Устройство для измерения влажности нефти и нефтепродуктов

) С, 0 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ а- сСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(5 б) 1. Авторское свидетельство СССР 9 787975, кл. Ь 01 М 27/22, 1978.2. Авторское свидетельствоСССР 9 914989, кл. 6 01.М 27/22, 1978 (прототип) .(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ в:трубопроводах, содержащее емкостный измерительный датчик, подключенный к измерительному мосту, первый .енератор низкой частоты и первый =енератор высокой частоты, функциойальный преобразователь, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения влаж" ности, в него введены второй генератор низкой частоты, второй генератор высокой частоты, сумматор и четыре суммирукщих устройства, трансформатор, образцовый конденсатор, емкостный компенсационный датчик, три усилителя, три образцовых резистора, включенных в цепи обратных связей усилителей, четыре управ" ляемых делителя напряжения, четыре блока полосовых фильтров, два блока деления, шесть вычитающих устройств и четыре устройства уравновешивания, паяем выходы четырех генераторов синусоидальных колебаний высоких и низких частот через сумматор подключены к первичной обмотке трансформ тора, а три вторичные обмотки тран ЯО 1073677 А форматора одними концами соответственно через емкостный измерительныйдатчик, образцовый конденсатор и емкЬстйый компенсационный датчик заземлены, другие концы этих обмоток соединены с входами соответственно первого, второго и третьего усилителей;входы первого и третьего усилителейсоединены соответственно с первыми четвертым блоками поаосовых фильтров, а также через управляемые делителИ напряжения присоединены к первым входам четырех суммирующих устройств, а выход второго усилителяподключен к вторым входам четырехсуммирующих устройств, при этом выходы первого и второго суммирукщихустройств соединены с вторым блокомполосовых фильтров, а выходы третьего и четвертого суммирующих уст,ройств - с третьим блоком полосовыХфильтров, причем выходы первых двухблоков полосовых Фильтров подключены к входам первого блока деления,а выходы третьего и четвертого блоков полосовых Фильтров - к входамвторого блока деления, выходы пеового блока деления прйсоединенык первым трем вычитающим устройствам, а выходы второго блока деления - к четвертому, пятому и шестомувычитающих устройствам, при этом выходы первого, третьего, четвертогои шестого вычитающих устройств черезустройства уравновешивания соответственно подключены к управляющимвходам четырех управляемых делителей напряжения, а выходы второго ипятого вычитазщих устройств соединены с входами функционального преобразователя.Поставленная цель достигаетсф тем, что, в устройство для измерения влажности нефти и нефтепродуктов в трубопроводах, содержащее емкостньтй измерительный датчик, подключенный к измерительному мосту, первый генератор низкой частоты и первый генератор высокой частоты, функциональный преобразователь, введены второй генератор высокой частоты,. сумматор и четыре суммирующих устройстватрансформатор, образцовый конденсатор, емкостный компексацион" ный датчик три усилителя, три образцовых резистора, включенных в цепи обратных связей усилителей, четыре управляемых делителя напряжения, четыре блока полосовых фильтров, два блока деления, шесть вычитающих устройств и четьре устройст ва уравновешивания, причем выходы четырех, генераторов синусоидальных колебаний высоких и низких час от через сумматор подключены к первичной обмотке трансформатора, а три вторичные обмотки трансформатора одними концами соответственно через емкостный измерительный датчик, образцовый конденсатор и емкостный компенсационный датчик заземлены другие концы этих обмоток соединены с входами соответственно первого, второго и третьего усилителей, выходы первого и третьего усилителей соединены соответственно с первым ь-: четвертым блоками