Способ измерения влагосодержания в водонефтяных смесях и устройство для его реализации Российский патент 2022 года по МПК G01N22/04 

Заявленная группа изобретений относится к исследованиям и анализам материалов и жидкостей с помощью высокочастотного сигнала и может применяться при измерении количества и качества нефти при добыче и транспортировке в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, конкретно - измерения влагосодержания нефти.

На дату подачу заявки в мире актуален вопрос точного измерения влагосодержания в водонефтяных смесях. Известные технические решения позволяют измерить влагосодержание нефти с достаточно высокой точностью, но общим недостатком этих методов является сильная зависимость результатов измерений от конкретного состава водонефтяной смеси - сорта нефти, количества растворенных солей, типа эмульсии. Зависимости погрешности измерения влагосодержания водонефтяных смесей от состава смеси изложены, например, в статье «Погрешность измерения влагосодержания нефти в СВЧ диапазоне» [УДК 681.3;622.276, А.В.Вороненко, В.А.Аверин, Д.Е.Ушаткин. «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», 5/2014].

Поэтому, чтобы уменьшить влияние состава водонефтяной смеси на результаты измерения влагосодержания, производители влагомеров производят градуировки каждого влагомера на предполагаемый состав водонефтяной смеси на месте установки каждого влагомера. В случае если состав водонефтяной смеси не будет соответствовать составу, на который настроен влагомер, это может привести к появлению дополнительной погрешности измерения влагосодержания, которая может значительно превысить заявленную производителем погрешность измерения.

Далее в тексте заявителем приведены термины, которые необходимы для облегчения однозначного понимания сущности заявленных материалов и исключения противоречий и/или спорных трактовок при выполнении экспертизы по существу.

Опорный спектр - частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 сенсора влагомера (далее - частотная характеристика) для одного конкретного набора значений параметров среды, которая устанавливаются при исследовании S характеристик заявленного устройства (далее - влагомера), затем сохраняются в памяти контроллера влагомера. Опорный спектр RefN состоит из двух частотных характеристик RefNS11 и RefNS12, где N - номер опорного спектра.

Массив опорных спектров - массив опорных спектров RefN частотных характеристик коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора влагомера для полного набора значений параметров среды, которые принимаются в качестве опорных для вычисления промежуточных значений параметров измеряемой среды. Массив опорных спектров храниться в памяти контроллера влагомера.

Измеренный спектр - измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора влагомера для измеряемого состава водонефтяной смеси. Измеренный спектр meas. состоит из двух частотных характеристик meas.S11 и meas.S12.

СВЧ - сверхвысокие частоты.

S11 - коэффициент отражения.

S12 - коэффициент передачи.

Сорт нефти - это жидкая природная смесь углеводородов, обладающая определенным составом и характеристиками.

Тип эмульсии «вода в нефти» - эмульсия, в которой диспергированная вода является дисперсной внутренней фазой, а нефть является дисперсной внешней средой.

Тип эмульсии «нефть в воде» - эмульсия, в которой диспергированная нефть является дисперсной внутренней фазой, а вода является дисперсной внешней средой.

Испытательный стенд - стенд, позволяющий создавать параметры измеряемой среды: состав смеси, скорость циркуляции, температуру и давление в измеряемой смеси.

Из исследованного уровня техники заявителем выявлены технические решения по измерению влагосодержания водонефтяной смеси, использующие измерение характеристик водонефтяной смеси с помощью высокочастотного сигнала, основанные на исследовании резонансных характеристик высокочастотных сенсоров, представляющих собой резонаторы, заполненные измеряемой средой.

Так, известны способы и методы для измерения характеристик жидкости с помощью измерения диэлектрического спектра, изложенные, например, в [Гусев Ю.А. Основы диэлектрической спектроскопии // Учебное пособие. Физический факультет КГУ. - URL:https://kpfu.ru/docs/F312491640/gusev_diel_spectrosc.pdf - c.69].

Известны способы вычисления характеристик СВЧ устройств и полосковых линий, например [УДК 621.396.67 «Теория и применение устройств СВЧ»: Учеб. пособие для вузов» / Неганов В. А., Яровой Г. П.; под ред. В. А. Неганова. - М.: Радио и связь, 2006. - 720 с.]

В заявленном техническом решении использованы принципы диэлектрической спектроскопии и вычисления характеристик СВЧ устройств, изложенные в приведенных выше известных технических решениях.

Известно изобретение по патенту RU №2678955 «Способ измерения влагосодержания и отбора проб в трехкомпонентных смесях из добывающих нефтяных скважин и устройство для его осуществления», являющееся аналогом по отношению к способу и по отношению к устройству. Сущностью является способ измерения влагосодержания и отбора проб в трехкомпонентных смесях из добывающих нефтяных скважин, включающий в себя зондирование измеряемой смеси высокочастотными электромагнитными волнами в рабочем диапазоне частот объемного резонатора радиоволнового датчика, измерение резонансной частоты и коэффициента передачи объемного резонатора на резонансной частоте и формирование обобщенной измеренной величины из значений этих параметров. Предусмотрено два режима работы: "динамический" режим с непрерывным протеканием измеряемой среды через радиоволновой датчик влагомера, при типе смеси с непрерывной нефтяной фазой, и режим "статический" с остановкой потока через радиоволновой датчик путем переключения его в байпасный канал, при смесях с водной непрерывной фазой. Переход с одного режима на другой осуществляется автоматически с помощью определения типа смеси путем анализа текущих значений резонансной частоты. Применяются различные градуировки в виде зависимостей резонансной частоты и коэффициента передачи от влагосодержания, используемые при различных режимах и различном содержании свободного газа. Рабочий алгоритм измерения текущего значения величины влагосодержания состоит в определении его из уравнения обобщенной измеренной величины, в которое подставлено текущее значение этой обобщенной величины, рассчитанное по измеренным значениям резонансной частоты. Устройство состоит из объемного высокочастотного резонатора типа радиоволнового датчика (РВД) и электронного блока с синтезатором частоты и процессорным модулем, реализующим управляющие и вычислительные функции в соответствии с заложенным рабочим алгоритмом. Отличительными особенностями являются выполнение РВД с малым зазором между возбуждающей обмоткой и корпусом, выполнение узла съема сигнала в виде дифференцирующей электрической цепи для уменьшения влияния свободного газа в смеси на точность измерения и в добавлении секции слива для измерения мерниками содержания жидкости, нефти и газа.

