СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ СМЕСИ И ДАТЧИК ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING MOISTURE CONTENT OF MIXTURE AND SENSOR TO THIS END

Изобретение относится к технике измерения на СВЧ и может быть использовано для определения содержания компонент различных жидких сред, в частности содержания воды через измерение диэлектрических свойств смеси, например, спиртосодержащих смесей, молочных продуктов, влагосодержания различных нефтепродуктов и т.д. Изобретение имеет наилучшую практическую применимость для определения влагосодержания сырой нефти, для чего оно, без ограничения общности, непосредственно предназначено.
Известны способы и устройства для измерения влагосодержания смеси, основанные на измерении ее электрофизических параметров с применением радиочастотных датчиков, заполненных контролируемой смесью (US, №4862060), (US, №5157339), (US, №4864850), (SU, №1682896).
Недостатком этих способов измерения и устройств является зависимость точности результатов измерения влагосодержания от различных влияющих факторов: изменения сортности жидкости, ее солесодержания и др.
Известно устройство для измерения влагосодержания смеси, в котором исследуемая смесь заполняет проточную секцию отрезка коаксиальной линии, один из концов которого разомкнут или замкнут накоротко и полностью отражает, а величина диэлектрической проницаемости определяется по фазе отраженного сигнала (GB, №2110377).
Точность способа и этого устройства ограничена тем, что для определения эффективной диэлектрической проницаемости коаксиального датчика используют анализ характеристик отраженной волны ТЕМ, распространяющейся как в подводящем тракте, так и в участке коаксиального датчика, где протекает исследуемая смесь. В то же время нестабильность параметров подводящего тракта, вне участка заполнения исследуемой смеси, также вносит свою погрешность в измерения, например, температуры. Из fig.10 (GB, №2110377) видно, что погрешность определения относительной диэлектрической постоянной по величине отраженного сигнала имеет большую погрешность в районе максимума, даже если есть уверенность, что известен порядок интерференции.
Известно микроволновое устройство для измерения потока свойств смеси (датчик), содержащий отрезок коаксиальной линии, два штуцера, установленные на боковой поверхности наружного проводника отрезка коаксиальной линии, канал, предназначенный для передачи потока смеси между внутренним и наружным проводниками отрезка коаксиальной линии (ЕР, №0268399). Этот датчик содержит два переходных элемента, установленных соответственно с обоих торцов отрезка коаксиальной линии, один из переходных элементов служит для подсоединения к генератору и приема отраженного сигнала, другой - для измерения проходящей мощности волны ТЕМ. В этом техническом решении используется явление затягивания частоты, в котором измеряемая частота затягивания зависит от эффективной диэлектрической проницаемости отрезка коаксиальной линии, частично или полностью заполненной в межэлектродном пространстве исследуемой смесью. Как указано в описании к патенту, возможна неоднозначность измерения - рассмотрен пример, в котором оговорено, что необходимо принимать специальные средства, чтобы отличить, изменяется ли влагосодержание смеси в диапазоне 2-4% или в диапазоне 0-2% влагосодержания. Таким образом, известная аппаратура имеет ограничения по области измерений.
Наиболее близким является способ измерения влагосодержания смеси, включающий возбуждение ТЕМ волн генератором, перестраиваемым по частоте, в коаксиальном резонаторе, в котором протекает поток смеси, и измерение амплитудно-частотной характеристики мощности ТЕМ волн (Y Huang, МТС Fang, VT Nguyen and A Eriksen, Dielectric Properties of Contaminated Soil, Proceedings of SPIE, Subsurface Sensors and Applications, Denver, Colorado, July 1999, SPIE Vol.3752, pp.157-163).
В этом техническом решении о влагосодержании судят по положению экстремумов (максимумов или минимумов) амплитудно-частотной характеристики мощности ТЕМ отраженных волн. Для этого закороченный коаксиальный датчик заполнен исследуемой смесью, а влагосодержание определяется по амплитудно-частотной характеристике мощности отраженной волны при свипировании частоты генерации (при линейно-частотной модуляции - ЛЧМ - генерируемой волны). Высокочастотная энергия зондирующей волны подводится к отрезку коаксиальной линии с помощью подсоединенного к нему плавного рупорного перехода.
Из указанного наиболее близкого источника информации также известен датчик для измерения влагосодержания смеси, содержащий отрезок коаксиальной линии, два штуцера, установленные на боковой поверхности наружного проводника отрезка коаксиальной линии, канал, предназначенный для передачи потока смеси между внутренним и наружным проводниками отрезка коаксиальной линии.
