Способ экспресс-определения состава многокомпонентной жидкой среды

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность изобретения: способ заключается в регистрации изменения падения напряжения непосредственно на контактном элементе источника энергетического воздействия в процессе нагрева анализируемой среды и определении функциональной зависимости изменения падения напряжения на источнике энергетического воздействия от количественного состава компонентов среды. Технический результат - обеспечение экспресс-анализа любых нерастворимых друг в друге жидких компонентов в реальном режиме времени. 1 ил.

 

Изобретение относится к системам измерения и анализа состава многокомпонентных жидких сред, их концентрации, массы, уровня и т.п., в частности, к системам анализа многофазного потока скважинного флюида, включающего в себя состав из компонентов нефти, газа, солей, воды и т.д.

Предшествующий уровень техники

Для анализа количественного состава параметров многокомпонентных жидких сред применяются широко известные методы», такие как:

- метод анализа параметров состава среды с применением теплового воздействия на исследуемую среду, основанного на учете разницы коэффициентов теплопроводности ее компонентов;

- метод термокондуктометрического газового анализа;

- метод, включающий поддержание постоянной температуры анализируемой среды, генерацию в ней акустического сигнала посредством паров вспомогательной жидкости и регистрацию этого сигнала;

- метод избирательного энергетического воздействия на составляющие компоненты анализируемой среды и регистрацию изменения ее температуры.

Известные методы основаны на проведении предварительных расчетов параметров модели анализируемой среды в лабораторных условиях, измерении какого-либо заданного параметра реальной среды, измерении выходного сигнала, определении расчетных коэффициентов в сравнении с лабораторными данными и обработке полученных данных в едином масштабе времени посредством процессора ЭВМ.

Известные методы отличаются определенной сложностью технической реализации, поскольку требуют обеспечения постоянной температуры стенок камеры с анализируемой средой, исключающей влияния конвективного и лучистого теплообмена на результат измерений. (В.А.Григорьев, В.М.Зорин. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. - М.: Энергоиздат. 1982. - c.392.) Либо в процессе измерений должна обеспечиваться дозированная подача пара вспомогательной жидкости в анализируемую среду, или должна обеспечиваться возможность избирательного энергетического воздействия по отношению к анализируемым составляющим среды (а.с. СССР, №914982, G01N 25/20, 1982).

Известен метод экспресс-определения состава двухкомпонентной жидкой среды, также основанный на сравнении анализируемых параметров с контрольными параметрами. Для этого термоанемометром нагревают контрольные пробы заданной концентрации компонентов анализируемой среды до определенной температуры, отключают термоанемометр, тепловым датчиком регистрируют темпы снижения температуры среды и фиксируют инерционную постоянную времени t, которая зависит от количественного соотношения компонент. Результаты заносят в контрольную таблицу (патент РФ №2188410, G01N 25/20, 2002).

Известный метод имеет ограниченные возможности применения, поскольку эффективен только при анализе сред, инерционные постоянные компонентов которых значительно отличаются друг от друга. Кроме того, метод имеет низкую точность, поскольку измерение производится дискретно (нагрев осуществляется скачками напряжения), а изменение температуры среды происходит инерционно, что вносит свою погрешность в конечный результат.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности анализа многокомпонентной жидкой среды путем контроля количественного состава ее компонент в реальном режиме времени.

Поставленная задача достигается тем, что по способу экспресс-определения состава многокомпонентной жидкой среды, включающему операцию нагрева смеси источником энергетического воздействия, обладающим избирательностью по отношению к анализируемым составляющим компонентам, и регистрацию изменения температуры анализируемой среды в зависимости от концентрации составляющих ее компонент, согласно изобретению в процессе нагрева смеси регистрируют изменение ее температуры, регистрируя одновременно с этим изменение падения напряжения непосредственно на источнике энергетического воздействия, и рассчитывают в реальном режиме времени функциональную зависимость изменения падения напряжения на источнике энергетического воздействия от количественного состава компонентов среды.

Рассмотрим ситуацию, когда источник энергетического воздействия (контактный элемент теплового датчика) помещен в анализируемую среду, температура которой изменяется от t0 до t1 в процессе нагрева.

Мощность теплового датчика определяется как

где α - коэффициент теплопроводности анализируемой среды; F - площадь (поверхность) контактного элемента теплового датчика, находящегося в анализируемой среде, Θ-(t1-t0) - разность температуры анализируемой среды после нагрева t1 и до нагрева t0 соответственно.

