Устройство для измерения влажности нефти и нефтепродуктов Советский патент 1984 года по МПК G01N27/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при контроле и измерении влажности нефти, водонефтяных эмульсий и других вацеств, обладающих как повышенной адгезией, так и изменением ди« электрической проницаемости самого изменяемого продукта (например, сорта нефти), в химической и нефтеперерабатыванщей отраслях промышленности

Известно устройство для измерения Ю влажности, содержащее емкостный первичный преобразователь влажности, основной реверсивный электродвигатель и регистрирующий прибор, блок тестовых сигналов, состоящий из последо- 15 вательно соединенных генератора коротких экспоненциальных импульсов, управляемого делителя напряжения и усилителя, в обратной связи которого последовательно с сопротивлением 20 включен конденсатор, а в обратной связи - преобразователь влажности, четыре компаратора, два рдновибратора, электродвигатель, причем блок тестовых сигналов и введенный усилн- 25 тель соединены меясду собой последовательно, выход усилителя соединен с входами четырех компараторов, а выходы первых двух компараторов через одновибраторы соединены с пер- Q вым блоком логической обработки сигналов, выходы третьего и четвертого компаратора соединены с вторым блоком логической обработки сигналов ClJ.

Недостатком указанного устройства является его ограниченное применение для измерения малых значений влажности нз-за трудностей получения качественных экспоненциальных импульсов с малыми постоянными време- 0 ни. Кроме того, устройство сложно в настройке, необходимо очень точно устанавливать пороговые .уровни ера. атывания четырех компараторов. При измерении малых значений влажности 45 возникает значительная дополнительная погрешность из-за влияния изменения собственной диэлектрической проницаемости контролируемого вещества.50

Наиболее близким к предлагаемому является бесконтактный влагомер, соержащий ег жостный измерительный реобразователь, подключенный к измеительному мосту низкой частоты, ге- gg ераторы низкой и высокой частот, ункциональный преобразователь

Недостатком известного влагомера является низкая точность измерения з-за влияния на показания прибора 60 зменения сортности контролируемого атериала с разной диэлектрической проницаемостью. Кроме того, в схее замещения преобразователя не читывается ни сопротивление поляри- 45

зационных потерь, ни релаксационная емкость поляризации, что также снижает точность измерения. При малых влажностях контролируемого материала для уменьшения проводи{лости емкости материала на два-три порядка по сравнению с активной проводимостью материала необходимо значительно уменьшить частоту низкочастотног сигнала, что снижает быстродействие влагомера.

Цель изобретения - повышение точности изменения влажности при исключении влияния на результат измерения изменения диэлектрической проницаемости самого контролируемого продукта (например, ; сорта нефти), исключении влияния загрязнения (датчиков) электродов первичных измерителных преобразователей на результат измерения, а также при расширении пределов измерения влажности в сторону меньших значений и при росте быстродействия измерения.

