УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ЖИДКОСТИ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF MOISTURE CONTENT OF LIQUID

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения влагосодержания различных жидких веществ, перекачиваемых по трубопроводам.
При измерениях физических параметров веществ, транспортируемых по трубопроводам, часто требуется на практике принимать меры для обеспечения независимости результатов измерения к физическим, в частности электрофизическим, параметрам движущейся влагосодержащей жидкости, в частности нефти или нефтепродукта.
Известны устройства для определения влагосодержания различных жидкостей (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. 208 с. С. 168-177). Эти устройства содержат радиоволновые (ВЧ и СВЧ) чувствительные элементы в виде антенн, волноводов, длинных линий, полосковых линий, резонаторов. В частности, для измерений в трубопроводах такие устройства содержат проточные объемные резонаторы с торцевыми элементами в виде запредельных волноводов (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. 208 с. С. 173-174). Недостатком таких влагомеров является невысокая точность измерения при изменении сортности контролируемых веществ, в частности базового вещества в смеси (эмульсии, растворе и др.).
Известно также техническое решение (SU 1497531 А1, 30.07.1989), содержащее описание устройства, наиболее близкого по технической сущности к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа. Это известное устройство содержит два измерительных участка, каждый из которых содержит проточный объемный резонатор, встраиваемый в трубопровод с перекачиваемым веществом, включенный в качестве частотозадающего элемента в схему соответствующего автогенератора, вычислительный блок и индикатор. Указанные резонаторы встроены в трубопровод на его измерительном участке последовательно. Устройство позволяет определять влагосодержание вещества независимо от его сортности, являющейся функцией электрофизических параметров вещества. Недостатком данного устройства являются его ограниченные функциональные возможности. Устройство не позволяет проводить изменения в трубопроводах относительно большого диаметра (десятки сантиметров и более), поскольку при увеличении диаметра трубопровода увеличиваются размеры обоих объемных резонаторов и, следовательно, уменьшаются их резонансные частоты. Они обе могут быть при этом частотами ВЧ диапазона, где практически нет частотной дисперсии диэлектрической проницаемости воды. Как результат, устройство становится неработоспособным.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей устройства.
Технический результат в предлагаемом устройстве для измерения влагосодержания жидкости, содержащем два измерительных участка, на каждом из которых размещен резонатор, включенный в качестве частотозадающего элемента в схему соответствующего автогенератора, выходом соединенного с соответствующим входом вычислительного устройства, выход которого подключен к регистратору, достигается тем, что каждый резонатор выполнен в виде кольцевого резонатора, содержащего подсоединенные к трубопроводу на каждом измерительном участке направленные друг на друга передающую антенну и соответствующую ей приемную антенну, трехплечий циркулятор, одним плечом подсоединенный к передающей антенне, другим плечом - к приемной антенне, а его третье плечо соединено со входом автогенератора.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом на фиг. 1.
На фиг. 1 показаны трубопровод 1, автогенераторы 2 и 3, передающие антенны 4 и 5, приемные антенны 6 и 7, циркуляторы 8 и 9, волноводы 10 и 11, вычислительное устройство 12, регистратор 13.
Устройство работает следующим образом.
н
В данном устройстве реализуют структурный подход к достижению инвариантности к диэлектрической проницаемости ε контролируемой жидкости, в частности, к сортности контролируемого вещества, изменения которой имеют место, в частности, при контроле нефти и нефтепродуктов в процессе их транспортирования и переработки. Этот подход связан с организацией двух (и более, если требуется) измерительных каналов с совместным функциональным преобразованием их выходных величин с целью получения результата этого преобразования, который не зависит от возмущающего воздействия, в данном случае - от изменений диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости
На фиг.1 приведена функциональная схема устройства для измерения влажности жидкости, перемещаемой по трубопроводу 1. Схема устройства содержит автогенераторы 2 и 3, в частотозадающие цепи которых включены соответствующие кольцевые резонаторы. Каждый из них содержит подсоединенные к трубопроводу и направленные друг на друга передающую антенну и соответствующую ей приемную антенну, трехплечий циркулятор, одно плечо которого подсоединено к передающей антенне, другое плечо - к приемной антенне, а его третье плечо соединено со входом автогенератора. У одного кольцевого резонатора участки распространения электромагнитных волн содержат, соответственно, передающую антенну 4 и соответствующую ей приемную антенну 6, соединяющий их волновод 10 и трехплечий циркулятор 8, а у другого кольцевого резонатора эти участки содержат передающую антенну 5 и соответствующую ей приемную антенну 7, соединяющий их волновод 11 и трехплечий циркулятор 9. Эти участки распространения электромагнитных волн соединены с автогенераторами 2 и 3 с помощью трехплечих циркуляторов 8 и 9, соответственно.
f
f
1
2
Частоты  и  этих автогенераторов характеризуют резонансные частоты кольцевых резонаторов, включающих соответствующие приемную и передающую антенны, соединяющий их волновод, циркулятор и участок трубопровода между этими антеннами. Эти частоты несут информацию о влагосодержании W жидкости вследствие наличия фазовых сдвигов  и  при распространении электромагнитных волн через сечение трубопровода с диаметром D. Диаметр D трубопровода может быть практически произвольным, что расширяет функциональные возможности устройства, позволяя измерять W в трубопроводах как малого (менее ~10 см), так и большого диаметров (десятки сантиметров и более).
1
2
В этих выражениях для Δϕ, и Δϕ значения  и  выражаются формулами Винера [1) Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов / Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов В. М.В. Под общ. ред. Кричевского Е.С. М.: Энергия. 1980. 240 с.; 2) SU 1497531 А1, 30.07.1989], образующими систему уравнений относительно W:
и , где , ,  и  - диэлектрическая проницаемость воды на частотах  и , соответственно.
Решая эту систему уравнений, находим значений W (SU 1497531 А1, 30.07.1989):
f
f
1
2
н
Частоты  и  автогенераторов 2 и 3 являются функциями  и . Для определения влагосодержания W сигналы частот  и поступают с блоков 2 и 3 в вычислительное устройство 12, где осуществляется их совместное функциональное преобразование. К выходу вычислительного устройства 12 подсоединен регистратор 13. Выходной сигнал регистратора 13, соответствующий влажности W, инвариантен к величине е диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости.
Предлагаемое устройство позволяет производить измерения влагосодержания жидкости в трубопроводах как малого, так и большого диаметра. При этом трубопровод может быть изготовлен как из металла (в трубопроводе предусматриваются при этом диэлектрические окна в стенках трубопровода в местах расположения антенн), так и из диэлектрического материала.