Чувствительный элемент для определения влагосодержания жидкой среды

Чувствительный элемент для определения влагосодержания жидкой среды

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике измерения на СВЧ и может быть использовано в качестве датчика для определения содержания компонент различных жидких сред, в частности содержания воды через измерение диэлектрических свойств смеси, например, спиртосодержащих смесей, влагосодержания различных нефтепродуктов и т.д. Изобретение имеет наилучшую практическую применимость в качестве датчика для определения влагосодержания сырой нефти, для чего оно, без ограничения общности, непосредственно предназначено.

Одним из эффективных путей определения влагосодержания сырой нефти является измерение замедления и (или) поглощения электромагнитной волны, проходящей через тестируемую смесь. За последнее время создан ряд чувствительных элементов - датчиков, использующих электромагнитные волны сверхвысоких частот (СВЧ), у которых длина волны сравнима с поперечными размерами нефтепроводящей трубы. Наиболее часто в качестве таких датчиков для проведения волны через водно-нефтяную смесь сырой нефти используют коаксиальную линию, в которой внешним проводником чувствительного элемента служит металлический корпус трубы [Roxar flow measurement, RFM Fullcut Water Cut Meter, (Технические условия в рекламном проспекте)].

Для повышения точности измерений используют резонансную систему на основе коаксиальной линии, однако сильное поглощение электромагнитных волн в тестируемой смеси при ее высоком влагосодержании ведет к увеличению измерительной погрешности, поскольку при этом прошедший сигнал или отраженный от дальнего (короткозамкнутого или разомкнутого) конца чувствительного элемента настолько сильно затухает, что его трудно измерить, а величина отраженного сигнала определяется практически только отражениями от области ввода энергии.

Известно устройство для определения влажности, в состав которого входит чувствительный элемент, содержащий двухпроводную линию передачи, в качестве которой использована несимметричная полосковая линия [SU 1587430, А].

Ограничением такого чувствительного элемента является недостаточно высокая точность измерения, низкая надежность и долговечность, поскольку несимметричная полосковая линия находится в непосредственном контакте с жидкой влагосодержащей средой и ее проводники подвергаются коррозионному действию (а также могут подвергаться механическому воздействию частицами, например, содержащимися в сырой нефти). Основным же недостатком использования в качестве базового элемента несимметричной полосковой линии является невысокая чувствительность датчика из-за относительно небольшого количества силовых линий электрического поля, проходящих через исследуемую среду.

Наиболее близким техническим решением является чувствительный элемент для определения влагосодержания жидкой среды, содержащий диэлектрический каркас, двухпроводную линию передачи, выполненную в виде скрутки проводов двухпроводной линии [GB 2110377А, Fig.4].

В этом устройстве диэлектрический каркас выполнен в виде диэлектрического стержня, а скрутка проводов выполнена в виде бифилярной спирали, расположенной на внешней поверхности диэлектрического стержня.

В этом устройстве так же, как в предыдущих, быстро утрачиваются резонансные свойства чувствительного элемента, а с ними и точность измерения влагосодержания, которая определяется точностью измерения фазы и (или) модуля коэффициента отражения от области ввода энергии. Нефть имеет комплексную диэлектрическую проницаемость ε*=ε'-jε" около 2 (здесь ε' - действительная часть комплексной проницаемости, ε" - ее мнимая часть, j=√-1), практически действительную величину в широком диапазоне частот СВЧ при тангенсе угла потерь tgδ=ε"/ε' в несколько тысячных, в то время как для воды на частотах в единицы ГГц модуль ε*(ε=ε*) около 80, a tgδ порядка 1. Из-за большого различия компонент по ε на тестирующий отраженный сигнал также сильно влияют отражения от границ раздела компонент. Когда смесь хорошо перемешана и мелкодисперсная, что требуется практически во всех датчиках рассматриваемого типа - например, через ограничение скорости потока по минимуму - то ее можно считать однородной, с поддающейся оценке общей проницаемостью, однако в области смены матрицы с воды на нефть или обратно неизбежны крупные конгломераты компонент. От все время меняющихся границ между ними происходят значительные, не поддающиеся учету местные отражения, примерно пропорциональные разнице коэффициентов преломления компонент (при границе раздела, нормальной распространению волны, комплексный коэффициент отражения Г* по напряжению между двумя средами 1 и 2 с диэлектрическими проницаемостями ε₁* и ε₂*

где ε₁* и ε₂* - соответственно комплексные диэлектрические проницаемости первой и второй сред,

а для раздела вода - нефть коэффициент отражения по мощности . Эти переотражения ведут к существенному увеличению погрешности особенно в области инверсии матрицы смеси.

