Автогенераторный анализатор состава жидкостей

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах контроля состава многокомпонентных жидкостей, в частности, для контроля водо- и солесодержания водонефтяных эмульсий (ВНЭ). Сущность изобретения: каждый электрод измерительной ячейки 1 анализатора выполнен в виде пьезопластины с двумя обкладками 4 и диэлектрическим звукопроницаемым покрытием 5, причем одна пластина является излучателем 2, а другая -приемником 3 ультразвука. В зависимости от состояний управляемых переключателей 7 и 8 измерительная ячейка 1, заполненная исследуемой жидкостью и включенная в цепь положительной обратной связи усилителя 6, выполняет попеременно функции акустического и электрического резонатора. Сигналы с частотами акустического и электрического резонансов жидкости поступают в цифровое вычислительное устройство 10, где путем решения системы двух уравнений с двумя неизвестными вычисляются водо- и солесодержание ВНЭ. Периодическое воздействие ультразвука препятствует возникновению соляных и парафиновых отложений в пространстве между пластинами измерительной ячейки. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах контроля состава многокомпонентных жидкостей, в частности для контроля водо- и солесодержания водонефтяных эмульсий (ВНЭ).

Известны анализаторы состава жидких смесей с кондуктометрическими преобразователями, принцип действия которых основан на функциональной зависимости полной электрической проводимости объема жидкости, помещенного между двумя электродами, от состава жидкости (1). Такие анализаторы применяются, в частности для контроля состава ВНЭ.

Весьма целесообразным с точки зрения простоты дальнейшей обработки сигнала и обеспечения хороших метрологических свойств является построение анализаторов по схемам с частотным выходом. Частотный выход может обеспечиваться, например, с помощью RC-генератора, который представляет собой электронный усилитель, в цепь положительной обратной связи которого включен объем исследуемой жидкости, являющийся частотозадающим элементом генератора.

В качестве ближайшего аналога выбран автогенераторный кондуктометрический анализатор (2), содержащий усилитель, в цепь положительной обратной связи которого включена емкостная кондуктометрическая ячейка с исследуемой жидкостью. Выходная частота такого устройства зависит от емкостной и активной составляющих проводимости кондуктометрической ячейки с жидкостью. Недостатком известного анализатора является невозможность одновременного измерения водо- и солесодержания состава ВНЭ и погрешность, обусловленная наличием растворенных солей в водной фазе эмульсии. Возможные изменения концентрации солей будут вызывать изменения полной проводимости частотозадающей RC-цепи генератора, а значит, и изменения частоты.

Задача изобретения расширение функциональных возможностей кондуктометрического автогенераторного анализатора и повышение точности определения водосодержания ВНЭ путем учета солесодержания водной фазы и уменьшения погрешности от влияния соляных и парафиновых отложений.

Задача решается тем, что в известном анализаторе, содержащем усилитель, в цепь положительной обратной связи которого включена емкостная кондуктометрическая ячейка с исследуемой жидкостью, каждый из электродов ячейки выполнен в виде пьезопластины с двумя обкладками и диэлектрическим звукопроницаемым покрытием, причем одна пластина является приемником, а другая излучателем ультразвука, дополнительно введены два управляемых переключателя, тактовый генератор и цифровое вычислительное устройство (ЦВУ), причем одна обкладка приемника подключена к входу усилителя и нормально-замкнутому контакту первого переключателя, центральный контакт которого подключен к второй обкладке приемника, одна обкладка излучателя подключена к выходу усилителя, информационному входу ЦВУ и нормально-замкнутому контакту второго переключателя, центральный контакт которого соединен с второй обкладкой излучателя, нормально-разомкнутые контакты обоих переключателей соединены с земляной шиной, а выход тактового генератора соединен с тактовым входом ЦВУ и управляющими входами переключателей.

Схема предлагаемого устройства приведена на чертеже.

Анализатор содержит совмещенную акусто-кондуктометрическую ячейку 1, помещаемую в анализируемую жидкость. Электроды ячейки 1, один из которых является излучателем 2, а другой приемником 3 акустических колебаний, представляют собой две одинаковые пьезопластины с нанесенными с обеих сторон обкладками 4 и защищенные тонким слоем диэлектрического звукопроводящего покрытия 5. Анализатор содержит также электронный усилитель 6, первый 7 и второй 8 управляемые переключатели, тактовый генератор 9 и цифровое вычислительное устройство 10 (ЦВУ). Причем одна обкладка приемника 3 подключена к входу усилителя 6 и нормально-замкнутому контакту первого переключателя 7, центральный контакт которого подключен к второй обкладке приемника 3, одна обкладка излучателя 2 подключена к выходу усилителя 6, информационному входу ЦВУ 10 и нормально-замкнутому контакту второго переключателя 8, центральный контакт которого соединен с второй обкладкой излучателя 2, нормально-разомкнутые контакты обоих переключателей 7 и 8 соединены с земляной шиной, выход тактового генератора 9 соединен с тактовым входом ЦВУ 10 и управляющими входами переключателей 7 и 8.

