УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ В НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТАХ

Предложенная полезная модель относится к нефтегазовой области, в частности, к устройствам измерения удельного содержания воды в нефти и нефтепродуктах, основана на измерении диэлектрической проницаемости смеси способом определения резонансной частоты в контуре образованном двумя антеннами, находящимися на расстоянии друг от друга много меньше их длинны, которые помещены в измеряемую среду.
Известен способ определения количества воды в водно-нефтяной смеси - это диэлькометрический метод, суть которого заключается в емкостном измерении диэлектрической проницаемости пространства между обкладками конденсатора. Этот способ измерения определен в ГОСТ 14203 (Нефть и нефтепродукты. Диэлькометрический метод определения влажности.).
Известны различные устройства, реализующие этот метод. Реализация этих устройств возможна как в стационарном исполнении, так и в мобильном варианте. Так например:
1. одним из устройств, реализующих этот метод является многофазный расходомер FlowSys производства компании Halliburton, в котором используются параллельные пластины для определения мгновенного значения диэлектрической проницаемости в потоке пластовой жидкости.
2. прибор ВАД-40М, предназначен для экспрессного неразрушающего измерения содержания воды в различных твердых и жидких материалах в пищевой, фармацевтической, химической промышленности, в строительстве и т.д. Универсальность применения обеспечивается с помощью датчиков различных типов (насыпных, наливных, погружных и проточных).
3. на основе прибора ВАД-40М построен измеритель (Фиг.1) с быстрой подстройкой на сорт нефти и нефтепродукта или "всесортный", класс точности 2.5 (высший), с температурной компенсацией,
микропроцессором и программным обеспечением. Объекты определения воды: нефть, светлые нефтепродуктов - бензин, керосин, дизельное топливо, турбинные, трансформаторные, индустриальные масла и пр., мазуты всех марок, гудрон и т.д.
Сложность и высокая стоимость известных устройств ограничивают их сферу применения.
Целью предложенной полезной модели является разработка точного, простого в использовании и доступного для эксплуатации в реальных условиях устройства.
Поставленная цель достигается за счет того, что устройство для определения количества воды в водно-нефтяной смеси включает две антенны длинной 0,5-1,0 метр и расстоянием между ними 0.01-0.05 метра, одна из которых параллельно соединена с измерителем амплитуды и через сопротивление R1 с генератором высокой частоты, вторая антенна параллельно соединена с измерителем амплитуды и через сопротивление R2 с первой антенной, причем генератор высокой частоты выполнен с возможностью дискретного изменения частоты в диапазоне 20 МГц-150 МГц с параллельным измерением амплитуды сигнала на сопротивлении, включенном последовательно антеннам.
Предлагаемая полезная модель описывает устройство, реализующее следующий способ:
1. В исследуемое вещество помещается две антенны длинной 0.5-1 м. и расстоянием между ними 0.01-0.05 м
2. Эти антенны подключаются к генератору высокой частоты и измерителю амплитуды.
3. Производиться дискретное изменение частоты на генераторе в диапазоне 20 МГц-150 МГц.
4. Параллельно проводиться измерение амплитуды сигнала на резисторе, включенном последовательно антеннам.
5. По значению амплитуды измеренного сигнала (Fig.3) получаем значение диэлектрической проницаемости для измеряемой жидкости или газа, и
по заранее составленным по эталонным жидкостям зависимостям определяем содержание воды в нефти.
В разработанном устройстве применена двухпроводная линия, длина которой во много раз больше расстояния между проводами. Известно, что электромагнитное поле от источника, находящегося в начале линии, будет распространяться вдоль линии в виде электромагнитной волны. Причем наличие металлических проводов, в которых напряженность электрического поля пренебрежимо мала, будут ограничивать распространение волны только вдоль линии. Для больших частот, когда токи смещения преобладают, основные процессы переноса энергии происходят между проводами в окружающей среде, и практически не зависят от свойств проводов.
На Fig.2 представлена схема устройства. В работе применяются высокие частоты, такие, что на длине линии антенны L=0.985 м укладывается одна четвертая часть длины электромагнитной волны в исследуемой среде. В данном случае существенную роль играет отражение электромагнитных волн от концов линии. Отраженные волны складываются между собой и с первоначальной волной, в результате чего возникают сложные формы электромагнитных колебаний - стоячие волны. Если вдоль линии от резистора R2 провести ось X, то для точки х=0 генератор обеспечивает колебания электрического поля первичной волны в виде
1
0
Е=Е sin ωt.
Тогда колебания первичной волны в точке х будут
1
0
E=Е sin (ωt-kx),
где k=2π/λ - волновое число, λ=V/f - длина волны, V - фазовая скорость движения волны в среде и f - частота электромагнитных колебаний.
Будем считать, что волна отражается полностью, колебания поля отраженной волны в той же точке х можно представить в виде
2
0
Е=Е sin (ωt+kx-φ).
Знак + у слагаемого kx выражает то, что отраженная волна распространяется в отрицательном направлении оси X. Угол φ есть запаздывание по фазе колебаний поля отраженной волны в точке 0 по сравнению с колебаниями первичной волны в той же точке. Это запаздывание определяется двумя причинами. Во-первых, до возвращения в точку 0 волна должна дважды пройти всю длину линии L, отчего возникает отставание по фазе (2π·2L/λ). Во-вторых, возможно изменение фазы при отражении. Складываясь, обе волны дают результирующее поле
1
2
0
Е=E+Е=Е [sin(ωt-kx)+sin(ωt+kx-φ)].