Поставленная цель достигаетсятем, что, в устройство для измерени влс1жности нефти и нефтепродуктов в трубопроводах, содержащее емкостный измерительный датчик, подключенный iT измерительномумосту, первый генератор низкой частоты и первый генератор высокой частоты, функциональный преобразовательf введены второй генератор высокой частоты,сумматор и четыре суммир ющих устройства, -.трансформатор, образцовый конденсатор, емкостный компексационный датчик, три усилителя, три образцовых резистора, включенных в цепи обратных связей усилителейf четыре управляемых делителя напря жения, четыре блока полосовых фильтров, два блока деления шесть вычитающих устройств и четыре устройства уравновешивания, причем выходы четырех.генераторов синусоидальных колебаний высоких и низких частот через сумматор подключены к первичной обмотке трансформатора, а три вторичные обмотки трансформатора одними концами соответственно через емкостный измерительный датчик, образцовый конденсатор и емкостный компенсационный датчик заземлены, други.е конхда этих обмоток соединены с входами соответственно первого, второго и третьего усилителей, выходы первого и третьего усилителей соединены соответственно с первым и четвертым блоками полосовых фильтров а также через управляемые делители напряжения присоединен к первьм входам четырех суммируквдйх устройств, а выход второго усилителя подключен к вторым входам четырех суммирунщих устройств, при этом выходы первого и второго суммирующих устройств соединены с вторым блоком полосовых фильтров, а выходы третьего и четвертого суммирующих устройств - с третьим блоком полосовых фильтров, причем вьлходы первых двух блоков полосовых фильтров подключены к вхо дам первого блока деления, а выходы третьего и четвертого блоков полосо Bfcix фильтров - к входам второго бло ка деления, выходы первого блока де ления присоединены к первым трем вы читающим устройствам, а выходы второго блока деления - к четвертому, пятому и шестому вычитаиощим устройствам, при этом выходы первого, тре тьего, четвертого и шестого вычитаю щих устройств через устройства урав новешивания соответственно подключе ны к управляющим входам четырех управляемых делителей напряжения, а выходы второго и пятого вычитающих устройств соединены с входа.ми функ ционального преобразователя. г1агфиг. 1 показана фукнциональна схема устройства для измерения влаж ности нефти и нефтепродуктов в трубопроводах; на фиг. 2 а, б, в - варианты схем замещения емкостных дат чиков влажности; Устройство содержит (фиг. 1) чет ре генератора 1-4 синусоидальных ко лебаний, сумматор 5, трансформатор б, емкрстный измерительный датчик 7,.образцоёый конденсатор 8, ем костный компенсационный датчик 9, три усилителя 10-12, три образцовых резистора 13-15, четыре устройства 16-19 суммирования, четыре управляемых делителя 20-23,напряжения четыре блока полосовых фильтров 24два блока 28 и 29 деления, функциональный преобразователь 30, шесть вычитающих устройств 31-36 и четыре устройства 37-40 уравновешивания. Все узлы квазиуравновешенного моста выполняются на серийных элементах аналоговой и цифровой техники. Устройство работает следуквдимобразом. Синусоидальные напряжения с гене:раторов 1--4 суммирую Ся сумматором 5 и поступают на первичную обмотку трансформатора 6. Три вторичные обмотки трансформатора 6 включены таким образом, что напряжения на датчики 7 , 9 и конденсатор 8 поступают в противофазе. Ток, протекающий через эти Ьбъекты (7, 8, 9) соот|ветственно преобразуется в напряжение усилителями 10 - 12, в цепях отрицательных обратных связей которых включены соответственно образдовые резисторы 13 - 15. Напряжение с выхода усилителя 11 сумлируетея с выходным напряжением усилитея ля 12 через управляемые делители 21 и 23 напряжения на устройствах 17 и 19 суммирования. Кроме того, напряжение с выхода усилителя 12 через управляемые делители 2р и 22 напряжения суммируются с выходным напряжением усилителя 10 на устройств г вах 16 и 18 суммирования. Одновременно напряжения с выхода усилителей 10 и 12 поступают соответственно на блоки 24 и 27 полосовых фильтров , где происходит выделение напряжений тех частот, что и частота генераторов 1-4. Напряжения с выходов суммирующих устройств 16 - 19 поступают соответственно на блоки 25 и 26 полосовых фильтров, где происходит выделение напряжений с частотами, соответствующими частотам генераторов 1-4. Блоки 28 и 29 деления производят деление напряжений (модулей напряжений) с выходов блоковзполосовых фильтров, причем делятся напряжения одинаковых частот. Результат деления напряжений, соответствующих частоте генератора 1, в виде сигналов поступают с выхода блоков 2В и 29 соответственно на первый вход вычитающих устройств 31 и 34. Результат деления напряжений, соответствующий частотам генераторов 2, 3 и 4 в виде сигнала поступ-ает соответстве но на второй вход вычитающих устройств 31, 34 и на йервый вход устройств 32, 35, на второй вход устройств 32, 35 и на первый вход устройств 33, 36, на второй вход устройств 33 и на второй вход устройства 36. Сигналы с выходов вычитающих устройств 31, 33, 34, 36 посредством устройств 37 - 40 уравновешивания изменяют коэффициенты управляемых делителей 22, 20, 21 и 23 напряжения до тех пор, пока значения сигналов на выходе этих вычитающих устройств не будут равняться нулю. Уравновешивание во всех четырех контурах регулирования происходит независимо и одновременно, что позволяет ускорить процесс уравновешивания мостовой цепи. После автоматического приведения моста к состоянию квазиравновесия значение сигнала на выходе функционального преобразователя (делителя) 30 пропорциональнй влгикности нефти или нефтепродуктов, протекающих через полость емкостного измерительного датчика 7. Квазиуравновешенный мост для измерения влажности нефти и нефтепродуктов на потоке содержит два бесконтактных емкостных датчика 7 и 9, эквивалентная схема которых (фиг. 2, а) представлена конденсатором 41 с емкостью Cj,, обусловленной диэлектрическими свойствами изолирующих стенок датчика между , внешними электродами и контролируемой жидкостью (во влагомерах непреравного действия налипание и загрязнение стенок датчика изменяет емкость С о в больших предела), конденсатором 43 с емкостью С, характеризуюцейся мгновенной поляризацией (электронной и ионной), эта емкость в равной степени зависит как от свойств нефти (сорта нефти), так и от ее влажности, резистором 42 с сопротивлением К, воспроизводящим сквозную проводимость эмульсииJ конденсатором 44 с емкостью С, характеризующей релаксационную поляризацию, резистором 45 с сопротивлением г , определяемым солесодержаниём дисперсной фазы, а также поляризационными потерями в дисперсной фазе. Из всех приведенных параметров схекы замещения датчиков информативным является емкость C2f поскольку она непосредственно зависит от количества дисперсных частиц воды и их размеров т.е. от влажности контролируемой нефти. Остальные параметры являются мешающими. Их значения; зависят от многих факторов, не связанньЛх с влажноЕШВю, например от сорта нефтей и нефтепродуктов, налипания и загрязнения стенок датчика, от солесодержа ния в дисперсной фазе и от изменения сквозной проводимости эмульсии„ Емкость С увеличивает общую| емкость датчика и проявляется на низких Vafjтотах. Включения влаги в нефтяной эмульсии можно считать диполями на концах которых при воздействии поля устанавливаются заряды противоположного знака Эти капли влаги в эмульсии образуют микродиполи, которые участвуют в структурной поляризации и увеличивают на низких астотах общую емкость датчика Из-за больших размеров этих диполей процесс установления поляризации происходит очень медленно, поэтому на частотах свыше 5 кГц этот аид поляризации практически пропадает. Подвижность ионовf т„э, их средняя скоростьр в дисперсных частицах влаги оченб мала, при единичной напряжённости поля, порядка 10 -10 Л1&1 поэтому с увеличением частоты сопротивление h в дисперсной фазе становится настолько большим, что дисперсные частицы из проводящее ®) состояния переходят в диэлектрическое. На низких частотах сопротивлением г можно пренебречь, в результате схема замещения датчика на низких Частотах может быть представлена состоящей из трех элементов (фиг. 2, б), где емкость конденса- . тора 46 равна сумме емкостей На высоких частотах сопротивление /г становится соизмеримо с сопротивлея нием R и.схема замещения датчика также состоит из трех элементов

