Способ измерения состава трехкомпонентного водосодержащего вещества в потоке
METHOD FOR MEASURING COMPOSITION OF THREE-COMPONENT WATER-CONTAINING SUBSTANCE IN STREAM

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для высокоточного измерения физических свойств веществ, являющихся компонентами трехкомпонентного вещества, неподвижного или транспортируемого по трубопроводу. В частности, данный способ может быть применен для определения состава вещества в потоке добываемой и транспортируемой нефти, являющейся, по существу, трехкомпонентным двухфазным веществом (нефть, газ, вода).
Известны способы измерения состава водосодержащего вещества в потоке, а именно влагосодержания вещества, основанные на измерении его электрофизических параметров, с применением радиоволновых датчиков (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. 208 с. С. 168-177). Недостатком этих способов измерения является ограниченная область применения, обусловленная невозможностью определения состава веществ при большем чем две компоненты контролируемого вещества.
Известны способы измерения покомпонентного состава, имеющие большое значение и для определения расхода каждого из компонентов добываемой из скважин нефти. Для этого, в частности, нашли применение турбинные расходомеры, которые предполагают предварительную гомогенизацию нефтегазовых смесей, а также и другие типы расходомеров, например, на трубке Вентури, для использования которых необходимо наличие сепараторов жидкой и газовой фаз вещества (монография: Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение. 1989. 701 с.). Эти способы также имеют ограниченную область применения и сложны в реализации.
Известно техническое решение (SU 1497531, 30.07.1989), которое содержит описание способа измерения, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу и принятого в качестве прототипа. Способ-прототип предназначен для измерения влагосодержания диэлектрических веществ, в частности, нефти и нефтепродуктов, независимо от их сортности. Данный способ базируется на использовании частотной дисперсии диэлектрической проницаемости воды. Однако он не позволяет производить измерения состава веществ с числом компонент, большим двух.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение области применения.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения состава трехкомпонентного водосодержащего вещества в потоке, при котором воздействуют на вещество электромагнитными волнами в двух частотных диапазонах и определяют по результатам воздействия его диэлектрическую проницаемость при применении соответствующих радиоволновых датчиков и измерении одного из информативных параметров каждого из них, причем частоты этих волн соответствуют разным значениям диэлектрической проницаемости воды, и частоту, по меньшей мере, одной из волн выбирают в СВЧ-диапазоне, дополнительно воздействуют на вещество электромагнитными волнами в третьем частотном диапазоне СВЧ-диапазона частот, соответствующем отличному от двух других значений диэлектрической проницаемости воды, при применении соответствующего ему радиоволнового датчика и измерении одного из его информативных параметров, осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных значений информативных параметров этих датчиков в указанных трех частотных диапазонах, по результатам которого определяют состав вещества в виде объемного содержания каждой из трех компонент вещества.
Предлагаемый способ поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена частотная зависимость диэлектрической проницаемости  для воды.
На фиг. 2 приведены графики, поясняющие выбор рабочих частот измерительных каналов устройств для определения покомпонентного состава веществ.
На фиг. 3 показана схема с применением волноводных резонаторов в устройствах для определения покомпонентного состава веществ.
На фиг. 4 приведена схема устройства для реализации данного способа измерения.
Здесь показаны трубопровод 1, чувствительные элементы 2, 3 и 4, преобразователи 5, 6 и 7, вычислительный блок 8, индикатор 9.
Сущность способа измерения состоит в следующем.
Для измерения различных неэлектрических величин, когда контролируемые объекты представляют собой или содержат частотно-зависимые элементы (вещества), могут быть применены многоканальные (многочастотные) измерительные устройства.
1
2
k
1
2
k
Пусть x, x, …, x - влияющие на выходную характеристику y=F(x, x, …, x) измерительного канала параметры объекта, один из которых, несколько или все подлежат измерению. Если  есть параметр объекта, зависящий от частоты  воздействующей на объект волны, то, зондируя объект волнами k разных частот, можно составить систему независимых уравнений
1
2
k
1
2
k
1
2
k
Решение данной системы уравнений относительно параметров x, x, …, x позволяет найти их текущие значения. Физическая реализация многоканальных измерительных устройств, которым соответствует связь входных x, x, …, x и выходных y, y, …, y величин измерительных каналов, предполагает наличие чувствительных элементов, каждый из которых описывается одним из уравнений системы (1). Аналогично может быть записана и система уравнений при наличии у объекта более одного частотно-зависимого параметра. При этом возможно существование взаимовлияющих связей таких параметров, что дает дополнительные возможности для решения тех или иных задач.
Применительно к рассматриваемой задаче частотно-зависимым элементом объекта - многокомпонентного, в том числе двух- и трехфазного, водосодержащего вещества является вода. Ее диэлектрическая проницаемость  в СВЧ-диапазоне частот электромагнитных волн обладает выраженными дисперсионными свойствами (фиг. 1). Такими свойствами обладают многие другие полярные жидкости, наличие которых позволяет применять предлагаемый способ измерения. Частотную дисперсию при этом может иметь и (или) тангенс угла диэлектрических потерь вещества.
Наиболее важной на практике задачей является определение состава трехкомпонентного вещества в потоке, а именно, объемного содержания нефти или нефтепродукта, газа и воды в их смеси. На примере такого вещества рассмотрим сущность и пути реализации данного способа измерения.
