Устройство для измерения концентрации двух веществ

 

Изобретение относится к устройству для измерения концентрации двух веществ посредством пропускания электромагнитных волн. Указанное устройство содержит по крайней мере одно средство для передачи сигнала и по крайней мере два элемента для приема сигнала по крайней мере от одного передающего устройства и получения первого и второго выходных сигналов. Устройство включает в себя средство для приема первого и второго выходных сигналов, состоящее по крайней мере из двух приемных элементов, расположенных таким образом, чтобы разность и отношение двух сигналов могла бы быть использована для определения концентрации двух веществ. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к устройству для измерения содержания и скорости водных и углеводородных смесей как в масло-, так и в водонепрерывных фазах, а более конкретно к устройству для измерения концентрации двух веществ.

В промышленности существуют многочисленные устройства для определения количества воды в масле, принцип действия которых основан на изменении диэлектрической постоянной. Эти устройства работают только в маслонепрерывной фазе, т.е. до тех пор, пока смесь ведет себя как диэлектрик.

Однако, как только состав смеси меняется в сторону водонепрерывной фазы, то она перестает быть изолятором (диэлектриком), и прибор указывает на 100% -ное содержание воды.

Другие приборы, которые основаны на оптических принципах, являются недостаточно чувствительными при использовании маслонепрерывной фазы, и не справляются с нарастающей густотой масляной фазы и без частых очисток. Изменение солевого состава воды также влияет на абсолютное измерение таких параметров, как показатель преломления, удельная электропроводность, диэлектрическая проницаемость и т.д. Ядерное поглощение, хотя и дает хорошие результаты с двухкомпонентными смесями, однако оно перекрывается такими тяжелыми примесями, как сера, ванадий и т.п.

Размер частиц в водонепрерывной фазе также играет важную роль и существенно влияет на конечный результат.

На фиг. 1 изображен трубопровод и измерительная система по изобретению; на фиг. 2 другой вариант устройства: А с использованием антенны типа коммутируемых антенн; B то же, вид с торца; C то же, что на В, но имеющее прямоугольное поперечное сечение; на фиг. 3 другой вариант устройства; на фиг. 4 другой вариант устройства с использованием зонда типа вставки.

На фиг. 1 показана система, которая позволяет достигнуть двух целей изобретения, а именно: измерение отношения "углеводород/вода" и скорости потока жидкости.

На фиг. 1 изображен трубопровод 1 для потока жидкости. Указанный трубопровод 1 может иметь круглое или прямоугольное поперечное сечение. Передающий блок 2 посылает сигнал высокой частоты через коаксиальный кабель 3 или волновод к антенне 4, которая может быть любой из известных антенн, например, такой, как рупорная антенна, коммутируемая антенна, несимметричная вибраторная антенна или симметричная вибраторная антенна, которая является изолированной от жидкости посредством диэлектрика 5.

Приемные устройства 7 и 9 связаны с аналогичными антенными устройствами 6 и 8, которые расположены от передающей антенны 4 на расстоянии "d₁" и "d₂", где "d₂" обычно вдвое больше, чем "d₁". Делитель 10 разделяет выходные сигналы от приемников 7 и 9 и дает линеаризованный сигнал с отношением P₁/P₂, где P₁ представляет собой величину сигнала, полученного 7, а P₂ величину сигнала, полученного 9.

В соответствии с этим для измерения концентрации двух измеряемых веществ могут быть использованы векторные отношения, векторная разность или сдвиг по фазе между двумя полученными сигналами. Этот линеаризатор может представлять собой селекторный линеаризатор импульсных кривых, например, такой, как описан в патенте США 4774680.

"Электрическая нагрузка", или полное сопротивление жидкости, действующей на антенну 4, будет изменяться в зависимости от электрических свойств жидкости (это явление было использовано в патенте США 4503383), и поэтому количество передаваемой энергии будет зависеть от природы жидкости. Основная проблема, связанная с использованием такой техники измерения, заключается в том, что жидкость и поверхность диэлектрика 5 оказывает доминирующее влияние, особенно, когда эта жидкость состоит из двух несмешивающихся жидкостей, например, из воды, содержащей несколько капель масла. Если смесь не является гомогенной или размер капель и толщина слоя изменяются, то такая смесь будет оказывать существенное влияние на электрическую загрузку. В патентной заявке США 07/311610 были описаны попытки, предпринимаемые для устранения этого эффекта путем предварительного исследования вышеупомянутого влияния, что требовало проведения множества испытаний для получения требуемых параметров, и приводило в результате лишь к коррекции, направленной на ограничение используемых продуктов, температуры и скорости в определенных пределах.

Таким образом, если можно было бы измерять объемные свойства этой жидкости, то вышеуказанные проблемы были бы решены.

Цели изобретения достигаются путем измерения отношения и/или сдвига по фазе сигналов, принимаемых каждым из устройств 7 и 9. Так как масло поглощает очень небольшое количество энергии по сравнению с водой, то количество энергии, получаемой каждой антенной, является функцией содержания воды и расстояния от передающей антенны. Поскольку речь идет об отношении и/или разности фаз этих сигналов, то выходной сигнал 12 становится независимым от поверхностного слоя и т. п. так как обе антенны 6 и 8 подвергаются воздействию той же жидкости и точно таким же способом. Если установить антенны аксиально потоку и таким образом, чтобы одна приемная антенна принимала свой сигнал в направлении потока, а другая, аналогично расположенная, принимала свой сигнал против направления потока, то разность фаз между этими двумя сигналами будет прямо пропорциональна скорости потока.