Известно изобретение по патенту RU №2372608 «Способ измерения влагосодержания смеси и датчик для его осуществления», являющееся аналогом по отношению к способу и по отношению к устройству. Сущностью является способ измерения влагосодержания смеси, включающий возбуждение ТЕМ волн генератором, перестраиваемым по частоте, в коаксиальном резонаторе, в котором протекает поток смеси, и измерение амплитудно-частотной характеристики мощности ТЕМ волн, отличающийся тем, что для смеси с заранее заданными показателями влагосодержания смеси в амплитудно-частотной характеристике мощности ТЕМ волн дополнительно измеряют частотное положение резонансных провалов волн H11, на амплитудно-частотной характеристике ТЕМ волн, по положению резонансных провалов волн H11 определяют калибровочную зависимость влагосодержания от частоты для волн H11 и для исследуемого потока смеси судят о влагосодержании по упомянутой калибровочной зависимости, измеряя положение частотного резонансного провала волны H11 исследуемого потока смеси. Датчик для измерения влагосодержания смеси, содержащий отрезок коаксиальной линии, два штуцера, установленные на боковой поверхности наружного проводника отрезка коаксиальной линии, канал, предназначенный для передачи потока смеси между внутренним и наружным проводниками отрезка коаксиальной линии, отличающийся тем, что введена диэлектрическая втулка, установленная между внутренним и наружным проводником отрезка коаксиальной линии, канал выполнен в диэлектрической втулке между двумя штуцерами, причем часть внутренней стенки наружного проводника отрезка коаксиальной линии, расположенная между штуцерами, служит стенкой канала, а электрические размеры поперечного сечения отрезка коаксиальной линии выбраны обеспечивающими возбуждение и распространение в области отрезка коаксиальной линии волны H11.

Известны устройства, реализующие способ измерения характеристик водонефтяной смеси с помощью высокочастотного сигнала. Эти устройства определяют резонансные частоты сенсоров-резонаторов, заполненных исследуемой жидкостью, в рабочей полосе частот.По значению резонансных частот определяется влагосодержание в водонефтяной смеси.

Известно изобретение по патенту EP0478699 «Микроволновый аппарат и метод измерения смесей жидкостей». Сущностью является устройство для измерения свойства состава вещества с использованием изменения характеристик микроволнового излучения, содержащее: средство формирования измерительной секции, имеющей средства для передачи через нее микроволнового излучения; схему генератора, функционально соединенную с указанным средством передачи микроволнового излучения и имеющую рабочую частоту, которая изменяется с изменением комплексного импеданса нагрузки генератора, которая включает в себя свойства состава вещества в указанной секции измерения; и характеризуется средство для измерения рабочей частоты упомянутой схемы генератора, измененной упомянутым свойством; и характеризуется средство для измерения потерь мощности микроволнового излучения в упомянутой измерительной секции на упомянутой рабочей частоте; при этом рабочая частота или ее изменение, а также потери мощности на указанной рабочей частоте сравниваются с их опорными значениями для известного состояния указанного состава вещества, чтобы определить указанное свойство. Способ определения свойства состава вещества с использованием изменения характеристик микроволнового излучения, включающий следующие этапы: размещение указанного вещества в измерительной секции, имеющей средства для передачи через нее микроволнового излучения; генерируют с помощью схемы генератора и пропускают через измерительную секцию микроволновое излучение с рабочей частотой, которая изменяется с изменением комплексного импеданса нагрузки генератора, который включает в себя свойства состава вещества в упомянутой измерительной секции; измерение указанной рабочей частоты, измененной указанным свойством, и потерь мощности в указанной измерительной секции на указанной рабочей частоте; сравнение рабочей частоты или ее изменения, а также потерь мощности на указанной рабочей частоте с их опорными значениями для известного состояния указанного состава вещества, чтобы определить указанное свойство.

Известно изобретение по патенту на полезную модель RU №94344 «Влагомер поточный». Сущностью является влагомер поточный, содержащий трубчатый электрод, соединенный с впускным и выпускным патрубками, стержневой электрод, находящийся в диэлектрическом изоляторе, установленный внутри трубчатого электрода коаксиально с ним и зафиксированный относительно него держателем, прикрепленным к трубчатому электроду при помощи внешней втулки с внутренней резьбой, при этом между стержневым электродом и втулкой установлена пружина, являющаяся высокочастотным контактом, стержневой электрод через центральный электрод и высокочастотные разъемы подключен к перестраиваемому генератору сигналов высокой частоты блока электроники, размещенному во взрывозащитном корпусе, отличающийся тем, что он снабжен статическим миксером, установленным во впускном патрубке, и датчиком температуры, установленным на трубчатом электроде, являющимся плечом измерительного моста сопротивлений, при этом впускной патрубок расположен перпендикулярно оси трубчатого электрода, а в качестве генератора сигналов высокой частоты используют цифровой синтезатор прямого синтеза сигналов высокой частоты DDS

Все описанные выше известные технические решения позволяют измерить влагосодержание нефти с достаточно высокой точностью.