Эффективные электродинамические размеры проточного промежутка линии [GB, 2110377A] в √ε раз больше, чем геометрические, и при высоком влагосодержании, особенно с неоднородным заполнением, возникает возможность появления высших типов волн, вносящих неучтенную погрешность даже в том случае, если эти типы быстро поглощаются. С нестабильностью данных разовых измерений, вызванной указанными причинами, почти во всех конструкциях частично справляются усреднением многократно проводимых измерений влагосодержания (обычно автоматическим накоплением посекундных замеров с усреднением их за период порядка 5 минут и более [Agar Corporation, Process Measurement & Control (Влагомер "Агар OW-201", Представительство в СНГ: Экстро, E-mail: extro@aha.ru)]), однако существенное увеличение времени усреднения может привести не к уменьшению погрешности, а к пропуску информативных изменений состава смеси. Наличие высших типов волн и неоднородность заполнения проточной области может явиться источником существенных погрешностей измерения, т.к. проточный промежуток представляет собой область связи между двумя линиями, например, полосковыми, а в случае использования более низких рабочих частот ведет к потере чувствительности при большом влагосодержании, теряется эффект стабильности показаний за счет усреднения диэлектрических свойств вдоль линии связи между двухпроводными линиями - тот же эффект влияния неоднородности заполнения в области сильных полей связи в продольном направлении, ведущий к относительно быстрым смещениям рассматриваемого полюса по частоте и необходимости усреднения измерений по времени и, в конечном счете, увеличению погрешности.

При использовании бифилярной спирали устройству не присущ последний из перечисленных недостатков, влияние высших типов волн, поскольку из-за малого расстояния между проводниками поля сосредоточены в основном между проводниками, а удаленные стенки трубы попадают в область слабых полей и слабо влияют на электродинамические параметры скрученной спиралью двухпроводной линии. При этом, как следует из рисунка и приведенных расчетных формул [GB 2110377A, Fig.4], тестируемая смесь находится между проводниками двухпроводной линии, в области сильных полей, и отражения от границ определяются тем же соотношением волновых сопротивлений /1/, поэтому данный вариант конструкции сохраняет все остальные перечисленные недостатки коаксиальной линии, или полосковой линии, в которой тестируемая среда находится между проводниками, и к тому же повышаются требования к дисперсности среды из-за малого расстояния между проводниками (в рассмотренном в прототипе примере это расстояние 0,5 см), что предполагает еще более жесткие требования к перемешанности компонент и большую погрешность в области инверсии эмульсии (жидкой среды).

Решаемая изобретением задача - повышение технико-эксплуатационных параметров устройства.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, - повышение точности измерения, скорости его обработки за счет сокращения или исключения накопления посекундных замеров, а также повышение надежности и долговечности конструкции.

Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном чувствительном элементе для определения влагосодержания жидкой среды, содержащем диэлектрический каркас, двухпроводную линию передачи, выполненную в виде скрутки проводов двухпроводной линии, согласно изобретению скрутка проводов двухпроводной линии установлена внутри диэлектрического каркаса с обеспечением отсутствия контакта проводов с жидкой средой, причем скрутка проводов выполнена в виде витой пары.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:

- длина скрутки проводов вдоль продольной оси диэлектрического каркаса была выбрана не менее длины волны λ двухпроводной линии на минимальной рабочей частоте;

- диэлектрический каркас был выполнен в виде стержня - электротехнической оболочки кабеля.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг.1 схематично изображает заявленное устройство;

Фиг.2 - то же, что фиг.1, поперечное сечение;

Фиг.3 - один из возможных вариантов функциональной схемы измерения с использованием заявленного чувствительного элемента;

Фиг.4 - амплитудно-частотные характеристики.

