Емкостной концентратомер Советский патент 1980 года по МПК G01N27/22 

(54) ЕМКОСТНОЙ КОНЦЕНТРАТОМЕР

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения объемного содержания компонентов в двухфазных жидких средах Известны емкостные концентраторы для измерения объемного содержания компонентов в жидких средах, содержащие емкостный датчик, рабочий и опорный генераторы, усилитель и индикатор, блок статистической обработки информации J. Недостатком устройств является неспособность измерять объемное содержание компонентов в двухфазных жидких средах с границей раздела фа Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является концентратомер, содержащий емкостны датчик, выполненный в виде диэлектр ческого основания, на котором установлены три плоскопараллельных электрода и измерительную схему 2 Недостатком данного устройства является необходимость разделения перед измерением водонефтяной эмуль сии на свободные нефть и воду. Как было указано ранее, с этой целью к электродам датчика прикладывается высоковольтное градиентное импульсн поле. Такой способ требует использования дополнительных источников энергии. Отсутствие непрерывности измерения является также большим недостатком способа и устройства для его реализации. Цель изобретения - обеспечение непрерывности измерения за счет исключения из процесса измерения предварительного разделения дисперсной фазы на свободные компоненты с помощью градиентного высоковольтного импульсного поля и повьшение точности измерения. Поставленная цель достигается тем, что в емкостном концентратомере два плоскопараллельных электрода профилированы идентично и закреплены в общем корпусе инверсно друг другу относительно горизонташьной оси и расположены на равном расстоянии от третьего электрода, выполненного в виде экрана, а на общем основании закреплены дополнительно еще два плоских электрода. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства на фиг.2а и б .- конструкция датчика;на фиг.З график шкалы концентратомера. Предлагаемое устройство содержит погружаемый в контролируемую среду

датчик 1, два равновеликих конденсатора С2 и СЗ датчика 1, включенные в канал измерения положения границы раздела фаз, конденсатор С4; закрепленный в корпусе датчика 1 и включенный в канал измерения объемного содерхсания компонентов в дисперсной фазе, генератор 5 высокой частоты, питающий конденсаторы, два диодных, встречно-включенных детекторных устройства 6 и 7 в канале измерения уровня для выпрямления высокочастотных токов конденсаторов С2 и СЗ датчика 1, регистрирующее устройство 8 в канале измерения уровня, детекторное устройство 9 в канале измерения концентрации компонентов в дисперсной фазе, регистрирующее устройство 10 в канале измерения концентрации компонентов, источник 11 постоянного напряжения для питания измерительной схемы.

Конденсаторы Сц и Cj образованы тремя плоскопараллельными пластинами 12-14, а конденсатор С4 образован плоскими пластинами 15 и 16. Пластины 12 и 14, являясь равновеликими. Имеют одинаково профилированные грани и закрепляются в общем корпусе 17 инверсно друг другу относительно горизонтальной оси симметрии. Пластина 13, установленная посредине между пластинами 12 и 14, выполнена в виде экрана и является общим электродом конденсаторов С2 и G3, образованных соответственно парами электродов 12 и 13,13 и 14, конденсаторы С2 и СЗ являются равновеликими. Такая конструкция датчика обеспечивает измерение положения границы раздела сред с исключением влияния начальной емкости (емкости датчика, заполненного одной средой).

Характеристики конденсаторов имеют вид

, (1)

Ч--Ч(Ц-ЕС,М), 2

где С2 - емкость конденсатора, заполненного контролируемой средой;

СЗ - емкость конденсатора СЗ, заполненного контролируемой средой ,

Х, и К 2 - конструктивные коэффициенты конденсаторов соответственно;h - положение границы раздела

фаз

и t - диэлектрические проницаемости свободной фазы и смеси, разделенных границей разделаJ

о емкости конденсаторов при .

В силу равновеликости конденсаторов С2 и СЗ, ,3.

Поэтому, при включении в pa3HOjTную схему двух конденсаторов датчика, выходная характеристика имеет вид

Ч- ч: Ч- ЕСМ) -(Ч- ЕСН

где К .

Характеристика конденсатора С4 записывается

(VEcMV -E M-E-/

С4)

где С4 - емкость конденсатора канала измерения объемной концентрации ;

Kg - конструктивный коэффициент, зависящий от конструкции конденсатора;

ЕСМ - диэлектрическая проницаемость смеси; - рабочая длина электродов

конденсатора h - положение границы раздела. Как видно из этой характеристики по известному положению границы раздела -Ь и измеренному значению 5 емкости конденсатора С можно определить ЕС,М диэлектрическую проницаемость смеси, т.е. дисперсной фазы. Диэлектрическая проницаемость смеси также вычисляется по известноQ му из электродинамики соотношению, связывающему концентрации -компонентов с их диэлектрическими проницаемостями, т.е.