Вместе с тем общим недостатком всех описанных выше известных технических решений является достаточно сильная зависимость результатов измерений от конкретного состава водонефтяной смеси - сорта нефти, количества растворенных солей, типа эмульсии, что требует настройки каждого влагомера на предполагаемый состав водонефтяной смеси на месте установки каждого влагомера. В случае если состав водонефтяной смеси не будет соответствовать типу, на который настроен влагомер, это может привести к появлению дополнительной погрешности измерения влагосодержания, которая может значительно превысить заявленную производителем погрешность измерения влагосодержания.

Техническим результатом заявленного технического решения является устранение недостатка аналогов, а именно - уменьшение погрешности измерений влагосодержания водонефтяных смесей с различным составом - сортом нефти, количеством растворенных солей, типом эмульсии, путем использования при измерении и вычислении влагосодержания массива опорных спектров.

Сущностью заявленного технического решения является способ измерения влагосодержания в водонефтяных смесях, заключающийся в том, что проводят два этапа: на 1 этапе создают массив опорных спектров, для чего: готовят эталонную смесь с определенным сортом нефти, влагосодержанием, солесодержанием, типом эмульсии и заданной температурой, подают эталонную смесь на входной патрубок устройства для измерения влагосодержания, далее эталонная смесь поступает в измерительную секцию устройства для измерения влагосодержания через входной фильтр высоких частот, проходит по измерительной секции, обтекая полосковый СВЧ сенсор и через выходной фильтр высоких частот выходит через выходной патрубок, при этом проводят измерение частотных характеристик коэффициента отражения S11 и коэффициента передачи S12 полоскового СВЧ сенсора для данной эталонной смеси в полосе рабочих частот от 1 МГц до 3000 МГц следующим образом: широкодиапазонный генератор частот, входящий в состав измерителя S параметров, формирует зондирующий сигнал в диапазоне от 1 МГц до 3000 МГц, подающийся на вход полоскового СВЧ сенсора; часть отраженного от входа полоскового СВЧ сенсора и часть прошедшего через полосковый СВЧ сенсор сигнала поступают на входы приемника, входящего в состав измерителя S параметров, измеряющего величины коэффициентов S11 и S12; измеренные величины коэффициентов S11 и S12 через плату интерфейса передаются на вторичный прибор; в памяти контроллера вторичного прибора запоминается измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора для данной эталонной смеси при данной температуре - опорный спектр; далее готовят эталонные смеси с различными комбинациями сорта нефти, влагосодержания, солесодержания, типа эмульсии и заданной температуры и повторяют для каждой эталонной смеси перечисленные выше действия, начиная от поступления эталонной смеси в измерительную секцию устройства для измерения влагосодержания до передачи измеренных коэффициентов S11 и S12 на вторичный прибор, при этом в памяти контроллера вторичного прибора запоминается каждая измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора - опорный спектр для каждой эталонной смеси и для каждой заданной температуры; при этом создают массив опорных спектров, который является единой базой опорных спектров для данной конструкции устройства для измерения влагосодержания; на 2 этапе проводят измерения влагосодержания в исследуемой водонефтяной смеси, для чего: подают исследуемую водонефтяную смесь на входной патрубок устройства для измерения влагосодержания, далее водонефтяная смесь поступает в измерительную секцию устройства для измерения влагосодержания через входной фильтр высоких частот, проходит по измерительной секции, обтекая полосковый СВЧ сенсор и через выходной фильтр высоких частот выходит через выходной патрубок; при этом проводят измерение частотных характеристик коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора в полосе рабочих частот от 1 МГц до 3000 МГц следующим образом: широкодиапазонный генератор частот, входящий в состав измерителя S параметров, формирует зондирующий сигнал в диапазоне от 1 МГц до 3000 МГц, подающийся на вход полоскового СВЧ сенсора; часть отраженного от входа полоскового СВЧ сенсора и часть прошедшего через полосковый СВЧ сенсор сигнала поступают на входы приемника, входящего в состав измерителя S параметров, измеряющего величины коэффициентов отражения S11 и коэффициента передачи S12; измеренные величины коэффициентов S11 и S12 через плату интерфейса передаются на вторичный прибор; в памяти контроллера вторичного прибора запоминается измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора - измеренный спектр; далее программное обеспечение контроллера сравнивает измеренный спектр с набором опорных спектров из созданного на 1 этапе массива опорных спектров, находящихся в памяти контроллера, и выбирает опорные спектры с наиболее близкими к измеренному спектру значениями; затем методом интерполяции от опорных спектров контроллер пересчитывает измеренные характеристики исследуемой водонефтяной смеси и вычисляет параметры исследуемой водонефтяной смеси - значение влагосодержания. Устройство для реализации способа по п.1, состоящее из первичного датчика и вторичного прибора, при этом первичный датчик состоит из измерительной секции, выполненной в виде трубы, содержащей полосковый СВЧ сенсор; входного и выходного патрубков; датчика температуры; блока электроники; при этом входной и выходной патрубки расположены на трубе измерительной секции, при этом полосковый СВЧ сенсор выполнен аксиально по центру трубы измерительной секции и состоит из металлического стержня, выполненного из немагнитного металла, на котором размещена подложка, на которой выполнена полосковая линия, при этом полосковый СВЧ сенсор закрыт внешней изоляцией, при этом полосковый СВЧ сенсор закреплен в опоре входной и опоре выходной; на стенке трубы измерительной секции в местах соединения с входным и выходным патрубками выполнены фильтры высоких частот в виде перфорации, при этом диаметр отверстий перфорации выполнен с возможностью эффективной изоляции измерительной секции по высокой частоте в диапазоне частот от 1 МГц до 3000 МГц от влияния подсоединяемого к входному и выходному патрубкам внешнего трубопровода, а также с возможностью однородного смешения водонефтяной смеси; на входном патрубке размещен датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры измеряемой среды и передачи этого значения в цифровом виде на вторичный прибор; в торце трубы измерительной секции в месте подсоединения входного патрубка закреплен блок электроники, включающий измеритель S параметров и плату интерфейса, при этом блок электроники и датчик температуры соединены между собой кабелем, при этом измеритель S параметров выполнен с возможностью измерения высокочастотных характеристик полоскового СВЧ сенсора - коэффициента отражения S11 и коэффициента передачи S12 при обтекании полоскового СВЧ сенсора измеряемой средой, причем канал измерения коэффициента отражения S11 подключен к входу полоскового СВЧ сенсора, а канал измерения коэффициента передачи S12 подключен к выходу полоскового СВЧ сенсора; вторичный прибор выполнен в приборном корпусе, внутри которого размещена электронная схема, состоящая из контроллера, выполненного на встраиваемом компьютере, сенсорного дисплея, платы преобразователей интерфейса, блока питания и барьеров искрозащиты, при этом все элементы соединены между собой кабелями; при этом первичный датчик и вторичный прибор соединены между собой кабелем.

Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 -Фиг.6.

На Фиг.1 представлен чертеж заявленного устройства в разрезе.

На Фиг.2 представлен фильтр высоких частот.

На Фиг.3 представлена измерительная секция в поперечном сечении.

На Фиг.4 представлена функциональная схема заявленного устройства.

Позиции на Фиг.1 - Фиг.4 обозначают:

1 - первичный датчик;

2 - вторичный прибор;

3 - входной патрубок;

4 - выходной патрубок;

5 - измерительная секция;

6 - датчик температуры;

7 - полосковый СВЧ сенсор с входом измерения коэффициента отражения S11 и выходом измерения коэффициента передачи S12;

8 - подложка;

9 - полосковая линия;

10 - внешняя изоляция полоскового СВЧ сенсора;

11 - опора входная;

12 - опора выходная;

13 - блок электроники;

14 - входной фильтр высоких частот;

15 - выходной фильтр высоких частот;

16 - отверстия перфорации фильтров высоких частот;

17 - измеритель S параметров с каналами измерения коэффициента отражения S11 и коэффициента передачи S12;

18 - плата интерфейса;

19 - водонефтяная смесь;

20 - контроллер;

21 - сенсорный дисплей;

22 - плата преобразователей интерфейса;

23 - блок питания;

24 - барьеры искрозащиты;

25 - стержень полоскового СВЧ сенсора;

RS485 - интерфейс стандарта RS485.

На Фиг.5 представлен график, отображающий комбинацию измеренного спектра meas.S11 и двух опорных спектров Ref1S11 и Ref2S11, где:

ось Х - частота (Frequency), MHz;

ось Y - величина S11, dB;

Ref1S11, Ref2S11 - опорные спектры S11,

meas.S11 - измеренный спектр S11.

На Фиг.6 представлен график, отображающий комбинацию измеренного спектра meas.S12 и двух опорных спектров Ref1S12 и Ref2S12, где:

ось Х - частота (Frequency), MHz;

ось Y - амплитуда S12, dB;

Ref1S12, Ref2S12 - опорные спектры S12,

meas.S12 - измеренный спектр S12.

Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.

Заявленное устройство (влагомер), реализующее заявленный способ, конструктивно и функционально состоит из (Фиг.1 - Фиг.4):

- первичного датчика 1;

- вторичного прибора 2.

Первичный датчик 1 конструктивно в разрезе показан на Фиг.1 - Фиг.3, функциональная электрическая схема приведена на Фиг.4.

Первичный датчик состоит из:

измерительной секции 5, выполненной в виде трубы, содержащей полосковый СВЧ сенсор 7;

входного 3 и выходного 4 патрубков;

датчика температуры 6;

блока электроники 13.

При этом входной 3 и выходной 4 патрубки расположены на трубе измерительной секции 5 и соединены с указанной трубой, например, с помощью сварки.

По центру трубы 5 аксиально выполнен полосковый СВЧ сенсор 7 (Фиг.1), состоящий из металлического стержня 25, выполненного из немагнитного металла, например из меди, на котором размещена подложка 8 (например, приклеиванием), на которой выполнена полосковая линия 9 (например, приклеиванием), при этом полосковый СВЧ сенсор 7 закрыт внешней изоляцией 10, выполненной, например, из фторопласта. Заявитель поясняет, что на Фиг.1 часть внешней изоляции 10 для наглядности удалена, чтобы показать полосковую линию 9, размещенную на подложке 8. Полосковый СВЧ сенсор 7 закреплен в опоре входной 11 и опоре выходной 12 механическим способом, например, сочленением с уплотнителем.

На стенке трубы измерительной секции 5 в местах соединения с входным 3 и выходным 4 патрубками выполнены фильтры высоких частот 14 и 15 (Фиг.1, Фиг.2) в виде перфорации 16. Диаметр отверстий перфорации 16 выполнен таковым, чтобы эффективно изолировать по высокой частоте в диапазоне частот от 1 МГц до 3000 МГц измерительную секцию 5 от влияния подсоединяемого к входному 3 и выходному 4 патрубкам внешнего трубопровода (на Фиг.не указаны). Кроме того, конструкция фильтров высоких частот 14 и 15 функционально выполняет роль статического смесителя для получения более однородной по структуре водонефтяной смеси.

На входном патрубке 3 размещен датчик температуры 6, соединенный с входным патрубком 3, например, сочленением с уплотнителем. Датчик температуры 6 измеряет температуру измеряемой среды и передает это значение в цифровом виде на плату интерфейса 18 и далее во вторичный прибор (на Фиг.4 показано односторонней стрелкой).

В торце трубы измерительной секции 5 в месте подсоединения входного патрубка 3 закреплен блок электроники 13, например, с помощью сварки, включающий измеритель S параметров 17 и плату интерфейса 18.

При этом блок электроники 13 и датчик температуры 6 соединены между собой кабелем (на Фиг.1 и Фиг.4 показано стрелкой).

