Способ измерения объемного содержания компонента многокомпонентной однородной смеси

 

Измеряют содержание компонента многокомпонентной смеси, для которой известна зависимость диэлектрической проницаемости смеси от количественного состава и диэлектрической проницаемости ее компонентов. В резонаторе, заполненном анализируемой смесью, возбуждают два различных электромагнитных поля и измеряют их резонансные частоты. В резонаторе на внутренней стенке имеется диэлектрический слой (E_д), а первое и второе электромагнитные поля возбуждают такие, чтобы в этом диэлектрическом слое (E_д) средние значения квадрата модуля нормированных составляющих вектора электрической напряженности по направлению касательных к поверхности слоя, не примыкающей к стенке резонатора, были различны для каждого из полей. Объемное содержание компонента определяют по измеренным резонансным частотам. Способ позволяет повысить точность измерения при условии изменения диэлектрической проницаемости компонентов, а также повысить информативность измерительного канала о параметрах смеси. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения объемного содержания компонента двух- и более компонентных однородных смесей. В последнем случае информация о других параметрах этих величин априори известна или получена другими способами.

К указанным измерениям относятся задачи определения влажности нефти и нефтепродуктов, паросодержания криогенных жидкостей, средней плотности сжиженного природного газа, объемного состава газа, нефти и воды в скважине при добыче нефти, газосодержания в двухкомпонентной жидкости, например в топливе двигательных установок, и т.д.

Известны различные методы экспресс-анализа с целью выявления объемного содержания и физических свойств (в частности, диэлектрической проницаемости) компонентов смеси [Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов/Е.С. Кричевский, В.К. Бензарь, М.В. Венедиктов и др. / Под общ. ред. Е.С. Кричевского. - М.: Энергия, 1980]. Недостатком экспрессного анализа является то, что он не обеспечивает непрерывности и оперативности получения информации. Кроме того, требует обычно больших затрат для получения представительной пробы.

Для измерений количественного состава смеси непосредственно в ее потоке наибольшее распространение получил диэлькометрический метод (см. там же стр. 38), в котором по величине емкости чувствительного элемента при известной функциональной зависимости диэлектрической проницаемости определяют объемное содержание каждой компоненты двухкомпонентных смесей, например количество воды в потоке топлива, содержание газа в потоке известной жидкости. Однако изменения диэлектрической проницаемости компонентов смеси и резонансной частоты электромагнитного поля, возбуждаемого в резонаторе, от диэлектрической проницаемости смеси определяют объемное содержание одного из компонентов, или более при дополнительной информации об этих параметрах. Основной недостаток способа-прототипа связан с ошибкой измерения, обусловленной изменениями диэлектрической проницаемости компонентов. Попытки устранения этой ошибки созданием эталонного канала с фиксированным значением измеряемого параметра малоэффективно из-за трудностей получения одинаковых каналов по возмущающим факторам.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения объемного содержания компонента смеси в условиях изменения диэлектрической проницаемости компонентов и повышения информативности измерительного канала о параметрах смеси.

В предлагаемом способе измерения объемного содержания компонента многокомпонентной однородной смеси, имеющей известную зависимость диэлектрической проницаемости смеси от количественного состава и диэлектрической проницаемости ее компонентов, при котором в резонаторе, заполненном контролируемой смесью, возбуждают электромагнитное поле и измеряют его резонансную частоту, отличающийся тем, что дополнительно возбуждают второе электромагнитное поле и измеряют резонансную частоту второго электромагнитного поля, причем резонатор, заполненный анализируемой смесью, содержит на внутренней стенке диэлектрический слой, а первое и второе электромагнитные поля возбуждают такие, чтобы в диэлектрическом слое средние значения квадрата модуля нормированных составляющих вектора электрической напряженности по направлению касательных к поверхности слоя, не примыкающей к стенке резонатора, различны для каждого из возбуждаемых полей, измеряют резонансную частоту второго электромагнитного поля и по резонансным частотам обоих полей определяют истинное объемное содержание контролируемого компонента смеси.