Чувствительный элемент (фиг.1) для определения влагосодержания жидкой среды, содержит диэлектрический каркас 1, двухпроводную линию 2 передачи, выполненную в виде скрутки проводов 3, 4 двухпроводной линии. Скрутка проводов 3, 4 двухпроводной линии 2 установлена внутри диэлектрического каркаса 1 с обеспечением отсутствия контакта проводов 3, 4 с жидкой средой 5. Скрутка проводов 3, 4 выполнена в виде витой пары. На фиг.1 также показана труба 6, через которую подается жидкая среда 5.

Длина скрутки проводов 3, 4 вдоль продольной оси диэлектрического каркаса 1 выбрана не менее длины волны λ двухпроводной линии 2 (фиг.1).

Диэлектрический каркас 1 может быть выполнен в виде стержня - электротехнической оболочки кабеля (фиг.1, 2).

Концы 7 проводов 3, 4 двухпроводной линии 2 передачи, выведенные наружу диэлектрического каркаса 1, могут быть выполнены изолированными (фиг.1). В зависимости от используемой схемы измерения (на отражение или поглощение) концы 7 проводов 3, 4 двухпроводной линии 2 передачи могут быть выведены наружу диэлектрического каркаса 1 только с одного его торца (фиг.1) или с обоих.

Таким образом, в заявленной конструкции чувствительного элемента так же, как в ближайшем аналоге, используется двухпроводная линия 2, однако она помещена внутрь диэлектрического каркаса 1. Поэтому удается избежать влияния неоднородности среды при плохой перемешанности компонент, поскольку в области сильных полей (между проводниками) находится стабильный по параметрам однородный диэлектрик с малыми потерями (фиг.1), а аналогичная рассчитанной по формуле /1/ величина отражения в линии от перпендикулярной направлению линии границы раздела сред примерно пропорциональна относительной мощности, распространяющейся вне линии.

На фиг.2 показано поперечное сечение двухпроводной линии 2. В такой линии, чем дальше граница цилиндра - внешней поверхности диэлектрического каркаса 1 удалена от его центра и проводников 3, 4, тем меньшая часть энергии распространяется вне диэлектрика и тем меньше диэлектрические параметры окружающей двухпроводную линию 2 среды влияют на затухание и фазовую скорость распространяющейся по линии волны. В пределе фазовая скорость в двухпроводной линии 2 приближается к величине фазовой скорости волны в среде диэлектрика, из которой состоит цилиндр, а окружающая среда 5 на распространение волны не влияет. Таким образом, диэлектрическую проницаемость и геометрические параметры двухпроводной линии 2 можно подобрать обеспечивающими в диапазоне изменения ε* окружающей среды 5 дополнительный фазовый набег за счет окружающей среды 5, при котором погонные потери не велики, и чувствительный элемент в виде резонирующего отрезка двухпроводной линии 2 может сохранять свои резонансные свойства даже при окружении жидкой средой 5 - крупно дисперсионной смесью с максимальной диэлектрической проницаемостью и потерями. При слабой связи двухпроводной линии 2 с окружающей жидкой средой 5, осуществляемой с помощью заявленного чувствительного элемента, устраняются присущие ближайшему аналогу недостатки: границы раздела компонент среды создают слабые отражения, которые к тому же обладают случайной фазой относительно фазы распространяющейся в линии волны и векторно усредняются в тем большей степени, чем длиннее скрутка проводов 3, 4 вдоль продольной оси диэлектрического каркаса 1, поэтому длина скрутки проводов 3, 4 выбрана не менее рабочей длины волны λ двухпроводной линии 2. Также усредняется вдоль линии и дополнительное замедление, вызванное окружающей жидкой средой 5, и сводится к минимуму влияние неравномерности заполнения проточной части трубы 6, в которой установлен чувствительный элемент. Вследствие этого ни большое поглощение в жидкой среде 5, ни ее перемешанность при высоком влагосодержании, даже в области инверсии, не сильно влияют на погрешность измерений и не критичны.

