LV14331B - Metode un ierīce mitruma satura noteikšanai šķidros, gāzveida un daudzfāzu materiālos pēc to absorbcijas koeficienta un dielektriskās caurlaidības - Google Patents

Description

Izgudrojuma apraksts

Izgudrojums attiecas uz šķidro, gāzveida un daudzfazu vielu analīzes nozares, nosakot to elektrofiziskās īpašības, tādas kā absorbcijas koeficients un dielektriskā caurlaidība, ar elektromagnētiskā lauka palīdzību superaugstfrekvences (SAF) diapazonā. Piedāvāto metodi un iekārtu (tālāk tekstā - iekārta) izmanto, piemēram, ūdens satura kontroles tehnoloģijā bezūdens tehnoloģiskajos šķidrumos, lai noteiktu brīvā ūdens saturu jēlnaftā un naftasgāzes kondensātā, kā arī lai mērītu ūdens saturu piesātinātā ūdens tvaikā.

Daudzās tautsaimniecības nozarēs tehnoloģiskos un enerģētiskos procesos izmanto piesātinātu ūdens tvaiku. Lai precīzi noteiktu tā siltumietilpību, ir nepieciešams zināt ūdens saturu tajā, kas atrodas pilienu veidā kā kondensāts.

Bezūdens tehnoloģiskajos šķidrumos bieži nokļūst ūdens no nehermētiskiem rezervuāriem, veidojoties kondensātam utt. To lietošana var novest pie tehnikas bojājumiem. Tā, piemēram, ūdens saturs transformatoru eļļā rada dielektriskās vides elektrisko caursiti un transformatora tinumu īsslēgumu. Ūdens automašīnu eļļās traucē eļļojošās plēvītes veidošanos uz kustīgo detaļu savienojošās virsmas.

Ūdens saturs šķidrajos kurināmos rada sekojošas negatīvas sekas: izraisa degvielas tvertņu un cauruļvadu paātrinātu koroziju; samazina degvielas filtru caurlaides spēju; palielina žikleru un sprauslu dilšanu; izsauc iekšdedzes dzinēju nedrošu darbību, pat to apstāšanos; palielina remonta un detaļu nomaiņu varbūtību degvielas aparatūrai; izraisa gāzu sadales un kloķa-klaņa mehānismu bojājumus hidrotrieciena rezultātā, kas rodas sadegšanas kamerā, kopā ar degvielu ūdenim nokļūstot dzinējos ar paaugstinātu kompresijas pakāpi.

Ņemot vērā minētos iemeslus, tehnikā ir ļoti svarīgi noteikt ūdens satura lielumu bezūdens tehnoloģiskajos šķidrumos un gāzēs.

Zināmā tehnikas līmeņa analīze

Ir pazīstamas iekārtas [1, 2] ūdens satura noteikšanai naftas produktos un eļļās, kas pamatojas uz SAF izstarojuma absorbcijas efektu viļņvada nogrieznī. Metode balstās uz to, ka pārbaudāmo naftas produkta paraugu ievieto SAF pārvades līnijas pilnajā viļņvadā, iedarbojas uz paraugu ar izstarojumu SAF diapazonā un mēra starojumu, kas izgājis caur naftas produktu. Pēc enerģijas vājinājuma nosaka mitruma saturu naftas produktā. Šīs metodes trūkumi ir sekojoši:

1) ierobežots mērij umu diapazons (10-30%);

2) aparatūras izveidošanas sarežģītība;

3) nepieciešamība regulēt rezonatora saites koeficientu un salāgot SAF ģeneratora izstarojumu un slodzi;

4) nepieciešamība izstaroto un caurgājušo viļņu intensitātes mērīšanai izmantot divus detektorus, kas raksturlīkņu nesalāgotības dēļ palielina kļūdu;

5) signāla amplitūdas mērījumi frekvencēs virs 10 GHz mūsdienas nav pietiekami precīzi.

Ir zināma iekārta [3] ūdens rasas punkta noteikšanai dabas gāzē. Šāda hidrometra mērelements satur dielektrisku viļņvadu, kuru dzesē termoelektrisks modulis un viļņvada virsmas temperatūras devējs. Pie viena viļņvada gala ir novietots SAF viļņu avots, pie otra - šo viļņu detektors. Atdzesējot viļņvadu zem rasas punkta, uz tā kondensējas ūdens pilieni, tādejādi ūdenī SAF diapazona radioviļņu absorbcijas rezultātā signāla amplitūda no detektora samazinās, ko uzrāda elektroniskā shēma.

