ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ НЕФТИ
DETECTOR OF OIL HUMIDITY

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения объемного содержания воды в водонефтяных смесях в трубопроводе, в диапазоне от 0 до 100% по каждой компоненте в трубопроводах и резервуарах, а также для определения воды в смеси с другими диэлектрическими жидкостями.
Известны диэлькометрические влагомеры, которые основаны на измерении электрической емкости, погружаемой в водонефтяную смесь [Теория и практика экспрессионного контроля влажности твердых и жидких материалов // Кричевский Е.С., Бензарь Б.К., Венедиктов М.В. и др.; под общей редакцией Е.С.Кричевского. - М.: Энергия, 1980]. Величина емкости зависит от средней диэлектрической проницаемости смеси, которая определяется объемным содержанием воды и нефти. Основной их недостаток связан с техническими трудностями обеспечения приемлемой точности во всем диапазоне объемного содержания воды в смеси от 0 до 100%.
СВЧ-датчики влажности [В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Совлуков. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с.163-167], основанные на зависимости степени затухания электромагнитной волны или зависимости резонансной частоты полого резонатора от объемного содержания воды водонефтяной смеси, применяются для малых величин влажности.
Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому техническому решению являются резонаторные датчики, в которых чувствительный элемент включен в частотозадающую цепь генератора. К такому типу устройств относится, например, резонаторный датчик диаметра тонких диэлектрических нитей [см. там же, стр.62-63]. Применение такого датчика для измерения влажности водонефтяных смесей также ограничивается малыми величинами объемного содержания воды.
Задачей изобретения является создание компактного датчика для определения объемного содержания компонентов нефтеводяных смесей, в том числе смесей нефтепродуктов с водой, расширяющего диапазон измерения содержания воды до 100%.
В предлагаемом датчике влажности нефти, содержащем генератор электромагнитных колебаний, в частотозадающую цепь которого включен резонатор в качестве чувствительного элемента, резонатор выполнен в виде замкнутого тонкого проводника, равномерно распределенного внутри диэлектрической трубки по образующим воображаемой цилиндрической поверхности, находящейся, как и трубка, на одной оси с металлической трубчатой опорой, указанный проводник подключен к генератору в четырех точках, попарно выбранных на концах взаимоперпендикулярных диаметральных линий поперечного сечения цилиндрической поверхности, выход генератора подсоединен ко входу делителя частоты, который вместе с генератором размещен внутри трубчатой опоры.
Существенными отличительными признаками в указанной выше совокупности являются тип резонатора, схема подключения генератора к резонатору и размещение генератора и делителя внутри чувствительного элемента.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где приведены на фиг.1 - структура датчика, на фиг.2 - эскиз чувствительного элемента (резонатора) датчика, на фиг.3 - выходная характеристика датчика.
w
w
0
0
Датчик (фиг.1) содержит: чувствительный элемент 1, собственная частота электромагнитных колебаний которого однозначно зависит от объема воды V в водонефтяной смеси V=V+V, где V - объем измерительного участка, V - объем нефти (нефтепродуктов) в смеси; генератор 2, осуществляющий возбуждение в чувствительном элементе электромагнитных колебаний и преобразование его собственной (резонансной) частоты в последовательность импульсов; делитель частоты 3 для уменьшения затухания сигнала в линии связи датчика с регистрирующим устройством.
Чувствительный элемент 1 (фиг.2) включает в себя замкнутый проводник 4, который состоит из отрезков линейных проводников 5, равномерно распределенных по образующим воображаемой цилиндрической поверхности 6 внутри диэлектрической трубки 7. Концы проводников 5 последовательно соединены между собой перемычками 8 на торцах диэлектрической трубки. Такой проводник вместе с корпусом трубчатой металлической опоры 9 образует длинную линию. Воображаемая цилиндрическая поверхность 6, диэлектрическая трубка 7 и трубчатая опора 9 находятся на одной оси. На торцах трубки 7 установлены диэлектрические заглушки 10 для электрической изоляции проводника от контролируемой среды.
На частоте электромагнитных колебаний генератора 2, равной собственной частоте длинной линии, на проводнике 4 устанавливается стоячая волна напряжения с двумя пучностями в точках а и b и двумя узлами в точках с и d. Симметричное подключение двухтактного генератора 2 к чувствительному элементу 1 в указанных точках обеспечивает устойчивую работу генератора в широком диапазоне изменения диэлектрической проницаемости контролируемой среды (от воздуха до воды).
w
Делитель частоты 3 формирует последовательность импульсов, частота которых F функционально связана с объемом воды V, содержащимся в нефти. Наличие делителя 3 на два-три порядка снижает затухание амплитуды сигнала в кабеле, что позволяет передавать его на большие расстояния (до 1000 м и более).
Размещение генератора 2 и делителя 3 внутри трубчатой опоры 9 позволяет минимизировать дополнительную погрешность, обусловленную изменениями температуры окружающей среды.
o
w
w
При подаче питания к датчику в генераторе возникают электромагнитные колебания, частота которых, называемая резонансной, равна собственной частоте чувствительного элемента. Эта частота зависит от диэлектрической проницаемости водонефтяной смеси, а диэлектрическая проницаемость смеси - от объемного соотношения нефти и воды. Для смеси «трансформаторное масло - вода» получена экспериментальная зависимость резонансной частоты f датчика, отнесенная к ее значению f при полном заполнении чувствительного элемента маслом, от объемного содержания воды  (на фиг.3 отмечена точками). Характеристика имеет разрывный характер: значения частот для ν<0.3 соответствует эмульсии «вода в масле», а для ν>0.3 - "масло в воде"; скачок характеристики обусловлен обращением эмульсии.
w
Указанная зависимость может быть точно описана во всем диапазоне изменения ν от 0 до 1 формулой
f
Δ=0 для
W
f
W
m
m
o
о
o
w
w
w
о
w
0
o
w
f
о
w
о
w
ν<0.3, Δ≠0 для ν>0.3, если принять зависимость диэлектрической проницаемости ε водомасляной смеси в виде ε=kεν+kεν (здесь ε, ε - диэлектрические проницаемости масла и воды, ν- относительное объемное содержание масла). Постоянные коэффициенты α, k, K определяются конструктивными параметрами чувствительного элемента датчика. Величина скачка Δ зависит от конструктивных параметров чувствительного элемента и от сортности нефти (нефтепродукта). На графике фиг.3 сплошной линией представлена расчетная частотная зависимость, для которой a=-0.4213, k=0.5882, k=0.02734, ε=2.2, ε=81.
Датчик сохраняет работоспособность и обеспечивает необходимую точность без какой-либо подстройки во всем диапазоне изменения объемного содержания воды водонефтяной смеси от 0 до 100%.
Симметричное возбуждение чувствительного элемента и получаемая при этом чувствительная зона в близлежащей к внешней его поверхности области в значительной степени снижает требования к встраиванию датчика в трубопровод.