По сравнению с другим аналогом [SU 1587430, А], в котором в качестве чувствительного элемента использована несимметричная полосковая линия и влияние жидкой среды 5 проявляется также через слабые поля линии, конфигурация самой полосковой линии, однако, предполагает связь через поля в основном на краю несимметричного полоска, т.е. область связи развита значительно меньше, чем в двухпроводной линии в диэлектрике. Поэтому чувствительность датчика, построенного на базе полосковой линии, как и в других применениях полосковой линии в качестве чувствительного элемента для тестирования жидкости, меньше, чем чувствительность обычной двухпроводной линии при аналогичных толщинах диэлектрика, изолирующего проводник от среды, и расстояния между проводниками. Во многих областях использования по требованиям коррозионной стойкости нежелателен или невозможен прямой контакт металла, используемого в технологическом цикле производства полосковых линий, с окружающей жидкой средой 5, что приводит к необходимости нанесения поверх полоски защитных покрытий. Заявленная конструкция, таким образом, более технологична (для указанного аналога нужно изготовить полосковую линию достаточно большой длины, которую достаточно сложно установить в проточную область трубы) и надежна, поскольку при жестких температурных режимах, например, при анализе влагосодержания сырой нефти существенна угроза отслаивания металлического покрытия, особенно от фторопластовых подложек. В заявленном техническом решении двухпроводная линия 2 целиком находится в «глухом» диэлектрическом каркасе 1 (фиг.1).

Во всех вышерассмотренных конструкциях двухпроводных линий, используемых в качестве датчиков влагосодержания не учитывается существенный источник погрешности, так называемый «антенный эффект», т.е. искажение измерений за счет излученных полей и возбуждения ими высших типов волн при переотражении от трубы 6 даже при достаточно однородной смеси с мелкодисперсной эмульсией. Для устранения этого нежелательного воздействия в заявленном техническом решении скрутка проводов 3, 4 выполнена в виде витой пары, которая в отличие от бифилярной спирали (намотки) позволяет уменьшить «антенный эффект» подобно «витой паре» двух скрученных проводников, обычно используемых на низких частотах для избавления электрических наводок на подводящий кабель. Однако в заявленном техническом решении скрутка проводов 3, 4, выполненная в виде витой пары, как было показано выше, в отличие от бифилярой спирали и в отличие от обычной «витой пары» двух скрученных проводов, как было показано выше, принципиально расположена в области слабой связи. Слабая связь позволяет усреднить отражения от границ раздела и усреднить дополнительный фазовый набег за счет влияния среды.

Для определения технико-эксплуатационных характеристик заявленного чувствительного элемента была использована функциональная схема, изображенная на фиг.4, хотя специалистам понятно, что могут быть применены и другие преоблазователи. В режиме измерения отраженного сигнала с генератора 11 СВЧ, свипированного по частоте, мощность подавалась на резонатор 12, образованный стыком А подводящей энергию коаксиальной линии и двухпроводной линии 2 чувствительного элемента (линии имели разное характеристическое сопротивление), а другой конец двухпроводной линии 2 чувствительного элемента был, например, разомкнут. В стык А между проводниками 3, 4 двухпроводной линии 2 было включено переменное сопротивление (реализованное с помощью pin-диода с подаваемым на него управляющим напряжением, с помощью которого сопротивление можно было менять от очень большого до практически полного короткого замыкания и регулировать коэффициент связи с резонатором 12. Чувствительный элемент был протянут через отрезок трубы 6 с жидкой средой 5, приблизительно по центру трубы 6, хотя точное расположение по центру не критично ввиду слабой связи двухпроводной линии 2 со средой. Отраженный от резонатора 12 сигнал поступал на направленный ответвитель 13, детектировался детектором 14, усиливался и измерялся в блоке управления 15. Возможен также режим измерения прошедшего сигнала при детектировании с помощью детектора проходящего сигнала 16, когда чувствительный элемент не отражает сигнал. Для реализации функционального назначения схемы использовался панорамный измеритель КСВн и поглощения диапазона 1÷2 ГГц, в котором перечисленные функциональный элементы 11, 13, 14 входят в его состав. В схеме опущены такие второстепенные элементы, как развязывающие аттенюаторы и ответвитель для нормировки мощности генерации. Влагосодержание и потери в смеси оценивались по изменению частоты и величины минимума отраженного от резонатора 12 сигнала при заполнении его смесью.