Ограничением этого известного способа и устройства с использованием амплитудно-частотной характеристики мощности ТЕМ отраженных волн является недостаточно высокая точность.
Решаемая изобретением задача - повышение технико-эксплуатационных характеристик.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении способа и устройства, - повышение точности измерения при расширении диапазона определения влагосодержания, упрощение измерений и ускорение их проведений за счет обеспечения возможности автоматизации измерений.
11
11
11
11
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном способе измерения влагосодержания смеси, включающем возбуждение ТЕМ волн генератором, перестраиваемым по частоте, в коаксиальном резонаторе, в котором протекает поток смеси, и измерение амплитудно-частотной характеристики мощности ТЕМ волн, согласно изобретению для смеси с заранее заданными показателями влагосодержания смеси в амплитудно-частотной характеристике мощности ТЕМ волн дополнительно измеряют частотное положение резонансных провалов волн H, по положению резонансных провалов волн H определяют калибровочную зависимость влагосодержания от частоты для волн H, и для исследуемого потока смеси судят о влагосодержании по упомянутой калибровочной зависимости, измеряя действительное положение частотного резонансного провала волны H исследуемого потока смеси.
11
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном датчике для измерения влагосодержания смеси, содержащем отрезок коаксиальной линии, два штуцера, установленные на боковой поверхности наружного проводника отрезка коаксиальной линии, канал, предназначенный для передачи потока смеси между внутренним и наружным проводниками отрезка коаксиальной линии, согласно изобретению введена диэлектрическая втулка, установленная между внутренним и наружным проводником отрезка коаксиальной линии, канал выполнен в диэлектрической втулке между двумя штуцерами, причем часть внутренней стенки наружного проводника отрезка коаксиальной линии, расположенная между штуцерами, служит стенкой канала, а электрические (эффективные) размеры поперечного сечения отрезка коаксиальной линии выбраны обеспечивающими возбуждение и распространение в области отрезка коаксиальной линии волны H.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- канал в поперечном сечении отрезка коаксиальной линии был выполнен в форме сектора;
11
- на одной торцевой стороне отрезка коаксиальной линии был установлен переходной элемент, предназначенный для согласования сопротивления отрезка коаксиальной линии и подсоединения к генератору, перестраиваемому по частоте, а на другой торцевой стороне отрезка коаксиальной линии был установлен короткозамыкающий элемент, причем электрические (эффективные) размеры поперечного сечения переходного элемента выполнены меньше критического сечения волны H.
Указанные преимущества, а также особенности изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 схематично изображает конструкцию датчика.
Фиг.2 - поперечное сечение А-А на фиг.1.
Фиг.3 - схему измерения.
Фиг.4 - АЧХ для волн выбранного частотного диапазона.
max hf
max 1f
11
11
11
Фиг.5 - калибровочные зависимости влагосодержания от частоты, где TEM - зависимость положений максимумов ТЕМ в высокочастотной части рабочего диапазона, TEM - зависимость положений максимумов ТЕМ в низкочастотной части рабочего диапазона, H - калибровочная зависимость влагосодержания от частоты для волн H (положения резонансных провалов волн H).
Поскольку заявленный способ реализуется с помощью датчика, то сначала описывается его конструкция, а далее заявленный способ подробно раскрывается в описании работы датчика.
11
Датчик для измерения влагосодержания смеси (фиг.1, 2) содержит отрезок 1 коаксиальной линии, выполненной с внутренним проводником 2 и наружным проводником 3. Два штуцера 4 и 5 установлены на боковой поверхности наружного проводника 3 отрезка 1 коаксиальной линии. Канал 6 предназначен для передачи потока смеси между внутренним и наружным проводниками 2 и 3 отрезка 1 коаксиальной линии. В конструкцию введена диэлектрическая втулка 7, установленная между внутренним и наружным проводником 2, 3 отрезка 1 коаксиальной линии. Канал 6 выполнен в диэлектрической втулке 7 между двумя штуцерами 4 и 5. Часть внутренней стенки наружного проводника 3 отрезка 1 коаксиальной линии, расположенная между штуцерами 4 и 5, служит стенкой канала 6, а размеры поперечного сечения отрезка 1 коаксиальной линии выбраны обеспечивающими возбуждение и распространение в области отрезка 1 коаксиальной линии волны H.