1ФИГ. 2, в), где сопротивление резистора 47 равно , Rr /(R+r) . Следовательно если раздельно измерить емкость конденсатора 47 на низ5 ких частотах и емкость конденсатора 43 на высоких частотах, то по разности значений этих емкостер (она равна С) можно судить о влажности нефтепродукта. Емкость С пропорциоQ нальна влажности нефтепродукта и не связана с диэлектрической постоянной продукта (его сортом), однако она зависит также от температуры эмульсии непосредственно и от влияния температуры на измерение структурной поляризации, кроме того эта емкость зависит от приложенного к датчику напряжения, поэтому в устройство введен дополнительный компенсационный датчик 9, который позволяет ис0 ключить указанные влияния на результат измерения влажности,

Практически кваз 1уравновешенный мост состоит из четырех одинаковых по своей структуре частей, которые

5 работают одинаково, а приведение всех частей моста к состояниям квазиравновесия происходит независимо (раздельно) друг от друга. Результаты измерения, hoлyчeнныe каждой час0 тыр моста, затем обрабатываются и в итоге на выходе функционального преобразователя 30 получается зисчение влажности контролируемо о продукта. Каждая, часть квазиуракнове5 шенного моста работает таким образом, что производит раздельное измерение емкости конденсатора 47 или 43. (фиг, 26, в) , причем на двух низких частотах измеряется; ег-шость

0 конденсатора 46; а на двух высоких частотах - емкость конденсатора 43, такие измерения одновременно произ-водятся как для заме1аенкя емкостного измерительного датчика 7;

J. так и для схемы замецения амкостно го компенсационного датчика 9, через который постоянно циркулирует нефть любого сортаf но с заранее известной влажностью. Поэтому рассмотрим первоначально подробно рабо0 ту одной из частей квазиуравновешенного моста, например той, в которую включен емкостный измерительныйдатчик 7 .

Пусть частота генераторов 1-4 со

5 ответственно равна ш р ьи , ш, , txj, где uj и 2 низкие частоты f а L-J. и высокие при равных количес/вах витков во вторичных обмоткая трансформатора 6, напряженик на .

