RU2372608C1 - Method of measuring moisture content of mixture and sensor to this end - Google Patents
Method of measuring moisture content of mixture and sensor to this end Download PDFInfo
- Publication number
- RU2372608C1 RU2372608C1 RU2008141242/09A RU2008141242A RU2372608C1 RU 2372608 C1 RU2372608 C1 RU 2372608C1 RU 2008141242/09 A RU2008141242/09 A RU 2008141242/09A RU 2008141242 A RU2008141242 A RU 2008141242A RU 2372608 C1 RU2372608 C1 RU 2372608C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- coaxial line
- mixture
- moisture content
- segment
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
- G01N22/04—Investigating moisture content
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to a microwave measurement technique and can be used to determine the content of components of various liquid media, in particular water content, by measuring the dielectric properties of a mixture, for example, alcohol-containing mixtures, dairy products, moisture content of various petroleum products, etc. The invention has the best practical applicability for determining the moisture content of crude oil, for which it, without loss of generality, is directly intended.
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).Known methods and devices for measuring the moisture content of a mixture based on measuring its electrophysical parameters using radio frequency sensors filled with a controlled mixture (US, No. 4862060), (US, No. 5157339), (US, No. 4864850), (SU, No. 1682896) .
Недостатком этих способов измерения и устройств является зависимость точности результатов измерения влагосодержания от различных влияющих факторов: изменения сортности жидкости, ее солесодержания и др.The disadvantage of these measurement methods and devices is the dependence of the accuracy of the moisture content measurement results on various influencing factors: changes in the grade of the liquid, its salinity, etc.
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).A device is known for measuring the moisture content of a mixture in which the test mixture fills the flow section of a segment of a coaxial line, one of whose ends is open or short-circuited and fully reflects, and the dielectric constant is determined by the phase of the reflected signal (GB, No. 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.The accuracy of the method and this device is limited by the fact that to determine the effective dielectric constant of the coaxial sensor, an analysis of the characteristics of the TEM reflected wave propagating both in the supply path and in the area of the coaxial sensor where the test mixture flows is used. At the same time, the instability of the parameters of the supply path, outside the filling area of the test mixture, also makes its error in measurements, for example, temperature. From fig.10 (GB, No. 2110377) it can be seen that the error in determining the relative dielectric constant from the magnitude of the reflected signal has a large error in the region of the maximum, even if there is confidence that the interference order is known.
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.A microwave device for measuring the flow of mixture properties (sensor) is known, comprising a segment of a coaxial line, two fittings mounted on the side surface of the outer conductor of a segment of a coaxial line, a channel for transmitting a mixture of flow between the inner and outer conductors of a segment of a coaxial line (EP, No. 0268399 ) This sensor contains two transition elements installed respectively from both ends of the segment of the coaxial line, one of the transition elements is used to connect to the generator and receive the reflected signal, the other to measure the transmitted power of the TEM wave. This technical solution uses the phenomenon of frequency pulling, in which the measured pulling frequency depends on the effective dielectric constant of a segment of a coaxial line partially or completely filled in the interelectrode space by the mixture under study. As indicated in the description of the patent, an ambiguity of measurement is possible - an example is considered in which it is agreed that special means must be taken to distinguish whether the moisture content of the mixture varies in the range of 2-4% or in the range of 0-2% moisture content. Thus, the known equipment has limitations in the field of measurement.
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).The closest is a method of measuring the moisture content of a mixture, including excitation of TEM waves by a frequency tunable generator in a coaxial resonator in which the mixture flows, and measuring the amplitude-frequency characteristic of the power of TEM waves (Y Huang, MTS 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.In this technical solution, the moisture content is judged by the position of the extrema (maxima or minima) of the amplitude-frequency characteristic of the TEM power of the reflected waves. To do this, the shorted coaxial sensor is filled with the mixture under study, and the moisture content is determined by the amplitude-frequency characteristic of the power of the reflected wave when the generation frequency is sweeped (with linear frequency modulation — LFM — of the generated wave). The high-frequency energy of the probe wave is supplied to a segment of the coaxial line using a smooth horn junction connected to it.
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.From the indicated closest source of information, a sensor is also known for measuring the moisture content of the mixture, containing a segment of the coaxial line, two fittings mounted on the side surface of the outer conductor of the segment of the coaxial line, a channel for transmitting the flow of the mixture between the inner and outer conductors of the segment of the coaxial line.