н
г
в
о
о
н
г
в
Если V, F и V - объемное содержание соответственно нефти или нефтепродукта, газа и воды в объеме V измерительного участка трубопровода (V=V+V+V), ,  и  - диэлектрические проницаемости этих компонентов потока, то систему уравнений (1) для данной задачи можно записать так:
н
г
в
Здесь подлежащие измерениям параметры есть V, V и V, а возмущением, от влияния которого на результаты измерений необходимо достичь независимости, являются переменная величина (сортность)  нефти или нефтепродукта. Параметры  и  считаются фиксированными; в противном случае систему уравнений (2) следует дополнить уравнениями связи, записанными для частот  и . Если же, наоборот, можно считать параметр  фиксированным, то система уравнений (2) содержит на одно меньшее число уравнений, достаточное для нахождения искомых объемов компонентов вещества. Величина , как установлено, не обладает частотной дисперсией в ВЧ- и СВЧ-диапазонах частот.
Частоты ,  и , которым соответствует реализация измерительных каналов, содержащих радиоволновые датчики и описываемых уравнениями системы (2), можно выбрать так: хотя бы две из них (фиг. 2) находятся в области частотной дисперсии . Например, в качестве рабочих частот могут быть взяты такие: , , , на которых будем иметь соответственно , , .
Для решения системы уравнений (2) необходимо записать связь выходной и влияющих (входных) величин для каждого измерительного канала. Сделать это возможно аналитически лишь при ряде допущений. Представляя влажный материал в виде плоскослоистого трехкомпонентного вещества, можно записать соотношения для волнового числа β и коэффициента затухания α:
1
2
3
где , , ,  - волновые числа для смеси и соответствующих ее компонентов; - эффективная диэлектрическая проницаемость вещества; c - скорость света;  - частота электромагнитных колебаний; k, k, k и k - эмпирические константы, учитывающие структуру контролируемого вещества.
В качестве информативных параметров чувствительных элементов могут быть использованы такие параметры, которые соответствуют соотношениям (3) и (4). Так, соотношению (3) соответствует фазовый сдвиг  электромагнитной волны, имеющий место по прошествии ею слоя контролируемого вещества толщиной :
Записав соотношение (5) для частот ,  и , лежащих в области наличия у  частотной дисперсии (хотя бы для двух из этих частот), получим следующую систему уравнений:
i=1, 2, 3
н
г
в
Решение данной системы линейных уравнений позволяет найти искомые величины V, V и V независимо от переменной , а также ее текущее значение.
Соотношение (3) может быть применено и для определения такого информативного параметра, как собственная частота  электромагнитных колебаний волноводного резонатора. При этом возможна организация волноводного резонатора с поперечным зондированием потока вещества в трубопроводе 1. Чувствительные элементы радиоволновых датчиков - в данном случае резонаторы 2, 3 и 4 - образованы совокупностью двух соответствующих (приемной и передающей) антенн, соединенных отрезком волновода (фиг. 3).
Соотношение (4) может служить для расчета выходных характеристик измерительных каналов, в которых информативным параметром служит изменение (уменьшение) мощности электромагнитной волны, прошедшей через слой контролируемого вещества. Возможно также построение измерительных участков с каналами, базирующимися на соотношениях (3) и (4) одновременно.
Обобщенная структурная схема устройства для определения покомпонентного состава трехкомпонентного, в том числе и двухфазного, вещества приведена на фиг. 4. Здесь для получения первичной информации о параметрах потока, перемещаемого по трубопроводу 1, служат размещенные на данном измерительном участке чувствительные элементы 2, 3 и 4 радиоволновых датчиков резонаторного, волноводного или антенного типа. Они функционируют на разных частотах ,  и  в области частотной дисперсии . Получаемые с помощью преобразователей 5, 6 и 7 информативные сигналы с этих чувствительных элементов поступают на вычислительный блок 8, осуществляющий автоматическое решение системы уравнений типа (2).
н
г
в
На индикатор 9 поступают данные о текущих значениях V, V и V и, если необходимо, . Каждый чувствительный элемент с соответствующим ему преобразователем может образовывать автогенератор, выходным (информативным) сигналом которого служит его текущая частота.
Задачу определения покомпонентного состава нефтеводогазовой смеси можно трактовать и как задачу измерения сплошности, когда требуется определить количество свободного газа в потоке жидкости. Для нефтеводяной смеси известны различные аналитические и эмпирические соотношения, относящиеся к тем или иным режимам потоков таких смесей. Так, при относительно малом (~5%) содержании воды в потоке нефти или нефтепродуктах справедливо следующее соотношение (монография: Теория и практика экспресс-контроля влажности твердых и жидких материалов/ Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов М.В. и др. М.: Энергия. 1980. 240 с. С. 45-66):
где , W - влагосодержание.
н
г
в
н
г
н
г
в
Проводя в таких случаях измерения на разных частотах ,  и , можно определить V, V и V, а также и . В качестве информативных параметров могут быть использованы соответствующие частоты объемных резонаторов и резонаторов на основе отрезков неоднородной длинной линии (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. 208 с. С. 168-184.). При этом, измеряя резонансные частоты ,  и  электромагнитных колебаний трех резонаторов, зависящие от диэлектрической проницаемости ε(W,ε,V) заполняющих их веществ, определяют V, V, V и  при решении системы уравнений
, i=1, 2, 3,
где
, i=1, 2, 3,
, i=1, 2, 3,
в
н
в
0
н
в
г
При этом учитывают, что W=V/(V+V), V=V+V+V.
Таким образом, данный способ позволяет определять покомпонентный состав транспортируемого трехкомпонентного водосодержащего вещества без предварительной сепарации компонентов. Он реализуем с применением электромагнитных волн ВЧ- и СВЧ-диапазонов частот и реализацией приборов с использованием соответствующей этим диапазонам элементной базы. Этот способ измерения не требует при его реализации предварительных операций (сепарации, гомогенизации, отбора проб) над потоком транспортируемого вещества.