Типичные амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) - зависимости мощности отраженного сигнала в диапазоне свипирования (f₁÷f₂) и резонансные частоты (fo, f_K, fсм, f_B, f_C) для нескольких сред заполнения приведены на фиг.5. На фиг.5 показаны: кривая а - при незаполненной жидкостью трубы 6 датчика (fo), б - при заполнении керосином, моделировавшим нефть (f_K), в - при заполнении смесью керосина с водой (fсм), кривая г - при заполнении водопроводной водой (f_B) и д - водой с растворенной в ней поваренной солью (f_C). Из характеристик видно, что величина поглощения увеличивается с повышением солености (в данном диапазоне частот заметно начиная от концентрации в несколько промилле), а замедление при этом несколько уменьшается.

Резонатор 12, настроенный на критическую связь с заполнением имитатором нефти, при заполнении водопроводной водой имел в экспериментальном исполнении резонансный провал глубиной меньше на ˜7 дБ, а при солености воды ˜2% на ˜10 дБ. Если связь с низкодобротным, заполненным смесью с высоким влагосодержанием резонатором 12 увеличивается с помощью элемента А и вновь приближается к критической, сигнал в резонансе приближается к нулевому, что позволяло при измерениях с помощью панорамного измерителя КСВн и отражений перейти в более чувствительный диапазон и повысить точность измерений. Полное смещение частоты резонансного минимума от положения при заполнении имитатором нефти, при заполнении водой не превосходило расстояния между резонансами, что обеспечивало однозначность измерений, и к тому же она гарантировалась одновременным изменением глубины резонанса.

Таким образом, калибровка позволяет определить влагосодержание по сдвигу резонансной частоты от положения резонанса при смеси с известным процентом влажности вследствие изменения концентрации воды в смеси. Сдвиг частоты сопровождается изменением глубины резонансного минимума, причем эти величины однозначно связаны при фиксированной солености. С увеличением солености это соотношение изменяется (в выбранном диапазоне сдвиг уменьшается, а потери растут), и по величине изменения данного соотношения можно оценить соленость воды в смеси при известных зависимостях диэлектрической проницаемости смеси от влагосодержания, солености воды и температуры.

Слабая связь со средой, используемая в заявленном техническом решении, особенно удобна в случае большого влагосодержания, когда возможно сильное затухание волны в чувствительном элементе при его длине в несколько длин волн (полагаем, с учетом эффективной диэлектрической проницаемости линии в среде ε_эфф, - более длины волны на наименьшей рабочей частоте при незаполненной линии, чтобы получить удовлетворительное усреднение по отражениям на длине линии, хотя такое ограничение носит ориентировочный характер). Например, (фиг.2) при - ε_л диэлектрика линии примерно 2,5, диаметре диэлектрического каркаса 1 2R=5 мм, расстоянием L между центрами проводников 3, 4 скрутки витой пары L=3 мм и диаметре проводников 2r=1 мм при протекающей в трубе 6 водопроводной воде целесообразно выбирать длину двухпроводной линии 2 не менее 30 см, в нашем случае был выбран чувствительный элемент длиной 40 см (погруженная в тестируемую жидкую среду часть), чтобы общие габариты датчика не были слишком большими. Дополнительное увеличение ε_эфф за счет окружающей жидкой среды 5 при этом оценивалось не более 1,2. При незначительном диапазоне изменения ε* тестируемой жидкой среды 5, вероятно, связь по полю со средой нужно выбирать сильнее, для лучшего разрешения изменений влияния жидкой среды на длине чувствительного элемента. Длину двухпроводной линии 2 чувствительного элемента при свипировании частоты, как упоминалось, с точки зрения обработки тестируемого сигнала удобно выбирать такой, чтобы в диапазоне изменения смеси резонансный минимум не выходил за пределы частотного расстояния до следующего резонанса, что ограничивает максимальную длину двухпроводной линии 2 чувствительного элемента, хотя возможна регистрация и обработка в диапазоне свипирования нескольких резонансных минимумов, при соблюдении требования безошибочного определения номера резонанса.

