СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАЛОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ НЕФТЕПРОДУКТА В ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОМ СОСУДЕ Российский патент 2016 года по МПК G01N22/04 

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

Известен способ определения влагосодержания нефтепродукта в диэлектрическом трубопроводе, включающий возбуждение электромагнитных колебаний в открытом резонаторе, образованном двумя четвертьсферическими отражателями, установленными диаметрально на наружной поверхности диэлектрического трубопровода. Согласно данному техническому решению (см. RU 2131600 С1, 10.06.1999) по преобразованию резонансной частоты открытого резонатора и ширины его резонансной кривой на уровне половины мощности определяют величину влагосодержания нефтепродукта.

Недостатком этого известного способа является сложность преобразования величины отношения резонансной частоты к ширине резонансной кривой на уровне половины мощности, приводящей к снижению точности определения влагосодержания.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип способ определения объемного влагосодержания обводненного нефтепродукта, заполняющего металлический сосуд (см. RU 2279666 С1, 10.07.2006). В этом способе при воздействии на обводненный нефтепродукт электромагнитными волнами, путем произведения высоты слоя воды при ее расслоении в металлическом сосуде, измеренной амплитудой прошедшей через нефтепродукт волны, и внутренней площади основания сосуда, занимаемой этим слоем воды в сосуде, определяют объемное влагосодержание нефтепродукта в металлическом сосуде.

Недостатком этого способа можно считать погрешность, связанную с неточностью измерения внутренней площади основания сосуда.

Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности измерения малого влагосодержания.

Технический результат достигается тем, что в способе определения малого влагосодержания нефтепродукта в диэлектрическом сосуде, при котором зондируют нефтепродукт электромагнитными волнами, помещают диэлектрический сосуд с нефтепродуктом в электрическое поле, принимают пару ортогонально поляризованных волн, вычисляют скорости их распространения через нефтепродукт и влагосодержание W нефтепродукта определяют по формуле

W=(ME⁴-ε_н)/3ε_н,

где М=(υ₁λB)²/(υ₁-υ₂); υ₁ и υ₂ - скорости распространения электромагнитных волн, поляризованных параллельно и перпендикулярно силовым линям зондирующей волны соответственно, λ - длина электромагнитной волны, В - коэффициент, зависящий от свойства контролируемой среды, Е - напряженность электрического поля, ε_н - диэлектрическая проницаемость нефтепродукта.

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что измерение скоростей распространения двух ортогонально поляризованных волн при искусственной анизотропии в контролируемой среде дает возможность определить малое влагосодержание нефтепродукта в диэлектрическом сосуде. Наличие в заявляемом способе совокупности перечисленных существующих признаков позволяет решить задачу определения малого влагосодержания нефтепродукта в диэлектрическом сосуде на основе измерения скоростей распространения двух ортогонально поляризованных волн при искусственной анизотропии в контролируемой среде с желаемым техническим результатом, т.е. повышением точности измерения малого влагосодержания.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Данное устройство содержит генератор электромагнитных колебаний 1, первый элемент приема поляризованной волны 2, второй элемент приема поляризованной волны 3, 4 и 5 электроды, первый измеритель скорости поляризованной волны 6, второй измеритель скорости поляризованной волны 7, вычислитель влагосодержания 8. На фигуре цифрой 9 обозначен диэлектрический сосуд.

Предлагаемый способ работает следующим образом. Предварительно диэлектрический сосуд (прозрачный) с обводненным нефтепродуктом помещают в электрическое поле, образованное двумя электродами. В результате обводненный нефтепродукт с малым содержанием воды может стать анизотропным веществом. После этого если прозондировать данное искусственно анизотропное вещество электромагнитными волнами (зондирующие волны направляются параллельно силовым линиям приложенного электрического поля), то при взаимодействии этих волн с этим веществом, в последнем, возникнут ортогонально поляризованные волны, распространяющиеся параллельно и перпендикулярно силовым линиям приложенного к нефтепродукту электрического поля. При этом из-за разности преломления волн в данном веществе, поляризованная волна, распространяющаяся параллельно силовым линиям электрического поля, будет иметь одну скорость распространения, а поляризованная волна, распространяющаяся перпендикулярно силовым линиям электрического поля, - другую скорость. В данном случае из-за искусственно анизотропии в веществе, скорость распространения поляризованной волны, распространяющейся параллельно силовым линиям приложенного к веществу электрического поля, будет опережать скорость распространения поляризованной волны, распространяющейся перпендикулярно силовым линиям электрического поля. В силу этого для скорости распространения поляризованной волны, направленной параллельно силовым линиям электрического поля, можно записать

где υ_пар - скорость поляризованной волны, направленной параллельно силовым линиям электрического поля, n - показатель преломления вещества в отсутствии анизотропии, Δn - показатель преломления волны (наличие анизотропии в веществе), поляризованной параллельно силовым линиям зондирующей волны, с - скорость света в вакууме. Для скорости распространения поляризованной волны, направленной перпендикулярно силовым линиям приложенного электрического поля можно принимать

где υ_пер - скорость поляризованной волны, направленной перпендикулярно силовым линиям электрического поля.

