Свч-способ определения осажденной влаги в жидких углеводородах

Свч-способ определения осажденной влаги в жидких углеводородах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности, и в частности, для экспресс-контроля качества авиационных керосинов в условиях аэродрома.

Известен кондуктометрический способ определения влажности (см. Жуков Ю.П., Кулаков М.В. Высокочастотная безэлектродная кондуктометрия. - М: Энергия, 1968. С. 104). В диапазоне объемных влажностей 0-2% измерение практически невозможно, так как величины сопротивлений материалов становятся больше входных сопротивлений измерительных устройств.

Известен резонаторный способ определения влажности (см. Берлинер М.А. Измерение влажности. - М.: Энергия, 1973). Исследуемая жидкость помещается в кювету, находящуюся в полости цилиндрического объемного резонатора (ОР). Кювета выполняется в виде цилиндра или диска и устанавливается вдоль или перпендикулярно продольной оси объемного резонатора. Возбуждается колебание электромагнитного поля (ЭМП) типа Н₀₁₁. Выходной величиной первичного измерительного преобразователя (ПИП) служит изменение добротности резонатора ΔQ=Q₀-Q (Q - нагруженная; Q₀ - ненагруженная добротности резонатора), вызванное введением исследуемого материала с неизвестной влажностью. Недостатком способа является невысокая точность определения содержания влаги в виде осадка за счет влияния растворимой влаги, содержащейся в исследуемом углеводороде, и которая зависит от температуры, давления и от типа углеводорода.

За прототип принят способ определения СВЧ-способ определения осажденной влаги в жидких углеводородах (патент РФ №2451929, МКл ⁶ G01Ν 22/04. СВЧ-способ определения осажденной влаги в жидких углеводородах / Суслин М.А., Шаталов А.Л. (РФ) - №2010147251/09; заявл. 18.11.10., опубл. 27.05.12 г. Бюл №15) В данном способе исследуемый жидкий углеводород помещают в полость цилиндрического объемного резонатора с продольной осью, перпендикулярной горизонту, возбуждают электромагнитное поле типа H₀₁₁, измеряют изменение добротности цилиндрического объемного резонатора с колебанием H₀₁₁, которое вызвано введением исследуемого материала, возбуждают далее электромагнитное поле типа Е₀₁₀, измеряют изменение добротности цилиндрического объемного резонатора с колебанием E₀₁₀, которое вызвано введением исследуемого материала, при этом цилиндрический объемный резонатор в начале полностью заполняют исследуемой жидкостью, после некоторого времени отстоя - порядка десяти секунд сливают жидкость так, чтобы отстой влаги оставался на нижней торцевой стенке резонатора. По изменению добротности цилиндрического объемного резонатора с колебанием E₀₁₀ судят об объемной концентрации осажденной влаги в диапазоне до 0,4%, а по изменению добротности цилиндрического объемного резонатора с колебанием Η₀₁₁ - в диапазоне 0,4-2%.

Недостатком прототипа является недостаточная чувствительность определения осажденной влаги и невозможность изменения диапазона измерений при сохранении высокой чувствительности (например, содержание осажденной влаги в пробе для измерений сильно зависит от того, когда взята эта проба - сразу или после слива некоторого количества топлива из баков летательного аппарата).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение чувствительности и реализация возможности ее изменения при определении объемной концентрации осажденной влаги в жидких углеводородах.

Данный технический результат достигается тем, что в известном способе определения объемной концентрации осажденной влаги в жидких углеводородах, заключающемся в полном заполнении исследуемой жидкостью цилиндрического объемного резонатора с продольной осью, перпендикулярной горизонту, удалении через время t≥10 сек жидкости из полости резонатора с оставлением влаги, возбуждении электромагнитного колебания типа H₀₁₁; оценке по изменению добротности цилиндрического объемного резонатора объемной концентрации осажденной влаги, дополнительно на нижней торцевой стенке устанавливают диэлектрик высотой h, с диэлектрической проницаемостью ε_д и диаметром, равным диаметру резонатора, при удалении исследуемой жидкости оставляют влагу на поверхности диэлектрика, при этом варьируя отношение , изменяют диапазон измерений при сохранении высокой чувствительности к объемной концентрации осажденной влаги, где l - длина резонатора.

На фиг. 1 представлен внешний вид внутреннего объема резонатора с возмущающим диэлектриком, расположенным на торцевой стенке, на фиг. 2 - результаты численного моделирования электрического поля электромагнитного колебания H₀₁₁ пустого резонатора; на фиг. 3 - результаты экспериментальных исследований для пустого резонатора; на фиг. 4 - результаты численного моделирования электрического поля электромагнитного колебания H₀₁₁ резонатора с возмущающим диэлектриком; на фиг. 5 - результаты экспериментальных исследований для резонатора с возмущающим диэлектриком; на фиг. 6 - внешний вид экспериментальной установки для измерения нагруженной добротности.