полосовых фильтров, а также через управляемые делители напряжения присоединены к первым вх дам четырех суммирующйх устройств а выход второго усилителя подключен к вторым входам четырех суммирукщих устройств, при этом выходы первого и второго суммирующих устройств соеИзобретение относится к измерйтельной технике и может быть использовано при контроле и измерении влажностинефти, водонефтяных эмульсий и других веществ, обладающих как повышенной адгезией, так и изменением диэлектрической проницаемости самогоизменяемого продукта (например, сорта нефти), в химической и нефтеперерабатывающей отраслях промышленности.Известно устройство для измерениявлажности, содержащее емкостный первичный преобразователь влажности,основной реверсивный электродвигательи регистрирующий прибор, блок тестовых сигналов, состоящий из последо" 15вательно соединенных генератора коротких экспоненциальных импульсов,управляемого делителя напряженияи усилителя, в обратной связи которого последовательно с сопротивлениемвключен конденсатор, а в обратнойсвязи - преобразователь влажности,четыре компаратора, два одновибратора, электродвигатель, причем блоктестовых сигналов и введенный усилитель соединены между собой последовательно, выход усилителя соединенс входами четырех компараторов, авыходы первых двух компараторов через одновибраторы соединены с первым блоком логической обработки сигналов, выходы третьего и четвертогокомпаратора соединены с вторым блоком логической обработки сигналов Г 13,Ведостатком указанного устройства является его ограниченное применение для измерения малых значенийвлажности из-за трудностей получениякачественных эксноненциальных импульсов с малыми постоянными времени. Кроме того, устройство сложно внастройке, необходимо очень точноустанавливать пороговые .уровни сра.-,атывания четырех компараторов. Приизмерении малых значений влажности 45возникает значительная дополнительная погрешность из-за влияния изменения собственной диэлектрическойпроницаемости контролируемого вещества. 50Иаиболее близким к предлагаемомуявляется бесконтактный влагомер, содержащий емкостный измерительныйпреобразователь, подключенный к измерительному мосту низкой частоты,иераторы низкой и вь 1 сокой частот,функциональный преобразователь 23.Бедостатком известного влагомераявляется низкая точность измеренияиз-за влияния на показания прибора 60изменения сортности контролируемогоматериала с разной диэлектрическойпроницаемостью, Кроме того, в схеме замещения преобразователя не еучитывается ни сопротивление поляри зационных потерь, ни релаксационная емкость поляризации, что также снижает точность измерения. При малых влажностях контролируемого материала для уменьшения проводи(ости емкости материала на два-три порядка по сравнению с активной проводимостью материала необходимо значительно уменьшить частоту низкочастотного сигнала, что снижает быстродействие влагомера.Цель изобретения - повышение точности измерения влажности при исключении влияния на результат измерения изменения диэлектрической проницаемости самого контролируемого продукта (например, сорта нефти), исключении влияния загрязнения (датчиков) электродов первичных измерительных преобразователей на результат измерения, а также при расширении пределов измерения влажности в сторону меньших значений и при росте быстродействия измерения.1динены с вторым блоком полосовых фильтров, а выходы третьего и четвертого суммирующих устройств - с третьим блоком полосовых фильтров, причем выходы первых двух блоков полосовых фильтров подключены к входам первого блока деления, а выходы третьего и четвертого блоков полосовых фильтров - к входам второго блока деления, выходы первого блока деления присоединены к первым трем вы- О читающим устройствам, а выходы второго блока деления - к четвертому, пятому и шестому вычитакщим устрой-, ствам, при этом выходы первого, тре тьего, четвертого и шестого вычитаю щих устройств через устройства уравновешивания соответственно подключены к управляющим входам четырех управляемых делителей напряжения, а выходы второго и пятого вычитающих р( устройств соединены с входами Функционального преобразователя.