Ограничением этого известного способа и устройства с использованием амплитудно-частотной характеристики мощности ТЕМ отраженных волн является недостаточно высокая точность.The limitation of this known method and device using the amplitude-frequency power characteristic of TEM reflected waves is not high enough accuracy.
Решаемая изобретением задача - повышение технико-эксплуатационных характеристик.The problem solved by the invention is the improvement of technical and operational characteristics.
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.The technical result that can be obtained by implementing the method and device is to increase the accuracy of measurement while expanding the range of determination of moisture content, simplifying measurements and accelerating their performance by providing the ability to automate measurements.
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 H11, по положению резонансных провалов волн H11 определяют калибровочную зависимость влагосодержания от частоты для волн H11, и для исследуемого потока смеси судят о влагосодержании по упомянутой калибровочной зависимости, измеряя действительное положение частотного резонансного провала волны H11 исследуемого потока смеси.To solve the problem with the achievement of the specified technical result in the known method of measuring the moisture content of the mixture, including the excitation of TEM waves by a frequency tunable generator in a coaxial resonator in which the mixture flows, and measuring the amplitude-frequency power characteristic of TEM waves, according to the invention for a mixture with predetermined indicators of the moisture content of the mixture in the amplitude-frequency characteristic of the power of the TEM waves, the frequency position of the resonance H waves shafts 11, the position of resonance dips 11 H waves determined calibration curve for moisture frequency waves H 11, and for the test mixture stream is judged on the moisture content of said calibration curve by measuring the actual position of the resonant frequency of failure of the test wave H 11 mixture flow.
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 H11.To solve the problem with the achievement of the specified technical result in a known sensor for measuring the moisture content of a mixture containing a segment of a coaxial line, two fittings installed on the side surface of the outer conductor of a segment of a coaxial line, a channel designed to transmit a stream of a mixture between the inner and outer conductors of a segment of a coaxial line , according to the invention, a dielectric sleeve is inserted, installed between the inner and outer conductor of a segment of a coaxial line, channel formed in the insulating sleeve between the two fittings, the inner wall portion of the outer conductor of the coaxial line, located between the nipples, serves wall of the channel, and electrical (effective) cross-sectional dimensions of the coaxial line are selected providing the excitation and in the interval distribution coaxial line wave H 11 .
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:Additional embodiments of the device are possible, in which it is advisable that:
- канал в поперечном сечении отрезка коаксиальной линии был выполнен в форме сектора;- the channel in the cross section of a segment of the coaxial line was made in the form of a sector;
- 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 H11.- a transition element was installed on one end side of the coaxial line segment, designed to coordinate the resistance of the coaxial line segment and connected to a frequency tunable generator, and a short-circuit element was installed on the other end side of the coaxial line segment, and the electrical (effective) cross-sectional dimensions transition element made less than the critical section of the wave H 11 .
Указанные преимущества, а также особенности изобретения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи.These advantages, as well as features of the invention are illustrated by the best option for its implementation with reference to the accompanying drawings.
Фиг.1 схематично изображает конструкцию датчика.Figure 1 schematically depicts the design of the sensor.
Фиг.2 - поперечное сечение А-А на фиг.1.Figure 2 is a cross section aa in figure 1.
Фиг.3 - схему измерения.Figure 3 - measurement scheme.
Фиг.4 - АЧХ для волн выбранного частотного диапазона.Figure 4 - frequency response for the waves of the selected frequency range.
Фиг.5 - калибровочные зависимости влагосодержания от частоты, где TEMmax hf - зависимость положений максимумов ТЕМ в высокочастотной части рабочего диапазона, TEMmax 1f - зависимость положений максимумов ТЕМ в низкочастотной части рабочего диапазона, H11 - калибровочная зависимость влагосодержания от частоты для волн H11 (положения резонансных провалов волн H11).Figure 5 - calibration dependences of the moisture content on the frequency, where TEM max hf is the dependence of the positions of the TEM maxima in the high-frequency part of the operating range, TEM max 1f is the dependence of the positions of the TEM maxima in the low-frequency part of the working range, H 11 is the calibration dependence of the moisture content on the frequency for waves H 11 (the position of the resonant dips of waves H 11 ).