В частном случае канал 6 в поперечном сечении отрезка 1 коаксиальной линии выполнен в форме сектора (фиг.2).
Датчик может быть выполнен с резонатором проходного типа (на фиг.1 и 2 не показан), в этом случае ТЕМ волна подводиться с одного торца отрезка 1 коаксиальной лини, а снимается с другого торца.
11
Если датчик выполнен с отражающим резонатором (фиг.1, 2), то целесообразно, чтобы на одной торцевой стороне отрезка 1 коаксиальной линии был установлен переходной элемент 8, предназначенный для согласования сопротивления отрезка 1 коаксиальной линии и подсоединения к генератору, перестраиваемому по частоте (например, ЛЧМ), а на другой торцевой стороне отрезка 1 коаксиальной линии установлен короткозамыкающий элемент 9. Размеры поперечного сечения переходного элемента 8 выполнены меньше критического сечения волны H, чтобы она не могла распространяться к генератору.
Работает датчик для измерения АЧХ следующим образом (фиг.3).
Для измерения АЧХ по известным методикам может использоваться как стандартное, так и специализированное оборудование.
11
11
11
11
11
11
Генератор 10, перестраиваемый по частоте с помощью частотного модулятора 11, вырабатывает СВЧ сигналы ЛЧМ, которые поступают в направленный ответвитель 12 прямой волны. С одного выхода направленного ответвителя 12 СВЧ сигнал поступает на вход направленного ответвителя 13 отраженной волны, а с другого выхода направленного ответвителя 12 на первый вход блока 14 нормирования отраженной волны к прямой. С выхода/входа направленного ответвителя 13 с помощью переходного элемента 8, например, полосково-коаксиального перехода, в датчике 15 возбуждаются электромагнитные волны: основные - ТЕМ для отрезка 1 коаксиальной линии, и обычно для отрезка 1 коаксиальной линии «паразитные» - Н. Волны Н заявленным датчиком 15 возбуждаются специально, за счет того, что канал 6 выполнен в диэлектрической втулке 7 между двумя штуцерами 4 и 5 (фиг.1, 2), т.е. возбуждение волны Н основано на аксиальной несимметрии устройства, а размеры поперечного сечения отрезка 1 коаксиальной линии выбраны обеспечивающими возбуждение и распространение в области канала отрезка 1 коаксиальной линии волны H (т.е. электрические (эффективные) размеры поперечного сечения отрезка выполнены больше критического сечения волны H). Отраженная волна с входа/выхода датчика 15 поступает выход/вход направленного ответвителя 13, а с его выхода на второй вход блока 14 нормирования отраженной волны к прямой. Для исключения влияния изменений мощности генератора 10 блок 14 осуществляет нормирование отраженной волны к прямой, а его выход подсоединен к блоку 16 измерения экстремумов АЧХ для ТЕМ и H.
Блок 14 также выполняет функцию детектора, и измерением низкочастотного сигнала с его выхода можно регистрировать АЧХ для волн выбранного частотного диапазона (фиг.4) блоком 16. Блок 17 вычисления и регистрации служит для определения влагосодержания исследуемого потока смеси по калибровочной зависимости, хранящейся базе 18 данных, и представления результатов.
11
11
11
11
При этом резонатором (фиг.1) служит отрезок 1 коаксиальной линии, отражающими элементами которого являются закороченная задняя стенка корпуса - короткозамыкающий элемент 9 и начало проточного канала 6, где происходит скачкообразное изменение эффективной диэлектрической проницаемости коаксиального волновода с заполнением. Резонатор для волны ТЕМ, не имеющей критической частоты, низкодобротный, по существу интерферирует волна, полностью отраженная от короткозамыкающего элемента 9, и волна, отраженная от начала проточного канала 6 или другого отражающего элемента. Поэтому АЧХ отраженного сигнала для ТЕМ волн имеет близкий к синусоиде вид (фиг.4). Добротность возбужденной волны H существенно выше, поскольку эта волна с критической частотой в обычной коаксиальной или полосковой линии на рабочих частотах распространяться не может, а, возбудившись на неоднородном заполнении отрезка 1 коаксиальной линии, затухает путем многократного отражения внутри датчика 15, отражаясь, по крайней мере, от критического сечения переходного элемента 8 на входе резонатора и короткозамыкающего элемента 9. Поскольку речь идет об АЧХ отраженного от резонатора свипированного сигнала (сигнала с линейной частотной модуляцией), то легко могут быть найдены соответствующие экстремумам частоты, т.е. частоты, на которых находятся экстремумы - минимумы и максимумы похожей на синусоиду резонансной (интерференционной) кривой волны ТЕМ и частоты минимумов резонансов волны H. Резонансы волны H с более высокой добротностью и по форме похожи на кривую Гаусса, они отнимают часть энергии волны ТЕМ, образуя резонансный «провал», или «отсос» - по внешнему виду резонансы волн ТЕМ и H легко отличаются (фиг.4). Частотное положение экстремумов зависит от эффективной диэлектрической проницаемости заполняющего резонатор диэлектрика, в основном оно определяется влагосодержанием смеси.