Суть СВЧ-способа определения осажденной влаги в жидких углеводородах заключается в возмущении (помещение внутрь резонатора) электромагнитного поля цилиндрического объемного резонатора (ЦОР) диэлектриком, расположенным на одной из торцевых стенок резонатора, высотой h, диэлектрической проницаемостью ε_д и диаметром, равным диаметру резонатора (Фиг. 1).

Электрическое поле пространственного колебания H₀₁₁ невозмущенного резонатора (см. Корбанский, И.Н. Теория электромагнитного поля. - М.: ВВИА им. профессора Н.Е. Жуковского, 1964. - 356 с.) представляет собой замкнутые концентрические окружности, поле максимально по середине длины и радиуса, электрическое поле равно нулю на оси и у торцевых стенок. Проведенный численный анализ электрического поля пространственного колебания Нои электромагнитного поля методом конечных элементов в системе COMSOL Multiphysics показывает те же самые результаты: поле максимально (красный цвет на фиг. 2) по середине длины и радиуса и равно нулю на оси и у торцевых стенок (синий цвет).

На фиг. 3 показаны экспериментальные значения нагруженной добротности пустого резонатора от объемной концентрации влаги в осадке %V.

На фиг. 4 показан результат численного моделирования электрического поля пространственного колебания H₀₁₁ цилиндрического объемного резонатора, возмущенного диэлектриком высотой h, диэлектрической проницаемостью ε_д, расположенным на одной из его торцевых стенок, и диаметром, равным диаметру 2а резонатора (фиг. 4). Силовые электрические линии по-прежнему представляют собой замкнутые концентрические окружности, но поле при этом концентрируется к возмущающему диэлектрику (узел смещается к торцевой стенке, где расположен диэлектрик). Степень концентрации увеличивается с ростом диэлектрической проницаемости ε_д и высоты диэлектрика h. На другой торцевой стенке по-прежнему наблюдается пучность поля. При этом резонансная частота по отношению к резонансной частоте основного колебания H₀₁₁, равной

где а - радиус; l - длина резонатора, для колебания H₀₁₁ характеристическое число , при (материал - фторопласт) изменяется примерно на 30 МГц.

Смещение узла к возмущающему диэлектрику позволяет увеличить чувствительность к объемной концентрации осажденной влаги. Изменяя отношение , можно изменять смещение узла к возмущающему диэлектрику и, следовательно, изменять диапазон измерений при сохранении высокой чувствительности. На фиг. 5 показаны экспериментальные значения нагруженной добротности резонатора с возмущающим диэлектриком от объемной концентрации влаги в осадке %V при различной величине и . Размеры резонатора: а=15 мм; l=105 мм; h=15 и 10 мм. Эксперимент показывает почти на 2 порядка большую чувствительность (Фиг. 5) по сравнению с прототипом (Фиг. 3). Высокая чувствительность к содержанию осажденной влаги сохраняется в диапазоне примерно 0,0025÷0,01% объемной доли для и в диапазоне примерно 0,0075÷0,2% для .

На фиг. 6 показан внешний вид экспериментальной установки для измерения нагруженной добротности. В СВЧ-генераторе Г4-80 применяется внешнее управление частотной модуляцией (управляющий пилообразный сигнал снимается с осциллографа С1-65) с выводом сигнала детектора на осциллограф. Средняя частота СВЧ сигнала контролировалась частотомером 43-54 с блоком преобразователя частоты ЯЗЧ-72 (после перевода режима генератора частоты Г4-80 в «непрерывный»). Точность измерения частоты составила 1 кГц, а нагруженной добротности - ±750 абсолютных единиц с доверительной вероятностью 0,85.

Таким образом, по сравнению с прототипом в резонатор помещают возмущающий диэлектрик, расположенный на одной из торцевых стенок резонатора, высотой h, диэлектрической проницаемостью ε_д и диаметром, равным диаметру резонатора. Смещение узла к возмущающему диэлектрику позволяет увеличить чувствительность к объемной концентрации осажденной влаги. А изменяя отношение , можно изменять смещение узла к возмущающему диэлектрику и, следовательно, изменять диапазон измерений при сохранении высокой чувствительности. Изменять отношение можно, или изменяя высоту возмущающего диэлектрика h, или изменяя длину резонатора l.

1. Способ определения объемной концентрации осажденной влаги в жидких углеводородах, заключающийся в полном заполнении исследуемой жидкостью цилиндрического объемного резонатора с продольной осью, перпендикулярной горизонту, удалении через время t≥10 сек жидкости из полости резонатора с оставлением влаги, возбуждении электромагнитного колебания типа H₀₁₁, оценке по изменению добротности цилиндрического объемного резонатора объемной концентрации осажденной влаги, отличающийся тем, что на нижней торцевой стенке устанавливают диэлектрик высотой h, с диэлектрической проницаемостью ε_д и диаметром, равным диаметру резонатора, при удалении исследуемой жидкости влагу оставляют на поверхности диэлектрика.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что варьируя отношение h l , можно изменять диапазон измерений при сохранении высокой чувствительности к объемной концентрации осажденной влаги, где l - длина резонатора.