Применяя формулу тригонометрии о сумме синусов, находим напряженность поля
Формула (1) показывает, что в линии будут происходить гармонические колебания поля с частотой первичной волны ω и с начальной фазой - φ/2.
Амплитудное значение этих колебаний
а
0
Е=2Е cos (kx-φ/2)
а
П
оказывается зависящей от координаты х и потому различна в разных точках линии. В определенных точках Е достигает максимума. Эти точки называются пучностями электрического поля. Их координаты х определяются условием
П
k х-φ/2=0, π, 2π,..., nπ.
Для расстояния Δх между двумя пучностями имеем
kΔх=π.
Так как k=2π/λ, то Δх=λ/2.
а
У
В точках, называемых узлами электрического поля, амплитуда Е обращается в нуль. Координаты узлов х можно найти из условия
У
k x-φ/2=π/2, 3π/2,...,(2n+1)π/2.
Следовательно, два соседних узла отстоят друг от друга на расстояние
Δх=π/k=λ/2.
Расстояние между соседними узлами и пучностями одинаково и равно половине длины волны.
Для того чтобы в длинной двухпроводной линии могли возникнуть стоячие волны, длина электромагнитной волны должна иметь определенные значения, зависящие от длины линии. Известно, что для стоячей волны существуют граничные условия - на концах линии всегда должны быть расположены пучности напряжения (электрического поля) и узлы тока (магнитного поля). Для этого необходимо чтобы длина волны λ удовлетворила соотношению
L=λn/2, n=1,2,3,...
В ограниченной двухпроводной линии возможны только определенные стоячие волны, которые удовлетворяют условиям на границах линии. Эти стоячие волны, по сути, являются собственными колебаниями линии. Собственные колебания имеют дискретный набор частот (спектр частот). Число различных собственных колебаний линии равно бесконечности в соответствии с тем, что линия как распределенная система обладает бесконечно большим числом степеней свободы.
Чтобы возбудить в линии одно из собственных колебаний, генератор, питающий линию, должен иметь частоту, совпадающую с одной из
собственных частот линии. Если же это условие не будет выполнено, то различные волны, отраженные от концов линии, интерферируя друг с другом, дадут изменяющиеся и сложные колебания, а устойчивой стоячей волны не получится. Стоячие электромагнитные волны в линии легко получить экспериментально.
Для технической реализации очень интересны процессы в разомкнутой линии при различном соотношении между ее длиной и длиной волны питающего генератора. В нашем устройстве длина разомкнутой линии фиксирована и равна L=0.985 м. Для определенности будем считать линию идеальной и что внутреннее сопротивление генератора значительно меньше волнового сопротивления линии. На Фиг.2 значения R1 и R2 равны по 24 Ом. Таким образом, генератор, находящийся на конце коаксиальной линии изображенной на рисунке, имеет согласованную активную нагрузку. Резистор R2 является для линии генератором (источником) с симметричным выходом.
Как мы знаем, на конце разомкнутой линии всегда получаются пучность напряжения и узел тока. На входе линии, т.е. там, куда подключен осциллограф (см. Фиг.2), ток и напряжение могут иметь различные значения в зависимости от длины линии. Входной импеданс линии также изменяется в широких пределах, так как он всегда равен отношению напряжения к току в начале линии. При этом во всех случаях, когда входное сопротивление линии значительно больше резистора R2, можно считать, что напряжение на начале линии равно ЭДС источника.
Если длину линии приближать к 1/4 λ, то напряжение в начале линии становится все меньше и меньше по сравнению с его значением в пучности, а ток увеличивается и, следовательно, входное сопротивление уменьшается. Когда L=1/4 λ, то вначале линии будет узел напряжения и пучность тока. Для источника ЭДС получается режим короткого замыкания. Линия с длиной в четверть волны эквивалентна резонансному контуру по схожим свойствам, а именно - при изменении частоты генератора, что приводит к изменению длины волны, и при фиксированной длине линии ее входное сопротивление уже не будет равно нулю, а увеличивается и становится емкостным или индуктивным.
Именно так меняется при расстройке и сопротивление последовательного контура.
В реальном устройстве, вследствие того, что линия не является идеальной, и в ней имеются потери энергии, входной импеданс при резонансе не точно равен нулю. Обращается в нуль только реактивное входное сопротивление, импеданс становится наименьшим и притом является чисто активным, так как обусловлен наличием активных потерь. Изменяя длину волны генератора λ можно получить последовательный резонанс в тех случаях, когда вдоль линии укладывается нечетное число четвертей волны (1/4 λ, 3/4 λ, 5/4 λ, и т.д.). Кроме резонанса на основной волне будет наблюдаться резонанс на любой нечетной гармонике.
Параллельный резонанс в линии получается не только на основной волне, когда L=1/2 λ, но и на любых как четных, так и нечетных гармониках, когда вдоль линии укладывается целое число полуволн (1/2λ, λ, 3/2λ, и т.д.).
Для фиксированной длины линии резонанс на 1/2 λ получается на частотах вдвое больше, чем для условия L=1/4 λ. Этот факт и однозначность выделения минимума разности потенциала на малом резисторе, являются решающими положительными условиями выбора реализации схемы на четвертьволновой разомкнутой линии.