На.-фиг. 1 показана Фукнциональная схема устройства для измерения влажности нефти и нефтепродуктов в трубопроводах; на фиг. 2 а, б, в - варйанты схем замещения емкостных дат- . чиков влажности.Устройство содержит (Фиг. 1) четыре генератора 1-4 синусоидальных ко- -30 лебаний, сумматор 5, трансформатор б, емкостный измерительный датчик 7, образцойый конденсатор 8, ем" костный компенсационный датчик 9, три усилителя 10-12, три образцовых резистора 13-15, четыре устройства 1 6-19 суммирования, четыре управляемых делителя 20-23 напряжения, четыре блока полосовых фильтров 24-27, два блока 28 и 29 деления, Функциональный преобразователь 30, шесть 40 вьгчитакщих устройств 31-36 и четыре устройства 37-40 уравновешивания. Все узлы квазиуравновешенного моста выполняются на серийных элементах аналоговой и цифровой техники. 45Устройство работает следующим. образом.Синусоидальные напряжения с генераторов 1-4 суммируются сумматором 5 и поступают на первичную обмотку трансформатора б. Три вторичные обмотки трансформатора 6 включены таким образом, что напряжения на датчики 7, 9 и конденсатор 8 поступают в противофазе. Ток, протекающий через эти объекты (7, 8, 9) соответственно преобразуется в напряжение усилителями 10 - 12, в цепях отрицательных обратных связей которых включены соответственно образ цовые резисторы 13 - 15. Напряжение с выхода усилителя 11 суммируется с выходным напряжением усилитея ля 12 через управляемые делители 21 и 23 напряжения на устройствах 17 65 и 19 суммирования. Кроме того, напряжение с выхода усилителя 12 через управляемые делители 20 и 22 напряжения суммируются с выходным напряжением усилителя 10 на устройств вах 16 и 18 суммирования. Одновременно напряжения с выхода усилителей 10 и 12 поступают соответственно на блоки 24 и 27 полосовых фильтфров, где происходит выделение напряжений тех частот, что и частота генераторов 1-4, Напряжения с выходов суммирующих устройств 16 - 19 поступают соответственно на блоки 25 и 26 полосовых фильтров, где происходит выделение напряжениЯ с частотами, соответствукщими частотам генераторов 1-4 . Блоки 2 8 и 29 деления производят деление напряжений (модулей напряжений) с выходов блоковвполосовых фильтров, причем делятся напряжения одинаковых частот. Результат деления напряжений, соответствующих частоте генератора 1, в виде сигналов поступают с выхода блоков 28 и 29 соответственно на первый вход вычитакщих устройств 31 и 34. Результат деления напряжений, соответствующий частотам генераторов 2, 3 и 4 в виде сигнала поступает соответствеино на второй вход вычитающих устройств 31, 34 и на первый вход устройств 32, 35, на второй вход устройств 32, 35 и на первый вход устройств 33, Зб, на второй вход устройств 33 и на второй вход устройства 36. Сигналы с выходов вычитающих устройств 31, 33, 34, Зб посредством устройств 37 - 40 уравновешивания изменяют коэффициенты управляемых делителей 22, 20, 21 и 23 напряжения до тех пор, пока значения сигналов на выходе этих вычитающих устройств не будут равняться нулю, Уравновешивание во всех четырех контурах регулирования происходит независимо и одновременно, что позволяет ускорить процесс уравновешивания мостовой цепи. После автоматического приведения моста к состоянию квази- равновесия значение сигнала на выходе функционального преобразователя (делителя) 30 пропорциональнО влажности нефти или нефтепродуктов, протекающих через полость емкостного измерительного датчика 7. Квазиуравновешенный мост для измереиия влажности нефти и нефтепродуктов на потоке содержит два бесконтактных емкостных датчика 7 и 9, эквивалентная схема которых(Фиг. 2, а) представлена конденсатором 41 с емкостью Сэ, обусловленной