Поскольку заявленный способ реализуется с помощью датчика, то сначала описывается его конструкция, а далее заявленный способ подробно раскрывается в описании работы датчика.Since the claimed method is implemented using a sensor, its design is first described, and then the claimed method is described in detail in the description of the sensor.
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 H11.The sensor for measuring the moisture content of the mixture (FIGS. 1, 2) contains a segment 1 of a coaxial line made with an
В частном случае канал 6 в поперечном сечении отрезка 1 коаксиальной линии выполнен в форме сектора (фиг.2).In the particular case of the
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.The sensor can be made with a passage-type resonator (not shown in FIGS. 1 and 2), in this case the TEM wave is supplied from one end of the segment 1 of the coaxial line, and is removed from the other end.
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 H11, чтобы она не могла распространяться к генератору.If the sensor is made with a reflective resonator (Fig. 1, 2), then it is advisable that a
Работает датчик для измерения АЧХ следующим образом (фиг.3).The sensor for measuring the frequency response works as follows (figure 3).
Для измерения АЧХ по известным методикам может использоваться как стандартное, так и специализированное оборудование.To measure the frequency response by known methods, both standard and specialized equipment can be used.
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» - Н11. Волны Н11 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 Н11 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 H11 (т.е. электрические (эффективные) размеры поперечного сечения отрезка выполнены больше критического сечения волны H11). 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 H11.The
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.
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 H11 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 H11. Резонансы волны H11 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 H11 легко отличаются (фиг.4). Частотное положение экстремумов зависит от эффективной диэлектрической проницаемости заполняющего резонатор диэлектрика, в основном оно определяется влагосодержанием смеси.At the same time, the resonator (Fig. 1) is a segment 1 of the coaxial line, the reflecting elements of which are the shorted back wall of the casing - a short-circuiting element 9 and the beginning of the
Влагосодержание, таким образом, определяет частотные положения различающихся порядком резонанса экстремумов (минимумов АЧХ волн ТЕМ и H11 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 H11, 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 Н11 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 Н11, 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.The moisture content, therefore, determines the frequency positions of the extrema that differ in the order of resonance (minima of the frequency response of TEM and H 11 waves and maxima - the “antiresonances” of TEM waves shifted from the minima by half the wavelength in the line, or by (φ = π), each of which corresponds to its own frequency, varying from moisture content. Figure 4 shows the frequency response family for the implemented design with a change in moisture content in the flow of oil simulating oil from 6% to 23%. In this example, the frequency uniqueness remains in the frequency range 1100-1245 MHz For the H 11 wave, with an increase in the moisture content of the flow and an increase in the dielectric constant, the resonance shifts toward lower frequencies, and for the frequency response of the highest moisture content of ~ 23%, the unambiguity is violated with increasing frequency and the appearance of a second resonance suction at a frequency of about 1253 MHz , i.e., in this example, the design of the meter allows you to easily judge the moisture content in the range from 6 to 23% only by the resonance frequency of the H 11 wave when choosing the operating range 1100-1245 MHz. It is also possible to move to a region of higher water cut (i.e., to expand the working water cut range upwards, while increasing the operating frequency range towards lower frequencies), requiring not only the resonance dip of the H 11 wave, but imposing a milder condition for use the first from the side of low resonance frequencies. Using the frequency response family in Fig. 4, it can be seen from the graph that, in this case, the operating frequency range can be expanded to at least 1080 MHz.
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 Н11 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 H11, но также и меньшая крутизна измерительной характеристики для волны H11 (большая скорость смещения резонанса с изменением обводненности и-за меньшей длины резонатора по сравнению с базой интерференции волны ТЕМ), что видно из фиг.5.At the same time, the observed extrema of the interference curve of the TEM wave shift with increasing moisture content (water cut) towards lower frequencies with lower speed, the same uniqueness exists for narrower parts of the frequency range. For a given water cut range (6-23%), the moisture content uniquely determines the resonance minimum in the range 1120-1260 MHz, and even more so to establish the uniqueness and reduce the error in measuring the frequency (and moisture content), you can compare the resonance frequency of the wave H 11 in the range of 1080-1260 MHz one of the selected extrema (in our case, the maximum) of the TEM reflected wave plot on the frequency response in the range 1190-1260 MHz or 1120-1190 MHz. Note that a decrease in the error determines not only a higher quality factor (a more accurate frequency measurement from a high-Q resonance dip) for wave H 11 , but also a lower slope of the measurement characteristic for wave H 11 (a large resonance displacement rate with a change in water cut due to a shorter length resonator compared with the base of the TEM wave interference), as can be seen from Fig.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.The claimed method is applicable to a passage-type resonator, in this case, two transition elements mounted on the ends of a segment 1 of a coaxial line will serve as reflective elements for H11 waves.