В процессе нагрева анализируемой среды происходит изменение ее сопротивления R и, как следствие, изменение напряжения U на контактном элементе датчика нагрева.

Поскольку

подставим выражение (2) в формулу (1) и получим уравнение

U²/R=αFΘ, из которого следует

Так как величина F - постоянная, а значением Θ - const/α можно пренебречь, то очевидно, что коэффициент теплопроводности анализируемой среды определится как функция изменения напряжения на контактном элементе теплового датчика α-f(U), то есть показание изменения напряжения на датчика нагрева пропорционально соотношению количественного состава анализируемой среды. При этом, поскольку коэффициент теплопроводности самого контактного элемента α₁=0,05, его значением можно пренебречь.

Таким образом, предложенный способ существенно отличается от известных, поскольку

- основан на получении функциональной зависимости изменения падения напряжения на выходе теплового датчика от количественного состава компонентов анализируемой среды в процессе нагрева последней в аналоговом режиме, что обеспечивает высокую точность расчета концентрации,

- измерение падения напряжения осуществляется непосредственно на контактном элементе теплового датчика,

- измерение и обработка регистрируемых параметров осуществляется в режиме реального времени,

- практическая реализация предложенного способа экспресс-определения состава многокомпонентной жидкой среды не требует специальных условий и материалов и осуществляется оперативно с использованием доступного оборудования, обеспечивающего недорогое обслуживание и быстрый ремонт,

- высокая точность определения количественного состава анализируемой среды предложенным способом и простота его практической реализации позволяют применять его для оперативного анализа как в стационарных, так и в полевых условиях, что актуально в нефтегазодобывающей и/или перерабатывающей отраслях промышленности, в частности в морской нефтеразведке.

На чертеже представлена блок-схема установки для реализации предложенного способа экспресс-определения состава многокомпонентной жидкой среды.

Установка содержит емкость 1 с контролируемой средой, датчик нагрева 2 с контактным элементом 3 и термометр 4. Контактный элемент 3 датчика нагрева 2 и термометр 4 соединены с процессором компьютера 5. Датчик нагрева 2 подключен к стабилизатору постоянного тока 6.

Реализация предложенного способа экспресс-определения состава многокомпонентной жидкой среды осуществляется следующим образом.

В емкость 1 с контактным элементом 3 датчика нагрева 2 и термометром 4 заливают пробу анализируемой среды. Выходы контактного элемента 3 и термометра 4 подключают к процессору компьютера 5. От стабилизатора постоянного тока 6 через датчик нагрева 2 пропускают постоянный ток, под воздействием которого контактный элемент 3 датчика нагрева 2 выделяет тепло, повышающее температуру анализируемой среды в емкости 1. При этом под воздействием конвенционных процессов в емкости 1 происходит теплообмен между контактным элементом 3 датчика нагрева 2 и анализируемой средой. На контактном элементе 3 происходит падение напряжения, которое фиксируется процессором компьютера 5. Одновременно компьютером 5 осуществляется контроль изменения реальной температуры анализируемой среды в емкости 1 посредством термометра 4.

Поскольку показание изменения падения напряжения на контактном элементе 3 датчика нагрева 2 пропорционально соотношению количественного состава компонент анализируемой среды, полученная информация считывается компьютером 5 и обрабатывается в реальном режиме времени по заданному алгоритму распределения с учетом изменения показаний термометра 4.

Высокая точность определения количественного состава анализируемой среды предложенным способом и простота его практической реализации позволяют применять его для оперативного анализа сред из любых нерастворимых друг в друге жидких компонентов в реальном режиме времени.

Способ экспресс-определения состава многокомпонентной жидкой среды, согласно которому нагревают многокомпонентную жидкую смесь источником энергетического воздействия, обладающим избирательностью по отношению к анализируемым составляющим компонентам, и регистрируют изменение температуры смеси в зависимости от концентрации составляющих ее компонентов, отличающийся тем, что в процессе нагрева смеси регистрируют изменение ее температуры, регистрируя одновременно с этим изменение падения напряжения непосредственно на источнике энергетического воздействия, и рассчитывают в реальном режиме времени функциональную зависимость изменения падения напряжения на источнике энергетического воздействия от количественного состава компонентов среды.