Измеритель S параметров состоит из: широкодиапазонного генератора частот, выполненного, например, на микросхемах синтезаторах ADF4350 и Si5351; приемника, выполненного, например, на микросхемах AD8342, ADF4350 и Si5351, усилителя, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и контроллера измерителя (на Фиг.не указаны). Измеритель параметров связан с платой интерфейса, например, кабелем (на Фиг.4 показано двусторонней стрелкой). Плата интерфейсов осуществляет передачу и прием информации от вторичного прибора, по интерфейсу, например RS485.

Измеритель S параметров 3 предназначен для измерения частотных характеристик полоскового СВЧ сенсора 7 - коэффициента отражения S11 и коэффициента передачи S12, при обтекании его (полоскового СВЧ сенсора 7) измеряемой средой - водонефтяной смесью 19 и имеет канал измерения коэффициента отражения S11, подключенный к входу полоскового СВЧ сенсора 7 (на Фиг.4 показано двусторонней стрелкой), и канал измерения коэффициента передачи S12, подключенный к выходу полоскового СВЧ сенсора 7 (на Фиг.4 показано односторонней стрелкой).

Вторичный прибор 2 (Фиг.1, Фиг.4) конструктивно выполнен в приборном корпусе, например, из металла, внутри которого размещена электронная схема, состоящая из контроллера 20, выполненного на встраиваемом компьютере, сенсорного дисплея 21 платы преобразователей интерфейса 22, блока питания 23 и барьеров искрозащиты 24, соединенных между собой соответствующими проводами и кабелями.

Контроллер 20 осуществляет процессы вычисления, измерения, хранения и обмена информации.

Сенсорный дисплей 21 служит для отображения процесса и результатов измерения.

Плата преобразователей интерфейса 22 производит формирование передачи и приема информации от первичного датчика 1, по интерфейсу, например RS485.

Блок питания 23 осуществляет формирование напряжения питания для компонентов устройства.

Барьеры искрозащиты 24 осуществляют защиту интерфейса RS485 от опасных перенапряжений.

При этом первичный датчик 1 и вторичный прибор 2 соединены между собой кабелем, по интерфейсу, например RS485 (на Фиг.1 и Фиг.4 показано двусторонней стрелкой RS485).

Заявленный способ с использованием заявленного устройства заключается в измерении влагосодержания в водонефтяных смесях с помощью исследования свойств (в частности, влагосодержания) водонефтяной смеси в широком радиочастотном диапазоне от 1 МГц до 3000 МГц, с использованием для анализа полного спектра в рабочем диапазоне и массива опорных спектров.

Заявленный способ состоит из двух основных этапов:

1 этап. Создание массива опорных спектров.

2 этап. Измерение влагосодержания в исследуемой водонефтяной смеси.

Далее заявителем приведено подробное описание этапов.

1 этап. Создание массива опорных спектров.

В заявленном устройстве создают массив опорных спектров, представляющих собой набор опорных значений параметров среды, для чего производят измерения частотных характеристик S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора влагомера во всем диапазоне значений характеристик среды.

Для этого:

- готовят эталонную смесь с определенным сортом нефти, влагосодержанием, солесодержанием и типом эмульсии, например, следующим образом.

Устанавливают заявленное устройство (влагомер) на испытательный стенд, воспроизводящий характеристики среды (на Фиг.не указан) и подключают влагомер к измерительному контуру испытательного стенда. В измерительном контуре испытательного стенда готовят эталонную смесь с определенным сортом нефти, влагосодержанием, солесодержанием, типом эмульсии и заданной температурой в диапазоне, например, от минус 5°С до плюс 80°С;

- подают эталонную смесь на входной патрубок влагомера, например, включением циркуляции измеряемой среды (эталонной смеси) в измерительном контуре стенда;

- далее эталонная смесь поступает в измерительную секцию влагомера через входной патрубок 3, затем через входной фильтр 14 высоких частот, проходит по измерительной секции 5, обтекая полосковый СВЧ сенсор 7 и через выходной фильтр высоких частот 15 выходит через выходной патрубок 4,

- при этом проводят измерение частотных характеристик коэффициента отражения S11 и коэффициента передачи S12 полоскового СВЧ сенсора для данной эталонной смеси в полосе рабочих частот от 1 МГц до 3000 МГц следующим образом: широкодиапазонный генератор частот, входящий в состав измерителя S параметров 17, формирует зондирующий сигнал в диапазоне от 1 МГц до 3000 МГц, подающийся на вход полоскового СВЧ сенсора; часть отраженного от входа полоскового СВЧ сенсора и часть прошедшего через полосковый СВЧ сенсор сигнала поступают на входы приемника, входящего в состав измерителя S параметров 17, измеряющего величины коэффициентов S11 и S12; измеренные величины коэффициентов S11 и S12 через плату интерфейса 18 передаются по интерфейсу RS485 на вторичный прибор;

- в памяти контроллера вторичного прибора запоминается измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора 7 для данной эталонной смеси при заданной температуре - опорный спектр эталонной смеси;

- далее готовят эталонные смеси с различными комбинациями сорта нефти, влагосодержания, солесодержания, типа эмульсии и заданной температуры для создания наиболее полной базы опорных спектров, при этом для каждого сорта нефти берут:

не менее семи значений влагосодержания Wn в нефти, например: 0%, 1%, 10%, 25%, 50%, 75%, 98%,

не менее пяти значений солесодержания Сi в нефти, например: 0 г/л, 1 г/л, 5 г/л, 35 г/л, 200 г/л,

различные типы эмульсии, например, «вода в нефти» или «нефть в воде», при этом для создания эмульсии «вода в нефти» эталонную смесь создают путем добавления воды в обезвоженную нефть, а для создания эмульсии «нефть в воде» эталонную смесь создают путем добавления обезвоженной нефти в воду,

не менее пяти значений заданной температуры, например: минус 5°С, 0°С, плюс 25°С, плюс 50°С, плюс 80°С;

- повторяют для каждой эталонной смеси перечисленные выше действия, начиная от поступления эталонной смеси в измерительную секцию влагомера до передачи измеренных коэффициентов S11 и S12 на вторичный прибор;

- при этом в памяти контроллера вторичного прибора 20 запоминается каждая измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора 7 - опорный спектр для каждой эталонной смеси при каждой заданной температуре.