Ir pazīstama metode [4] dielektrisko šķidrumu kvalitātes kontrolei, kas balstās uz SAF iekārtu mitruma satura mērīšanai naftā un tās produktos. Tās pamatā ir SAF izstarojuma plūsmas radīšana caur naftas produkta paraugu, izolētu koaksiālā radioviļņvadā, un SAF svārstību mērīšana, kuras ir izgājušas caur paraugu. Vibnada iekšējais elektrods ir izveidots metāliska stieņa veidā, kurš ir savienots ar SAF svārstību ģeneratoru, ir iegremdēts pārbaudāmajā naftas produkta paraugā un ir novietots uz ass cilindriskam viļņvada apvalkam. SAF signāla intensitāti regulē, izmainot SAF ģeneratora izejas jaudu un stieņa diametru. Metodes trūkumi ir sekojoši:

1) metodes un iekārtas ierobežots pielietojums, kas nedod precīzus rezultātus visā ūdens koncentrācijas diapazonā naftas produktā;

2) pārbaudāmā parauga sasilšanas iespēja EMV izstarojuma rezultātā pa koaksiālo viļņvadu un mitruma mērīuma rezultātu neprecizitāte;

3) nepieciešamība optimizēt SAF starojuma frekvenci atkarībā no ūdens koncentrācijas un savienošanās pakāpes ar naftas produktu;

4) parauga sagatavošanas un mitruma mērīšanas procesa ilgums.

Ir pazīstama iekārta [5] ūdens koncentrācijas noteikšanai jēlnaftā, kurā caur keramiskiem, radioviļņus caurlaidošiem logiem cauruļvadā ievada SAF izstarojumu divās frekvencēs (diapazonos 2-4 un 8-12 GHz) un pēc tam aprēķina fāzu nobīdi un rimšanu, un galarezultātā nosaka mitruma saturu. Konstrukcijas trūkums ir nepieciešamība uzstādīt cauruļvadā radioviļņus caurlaidošus logus.

Ir pazīstama iekārta [6] ūdens satura noteikšanai jēlnaftā, ar kuru uz cauruļvadu ar radioviļņus caurlaidošu nogriezni, kurā plūst naftas produkts, iedarbojas ar SAF starojumu. Ar termopāriem, kas novietoti pirms un pēc nogriežņa, mēra temperatūru ieejā un izejā, bet ar tilpuma mērītāju nosaka caurplūdušo daudzumu un pēc tam, pamatojoties uz iegūtajiem datiem par enerģijas absorbciju, apiēķina mitruma saturu. Šādas konstrukcijas trūkumi ir sekojoši:

1) ir nepieciešams ievērojamas jaudas SAF ģenerators;

2) cauruļvadā ir nepieciešams radioviļņus caurlaidcšs nogrieznis vai logs;

3) ir nepieciešams tilpuma mērītāja;

4) ir novērojama metodes precizitātes samazināšanās pie liela daudzuma.

Vispārzināma ir dielektriķu parametru noteikšanas metode ar SAF, kurā paraugs tiek ievietots īsslēgta viļņvada galā. Mērījumu laikā elektromagnētiskais vilnis ar fiksētu frekvenci izplatās pa viļņvadu, sasniedz paraugu, daļēji atstarojas un daļēji absorbējas tajā. Atstarotā viļņa amplitūda un fāze ir atkarīga no parauga kompleksās dielektriskās konstantes. Atstarotais vilnis mijiedarbojas ar krītošo vilni un veidojas interferences parādība, ko sauc par stāvvilni. Stāvviļņa attēlu reģistrē elektriska zonde, kas pārvietojas pa spraugām, izgrieztām īsslēgtā viļņvada nogrieznī. Tā mēra skrejošā viļņa koeficientu un maksimumu un minimumu stāvokli stāvvilnī. Pēc šiem rezultātiem aprēķina dielektrisko konstanti un zudumu koeficientu. Metodes trūkumi ir sekojoši:

1) darbietilpība;

2) kustīgu elementu esamība mēriekārtā;

3) SAF ģeneratora ievērojamais enerģijas patēriņš.