Решение указанной выше технической задачи обеспечивается наличием в предлагаемом способе совокупности отличительных признаков, заключающихся в формировании на внутренней стенке резонатора диэлектрического слоя; возбуждении в резонаторе двух электромагнитных полей на его собственных частотах с различием некоторой интегральной величины от электрической напряженности возбуждаемых полей; измерении резонансной частоты каждого поля; определении по информации о каждой частоте по алгоритму, обусловленному структурой двух полей, объемного содержания компонента смеси в условиях изменений диэлектрической проницаемости компонентов.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, реализующего заявленный способ измерения объемного содержания компонентов смеси; на фиг. 2 - фрагмент резонатора с диэлектрическим слоем, областью заполнения смесью и векторами возбуждаемых в нем полей; на фиг. 3 - прямоугольный волноводный резонатор с диэлектрическим слоем и структурой электрической составляющей возбуждаемых в резонаторе полей.

Функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ, содержит резонатор 1, диэлектрический слой 2, область 3, заполненную однородной смесью, элементы связи 4-4', 5-5', высокочастотные кабели 6-6', 7-7', электронный блок 8 и вычислительное устройство 9.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

В резонаторе 1 создается диэлектрический слой 2. Посредством элемента 4 через кабель 6 от генератора перестраиваемой частоты электронного блока 8 осуществляется возбуждение электромагнитного поля. Через элемент связи 5, кабель 7 возбуждается другое электромагнитное поле. Соответственно через элемент связи 4', кабель 6' и элемент связи 5', кабель 7' осуществляется съем электрического сигнала первого и второго поля. В электронном блоке 8 формируются два электрических сигнала, частоты которых пропорциональны собственным частотам возбуждаемых в резонаторе электромагнитных полей. Эти сигналы поступают в устройство 9 (это может быть контроллер, специализированный компьютер, персональный компьютер), в котором осуществляется вычисление параметров количественного состава и диэлектрической проницаемости компонентов смеси по алгоритму, определяемому типом резонатора, типом возбуждаемых электромагнитных полей, конфигурацией диэлектрического слоя и характером зависимости диэлектрической проницаемости смеси от параметров количественного состава и диэлектрической проницаемости компонентов.

Пусть известны зависимости собственных частот f₁ и f₂, соответствующие двум полям, от диэлектрической проницаемости смеси вида f_i= ϕ_i(ε_см), (i = 1,2),... (1) в которых диэлектрическая проницаемость смеси является известной функцией ε_см= Ψ(ε₁,..., ε_n; V₁,..., V_n)... (2) объемного содержания V_j (или V_j = V_j/V_o, V_o - полный объем смеси и и диэлектрической проницаемости ε_j j^й компоненты (j = 1,...,n) смеси. Неизвестными ζ_j, ζ_k(j,k = 1,...,2n) могут быть любые два из входящих в (2) параметров смеси. Система (1) неразрешима относительно этих параметров. Однако, если априори известно, что один из названных параметров имеет малые изменения, то система разрешима относительно этого изменения и другого неизвестного параметра.

Действительно, пусть параметр ζ_j имеет приращение Δζ_j. Тогда уравнение системы (1) можно записать в виде Система разрешима относительно Δζ_j и ζ_k при условии Выполнение этого условия обеспечивается при наличии на внутренней стенке резонатора диэлектрического слоя. При этом возбуждаемые поля должны удовлетворять определенным требованиям, которые могут быть сформулированы из следующих соображений.

Для простоты рассуждений возьмем резонатор с цилиндрическим диэлектрическим слоем (фиг. 2), в котором вектор электрической напряженности возбуждаемого поля лежит в плоскости поперечного сечения резонатора. Разбив область диэлектрического слоя на элементарные области, в которых одной из сторон является линейный участок кусочно-ломаной линии, апроксимирующей кривую линию, ограничивающую поперечное сечение диэлектрического слоя. Любой вектор электрической напряженности в пределах элементарной области можно разложить на две составляющие - по направлению соответствующей линии кусочно-ломаной границы слоя и по направлению нормали к ней. Подставим указанные разложения для всех элементарных областей в известную формулу для собственной частоты [см. вышеуказанный источник В.А. Викторов и др., стр. 27]
i = 1,2 - номера возбуждаемых полей,
- резонансная частота пустого резонатора;
- диэлектрические проницаемости слоя и смеси.