Таким образом создают массив опорных спектров, который является единой базой опорных спектров для данной конструкции устройства.

Каждая комбинация состава эталонной смеси запоминается в памяти контроллера 20 влагомера как элемент массива опорных спектров.

Суммарно все комбинации опорных спектров являются единой базой опорных спектров для данной конструкции устройства для измерения влагосодержания (влагомера).

2 этап.Измерение влагосодержания в исследуемой водонефтяной смеси (Фиг.1 - Фиг.4).

После создания массива опорных спектров проводят измерения влагосодержания в исследуемой водонефтяной смеси, для чего:

- заявленное устройство (влагомер) подключают, например, к трубопроводу с исследуемой водонефтяной смесью (на Фиг.не указан), подают исследуемую водонефтяную смесь на входной патрубок 3;

- далее водонефтяная смесь из входного патрубка 3 поступает в измерительную секцию 5 через входной фильтр высоких частот 14, проходит по измерительной секции 5, обтекая полосковый СВЧ сенсор 7 и через выходной фильтр высоких частот 15 поступает в выходной патрубок 4 и затем обратно в трубопровод либо в испытательный стенд;

- при этом проводят измерение частотных характеристик коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора в полосе рабочих частот от 1 МГц до 3000 МГц следующим образом: широкодиапазонный генератор частот, входящий в состав измерителя S параметров 17, формирует зондирующий сигнал в диапазоне от 1 МГц до 3000 МГц, подающийся на вход полоскового СВЧ сенсора 7 (Фиг.1, Фиг.4); часть отраженного от входа полоскового СВЧ сенсора 7 и часть прошедшего через полосковый СВЧ сенсор 7 сигнала поступают на входы приемника, входящего в состав измерителя S параметров 17, измеряющего величины коэффициентов отражения S11 и коэффициента передачи S12; измеренные величины коэффициентов S11 и S12 через плату интерфейса 18 передаются по интерфейсу RS485 на вторичный прибор 2;

- в памяти контроллера 20 запоминается измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора 7 (измеренный спектр);

- далее программное обеспечение контроллера 20 влагомера сравнивает измеренный спектр с набором опорных спектров из созданной на 1 этапе базы массива опорных спектров, находящихся в памяти контроллера 20 влагомера, и выбирает опорные спектры с наиболее близкими к измеренному спектру значениями;

- затем известным как таковым методом интерполяции от опорных спектров контроллер влагомера пересчитывает измеренные характеристики исследуемой водонефтяной смеси и вычисляет параметры исследуемой водонефтяной смеси, в частности - значение влагосодержания.

Методы интерполяции изложены, например, в [УДК 519.613 Вержбицкий В.М. «Основы численных методов», М.: Высшая школа, 2002].

Далее заявителем приведен пример конкретного осуществления заявленного технического решения.

Пример. Измерение влагосодержания в водонефтяной смеси и определение погрешности.

Исследование проводили на заявленном устройстве в лабораторных условиях.

Измерение влагосодержания проводили в двух вариантах:

- с использованием заявленного способа;

- без использования заявленного способа (опыт сравнения).

Для определения достижения заявленного технического результата - уменьшение погрешности измерений влагосодержания водонефтяных смесей с различным составом, взяли водонефтяную смесь с известными действительными характеристиками:

сорт нефти №1 (условно),

объемное влагосодержание Wд=17,2%,

содержание соли 4,2 г/л,

тип эмульсии - «вода в нефти»,

температура 20°С.

Для данной водонефтяной смеси провели определение влагосодержания по заявленному способу с опорными спектрами и по известному способу без опорных спектров.

Для определения влагосодержания по заявленному способу с опорными спектрами провели последовательность действий на заявленном устройстве:

- описанная выше водонефтяная смесь из измерительного контура испытательного стенда поступала во входной патрубок 3, далее поступала в измерительную секцию 5 через входной фильтр высоких частот 14, проходила по измерительной секции 5, обтекая полосковый СВЧ сенсор 7, далее через выходной фильтр высоких частот 15 поступала в выходной патрубок 4 и затем возвращалась в измерительный контур испытательного стенда;

- при этом в полосе рабочих частот влагомера от 1 МГц до 3000 МГц производили измерение частотных характеристик коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора 7 влагомера следующим образом: широкодиапазонный генератор частот, входящий в состав измерителя S параметров 17, формировал зондирующий сигнал в диапазоне от 1 МГц до 3000 МГц, подающийся на вход полоскового СВЧ сенсора 7 (Фиг.1, Фиг.4); часть отраженного от входа полоскового СВЧ сенсора 7 и часть прошедшего через полосковый СВЧ сенсор 7 сигнала поступали на входы приемника, входящего в состав измерителя S параметров 17, измеряющего величины коэффициентов отражения S11 и коэффициента передачи S12; измеренные величины коэффициентов S11 и S12 через плату интерфейса 18 передавались на вторичный прибор 2;

- в памяти контроллера 20 запомнилась измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора 7 (измеренный спектр);

- далее программное обеспечение контроллера 20 влагомера сравнило измеренный спектр с набором опорных спектров из созданной ранее базы массива опорных спектров, находящихся в памяти контроллера влагомера, и выбрало опорные спектры с наиболее близкими к измеренному спектру значениями, а именно, выбраны:

Ref1 - опорный спектр с характеристиками: сорт нефти №1, влагосодержание 10,2%, содержание соли 1 г/л, тип эмульсии - «вода в нефти», температура 20,05°С.