диэлектрическими свойствами изолирующих стенок датчика между внешними электродами и контролируемой жидкостью (во влагомерах непре 1073677рывного действия налипание и загрязнение стенок датчика изменяет емкость Ср в больших пределах), конденсатором 43 с емкостью С, характеризующейся мгновенной поляризацией (электронной и ионной), эта емкость в равной степени зависит как от свойств нефти (сорта нефтей), так н от ее влажности, резистором 42 с сопротивлением й, воспроизводящим сквозную проводимость эмульсии, конденсатором 44 с емкостью С , характеризующей релаксационную йоляриэацию, резистором 45 с сопротивлением г, определяемым солесодержанием дисперсной Фазы, а также поляриэационными потерями в дисперсной Фазе. Из всех приведенных параметров схемызамещения датчиков информативным является емкость С 2, поскольку она непосредственно зависит от количествадисперсных частиц воды и их размеров,т.е. от влажности контролируемойнефти. Остальные параметры являютсямешающими. Их значения, зависят отмногих факторов, не связанных с влаж новацию, например от сорта нефтей и нефтепродуктов, налипания и загрязнения стенок датчика, от солесодер" жания в дисперсной фазе и от изменения сквозной проводимости эмульсии. 30 Емкость С увеличивает общую)емкость датчика и проявляется на низких чайф тотах. Включения влаги в нефтяной эмульсии можно считать диполями, на концах которых при воздействии у поля устанавливаются заряды противоположного знака. Эти капли влаги в эмульсии образуют микродиполи, которые участвуют в структурной поляризации и увеличивают на низких час О тотах общую емкость датчика. Из-за больших размеров этих диполей процесс установления поляризации происходит очень медленно, поэтому на частотах свыше 5 кГц этот вид поляризации практически пропадает. Подвижность ионов, т,е. их средняяскорость, в дисперсных частицах влаги оченб мала, при единичной напряженности поля, порядка 10 8 -10 йй поэтому с увеличением частоты Вф сопротивление г в дисперсной фазе становится настолько большим, что дисперсные частицы из проводящеЖ состояния переходят в диэлектрическое. Иа низких частотах сопротивле нием г можно пренебречь,. в результате схема замещения датчика на низких Частотах может бить представлена состоящей из трех элементов(фиг, 2, б), где емкость конденса- Я) тора 46 равна сумме емкостей С+С.Яа высоких частотах сопротивление,г становится соизмеримо с сопротивлен нием Й и.схема замещения датчика также состоит из трех элементов 65 фиг. 2 ф в), где сопротивлениерезистора 47 равно Рг /(й+ г), Следовательно если раздельно измерить емкость конденсатора 47 на низких частотах и емкость конденсатора 43 на высоких частотах то по разности значений этих емкостей (она равна С ) можно судить о ьлажности нефтепродукта, Емкость С пропарцно: нальна влажности нефтепродукта и не связана с диэлектрической постояннойпродукта (его сортом), однао она зависит также от температуры эмульсии непосредственно и от влияниятемпературы на измерение структурно.поляризации, кроме того эта емкостьзависит от приложенного к датчику напряжения, поэтому в устройство введен дополнительный компенсационный датчик 9, который позволяет исключить указанные влияния на результат измерения влажности,Практически квазиуравновешенныймост состоит из четырех одинаковыхпо своей структуре частей, которыеработают одинаково, а приведениевсех частей моста к состояниям ква=зиравновесия происходит независимо(раздельно) друг от друга. Результаты измерения, полученные каждой частью моста, затем обрабатываются и в итоге на выходе функциональногопреобразователя 30 получается зн;.чение влажности контролируема,.; продукта. Каждая часть квазиура.-.