Влагомер многофазный поточный Российский патент 2023 года по МПК G01N21/35 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к влагомерам многофазным поточным, и может быть использовано для определения количества воды, содержащейся во взаимно несмешивающихся с ней нефтепродуктах и свободном нефтяном или природном газах.

Известен поточный влагомер нефти типа УДВН, состоящий из первичного измерительного преобразователя сверхвысокой частоты (СВЧ), включающего цилиндрический корпус с измерительной линией и отверстиями для болтов (для крепления к фланцам нефтепровода), соединенного кабелем с блоком электронным. Первичный преобразователь состоит из СВЧ переключателя и платы управления и выдает аналоговые сигналы, пропорциональные СВЧ мощности в опорном и измерительном каналах. Величина сигнала в измерительном канале зависит от влагосодержания в измеряемой среде. Блок электронный осуществляет подачу искробезопасных питающих напряжений и токов на первичный преобразователь, а также обработку поступающих с преобразователя сигналов в сигнал, пропорциональный влагосодержанию нефти (http://udvn.ru/produktsiva/udvn-1pm).

Недостатком известного влагомера является низкая точность при определении влажности нефти с высокой обводненностью, а также невозможность определения количества солей, т.к. СВЧ частота рассчитана на поглощение энергии микроволнового излучения только молекулами воды.

Также известен диэлькометрический поточный влагомер ВСН-АТ, содержащий первичный преобразователь и электронный блок. Первичный преобразователь состоит из высокочастотного цифрового генератора колебаний и подключенного к нему волновода. Волновод состоит из внешней трубы, являющейся корпусом влагомера, и центрального металлического электрода. В корпусе влагомера находится датчик температуры для коррекции показаний влагомера в зависимости от температуры измеряемой среды. Электронный блок обеспечивает преобразование измеренного комплексного сопротивления волновода и резонансной частоты в объемную долю воды в водно-нефтяной смеси и передачу этой информации на табло или на внешнее электронное оборудование, осуществляет температурную компенсацию и диагностику влагомера (http://www.all-pribors.ru/opisanie/62863-15-vsn-at-69049).

Принцип действия влагомера основан на измерении комплексного электрического сопротивления первичного преобразователя влагомера и резонансной частоты электрических колебаний, создаваемых высокочастотным генератором в зависимости от объемной доли воды в водно-нефтяной смеси.

Недостатками влагомера являются ограничение по содержанию свободного газа в потоке газожидкостной эмульсии (его объемная доля не должна превышать 5%), существенная зависимость результатов измерений от солености воды и дисперсности эмульсии, а также высокие требования к однородности потока, особенно при прямом типе эмульсии «нефть в воде».

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является измеритель обводненности типа Red Eye, содержащий проточную ячейку с проточной частью в виде щели, с расположенными друг напротив друга оптическими окнами, размещенные с противоположных сторон проточной ячейки напротив оптических окон источник инфракрасного излучения ближней инфракрасной области (БИК) и приемник БИК, соединенный с первичным преобразователем сигнала. Электронный блок обработки информации обеспечивает формирование аналогового выходного сигнала, пропорционального содержанию воды (заявка США № US 2006/0186340 А1, 2006 г.).

В известном измерителе контролируемая водонефтяная смесь проходит через проточную ячейку с длиной оптического пути около 2 мм. Электронный блок обработки информации обеспечивает обработку результатов измерений и формирование аналогового выходного сигнала, пропорционального содержанию воды.

Данный измеритель обеспечивает достаточную точность измерений при больших значениях обводненности, но его использование ограничено при малой обводненности, ввиду сильного влияния оптической плотности смеси (на длине волны λ=1,1 мкм) на точность измерения. Также недостатком данного датчика является то, что в качестве источника инфракрасного излучения используется широкополосная лампа, находящаяся в режиме излучения во время всей работы датчика, это приводит к износу самой лампы и соответственно снижению уровня принимаемого сигнала, что не позволяет обеспечивать заявленную точность. Высокий износ лампы также значительно снижает ее ресурс.

Кроме того, из-за узкого измерительного канала в проточной ячейке (2 мм) попадающая в него капля нефти, ввиду более высокой вязкости, замедляется относительно основного потока. Задержка более вязкой фракции приводит к искажениям в измерениях. Зависимость проводимых измерений от вязкости нефти требует проведения калибровки известного измерителя на тот тип нефти, в котором он будет эксплуатироваться.