Par izgudrojuma prototipu ir izvēlēta iekārta [7, 10] mitruma satura noteikšanai naftā un naftas produktos Iekārta ir cauruļvada nogrieznis ar flančiem, kuri ir koaksiālā viļņvada ārējais vadītājs. Viļņvada iekšējais vadītājs ir izgatavots kā izolēts vai vaļējs metāla stienis, kas ar vienu galu ir savienots ar svārstģeneratoru, kas strādā frekvenču diapazonā no 170 līdz 230 MHz, bet ar otru galu ir savienots ar uztvērēju. Elektroniskā shēma satur jaucēju, kas nosaka interferences frekvenci un, izmantojot atmiņā ierakstītās sakarības, nosaka mitruma saturu. Minētās konstrukcijas trūkumi ir sekojoši:

1) pie augsta ūdens satura (virs 50%) ir novērojama ievērojama absorbcija vai īsslēgums, kad nepieciešams pārklājums no izolējošiem materiāliem;

2) koaksiālu ievadu nepieciešamība no abiem iekārtas galiem;

3) lieli konstrukcijas gabarīti zemas darba frekvences rezultātā;

4) augsta jutība pret analizējamā vielā izšķīdušajiem sāļiem, kas izmaina vadāmību pie zemām frekvencēm.

No teorijas un prakses ir zināms, ka ūdens molekulai sakarā ar lielo dipola momentu ir ievērojams absorbcijas koeficients superaugstfrekvences diapazonā. Tāpat ir zināms, ka ūdens dielektriskā caurlaidība ε= 81 (atšķirībā no naftas produktiem, kuri galvenokārt ir eļļas ar dielektrisko caurlaidību ε= 1,8-2,5). Ūdens naftas eļļās var atrasties saistītā veidā (tas var būt izšķīdis vai saistīts ar virsmaktīvām vielām), kā arī emulsijas daļiņu veidā eļļas fāzē. Saistītā ūdens daudzums eļļās var būt 15%. Saistītais ūdens izstarojumu SAF diapazonā absorbē maz, tāpēc mitruma mērīšana ar SAF ir mazefektīga tā noteikšanai. Šo metodi lieto, nošalcot brīvo ūdeni. No otras puses, kad kopējais ūdens daudzums pārsniedz 40-50%, SAF signālam ir pārāk liela rimšana un metodes, kas balstās uz sprieguma rezonanses parametru mērīšanu, kļūst neefektīvas.

Izgudrojuman mērķi un būtība

Uzdevumi, kuru atrisināšanai ir domāts šis izgudrojums:

1) darba frekvences paaugstināšana, lai samazinātu jutību pret izšķīdušajiem sāļiem;

2) konstrukcijas vienkāršošana;

3) diapazona paplašināšana un precizitātes palielināšana, izmantojot gan dielektrisko caurlaidību, gan arī absorbcijas koeficientu.

Piedāvātās iekārtas darbības princips balstās uz elektromagnētiskās enerģijas zudumu mērīšanu viendabīgā līnijā, kas pilnīgi atrodas mērījamajā vielā, vienlaicīgi mērot dielektrisko konstanti ε pēc rezonanses frekvences izmaiņām. Pamatojoties uz šiem mērījumu rezultātiem, programmējams mikroprocesors nosaka, pēc kāda parametra noteikt vielas mitruma saturu. Piemēram, naftas vidēs, kur ūdens koncentrācija ir līdz 40-50%, koncentrāciju nosaka pēc absorbcijas koeficienta, bet pie augstākas koncentrācijas koncentrāciju nosaka pēc dielektriskās konstantes ε mērījumu rezultātiem.

No elektromagnētisma teorijas ir zināms, ja līnijas ar zudumiem gals ir īsslēgts, tad līnijas ieejas pretestību aprēķina pēc formulas

Z_x= = pthyx;

kurā: Z_x ir līnijas ieejas pretestība, p ir līnijas viļņu pretestība, x ir līnijas garums, γ ir izplatīšanās koeficients, ko aprēķina no sakarības γ = α + 1β.

Lielumiem α un β ir komplicēta atkarība, ko mazu zudumu gadījumā pietiekami precīzi izsaka sakarības;

p kurās G, R, L_o, un Co ir līnijas konstantie parametri, p ir līnijas viļņu pretestība, tu ir elektromagnētisko svārstību leņķiskā frekvence.