Таким образом, чтобы измерить влагосодержание, (например, в потоке сырой нефти) достаточно:Thus, to measure the moisture content (for example, in a stream of crude oil) it is enough:
- 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);- to excite TEM waves by a frequency-
- затем, для смеси с заранее заданными показателями влагосодержания смеси в амплитудно-частотной характеристике мощности ТЕМ волн дополнительно измерить частотное положение резонансных провалов волн H11 (фиг.4);- then, for a mixture with predefined indicators of the moisture content of the mixture in the amplitude-frequency characteristic of the power of TEM waves, additionally measure the frequency position of the resonant dips of waves H 11 (Fig. 4);
- далее, по положению резонансных провалов волн H11 определяют калибровочную зависимость (фиг.5) влагосодержания от частоты для волн H11;- further, according to the position of the resonant dips of the H 11 waves, a calibration dependence (Fig. 5) of the moisture content on the frequency for the H 11 waves is determined;
- для исследуемого потока смеси судят о влагосодержании по упомянутой калибровочной зависимости (фиг.5), измеряя действительное положение частотного резонансного провала волны H11 исследуемого потока смеси.- for the test flow of the mixture, the moisture content is judged by the aforementioned calibration dependence (Fig. 5) by measuring the actual position of the frequency resonance dip of wave H 11 of the test flow of the mixture.
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.To judge the moisture content according to the mentioned calibration dependence (Fig. 5), you can create in block 17 (Fig. 3) the corresponding
Пример практической реализации.An example of practical implementation.
Рабочий диапазон частот выбран таким, чтобы резонанс волны H11 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 Н11 по сравнению с волной ТЕМ, так и за счет меньшей крутизны наклона прямой зависимости влагосодержания от частоты для волны Н11. 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 H11 на кривой АЧХ принадлежит первый высокодобротный резонанс со стороны низких частот.The working frequency range is chosen so that the resonance of the H 11 wave is observed at the high-frequency end of the sweep range, shifting toward lower frequencies with increasing moisture content of the flowing mixture. Figure 4 shows an example of an experimentally recorded dependence of the power of the reflected signal on the frequency for changing the moisture content of the crude oil simulator in the range from 6 to 23% moisture content. Frequency response is given for the design corresponding to figure 1, with the filling of fluoroplastic. In this case, high-frequency energy was supplied and diverted by a 50 Ohm strip line, which excited the coaxial line through the coaxial-strip transition and the conical coaxial transition completely filled with fluoroplastic, also 50 Ohm. Without changing the wave impedance (Figs. 1, 2), a transition was made to a segment 1 of a coaxial line with an outer conductor diameter of 3-80 mm, in which a
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 H11. 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 связиWe also note that when the dielectric constants of the mixture of the flow and the segment of the coaxial line (coaxial waveguide) of the radio frequency
волны H11 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.H 11 waves and TEM waves in the coaxial waveguide also serve as the openings of the nozzles 4, 5. In addition, it is possible to lower the effective dielectric constant of the filling by removing a part of the fluoroplastic filling from the side opposite to the nozzles 4 and 5, with the replacement removed for mechanical strength, for example polystyrene foam. Simultaneously with the electrodynamic role, the filling dielectric of the dielectric sleeve 7 (in our example, fluoroplastic) has the functions of a support node that stabilizes the position of the
Специалистам понятно, что приведенная конкретная конструкция датчика не исчерпывает всех возможных реализации способа, охарактеризованного формулой изобретения.Those skilled in the art will understand that the specific sensor design given does not exhaust all possible implementations of the method described by the claims.
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.The most successfully claimed method of measuring the moisture content of a mixture and a sensor for its implementation are industrially applicable in determining the amount of water in crude oil, but they can also be used in analyzing the moisture content of various liquid media.