Анализатор работает следующим образом.

Тактовый генератор 9 вырабатывает непрерывную последовательность прямоугольных импульсов с скважностью 0,5. В течение одного такта работы, при наличии на выходе тактового генератора 9 логического 0, управляемые переключатели 7 и 8 находятся в состоянии, при котором обкладки пьезопластины-излучателя 2 замкнуты друг с другом, и обкладки пьезопластины-приемника 3 также замкнуты накоротко, что позволяет рассматривать излучатель 2 и приемник 3 как простые обкладки конденсатора, включенного в цепь положительной обратной связи усилителя 6. Емкость такого конденсатора, а также активное сопротивление между его обкладками, зависят от физико-химических свойств жидкости и определяют частоту самовозбуждающихся колебаний F₁, возникающих в усилителе 6. В случае использования анализатора для анализа состава ВНЭ F₁ может быть представлена в виде функции от водосодержания W и соле-содержания S: F₁ f₁ (W, S) Сигнал с частотой F₁ воспринимается ЦВУ 10 и используется для дальнейших вычислений.

В течение другого такта работы, когда на выходе тактового генератора 9 присутствует логическая 1, управляемые переключатели 7 и 8 находятся в таком состоянии, при котором по одной обкладке каждой из пьезопластин 2 и 3 оказываются подключенными на землю. При этом излучатель 2 и приемник 3 выполняют функции элементов акустической ячейки. Автоколебания на частоте акустического резонанса жидкости будут возникать вследствие того, что любые флуктуации напряжения на выходе усилителя 6, передаваясь на обкладки излучателя 2, будут вызывать акустические возмущения жидкостной среды, которые в свою очередь будут восприниматься приемником 3, усиливаться усилителем 6 и вновь прикладываться в виде напряжения к излучателю 2. Таким образом, вследствие наличия положительной обратной связи, на выходе усилителя 6 будут иметь место автоколебания напряжения определенной частоты F ₂ , которая также как и F₁, зависит от водо- и солесодержания ВНЭ: F₂ f₂ (W, S) Сигнал частотой F₂ поступает на информационный вход ЦВУ 10, где реализуется вычисление W и S путем решения системы двух уравнений с двумя неизвестными: Существование решения этой системы гарантируется тем, что уравнения этой системы независимы друг от друга, так как получены для частот резонанса различной физической природы, а именно для электромагнитного и акустического резонанса жидкости. Вид функций f ₁ и f₂ предопределен заранее на основании экспериментальных данных и учитывается в алгоритме вычислений W и S.

Процесс попеременного подключения акустической и кондуктометрической ячеек к усилителю 6, замеров F₁ и F₂ и вычисления W и S повторяются циклически. Синхронизация работы управляемых переключателей 7 и 8 и ЦВУ 10 осуществляется посредством тактового генератора 9.

В данном устройстве благодаря совмещению кондуктометрической и акустической ячеек достигается уменьшение погрешности измерения, связанной с фактором отложений, искажающих картину диэлектрической проницаемости и активной электропроводности в объеме между элементами ячейки.

Формула изобретения

Автогенераторный анализатор состава жидкости, содержащий усилитель, в цепь положительной обратной связи которого включена емкостная кондуктометрическая ячейка с исследуемой жидкостью, отличающийся тем, что каждый из электродов ячейки выполнен в виде пьезопластины с двумя обкладками и диэлектрическим звукопроницаемым покрытием, причем одна пьезопластина является приемником, а другая излучателем ультразвука, дополнительно введены два управляемых переключателя, тактовый генератор и цифровое вычислительное устройство (ЦВУ), причем одна обкладка приемника подключена к входу усилителя и нормально замкнутому контакту первого переключателя, центральный контакт которого подключен к второй обкладке приемника, одна обкладка излучателя подключена к выходу усилителя, информационному входу ЦВУ и нормально замкнутому контакту второго переключателя, центральный контакт которого соединен с второй обкладкой излучателя, нормально разомкнутые контакты обоих переключателей соединены с земляной шиной, а выход тактового генератора соединен с тактовым входом ЦВУ и управляющими входами переключателей.

РИСУНКИ

Рисунок 1