В рассматриваемом случае формулу (1) ввиду того, что показатель преломления Δn может изменяться на величину λВЕ2 (воздействие приложенного к диэлектрическому сосуду электрического поля), можно переписать как

Совместное преобразование выражений (1) и (3) дает возможность записать, что

Известно, что показатель преломления n можно вычислить как

где ε - диэлектрическая проницаемость вещества, µ - магнитная проницаемость вещества. При условии µ=1, формулу (4) с учетом последнего выражения можно переписать как

Обозначим М=(υ_парλВ)²/(υ_пар-υ_пер)². Тогда для s получаем

ε=ME⁴.

Известно, что при малых значениях влагосодержания в нефтепродукте (см. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов / под ред. Е.С. Кричевского. М.: Энергия, 1980, 240 с.), для зависимости между диэлектрической проницаемостью водоэмульсионной смеси и влагосодержанием в ней с учетом диэлектрической проницаемостью нефтепродукта, можно записать

где ε_см - диэлектрическая проницаемость водоэмульсионной смеси.

В данном случае с определенной точностью принимается, что в формулу (5) вместо 8 можно положить ε_см из формулы (6). Тогда совместное преобразование выражений (5) и (6) дает возможность вычислить влагосодержание следующим образом:

Из последнего выражения видно, что при постоянных значениях Е, В, X и ε_н измерением скоростей υ_пар и υ_пер можно определить малое влагосодержание в нефтепродукте.

Устройство, реализующее предлагаемое техническое решение, работает следующим образом. Диэлектрический сосуд 9 с обводненным нефтепродуктом помещают в электрическое поле, образованное электродами 4 и 5. С выхода генератора электромагнитных колебаний 1 направляют электромагнитную волну в обводненный нефтепродукт так, чтобы направление распространения волны было параллельным силовым линям приложенного к веществу электрического поля. После этого в силу поляризации электромагнитной волны в веществе из-за его искусственной анизотропии принимают две ортогонально поляризованные волны. При этом первым элементом приема 2 принимают поляризованную волну, распространяющуюся параллельно силовым линиям электрического поля, а вторым элементом приема 3 - поляризованную волну, распространяющуюся перпендикулярно силовым линиям электрического поля. Далее с выходов первого и второго элементов приема сигналы направляют соответственно на входы первого и второго измерителей скоростей 6 и 7. Далее выходные сигналы этих измерителей скоростей, соответствующие значениям скоростей распространения через обводненный нефтепродукт ортогонально двух поляризованных волн, поступают на первый и второй входы вычислителя влагосодержания 8. Здесь после их преобразования согласно алгоритму (7) можно определить малое влагосодержание в нефтепродукте в диэлектрическом сосуде.

Перед измерением, для получения достоверной информации о влагосодержании в нефтепродукте, диэлектрический сосуд с обводненным нефтепродуктом целесообразно взбалтывать.

Таким образом, в предлагаемом техническом решении, на основе измерения скоростей распространения через искусственно анизотропный диэлектрический сосуд с обводненным нефтепродуктом двух ортогонально поляризованных волн, можно обеспечить повышение точности измерения малого влагосодержания.

Предлагаемое техническое решение относится к измерительной технике. Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности измерения малого влагосодержания. Технический результат достигается тем, что в способе определения малого влагосодержания нефтепродукта в диэлектрическом сосуде, при котором зондируют нефтепродукт электромагнитными волнами, помещают диэлектрический сосуд с нефтепродуктом в электрическое поле, принимают пару ортогонально поляризованных волн, вычисляют скорости их распространения через нефтепродукт и влагосодержание W нефтепродукта определяют по формуле W=(ME⁴-ε_Н)/3ε_н, где М=(υ₁λB)²/(υ₁-υ₂)²; υ₁ и υ₂ - скорости распространения электромагнитных волн, поляризованных параллельно и перпендикулярно силовым линиям зондирующей волны соответственно, λ - длина электромагнитной волны, В - коэффициент, зависящий от свойства контролируемой среды, Е - напряженность электрического поля, ε_H - диэлектрическая проницаемость нефтепродукта. 1 ил.

Способ определения малого влагосодержания нефтепродукта в диэлектрическом сосуде, при котором зондируют нефтепродукт электромагнитными волнами, отличающийся тем, что помещают диэлектрический сосуд с нефтепродуктом в электрическое поле, принимают пару ортогонально поляризованных волн, вычисляют скорости их распространения через нефтепродукт, и влагосодержание нефтепродукта W определяют по формуле
,
где M=(υ₁λB)²/(υ₁-υ₂)²; υ₁ и υ₂ - скорости распространения электромагнитных волн, поляризованных параллельно и перпендикулярно силовым линиям зондирующей волны соответственно, λ - длина электромагнитной волны, В - коэффициент, зависящий от свойства контролируемой среды, Е - напряженность электрического поля, ε_н - диэлектрическая проницаемость нефтепродукта.