Задачей заявленного технического решения является повышение точности измерения обводненности в потоке нефти путем увеличения длины оптического пути в проточной ячейке, а также за счет увеличения мощности источников БИК излучения и расширения количества длин волн для измерений, повышение ресурса влагомера многофазного поточного путем уменьшения длительности работы при единичном измерении и стабилизации температуры поверхности излучателей и приемников БИК.

Технический результат достигается тем, что в поточном влагомере, содержащем проточную ячейку с проточной частью в виде щели с расположенными друг напротив друга оптическими окнами и размещенные с противоположных сторон проточной ячейки напротив оптических окон источник БИК излучения и приемник БИК излучения, соединенный с преобразователем сигнала, ширина щели проточной ячейки составляет от 3,5 до 4,5 мм, источник БИК излучения представляет собой матрицу инфракрасных светодиодов для различных значений длины волны λ в диапазоне от длины волны максимального поглощения нефти до длины волны максимального поглощения воды, причем длине волны максимального поглощения нефти и длине волны максимального поглощения воды в матрице соответствуют сборки светодиодов, представляющие собой четыре последовательно соединенных светодиода, а каждому промежуточному значению длины волны соответствует один светодиод, при этом приемник БИК излучения выполнен в виде широкополосного сдвоенного фотодиода, причем светодиоды в матрице источника БИК излучения и широкополосный сдвоенный фотодиод в приемнике БИК излучения установлены на модули Пельтье, размещенные на теплоотводящем элементе.

Кроме того, матрица инфракрасных светодиодов включает в себя 12 светодиодов, соответствующих следующим длинам волн λ_1-4=1,07 мкм; λ₅=1,34 мкм; λ₆=1,46 мкм; λ₇=1,63 мкм; λ₈=1,75 мкм; λ_9-12=1,94 мкм, при этом на элементах Пельтье установлены термисторы.

Выполнение ширины проточной части проточной ячейки от 3,5 до 4,5 мм способствует свободному прохождению через нее капель нефти без их замедления относительно основного потока, что исключает возможность искажения в измерениях в зависимости от вязкости нефти и тем самым повышает точность измерения. Выполнение ширины щели проточной ячейки менее 3,5 мм снижает точность измерений влагосодержания потока измеряемой среды из-за возможности искажений, возникающих вследствие вязкости нефтяной фракции. Выполнение щели свыше 4,5 мм приводит к необходимости увеличения мощности источников БИК излучения, что непосредственно влияет на ресурс влагомера.

Использование в качестве источника БИК излучения объединенных в матрицу инфракрасных светодиодов позволяет обеспечить последовательное кратковременное включение этих светодиодов в работу, что увеличивает ресурс работы источника излучения, повышая точность измерений.

Размещение светодиодов матрицы и сдвоенного фотодиода на элементах Пельтье обеспечивает стабилизацию температуры на поверхности светодиодов. При этом размещение на элементах Пельтье термисторов позволяет контролировать и регулировать температуру поверхности источника и приемника БИК излучения. Поддержание температуры на одном уровне (20°С) обеспечивает стабильность измерений вне зависимости от температуры измеряемой среды в диапазоне температур от минус -5 до плюс +95°С и увеличивает срок службы влагомера.

Выполнение матрицы инфракрасных светодиодов для различных значений длины волны λ в диапазоне от длины волны максимального поглощения нефти до длины волны максимального поглощения воды в ближней инфракрасной области позволяет обеспечить измерения в максимально возможном диапазоне длин волн.

Выполнение в матрице для длины волны максимального поглощения нефти и длины волны максимального поглощения воды связок светодиодов, состоящих из четырех последовательно соединенных светодиодов, позволяет увеличить мощность источников БИК излучения для данных длин волн, что обеспечивает выполнение измерений вне зависимости от влияния оптической плотности смеси и позволяет производить высокоточные измерения во всем диапазоне влагосодержания 0-100%.