Специалистам понятно, что при слабой связи чувствительного элемента с жидкой средой 5 ухудшаются возможности измерения с высокой точностью при малых изменениях значений поглощения и диэлектрической проницаемости смеси. В таком случае возможно использование резонансных свойств заявленного чувствительного элемента аналогично изобретению [RU 2096768 С1], где рассматривается возможность определения влагосодержания путем согласования резонатора и приведения его в режим критической связи, когда даже малые изменения вносимых в резонатор потерь ведут к значительному относительному изменению отраженного сигнала на выбранной частоте. В нашем случае свипирование сигнала позволяет получить информацию об изменении и фазовой длины линии, и ее потерь, что оценивается через смещение резонансного минимума и через изменение его глубины. Такой же подход использован, например, в работе [А.Н.Резник, Н.В.Юрасова, Обнаружение контрастных образований внутри биологических сред при помощи ближнепольной СВЧ-диагностики. Журнал технической физики, 2006, том 76, вып.1, стр.90-104], в которой достаточно малые изменения отраженного сигнала производятся аналогичным путем (но, в отличие от изложенного способа, на фиксированной частоте, когда согласование резонатора на рабочей частоте достигалось изменением длины резонирующего шлейфа), а по результатам измерений определялась влагонаполненность биологических тканей. В работе приводятся выражения для вычисления комплексной диэлектрической проницаемости биоткани, состоящей из воды и «сухого» вещества, по формуле расчета диэлектрической проницаемости бинарной жидкой смеси Максвелла-Гарнетта, с учетом температуры и солености воды. Обратный пересчет позволяет найти влагосодержание по измерениям диэлектрических свойств линии и температуры смеси. Соленость воды, выделенной из сырой нефти, можно определить с помощью датчика проводимости, как рекламируется, например, при измерениях с помощью устройства [Roxar flow measurement, RFM Fullcut Water Cut Meter, (Технические условия в рекламном проспекте)], и внести поправку в результаты измерения влагосодержания для уменьшения их погрешности. С помощью заявленного чувствительного элемента полагаем удобным для измерения влагосодержания и солености воды, содержащейся в нефти, использовать частотную зависимость диэлектрической проницаемости [RU №2269765 С1] с измерением амплитудно-частотной зависимости прошедшего через тестируемую смесь свипированного СВЧ-сигнала.

Рассмотренный вариант схемного решения датчика для измерения влагосодержания допускает множество вариантов, направленных на повышение точности измерений путем параметризации измеряемых величин. Соленость смеси может быть более точно учтена проведением сравнительных измерений в нескольких диапазонах частот, например - свипированием частоты в пределах около 10% при центральной частоте 1 и 2 ГГц. Коэффициент отражения можно определить еще точнее, проводя измерения при нескольких задаваемых значениях сопротивления в стыке (А). Также информативность измерений можно повысить, дополнительно измеряя прошедший по чувствительному элементу сигнал. Рассмотрение этих вариантов относится скорее к конструктивным схемам устройств для измерения влагосодержания в целом и к способам измерения влагосодержания, осуществляемого с помощью заявляемого чувствительного элемента. Экспериментально же получено, что заявленный чувствительный элемент позволяет обеспечить погрешность измерения влагосодержания менее 2%, что дает предпосылки получить основную погрешность измерения прибора менее 1,5%.

Таким образом, наиболее успешно заявленный чувствительный элемент для определения влагосодержания жидкой среды промышленно применим при определении количества воды в сырой нефти, в том числе с учетом ее солености, но он может также широко использоваться при анализе влагосодержания различных жидких сред.

1. Чувствительный элемент для определения влагосодержания жидкой среды, содержащий диэлектрический каркас, двухпроводную линию передачи, выполненную в виде скрутки проводов, отличающийся тем, что скрутка проводов двухпроводной линии установлена внутри диэлектрического каркаса с обеспечением отсутствия контакта проводов с жидкой средой, причем скрутка проводов выполнена в виде витой пары.

2. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что длина скрутки проводов вдоль продольной оси диэлектрического каркаса выбрана не менее длины волны λ двухпроводной линии на минимальной рабочей частоте.

3. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что диэлектрический каркас выполнен в виде стержня - оболочки провода.