Реферат патента 2010 года СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ В МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКАХ ТРУБОПРОВОДОВ ПО НИЗКОЧАСТОТНЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ИЗМЕРЕНИЯМ

Изобретение направлено на определение содержания воды в многофазных потоках по диэлектрическим измерениям с использованием в качестве измерительной ячейки соленоидальных катушек индуктивности (L-ячеек), которые наматываются на диэлектрическую вставку трубопровода. Максимально возможная рабочая частота индуктивной измерительной катушки определяется электропроводностью воды, протекающей в трубопроводе, и рассчитывается по соотношению f(кГц)=0,46·æ(мкСм/см)-20. На такой частоте резонансного колебательного контура с данной L-ячейкой сдвиг частоты контура не зависит от состава воды и прямо пропорционален ее объемному содержанию в трубопроводе. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности определения содержания воды в многофазных потоках трубопроводов. 4 ил.

Формула изобретения RU 2 383 011 C2

Способ определения содержания воды в многофазных потоках трубопроводов по низкочастотным диэлектрическим измерениям с помощью влагомера с резонансным контуром и подключаемой к этому контуру измерительной соленоидальной L-ячейки, отличающийся тем, что соленоидальную катушку наматывают на внешнюю поверхность диэлектрической вставки трубопровода с исследуемым жидким потоком, при этом максимально возможную рабочую резонансную частоту f колебательного контура, на которой величина сдвига Δf этой частоты прямо пропорциональна объемному содержанию воды в потоке и не зависит от ее состава, определяют по соотношению:
f(кГц)=0,46∙æ(мкСм/см)-20,
где æ - удельная электропроводность воды.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2010 года RU2383011C2

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОДЫ И ЕЕ РАСТВОРОВ В НИЗКОЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ С ПОМОЩЬЮ L-ЯЧЕЙКИ 2002
  • Семихина Л.П.
RU2234102C2
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАССОВОЙ ДОЛИ ВОДЫ В НЕФТЯХ И ПРОДУКТАХ ОСТАТОЧНОЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ ПО ИЗМЕРЕНИЮ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ НА РАЗЛИЧНЫХ ЧАСТОТАХ 2001
  • Бабенко В.А.
  • Васильева Л.К.
  • Иванова З.Д.
  • Иголкин Б.И.
  • Карташов Ю.И.
  • Кирьянов В.И.
  • Усиков А.С.
  • Усиков С.В.
RU2192001C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ В ВОДОНЕФТЯНОЙ СМЕСИ НЕФТЯНЫХ СКВАЖИН 1993
  • Бургун С.А.
  • Гершгорен В.А.
  • Грачев А.Г.
RU2065603C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКОМПОНЕНТНОГО РАСХОДА ТРЕХКОМПОНЕНТНОГО ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА, ПРОХОДЯЩЕГО ПО ТРУБОПРОВОДУ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1991
  • Рафиков Л.Г.
  • Маргулов А.Р.
  • Шовкун М.З.
  • Шубладзе А.М.
  • Беляев М.М.
  • Булушев В.С.
  • Викторов В.В.
  • Иванов А.В.
  • Лункин Б.В.
RU2008617C1

RU 2 383 011 C2

Авторы

Семихина Людмила Петровна

Даты

2010-02-27Публикация

2008-01-09Подача