Включение в матрицу инфракрасных светодиодов с длинами волн λ_1-4=1,07 мкм; λ₅=1,34 мкм; λ₆=1,46 мкм; λ₇=1,63 мкм; λ₈=1,75 мкм; λ_9-12=1,94 мкм позволяет проводить измерения в широком диапазоне длин волн. Измерение спектра поглощения на длинах волн λ=1,07 мкм; λ=1,34 мкм обеспечивает точное вычисление количества нефтяной фракции вне зависимости от типа нефтепродукта по признаку темные-светлые нефтепродукты. Измерение спектра поглощения на длине волны λ=1,94 мкм обеспечивает точное вычисление количества воды. Промежуточные измерения спектра поглощения на длинах волн λ=1,46 мкм; λ=1,63 мкм; λ=1,75 мкм обеспечивают выполнение корректировки измеренных параметров в зависимости от уровня преломления и отражения первичных сигналов БИК излучения.

Изобретение поясняется графически, где на фиг. 1 представлен предлагаемый влагомер многофазный поточный, на фиг. 2 представлена схема светодиодной матрицы, на фиг. 3 изображена схема приемника БИК излучения.

Влагомер многофазный поточный содержит проточную ячейку 1 с проточной частью в виде щели 2, размещаемой непосредственно в потоке измеряемой среды. Щель 2 имеет ширину от 3,5 до 4,5 мм. В проточной ячейке 1 выполнены оптические окна 3,4, в которых, соответственно, размещены источник БИК излучения в виде матрицы 5 инфракрасных светодиодов 7 и приемник 6 БИК излучения, представляющий собой сдвоенный фотодиод 8. Инфракрасные светодиоды 7 соответствуют следующим значениям длины волны λ_1-4=1,07 мкм; λ₅=1,34 мкм; λ₆=1,46 мкм; λ₇=1,63 мкм; λ₈=1,75 мкм; λ_9-12=1,94 мкм. Длине волны максимального поглощения нефти λ_1-4 в матрице 5 соответствует сборка светодиодов, включающая четыре последовательно соединенных светодиода L1, L2, L3, L4 (фиг. 2), а длине волны максимального поглощения воды λ_9-12 в матрице 5 соответствуют сборка светодиодов, включающая четыре последовательно соединенных светодиода L9, L10, L11, L12. Длине волны λ₅=1,34 мкм соответствует светодиод L5; длине волны λ₆=1,46 мкм соответствует светодиод L6; длине волны λ₇=1,63 мкм соответствует светодиод L7 и длине волны λ₈=1,75 мкм соответствует светодиод L8. Светодиоды L1-L12 в матрице 5, а также сдвоенный фотодиод 8 (фиг. 3) приемника 6 БИК излучения установлены на элементах Пельтье 9, на которых также установлены термисторы 10. Элемент Пельтье 9 светодиодной матрицы 5 имеет термоотводящий элемент 11, соединенный с внешним радиатором 12. Проточная ячейка удерживается в потоке измеряемой среды на штанге 13, являющейся защитным корпусом для всего измерительного устройства. Влагомер также включает в себя первичный электронный преобразователь сигнала 14, к которому подключается приемник 6 БИК излучения. Первичный преобразователь 14 электрически связан со вторичным преобразователем 15. Штанга 13 крепится к герметизирующему устройству 16, позволяющему использовать различные виды фланцев 17. Влагомер работает следующим образом.

Поток измеряемой среды проходит через измерительную щель 2. Первичный преобразователь сигнала 14 производит импульсную подачу стабилизованного токового сигнала на светодиоды 7. Длительность каждого импульса, в течение которого светодиоды 7 (L4, L5, L6, L7, L8, L10) или сборки светодиодов (L1-L4, L9-L12) поочередно излучают, равна 300 мкс. Температура светодиодов 7, измеряемая при помощи термисторов 10, принудительно поддерживается от элементов Пельтье 9 на уровне 20°С, тепловая энергия от которых отводится через теплоотводящий элемент 11 на радиатор 12.

Стабилизация температуры на светодиодах 7 матрицы 5 позволяет избежать искажений проводимых измерений из-за повышенной или пониженной температуры и измерять поглощение измеряемой средой БИК излучения на точно выбранных узких полосах инфракрасного сигнала, а также увеличивает эксплуатационный ресурс влагомера.