новеЫенного моста работает таким обраэом, что производит раздельное "измерение емкости конденсатора 47или 43 (Фиг. 2 б, в) причем на двухнизких частотах измеряется емкость конценсатора 46, а на двух высоких частотах - емкость конденсатора 43, такие измерения одновременно произ водятся как для схемы замещения емкостного измерительного датчика 7, так и для схемы замкцения емкостного компенсационного датчика 9, через который постоянно циркулирует нефть любого сорта, но с заранее известной влажностью, Поэтому рассмотрим первбначально подробно раба=ту одной из частей квазиуравновешен" ного моста, например той, в которуювключен емкостный измерительный да. -чик 7,Пусть частота генераторов 1-4 соэ;ответственно равна ш, ц, щ ы, где ю 1 и й- низкие частоты, а ы, и о 34. - высокие при равных количествах витков во вторичных обмотках трансформатора б, напряжения на ни определяются напряжениями всех частот, которые соответственно равны 101 фри(1 оз ф (р,. Иапряжение Ос частотой ы 1 прикладывается к преобразователю 7 и Ор(поскольку обмотки включены противофаэно) - кобразцовому конденсатору 8, тогда на вход усилителей 10 и 11 течет соответственно ток Э 1 о и 3, причем 71 о=, 311(.(о РС, где ( и Со 15 соответственно сопротивление преобразователя 7 и емкость конденсатора 8, а Р=)и.Поскольку ток в цепях обратных связей усилителей равен току во входных цепях, при равенстве сопротивлений резисторов 13 и 14 значению Р, напряжения на выходе усилителей соответственно равны где с:с с,1рР с. 15Ц =0 - 1 "1= о 1о о 1(,Яапряжение на выходе суммирующего устройства 16 равноо- о - " -Дс,где Ко - коэффициент передачи управляемого делителя 20 напряжения.25Напряжения (о и О поступают соответственно на блоки полосовыхфильтров 24 и 25, где выделяются напряжения с частотой .Ш.( . Таким образом фильтрами 24 и 25 выделяются напряжения с частотой7Блок 28 производит деление модулейнапряжений соответствукщих частот, . 35и результаты деления поступают навходы вычитающего устройства 31(фиг. 1), полученная разность Ь, поступает на устройство 37 уравновешивания, которое изменяет коэффициентпередачи управляемого делителя 20напряжения до тех пор, пока разностьЬ не будет равняться нулю"4"1 о 1 - О,1"т.е, пока отношение модулей напряжений Оо и О не будет частотно-зависимым,Рассмотрим это отношение более 50подРобно, представив (. предварительно следующим образом:м (Ры(1 Р(Р(1 551(Ч: - + -с1рс,6011 я(с +с) Тогда подставим вместо (, егозначение и получим отношение напряжений(г 2 о (Кз последнего выражения следует, что отношение напряжений будет частотноезависимым только в случае, если-5 =1- кго 1 СОтсюда найдем значение Кго., при котором это равенство выполняется( С(Ь,+о(,)КМ геа модуль отношения напряжений равенУк .ксили подставив вместо Кг его значение получимИо 1 1и,Ь С Ф-В),и, наконец, подставляя вместо М, 8, с 2, их значения, получим оконча,тельно- ,= - с: - (с .с ),(Йо г гО(сс ( г1 Ь(т.е. раздельный отсчет по измеряемому значению конденсатора 46.Таким же образом можно показать, что на частотах ы и ы 4 при равенстве нулю напряжения на выходе вычитаю- щего устройства 33 напряжения на его входах равныо г-- сгде О - напряжение навыходе уст(8ройства 18 суммирования, тогда напряжение на выходе устройства 32 равно - Сг.2Это напряжение поступает на функциональный преобразователь 30, на другой вход которого поступает сигнал, пропорциональный емкости Сг в схеме замещения емкостного компенсационного датчика 9 (с заранее известной влажностью) . В преобразователе 30 берется отношение поступаницих на него сигналов, в реэуль, тате чего сигнал на его выходе пропорционален влажности контролируемой нефти.Таким образом, предложенное устройство для измерения влажности нефти и нефтерродуктов в трубопроводах"Патент позволяет производить измерение влажности нефтепродуктов независимо от изменения диэлектрической проницаемости самого продукта, налипания материалов на рабочие части емкостных датчиков, температуры, дисперс 1,ности и напряжений, поступающих надатчики, что дает возможность, кроме повышения точности, измерения,значительно расширить предел измерения в сторону малых влажностей,Ужгород, ул.Проектн