(5)

где - диэлектрическая проницае. мость смеси;

dj - концентрация компонентов

смеси;

Di, - плотность компонентов Б - диэлектрическая проницаемость компоненты.

Из соотношения (5) видно, что, определив диэлектрическую проницаемость смеси, не трудно вычислить концентрацию компонентов.

Концентратомер работает следующим образом. На емкостный датчик 1, погруженный в контролируемую среду и содержащий два равновеликих, с плоскопараллельными электродами конденсатора С2 и СЗ, но с различной

геометрией электродов, и один дополнительный конденсатор С4, подается напряжение с генератора 5 высокой частоты. Ток, протекаищий в измерительной цепи уровнемера, после конденсаторов С2 и СЗ выпрямляется двумя включенными диодными детекторными устройствами б и 7. За счет встречного включения детекторных устройств 6 и 7 на регистрирующее устройство уровнемеpa 8 поступает ток, пропорu,HOHanfjHbiM измерению разности емкостей С2 и СЗ.

Ток, текущий на регистрирующее устройство уровнемера, описывается соотношением .-Чыч см)-. сб) Ток, протекающий через дополнительный конденсатор С4, питаемый напряжением высокой частоты, выпрямляется детекторным устройством 9 и поступает на регистрирующее устройство 10, проградуированное в единицах объемного содержания компонентов в дисперсной среде. Этот ток дается соотношением v-Ub.,,WE,E,M).E,t, где 7у - ток в цепи измерения уров ня;. аыу выходное напряжение генератора) диэлектрические проницаемости свободной и дисперс ной фаз соответственно; Kjrt К - коэффициенты пропорциональности, зависящие от конструкции датчика; 6 - высота электродов датчика h - положение границы раздела Таким образом, по измеряемым двум величинам - положению границы раздела фаз и объемному содержанию компонентов в дисперсной фазе - находится распределение объемного содержания компонентов в двухфазной среде с границей раздела фаз (свободная фаза дисперсия, раствор), В качестве шкалы концентратомера используется заранее построенная гомограмма (фиг.З). Номограмма построена в относительных единицах следующим образом. По оси ординат вверх отложены значения емкости конденсатора. По оси абсцисс отложены значения положения границы раздела (свободная фаза - дисперсия, раствор ti/{ в относительных единицах, где 8 - рабочая высота элетродов конденсатора преобразователя. В системе координат (С4,Ь/в ) пост роено семейство характеристик (h/) при Е const, const по уравнению (4). Диэлектрическая проницаемость дисперсной фазы Ec.t вычисляется по соотношению (5) для известных f;, . Справа, параллельно оси.ординат, построена дополнительная ось, на кото рой отложены значения концентрации u компонентов в дисперсной фазе, расчитанные по соотношению (5) и общая

объемная концентрация компонентов W, рассчитанная по следующему очевидному соотношению

ч/..-ь. «)

;-Г(е-г1и).

е По оси ординат вниз отложены значения /дС/от ед. вычисленные по сот-, ношению (3). В системе координат (h/) построены соответствующие графики, при iE. v E CX3n5t, при h7 и при h/f/ФО. Измерив Ci((h/8) находим точки С и С . Точка С . соответствует концентрации дисперсной фазы t/j . Зная концентрацию дисперсной фазы ш ,т.е. t(,M о графику (h/E) для известного Еом или по графику (h/C) для того же находим положения h/t. Емкость tipH известном , и h соответствует общей концентрации компонентов /« . При этом конструкция концентратомера для измерения положения границы раздела фаз обеспечивает его инвариантность к начальному значению емкосхей конденсаторов датчика, что существенно повышает точность измерения. Обеспечение непрерыйности измерения делает возможным использование концентратомера в системах автоматического регулирования соответствующих технологических процессов. Формула изобретения Емкостной концентратомер.для измерения объемного содержания компонентов в двухфазных жидких средах, содержащий емкостной датчик, выполненный в виде диэлектрического основания, на котором установлены три плоскопараллельных электрода и измерительную схему, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения, два плоскопараллельных электрода профилированы идентично и закреплены в общем корпусе инверсно друг другу относительно горизонтальной оси и расположены на равном расстоянии от третьего электрода, выполненного ввиде экрана, а на общем основании закреплены дополнительно еще два плоских электрода Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 220578, кл. G 01 N 27/22, 1968. 2.Авторское свидетельство СССР № 337708, кл. G 01 N 27/22, 1972 (прототип).

17

/

S

-15

,16

-Ch

ге.

К

Фиг 2 и

L

-t

hr

/г

/

П, fS. ff

1

/

/