Claims (4)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008141242/09A RU2372608C1 (en) | 2008-10-17 | 2008-10-17 | Method of measuring moisture content of mixture and sensor to this end |
| PCT/RU2009/000262 WO2010044692A1 (en) | 2008-10-17 | 2009-05-25 | Method for measuring mixture moisture content and a sensor for carrying out said method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008141242/09A RU2372608C1 (en) | 2008-10-17 | 2008-10-17 | Method of measuring moisture content of mixture and sensor to this end |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2372608C1 true RU2372608C1 (en) | 2009-11-10 |
Family
ID=41354818
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008141242/09A RU2372608C1 (en) | 2008-10-17 | 2008-10-17 | Method of measuring moisture content of mixture and sensor to this end |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2372608C1 (en) |
| WO (1) | WO2010044692A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2571631C1 (en) * | 2014-11-25 | 2015-12-20 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Microwave technique for determining precipitated moisture in liquid hydrocarbons |
| RU2769954C1 (en) * | 2021-12-01 | 2022-04-11 | Общество с ограниченной ответственностью "НАФТА-СПЕКТР" | Method for measuring moisture content in water-oil mixtures and a device for its implementation |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4864850A (en) * | 1984-02-08 | 1989-09-12 | Nabisco Brands, Inc. | Method and apparatus for continuously monitoring the moisture content of a material |
| US4862060A (en) * | 1986-11-18 | 1989-08-29 | Atlantic Richfield Company | Microwave apparatus for measuring fluid mixtures |
| RU2096768C1 (en) * | 1992-06-11 | 1997-11-20 | Производственно-коммерческая фирма "Вест компани лимитед" | Shf method of measurement of moisture content and sensitive element in the form of open waveguide resonator for its implementation |
| RU2199731C1 (en) * | 2001-06-08 | 2003-02-27 | Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Device for determination of oil product humidity in pipe line |
| RU2315290C1 (en) * | 2006-11-17 | 2008-01-20 | Александр Сергеевич Совлуков | Device for measuring physical properties of materials |
-
2008
- 2008-10-17 RU RU2008141242/09A patent/RU2372608C1/en not_active IP Right Cessation
-
2009
- 2009-05-25 WO PCT/RU2009/000262 patent/WO2010044692A1/en active Application Filing
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2571631C1 (en) * | 2014-11-25 | 2015-12-20 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Microwave technique for determining precipitated moisture in liquid hydrocarbons |
| RU2769954C1 (en) * | 2021-12-01 | 2022-04-11 | Общество с ограниченной ответственностью "НАФТА-СПЕКТР" | Method for measuring moisture content in water-oil mixtures and a device for its implementation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2010044692A1 (en) | 2010-04-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DK1451562T3 (en) | Compact flow meter. | |
| US20090000393A1 (en) | Differential Pressure Measurement Device | |
| US10359372B2 (en) | Conductivity measurements | |
| US9588071B2 (en) | Multiphase meter | |
| RU2626409C1 (en) | Method of measuring physical properties of liquid | |
| US7288944B1 (en) | Evanescent waveguide apparatus and method for measurement of dielectric constant | |
| RU2372608C1 (en) | Method of measuring moisture content of mixture and sensor to this end | |
| US20230073383A1 (en) | Enlarged pipe section for microwave-based flow measurements | |
| US11016037B2 (en) | Fluid measuring system | |
| US10175075B2 (en) | Measurements device | |
| RU2426099C1 (en) | Device for determination of concentration of substances mixture | |
| JP2014092417A (en) | Liquid level measurement instrument | |
| RU2536164C1 (en) | Device to detect concentration of mixture of substances | |
| RU2536184C1 (en) | Concentration meter | |
| RU2744158C1 (en) | Method of measuring complex dielectric and magnetic permeabilities of absorbing materials | |
| RU2691288C1 (en) | Method for measuring inner diameter of metal pipe | |
| RU2661349C1 (en) | Dielectric fluid moisture content determination method | |
| Alvarez et al. | Measuring Water-Cut with Dielectric-Filled Ridged Waveguides | |
| RU2199731C1 (en) | Device for determination of oil product humidity in pipe line | |
| RU2659569C1 (en) | Dielectric fluid moisture content measurement method | |
| RU2786527C1 (en) | Method for measurement of physical properties of liquid | |
| NO312169B1 (en) | Device for measuring the reflection coefficient of high frequency electromagnetic waves in liquid, and method for determining the water content of multi-phase tube current using the devices | |
| Kaerst | Resonances in Tapered Double-Port TEM Waveguides |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20121018 |