Во время излучения на приемной стороне, посредством усиления сигнала сдвоенного фотодиода 8, первичным преобразователем 14 выполняется измерение величины проходящего радиочастотного излучения. Каждый цикл измерений состоит из последовательного измерения величины пропускания сигнала БИК на каждой из длин волн, путем подключения соответствующего светодиода 7 (L4, L5, L6, L7, L8, L10) или сборки светодиодов 7: (L1-L4, L9-L12). После каждого цикла измерений вычисляется спектр пропускания сигнала. Первичный преобразователь 14 путем сравнения с записанными в память эталонными спектрами вычисляет объемное содержание воды и углеводородной смеси, включая газовый конденсат, нефть, бензин, дизельное топливо, а также объемное содержание газовой фазы.

Далее цифровой сигнал передается через последовательный порт во вторичный преобразователь 15, который преобразует полученные значения содержания каждого из компонентов измеряемой среды в выходные сигналы посредством цифровой обработки через градуировочные таблицы в стандартный токовый сигнал 4-20 мА, частотный сигнал 0-1000 Гц, а также цифровые сигналы посредством протоколов ModBus и HART, с учетом настроек пользователя.

Применение предложенного изобретения позволит значительно повысить точность измерения объемного содержания воды в нефтяной продукции и может найти применение в измерительных установках, нефтеперерабатывающем оборудовании и нефтепроводах, а также в процессе подготовки сырья в системах контроля качества нефтяной продукции.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения количества воды, содержащейся во взаимно несмешивающихся с ней нефтепродуктах и свободном нефтяном или природном газах. Заявленный влагомер многофазный поточный содержит проточную ячейку с проточной частью в виде щели шириной от 3,3 до 4,5 мм и размещенные с противоположных сторон проточной ячейки напротив оптических окон и источник инфракрасного излучения ближней инфракрасной области (БИК), выполненный в виде матрицы инфракрасных светодиодов для различных значений длины волны X в диапазоне от длины волны максимального поглощения нефти до длины волны максимального поглощения воды, и приемник БИК излучения, выполненный в виде широкополосного сдвоенного фотодиода и соединенный с первичным преобразователем сигнала. Длине волны максимального поглощения нефти и длине волны максимального поглощения воды в матрице соответствуют сборки светодиодов, состоящие из четырех последовательно соединенных светодиодов, а каждому из промежуточных значений длины волны соответствует по одному светодиоду. Светодиоды в матрице и сдвоенный фотодиод приемника БИК излучения установлены на модули Пельтье, размещенные на теплоотводящем элементе, соединенным с внешним радиатором. Технический результат - повышение точности измерения обводненности в потоке углеводородной смеси. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Влагомер многофазный поточный, содержащий проточную ячейку с проточной частью в виде щели с расположенными друг напротив друга оптическими окнами, размещенные с противоположных сторон проточной ячейки напротив оптических окон источник инфракрасного излучения ближней инфракрасной области (БИК) и приемник БИК излучения, соединенный с первичным преобразователем сигнала, отличающийся тем, что источник БИК излучения представляет собой матрицу инфракрасных светодиодов для различных значений длины волны λ в диапазоне от длины волны максимального поглощения нефти до длины волны максимального поглощения воды, причем длине волны максимального поглощения нефти и длине волны максимального поглощения воды в матрице соответствуют сборки светодиодов, состоящие из четырех последовательно соединенных светодиодов, а каждому из промежуточных значений длины волны соответствует по одному светодиоду, при этом приемник БИК излучения выполнен в виде широкополосного сдвоенного фотодиода, а ширина щели проточной ячейки составляет от 3,5 до 4,5 мм, причем светодиоды в матрице и сдвоенный фотодиод приемника БИК излучения установлены на модули Пельтье, размещенные на теплоотводящем элементе.

2. Влагомер по п. 1, отличающийся тем, что матрица инфракрасных светодиодов включает в себя 12 светодиодов, соответствующих следующим длинам волн λ_1-4=1,07 мкм; λ₅=1,34 мкм; λ₆=1,46 мкм; λ₇=1,63 мкм; λ₈=1,75 мкм; λ_9-12=1,94 мкм.

3. Влагомер по п. 1 или 2, отличающийся тем, что на элементах Пельтье установлены термисторы.

4. Влагомер по п. 1, отличающийся тем, что теплоотводящий элемент соединен с внешним радиатором.