В предположении о неизменяемости составляющей вектора электрической напряженности по направлению линии кусочно-ломаной границы диэлектрического слоя и уменьшении в ε раз составляющей вектора электрической напряженности по направлению нормали к этой линии получим следующие приближения

Для получения удовлетворительной точности измерения объем диэлектрического слоя должен быть существенно меньшим в сравнении с объемом резонатора. В этом случае интегралами по объему диэлектрического слоя в знаменателе последнего выражения можно пренебречь. Введя среднее значение квадрата модуля электрической напряженности

окончательно можно записать

Так как

Отсюда следует, что условие (4) разрешимости системы уравнений (3) выполняется, если

Таким образом, возбуждение двух электромагнитных полей и создание диэлектрического слоя на внутренней поверхности резонатора должны быть увязаны с условием (8).

Рассмотрим возможность реализации предлагаемого способа на примере задачи измерения малой влажности потоков нефти и нефтепродуктов в трубопроводе. Эта задача возникает при контроле качества нефти и нефтепродуктов при отпуске их потребителю. Основным фактором, влияющим на точность измерения, является флуктуация диэлектрической проницаемости контролируемого продукта. Известно [см. вышеуказанную монографию под ред. Е.С. Кричевского], что диэлектрическая проницаемость смеси нефти с малым количеством воды (до 5%) хорошо описывается формулой Винера диэлектрическая проницаемость нефти W - объемное содержание воды в единице объема смеси, т.е.

В качестве чувствительного элемента датчика применим волноводный резонатор с прямоугольным поперечным сечением со сторонами a, b, c, с которыми связаны оси системы координат xyz. В нем возбуждаем два поля типов H_пор и H_отр, имеющие следующие составляющие вектора электрической напряженности


Создадим на внутренней поверхности резонатора диэлектрический слой типа прямоугольной призмы, верхняя плоскость которой параллельна плоскости, образуемой осями x, z (фиг. 3). Остальная часть резонатора заполнена однородной нефтеводяной смесью.

Подставляя указанные векторы в соотношении (5), получим выражения для определения собственных частот, соответствующих типам полей H_отр и H_пор от объема заполнения в виде


При больших m для собственных частот окончательно запишем


В этой задаче изменения диэлектрической проницаемости Δε_н по отношению к ее собственной величине ε_н незначительны, то есть . Тогда формулы (3), в которых будут иметь следующий вид


где


Откуда следует, что

Таким образом, по измеренным собственным частотам f₁ и f₂, соответствующим двум возбужденным полям в резонаторе с диэлектрическим слоем, можно найти истинное содержание воды в нефтеводяной смеси с изменяющейся диэлектрической проницаемостью нефти.

Предлагаемый способ позволяет также измерять диэлектрическую проницаемость одного из компонентов однородной смеси в условиях изменения объемного содержания компонентов.

Формула изобретения

Способ измерения объемного содержания компонента многокомпонентной однородной смеси, имеющей известную зависимость диэлектрической проницаемости смеси от количественного состава и диэлектрической проницаемости ее компонентов, при котором в резонаторе, заполненном этой смесью, возбуждают электромагнитное поле и измеряют его резонансную частоту, отличающийся тем, что дополнительно возбуждают второе электромагнитное поле и измеряют резонансную частоту второго электромагнитного поля, причем резонатор, заполненный анализируемой смесью, содержит на внутренней стенке диэлектрический слой, а первое и второе электромагнитные поля возбуждают такие, чтобы в диэлектрическом слое средние значения квадрата модуля нормированных составляющих вектора электрической напряженности по направлению касательных к поверхности слоя, не примыкающей к стенке резонатора, различны для каждого из возбуждаемых полей, по измеренным резонансным частотам обоих полей определяют истинное объемное содержание контролируемого компонента смеси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3