Aprakstam pievienoto zīmējumu apraksts:

- Zīm.l ir parādīta īsslēgtas līnijas nogriežņa ieejas pretestības moduļa atkarība no tās garuma pie fiksētas frekvences, kur λ ir viļņa garums, 1 ir līnijas garums;

- Zīm.2 ir parādīta signāla amplitūda līnijā atkarībā no frekvences (līnija ir aizpildīta ar petroleju, kas vāji absorbē SAF enerģiju;

- Zīm.3 ir parādīta signāla amplitūda līnijā atkarībā no frekvences (līnija ir aizpildīta ar 10% ūdens emulsiju petrolejā, kas palielina absorbciju un noved pie signāla amplitūdas palielināšanās rezonanses frekvencēs, kam atbilst līknes minimums;

- Zīm.4 ir parādīta piedāvātās iekārtas blokshēma saskaņā ar 1. pretenziju;

- Zīm.5 ir parādīta piedāvātās iekārtas blokshēma saskaņā ar 3. pretenziju.

Zīm.l ar λ ir apzīmēts viļņu garums pārbaudāmajā naftas produktā, bet ar 1 ir apzīmēts attālums no īsslēgtā gala. No zīmējuma redzams, ja frekvence ir izvēlēta tāda, pie kuras ieejas pretestība ir vismazākā, tad, mērot spriegumu līnijas vaļējā galā, var aprēķināt zudumus, kuri savukārt ir atkarīgi no vielas sastāva, ūdens koncentrācijas naftas produktā vai ūdens tvaikā. Tāpat ir redzams, ka mērījumiem var izmantot ne tikai pirmo, bet arī augstākās rezonanses frekvences, kas samazina ūdens sāļu satura ietekmi uz mērījumu rezultātu. Šis apstāklis ir svarīgs iekārtas darbībā.

Zīm. 2 un zīm.3 ir attēlota līniju aizpildošās vielas mitruma satura ietekme uz signāla amplitūdu līnijas galā. Rezonatoram pieslēgtās ķēdes impedance ir vienāda ar paralēli savienota ģeneratora un SAF signāla amplitūdas V mērītāja impedanci ( skat. zīm.l un 2). Šai impedancei ir galīga pretestība; tāpēc, lai palielinātu precizitāti, mērījumus veic, izmantojot frekvences pie vismazākās pretestības, kas ir būtiski iekārtas darbībā. Tā kā amplitūdas mērīšanas punkts ir stingri noteikts, šo mērķi sasniedz mainot (regulējot) ģeneratora G frekvenci. īsslēgtai līnijai frekvences, pie kurām ir novērojami minimumi, aprēķina pēc formulas _ v _2-L-c ^k f kfe kurā: Fk ir frekvence; v ir gaismas ātrums pārbaudāmajā vielā; λ ir viļņa garums pārbaudāmajā vielā; L ir līnijas rezonējošās daļas garums; c ir gaismas ātrums brīvā telpā; k ir vesels skaitlis, pie kam k > 0; ε ir līniju aizpildošās vielas dielektriskā konstante.

Vaļējai līnijai rezonanses frekvences aprēķina analoģiski.

Tā kā līnijas darba, resp., rezonējošā, daļa ir pilnīgi aizpildīta ar izpētāmo vielu, kas ir būtiski piedāvātajai iekārtai, tad dielekrisko konstanti var aprēķināt pēc formulas ha kura Fo ir līnijas pirmā rezonanses frekvence gaisa, kas ir izmērīta iekārtu kalibrējot un ir ierakstīta mikroprocesora atmiņā, bet F ir līnijas pirmā rezonanses frekvence mērījamā vielā.

Dielektriskā caurlaidība reālām vielām ar mainīgu frakciju sastāvu var mainīties zināmā robežās. Piemēram, standarta lielums naftas produktiem ir no 1,7 līdz 2,4. Metodes, kurās mēra tikai 8, uztver šādas izmaiņas kā mitruma satura maiņu.Vienīgais paņēmiens, kā izvairīties no kļūdām šajā gadījumā, ir pārkalibrēšana vai faktiski izmērītas sausas vielas £ ievadīšana. Tāpēc pie maza mitruma satura (aptuveni līdz 0,5-1%) nav iespējams noteikt tā daudzumu, mērot tikai ε. Šajā diapazonā ticamus rezultātus mitruma satura mērījumiem var iegūt tikai no zudumu mērījumu rezultātiem. Tas ir būtiski šīs iekārtas darbībā.