11
11
11
11
Влагосодержание, таким образом, определяет частотные положения различающихся порядком резонанса экстремумов (минимумов АЧХ волн ТЕМ и H и максимумов - «антирезонансов» волн ТЕМ, сдвинутых от минимумов на половину длины волны в линии, или на (φ=π), каждому из которых соответствует своя частота, изменяющаяся от влагосодержания. На фиг.4 приведено семейство АЧХ для реализованной конструкции с изменением влагосодержания в потоке имитирующего нефть масла от 6% до 23%. В данном примере в диапазоне частот 1100-1245 МГц сохраняется однозначность частоты резонанса для волны H, с повышением влагосодержания потока и увеличением диэлектрической проницаемости резонанс сдвигается в сторону более низких частот, и для АЧХ наиболее высокого влагосодержания ~23% однозначность нарушается с повышением частоты и появлением на данной АЧХ второго резонансного отсоса на частоте примерно 1253 МГц, т.е. в данном примере конструкция измерителя легко позволяет судить о влагосодержании в пределах от 6 до 23% только по частоте резонанса волны Н при выборе рабочего диапазона 1100-1245 МГц. Возможно движение и в область более высокой обводненности потока (т.е. расширять рабочий диапазон обводненности в сторону повышения, с одновременным увеличением диапазона рабочих частот в сторону более низких частот), требуя не единственности резонансного провала волны Н, а накладывая более мягкое условие использования первого со стороны низких частот резонанса. Пользуясь семейством АЧХ на фиг.4 можно, как видно из графика, в таком случае расширить рабочий диапазон частот, по крайней мере, до 1080 МГц.
11
11
11
Одновременно наблюдаемые экстремумы интерференционной кривой волны ТЕМ сдвигаются с увеличением влагосодержания (обводненности) в сторону меньших частот с меньшей скоростью, такая же однозначность существует для более узких участков диапазона частот. Для данного диапазона обводненности (6-23%) влагосодержание однозначно определяет резонансный минимум в диапазоне 1120-1260 МГц, и тем более установить однозначность и уменьшить погрешность измерения частоты (и влагосодержания) можно сопоставлением частоты резонанса волны Н в диапазоне 1080-1260 МГц и одного из выбранных экстремумов (в нашем случае максимума) эпюры отраженной волны ТЕМ на АЧХ в диапазоне 1190-1260 МГц или 1120-1190 МГц. Заметим, что уменьшение погрешности определяет не только более высокая добротность (более точное измерение частоты по высокодобротному резонансному провалу) для волны H, но также и меньшая крутизна измерительной характеристики для волны H (большая скорость смещения резонанса с изменением обводненности и-за меньшей длины резонатора по сравнению с базой интерференции волны ТЕМ), что видно из фиг.5.
Заявленный способ применим и для резонатора проходного типа, в этом случае отражающими элементами для волн Н11 будут служить два переходных элемента, установленные на торцах отрезка 1 коаксиальной линии.
Таким образом, чтобы измерить влагосодержание, (например, в потоке сырой нефти) достаточно:
- возбудить ТЕМ волны генератором 10, перестраиваемым по частоте, в коаксиальном резонаторе, в котором протекает поток смеси, и измерить амплитудно-частотные характеристики мощности ТЕМ волн (фиг.4);
11
- затем, для смеси с заранее заданными показателями влагосодержания смеси в амплитудно-частотной характеристике мощности ТЕМ волн дополнительно измерить частотное положение резонансных провалов волн H (фиг.4);
11
11
- далее, по положению резонансных провалов волн H определяют калибровочную зависимость (фиг.5) влагосодержания от частоты для волн H;
11
- для исследуемого потока смеси судят о влагосодержании по упомянутой калибровочной зависимости (фиг.5), измеряя действительное положение частотного резонансного провала волны H исследуемого потока смеси.