Ref2 - опорный спектр с характеристиками: сорт нефти №1, влагосодержание 25%, содержание соли 5 г/л, тип эмульсии - «вода в нефти», температура 20,1°С.

Затем известным как таковым методом интерполяции от опорных спектров контроллер 20 влагомера пересчитал измеренные характеристики исследуемой водонефтяной смеси и вычисил параметры исследуемой водонефтяной смеси, в частности - значение влагосодержания.

Получено: сорт нефти №1, измеренное влагосодержание Wизм.=17,6%, содержание соли 4,17 г/л, тип эмульсии - «вода в нефти», температура 20°С.

Абсолютная погрешность влагосодержания рассчитывали по формуле [УДК621.317.088 «Погрешности измерений»: Рабинович С.Г. - Л.Энергия, 1978,- 262 с.]:

ΔW=Wизм. - Wд

где:

ΔW - измеренная абсолютная погрешность;

Wизм. - измеренное влагосодержание;

Wд - действительное объемное влагосодержание.

Измеренная абсолютная погрешность в данном случае составила 0,4%:

ΔW=17,6% - 17,2%=0,4%.

На Фиг.5 представлены комбинации измеренного спектра и двух опорных спектров для коэффициента отражения S11.

На Фиг.6 представлены комбинации измеренного спектра и двух опорных спектров для коэффициента передачи S12.

Ref1 - первый (условно) опорный спектр включает в себя частотные характеристики коэффициента отражения S11 - кривая Ref1S11 и коэффициента передачи S12 - кривая Ref1S12,

Ref2 - второй (условно) опорный спектр включает в себя частотные характеристики коэффициента отражения S11 - кривая Ref2S11 и коэффициента передачи S12 - кривая Ref2S12,

meas.S11 и meas.S12 - измеренные спектры включающие в себя частотные характеристики коэффициента отражения S11 - кривая meas.S11 и коэффициента передачи S12 - кривая meas.S12.

Для определения влагосодержания без использования заявленного способа (опыт сравнения) провели следующую последовательность действий на заявленном устройстве:

- описанная выше водонефтяная смесь 19 из входного патрубка 3 поступала в измерительную секцию 5 через входной фильтр высоких частот 14, проходя по измерительной секции 5, обтекая полосковый СВЧ сенсор 7 и через выходной фильтр высоких частот 15 поступала в выходной патрубок 4;

- при этом в полосе рабочих частот влагомера от 1 МГц до 3000 МГц произведено измерение частотных характеристик коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора влагомера следующим образом: широкодиапазонный генератор частот, входящий в состав измерителя S параметров 17, формировал зондирующий сигнал в диапазоне от 1 МГц до 3000 МГц, подающийся на вход полоскового СВЧ сенсора 7 (Фиг.1); часть отраженного от входа полоскового СВЧ сенсора 7 и часть прошедшего через полосковый СВЧ сенсор 7 сигнала поступают на входы приемника, входящего в состав измерителя S параметров 17, измеряющего величины коэффициентов отражения S11 и коэффициента передачи S12; измеренные величины коэффициентов S11 и S12 через плату интерфейса 18 передаются на вторичный прибор 2;

- в памяти контроллера 20 запомнился измеренный спектр и получен следующий результат измерения: сорт нефти - не определен, влагосодержание 21,15%, содержание соли - не определено, тип эмульсии - не определен, температура 20°С.

Измеренная абсолютная погрешность в данном случае составила:

ΔW=Wизм. - Wд=21,15% - 17,2%,=3,95%.

Таким образом, абсолютная погрешность измерения влагосодержания без применения заявленного технического решения по приведенному Примеру практически в 10 раз больше по сравнению с измеренной абсолютной погрешностью по заявленному техническому решению (3,95%: 0,4% ≈ 10), что подтверждает достижение заявленного технического результата.

Таким образом, из описанного выше можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат, а именно - уменьшена погрешность измерений влагосодержания водонефтяных смесей с различным составом - сортом нефти, количеством растворенных солей, типом эмульсии, путем использования при измерении и вычислении влагосодержания массива опорных спектров.

Заявленная группа изобретений относится к исследованиям и анализам материалов и жидкостей с помощью высокочастотного сигнала и может применяться при измерении количества и качества нефти при добыче и транспортировке в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности, конкретно - измерения влагосодержания нефти. Уменьшение погрешности измерений влагосодержания водонефтяных смесей с различным составом и количеством растворенных солей является техническим результатом изобретения, который достигается при измерении и вычислении влагосодержания массива опорных спектров в диапазоне зондирующего сигнала от 1 до 3000 МГц при помощи полоскового СВЧ-сенсора и при использовании эталонной смеси в памяти контроллера, в котором программное обеспечение сравнивает измеренный спектр с набором массива опорных спектров и затем методом интерполяции от опорных спектров контроллер пересчитывает измеренные характеристики исследуемой водонефтяной смеси и вычисляет параметры исследуемой водонефтяной смеси, а также значение влагосодержания. Устройство для реализации способа состоит из полоскового СВЧ-сенсора с входным и выходным патрубками, датчика температуры, блока электроники, при этом входной и выходной патрубки расположены на трубе измерительной секции, полосковый СВЧ-сенсор расположен аксиально по центру трубы измерительной секции и состоит из металлического стержня, выполненного из немагнитного металла, на котором размещена подложка, с полосковой линией, при этом на стенке трубы измерительной секции в местах соединения с входным и выходным патрубками выполнены фильтры высоких частот в виде перфорации, при этом диаметр отверстий перфорации выполнен с возможностью эффективной изоляции измерительной секции по частоте зондирующего сигнала. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения влагосодержания в водонефтяных смесях, заключающийся в том,

что на первом этапе создают массив опорных спектров, для чего:

готовят эталонную смесь с определенным сортом нефти, влагосодержанием, солесодержанием, типом эмульсии и заданной температурой;