Ieteicamie iekārtas izveidošanas varianti

Vienam no iespējamiem iekārtas izveidošanas variantiem blokshēma ir parādīta zīm.4. Tā sastāv no koaksiālas līnijas īsslēgta nogriežņa, kas satur: ārējo cilindrisko vadītāju 1; iekšejo cilindrisko vadītāju 2 unīsslēgtas bukses 3; ģeneratoru G, regulējamu diapazonā no 1000 līdz 4400 MHz; strāvu ierobežojošās pretestības R; SAF signāla amplitūdas mērītāju V. Tā kā vielai 4 var būt dažādi parametri, tad, lai iegūtu stāvviļņa režīmu līnijā ar fiksētu garumu, izmanto ģeneratoru G ar programējamām frekvencēm. No signāla padeves puses līnija ir noslēgta ar izolējošu buksi 5. Ģeneratora vadība notiek ar mikroprocesoru iekārtu MPU, kura saņem arī datus par amplitūdas mērījumiem.

Iekārtas cita izpildījuma varianta blokshēma ir parādīts zīm.5. Signāla padevei šajā variantā ir izmantota koaksiālā līnija, kuru veido ārējais apvalks 1, un iekšējais vadītājs 2. Signāla noņemšanai ir izmantota koaksiālā līniju, kura veido iekšējais vadītājs 2, kurš šajā gadījumā izpilda apvalka lomu, un vadītājs 6. Salāgošanu no abiem galiem izpilda pretestības Rl, kuru lielums ir vienāds ar iekšējās līnijas viļņu pretestību.

Izmantotie informācijās avoti:

1. Patents BY 10139 Cl, kas izdots 30.12.2007;

2. Patents US 4,301,400, kas izdots 17.11.1981;

3. Patents RU 2092818, kas izdots 1997 g.;

4. Patents RU 2073852 , kas izdots 1997 g. (starptautiskās klasifikācijaas indekss G 01N

22/04);

5. Patents US 4,902,961, kas izdots 20.02.1990;

6. Patents US 4,891,969, kas izdots 09.01.1990;

7. Patents US 4,996,490, kas izdots 26.02.1991;

8. Patents US 7,523,647, kas izdots 28.04.2009;

9. Patents US 7,457,714, kas izdots 25.11.2008;

10. Patents US 7,587,290, kas izdots 08.09.2009.

Claims (6)

1. Pretenzijas

   1. Iekārta mitruma satura noteikšanai šķidrās, gāzveida un daudzfazu vielās pēc to absorbcijas koeficienta un dielektriskās caurlaidības, kas izmērīta, izmantojot stāvviļņa režīmā strādājošu un ar pārbaudāmo vielu piepildītu pārvades līniju, kas atšķiras ar to, ka līnijas darba posms ir aizpildīts ar pārbaudāmo vielu vai iegremdēts tajā pilnīgi, pie kam līnijas ierosmes ģenerators un sprieguma mērītājs ir pieslēgti vienam līnijas galam, bet otrs pārvades līnijas gals ir īsslēgts.
2. 2. Iekārta saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka otrs pārvades līnijas gals ir vaļējs.
3. 3. Iekārta saskaņā ar 1. pretenziju, kas atšķiras ar to, ka līnijas ierosmes ģenerators un sprieguma mērītājs ir atdalīti no līnijas, un savienojums starp tiem ir izpildīts ar sakaru līnijas palīdzību.
4. 4. Mitruma satura noteikšanas metode šķidrās, gāzveida un daudzfazu vielās pēc to absorbcijas koeficienta un dielektriskās caurlaidības, kas izmērīta stāvviļņa režīmā strādājošā un ar pārbaudāmo vielu piepildītā pārvades līnijā, kas atšķiras ar to, ka mitruma satura noteikšanai izmanto iekārtu saskaņā ar 1. pretenziju, pie kam, lai samazinātu statiskās vadāmības ietekmi, absorbcijas koeficienta un dielektriskās konstantes mērījumus veic ar frekvenci robežās no 800 MHz līdz 5000 MHz.
5. 5. Mitruma satura noteikšanas metode šķidrās, gāzveida un daudzfazu vielās pēc to absorbcijas koeficienta un dielektriskās caurlaidības saskaņā ar 4. pretenziju, pie kam absorbcijas koeficienta un dielektriskās konstantes mērījumus veic pie minimālas pārvades līnijas ieejas pretestības, bet pārbaudāmās vielas mitruma saturu nosaka, pamatojoties uz rezultātiem par absorbcijas koeficientu un dielektrisko konstanti, kas izmērīti pie vairākām pārvades līnijas rezonanses frekvencēm.
6. 6. Polāras vielas satura mērīšanas metode nepolārā šķīdinātājā saskaņā ar 4. vai 5. pretenziju.