Для суждения о влагосодержании по упомянутой калибровочной зависимости (фиг.5), можно создать в блоке 17 (фиг.3) соответствующую базу 18 данных калибровочных зависимостей, например, для различных нефтепродуктов или иных смесей.
Пример практической реализации.
11
11
11
11
Рабочий диапазон частот выбран таким, чтобы резонанс волны H наблюдался на высокочастотном конце диапазона свипирования, смещаясь в сторону низких частот с повышением влагосодержания протекающей смеси. На фиг.4 приведен пример экспериментально снятой зависимости мощности отраженного сигнала от частоты для изменения влагосодержания имитатора сырой нефти в диапазоне от 6 до 23% влагосодержания. АЧХ приведены для конструкции, соответствующей фиг.1, с заполнением фторопластом. При этом высокочастотная энергия подводилась и отводилась полосковой линией 50 Ом, которая возбуждала коаксиальную линию через коаксиально - полосковый переход и конусный коаксиальный переход, полностью заполненный фторопластом, также 50 Ом. Без изменения волнового сопротивления (фиг.1, 2) осуществлен переход на отрезок 1 коаксиальной линии с диаметром наружного проводника 3-80 мм, в котором был образован канал 6 с максимальным размером канала 6 в виде сектора (у стенки наружного проводника 3) 50 мм, длиной (по осям подводящих смесь штуцеров 4 и 5) 400 мм. На динамическом стенде, имитирующем поток смеси, задавались значения влагосодержания, которые для данной реализации устройства легли на прямую с отклонением в пределах менее 0,2% абсолютного влагосодержания. Эти данные отложены на графике (фиг.5) по данным, частично приведенным на фиг.4 - две АЧХ с промежуточным влагосодержанием значений на фиг.5 не приведена, чтобы не перегружать чертеж. На фиг.5 также приведены две калибровочные кривые, позволяющие определить влагосодержание и по частотной зависимости максимумов волны ТЕМ при двух соседних порядках интерференции. Из фиг.4, 5 видно, что повышение точности определения влагосодержания достигается как за счет более высокой добротности волны Н по сравнению с волной ТЕМ, так и за счет меньшей крутизны наклона прямой зависимости влагосодержания от частоты для волны Н. В рабочем диапазоне частот, вообще говоря, могут существовать и другие высокодобротные резонансы, и появление следующего высокодобротного резонанса на АЧХ (видно в высокочастотной части фиг.4 на кривой, соответствующей влагосодержанию 22,8%), но «рабочему» резонансу волны H на кривой АЧХ принадлежит первый высокодобротный резонанс со стороны низких частот.
11
Заметим также, что при близком совпадении диэлектрических проницаемостей смеси потока и заполняющего отрезок коаксиальной линии (коаксиальный волновод) радиочастотного диэлектрика диэлектрической втулки 7, формирующей проточный канал 6, величина резонанса может оказаться мала, ввиду малости связи волны ТЕМ, отдающей энергию волне H. Так, комплексная диэлектрическая проницаемость чистой нефти сравнима и по действительной, и по мнимой частям с проницаемостью фторопласта. Здесь, однако, нужно иметь в виду, что неоднородностями связи
11
волны H и волны ТЕМ в коаксиальном волноводе служат также отверстия штуцеров 4, 5. Кроме того, возможно понизить эффективную диэлектрическую проницаемость заполнения за счет выемки части фторопластового заполнения с противоположной от штуцеров 4 и 5 стороны, с заменой вынутого, для механической прочности, например, пенополистиролом. Одновременно с электродинамической ролью заполняющий диэлектрик диэлектрической втулки 7 (в нашем примере фторопласт) несет функции опорного узла, стабилизирующего положение внутреннего проводника 2 и придающего ей вибро- и удароустойчивость, а в районе переходного элемента 8 фторопласт также играет герметизирующую роль, позволяющую повысить давление в проточном канале 6 до величин, существующих в трубопроводе нефти.
Специалистам понятно, что приведенная конкретная конструкция датчика не исчерпывает всех возможных реализации способа, охарактеризованного формулой изобретения.
Наиболее успешно заявленные способ измерения влагосодержания смеси и датчик для его осуществлении промышленно применимы при определении количества воды в сырой нефти, но они могут также использоваться при анализе влагосодержания различных жидких сред.