подают эталонную смесь на входной патрубок устройства для измерения влагосодержания;

далее эталонная смесь поступает в измерительную секцию устройства для измерения влагосодержания через входной фильтр высоких частот, проходит по измерительной секции, обтекая полосковый СВЧ-сенсор, и через выходной фильтр высоких частот выходит через выходной патрубок;

при этом проводят измерение частотных характеристик коэффициента отражения S11 и коэффициента передачи S12 полоскового СВЧ-сенсора для данной эталонной смеси в полосе рабочих частот от 1 до 3000 МГц следующим образом: широкодиапазонный генератор частот, входящий в состав измерителя S параметров, формирует зондирующий сигнал в диапазоне от 1 до 3000 МГц, подающийся на вход полоскового СВЧ-сенсора; часть отраженного от входа полоскового СВЧ-сенсора и часть прошедшего через полосковый СВЧ-сенсор сигнала поступают на входы приемника, входящего в состав измерителя S параметров, измеряющего величины коэффициентов S11 и S12; измеренные величины коэффициентов S11 и S12 через плату интерфейса передаются на вторичный прибор;

в памяти контроллера вторичного прибора запоминается измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ-сенсора для данной эталонной смеси при данной температуре – опорный спектр;

далее готовят эталонные смеси с различными комбинациями сорта нефти, влагосодержания, солесодержания, типа эмульсии и заданной температуры

и повторяют для каждой эталонной смеси перечисленные выше действия, начиная от поступления эталонной смеси в измерительную секцию устройства для измерения влагосодержания до передачи измеренных коэффициентов S11 и S12 на вторичный прибор;

при этом в памяти контроллера вторичного прибора запоминается каждая измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ-сенсора – опорный спектр для каждой эталонной смеси и для каждой заданной температуры;

при этом создают массив опорных спектров, который является единой базой опорных спектров для данной конструкции устройства для измерения влагосодержания;

проводят измерения влагосодержания в исследуемой водонефтяной смеси, для чего:

подают исследуемую водонефтяную смесь на входной патрубок устройства для измерения влагосодержания;

на втором этапе водонефтяная смесь поступает в измерительную секцию устройства для измерения влагосодержания через входной фильтр высоких частот, проходит по измерительной секции, обтекая полосковый СВЧ-сенсор, и через выходной фильтр высоких частот выходит через выходной патрубок;

при этом проводят измерение частотных характеристик коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ-сенсора в полосе рабочих частот от 1 до 3000 МГц следующим образом: широкодиапазонный генератор частот, входящий в состав измерителя S параметров, формирует зондирующий сигнал в диапазоне от 1 до 3000 МГц, подающийся на вход полоскового СВЧ-сенсора; часть отраженного от входа полоскового СВЧ-сенсора и часть прошедшего через полосковый СВЧ-сенсор сигнала поступают на входы приемника, входящего в состав измерителя S параметров, измеряющего величины коэффициентов отражения S11 и коэффициента передачи S12; измеренные величины коэффициентов S11 и S12 через плату интерфейса передаются на вторичный прибор;

в памяти контроллера вторичного прибора запоминается измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ-сенсора – измеренный спектр;

далее программное обеспечение контроллера сравнивает измеренный спектр с набором опорных спектров из созданного на 1 этапе массива опорных спектров, находящихся в памяти контроллера, и выбирает опорные спектры с наиболее близкими к измеренному спектру значениями;

затем методом интерполяции от опорных спектров контроллер пересчитывает измеренные характеристики исследуемой водонефтяной смеси и вычисляет параметры исследуемой водонефтяной смеси – значение влагосодержания.

2. Устройство для реализации способа по п.1, состоящее из первичного датчика и вторичного прибора,

при этом первичный датчик состоит из измерительной секции, выполненной в виде трубы, содержащей полосковый СВЧ-сенсор; входного и выходного патрубков; датчика температуры; блока электроники;

при этом входной и выходной патрубки расположены на трубе измерительной секции;

при этом полосковый СВЧ-сенсор выполнен аксиально по центру трубы измерительной секции и состоит из металлического стержня, выполненного из немагнитного металла, на котором размещена подложка, на которой выполнена полосковая линия, при этом полосковый СВЧ-сенсор закрыт внешней изоляцией, при этом полосковый СВЧ-сенсор закреплен в опоре входной и опоре выходной;

на стенке трубы измерительной секции в местах соединения с входным и выходным патрубками выполнены фильтры высоких частот в виде перфорации, при этом диаметр отверстий перфорации выполнен с возможностью эффективной изоляции измерительной секции по высокой частоте в диапазоне частот от 1 до 3000 МГц от влияния подсоединяемого к входному и выходному патрубкам внешнего трубопровода, а также с возможностью однородного смешения водонефтяной смеси;

на входном патрубке размещён датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры измеряемой среды и передачи этого значения в цифровом виде на вторичный прибор;

в торце трубы измерительной секции в месте подсоединения входного патрубка закреплён блок электроники, включающий измеритель S параметров и плату интерфейса, при этом блок электроники и датчик температуры соединены между собой кабелем;

при этом измеритель S параметров выполнен с возможностью измерения высокочастотных характеристик полоскового СВЧ-сенсора – коэффициента отражения S11 и коэффициента передачи S12 при обтекании полоскового СВЧ-сенсора измеряемой средой, причем канал измерения коэффициента отражения S11 подключён к входу полоскового СВЧ-сенсора, а канал измерения коэффициента передачи S12 подключён к выходу полоскового СВЧ-сенсора;

вторичный прибор выполнен в приборном корпусе, внутри которого размещена электронная схема, состоящая из контроллера, выполненного на встраиваемом компьютере, сенсорного дисплея, платы преобразователей интерфейса, блока питания и барьеров искрозащиты, при этом все элементы соединены между собой кабелями;

при этом первичный датчик и вторичный прибор соединены между собой кабелем.