При передаче на частоте, где разность фаз между двумя сигналами вследствие диэлектрической проницаемости воды E=E'-jE" является максимальной (около 2,45 ГГц), влияние солености значительно снижается.

Так, например, используя две или несколько различных частот, можно получить более подробную информацию относительно компонентов жидкости. При этом могут быть также использованы более высокие частоты, например, частоты инфракрасного, видимого, ультрафиолетового рентгеновского и гамма-излучения.

Естественно, что для длины волны должны быть изготовлены соответствующие антенны.

На фиг. 2A представлен другой вариант настоящего изобретения, где приемные несимметричные вибраторные антенны заменены двумя коммутируемыми или аналогичными антеннами.

Все остальные особенности конструкции, такие, как передатчик 2 и фазовый детектор 10 являются такими же, как и в варианте, показанном на фиг. 1. На фиг. 2A антенны расположены в двух плоскостях, перпендикулярных друг другу. Такое расположение дано для того, чтобы показать, что две пары антенн могут быть использованы в любой плоскости, и не обязательно только друг против друга, как это изображено на фиг. 1. Чтобы не усложнять чертеж и сделать его более наглядным, другая пара антенн не показана. Кроме того, на фиг.1 показана только коммутируемая антенна.

Однако при этом очевидно, что могут быть использованы и другие типы конфигурации антенн, например, рупорные антенны, несимметричные или симметричные вибраторы и т.п.

На фиг.2B изображен вид с торца устройства, показанного на фиг. 2A, где используются одна передающая несимметричная вибраторная антенна 4 (в центре) и две приемные антенны 13 и 14. На фиг. 2B показан волновод с круглым поперечным сечением, а на фиг. 2C с прямоугольным поперечным сечением. И аналогично в данной конфигурации могут быть использованы другие типы стандартных антенн, например, две пары несимметричных вибраторных антенн, рупорных антенн и т.п. Передающая антенна может быть одной общей или разделенной на две отдельные антенны. Преимущество использования двух отдельных пар заключается в том, что оно позволяет устранить перекрестную нежелательную связь между одной приемной антенной и другой антенной. Периферийное устройство, окружающее основной датчик, является таким же, как и на фиг. 1.

Фиг. 3 иллюстрирует другой возможный способ достижения той же цели, который предусматривает использование одной симметричной вибраторной передающей антенны и двух симметричных вибраторных приемных антенн. Указанное устройство показано в круглом волноводе. Само собой разумеется, что может быть также использован и наиболее часто применяемый прямоугольный волновод. На фиг. 3 проиллюстрировано, каким образом достигается требуемая разность расстояний d₁ и d₂ в одном конкретном случае. Антенны могут быть расположены в одной плоскости, или аксиально разнесены. Пространственный разнос антенн по одной оси позволяет снизить их взаимную перекрестную связь и тем самым улучшить линейность измеряемого сигнала. Аналогично для дополнительного снижения перекрестной связи, вместо одной общей передающей антенны могут быть использованы две независимые пары антенн. Периферийное устройство является таким же, как показано на фиг. 1.

На фиг. 4 изображен зонд 16 типа вставки, введенный в широкий трубопровод 17. Аналогично предыдущим вариантам вместо показанных несимметричных вибраторов могут быть использованы симметричные вибраторы и антенны другого типа. Зонд 16 соединен с трубопроводом посредством сварки, однако может быть использован и другой вид соединения, герметизированный корпус, как описано в патенте США 4503383. Для преобразования сигнала может быть использовано электронное устройство, аналогичное тому, которое изображено на фиг. 1.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения концентрации двух веществ в потоке, содержащее трубопровод для передачи смеси двух веществ, в котором расположены передающий блок и приемный блок, соединенный с блоком обработки и определения концентрации, отличающееся тем, что дополнительно содержит второй приемный блок в упомянутом трубопроводе, при этом первый и второй приемные блоки размещены на разном расстоянии от передающего блока, причем один из приемных блоков в направлении потока, а другой противоположно потоку, а их выходы соединены соответственно с первым и вторым входами блока обработки и определения концентрации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средства обработки включают в себя средство для определения отношения мощностей полученных первого и второго выходных сигналов, средство для определения разности фаз полученных первого и второго выходных сигналов и линеаризующее устройство для определения относительной концентрации двух веществ, осуществляемого на основе полученного отношения и полученной разности фаз.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что передатчик посылает сигнал в S-диапазоне частот через смесь двух веществ.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что сигнла в S-диапазоне частот имеет частоту 2,45 ГГц.

5. Устройство по пп.1 4, отличающееся тем, что первый приемный блок расположен от передатчика вдвое дальше, чем второй приемный блок.

6. Устройство по пп.2 5, отличающееся тем, что в нем линеаризующее устройство содержит таблицу преобразования.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3