0 определяются напряжениями всех частот, которые соответственно равны

03 04- Напряжение UPJ с частотой ш прикладывается к преобразователю 7 и fJ, (поскольку 5 обмотки включены противофазно) - к образцовому конденсатору 8, тогда вход усилителей 10 и 11 течет соот вет(твенно ток причем 10 |, -11- --0-1 .Р..- г-Де U, и С соо етственно сопротивление- преоб зовах.еля 7 и емкость конденсатора а P3JW. Поскольку ток в цепях обратных связей усилителей равен току во входных цепях, при равенстве сопро тивлений резисторов 13 и 14 значению (« , напряжения на выходе усили телей соответственно равны .. U-,o oiuT Напряжение на выходе суммирующе го устройства 16 равно , ..rf-) - коэффициент передачи управляемого делителя 20 н пряжения. Напряжения О и Jvi поступают с ответственно на блоки Ъолосовых фильтров 24 и 25, где выделяются н пряжения с частотой . ю, Таким обр зом фильтрами 24 и 25 выделяются н пряжения с частотой..с) 2 Блок 28 производит деление модулей напряжений соответствуицих частот, и результаты деления поступают на входы вычитающего устройства 31 {фиг. 1), полученная разность л, по ступает на устройство 37 уравновеши вания, которое изменяет коэффициен передачи управляемого делителя 20 напряжения до тех пор, пока разнос д не будет равняться нулю -О , .г«е. пока отношение модулей напряже ний и 0 не будет частотно-заBИCИivIЫM„Рассмотрим это отношение более подробно, представив .Ц предварител но следунжим образом: ,) . р(,) R(C,.Cj) С --с.с Тогда подставим вместо L., его значение и получим отношение напряжений , ( tV-J li i. Из последнего выражения следует, что отношение напряжений будет частотнонезависимым только в случае, если KjoPr C i K2o-N,CОтсюда найдем значение при котором это равенство выполняется NlC(lV 2/5, а модуль отношения напряжений равен Soили подставив вместо KJQ его значе|ние получим (.|и, наконец, подставляя вместо N,6d.2i их значения, получим оконча.тельно, М. -1/г +Р 1 10 ГС . I (6 т.е. раздельный отсчет по измеряемому значению конденсатора 46. Таким же образом можно показать, что на частотах ш и ш при равенстве нулю напряжения на выходе вычитающего устройства 33 напряжения на его входах равны . u, 1 где - напряжение нач,выходе устройства 18 суммирования, тогда напряжение на выходе устройства 32 равно -|-С,. Это напряжение поступает на функциональный преобразователь 30, на другой вход которого поступает сигнал, пропорциональный емкости Cj в схеме замещения емкостного компенсационного датчика 9 (с заранее известной влажностью), В преобразователе 30 берется отношение поступающих на него сигналов, в резуль. тате чего сигнал на его выходе пропорционален влажности контролируемой нефти. Таким образом, предложенное устройство для измерения влажности нефти и нефтерродуктов в трубопроводах.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ В 3трубопроводах, содержащее емкостный измерительный датчик, подключенный к измерительному мосту, первый Iекератор низкой частоты и первый генератор высокой частоты., функциойальный преобразователь, о т л и чающеес я тем, что, с целью повышения точности измерения влажности, в него введены второй генератор низкой частоты, второй генератор высокой частоты, сумматор и четыре суммирующих устройства, трансформатор, образцовый конденсатор емкостный компенсационный датчик, три усилителя, три образцовых резистора, включенных в цепи обратных связей усилителей, четыре управляемых делителя напряжения, четыре блока полосовых фильтров, два блока деления, шесть вычитающих устройств. и четыре устройства уравновешивания, причем выходы четырех генераторов сияусоидальных колебаний высоких и низких частот через сумматор подключены к первичной обмотке трансформатора, а три вторичные обмотки трансформатора одними концами соответственно через емкостный измерительный датчик, образцовый конденсатор и ем Крстный компенсационный датчик заземлены, другие концы этих обмоток соединены с входами соответственно пбрвого, второго и третьего илителей,входы первого и третьего усилителей соединены соответственно с первым и четвертым блоками попосовых фильтров, а также через управляемые делители напряжения присоединены к первым входам четырех суммирующих устройств, а выход второго усилителя подключен к вторым входам четырех суммирующих устройств, при этом вы-, ходы первого и второго суммирующих « устройств соединены с вторым блоком полосовых фильтров, а выходы третьего и четвертого суммирующих устройств - с третьим блоком полосовыз : фильтров, причем выходы первых двух блоков полосовых фильтров подключены к входам-первого блока деления, а выходы третьего и четвертого СО ков полоссэвых фильтров - к входам второго блока деления, выходы пеового блока деления присоединены к первым трем вычитающим устройствам, а выходы второго блока.деле« ния - к четвертому, пятому и шестому вычитающих устройствам, при этом выходы первого, третьего, четвёртого 4 и шестого вычитающих устройств через устройства уравновешивания соответственно подключены к управляющим входам четырех управляемых делителей напряжения, а выходы второго и пятого вычитающих устройств соединены с входами функционального преобразователя.