RU2769954C1 - Method for measuring moisture content in water-oil mixtures and a device for its implementation - Google Patents
Method for measuring moisture content in water-oil mixtures and a device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2769954C1 RU2769954C1 RU2021135188A RU2021135188A RU2769954C1 RU 2769954 C1 RU2769954 C1 RU 2769954C1 RU 2021135188 A RU2021135188 A RU 2021135188A RU 2021135188 A RU2021135188 A RU 2021135188A RU 2769954 C1 RU2769954 C1 RU 2769954C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- oil
- moisture content
- microwave sensor
- strip
- measuring
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
- G01N22/04—Investigating moisture content
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Description
Заявленная группа изобретений относится к исследованиям и анализам материалов и жидкостей с помощью высокочастотного сигнала и может применяться при измерении количества и качества нефти при добыче и транспортировке в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, конкретно - измерения влагосодержания нефти.The claimed group of inventions relates to research and analysis of materials and liquids using a high-frequency signal and can be used to measure the quantity and quality of oil during production and transportation in the oil and oil refining industry, specifically to measure the moisture content of oil.
На дату подачу заявки в мире актуален вопрос точного измерения влагосодержания в водонефтяных смесях. Известные технические решения позволяют измерить влагосодержание нефти с достаточно высокой точностью, но общим недостатком этих методов является сильная зависимость результатов измерений от конкретного состава водонефтяной смеси - сорта нефти, количества растворенных солей, типа эмульсии. Зависимости погрешности измерения влагосодержания водонефтяных смесей от состава смеси изложены, например, в статье «Погрешность измерения влагосодержания нефти в СВЧ диапазоне» [УДК 681.3;622.276, А.В.Вороненко, В.А.Аверин, Д.Е.Ушаткин. «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности», 5/2014].At the date of filing the application, the issue of accurate measurement of moisture content in water-oil mixtures is relevant in the world. Known technical solutions make it possible to measure the moisture content of oil with a sufficiently high accuracy, but a common drawback of these methods is the strong dependence of the measurement results on the specific composition of the water-oil mixture - oil grade, amount of dissolved salts, type of emulsion. Dependences of the error in measuring the moisture content of oil-water mixtures on the composition of the mixture are described, for example, in the article “Error in measuring the moisture content of oil in the microwave range” [UDK 681.3; 622.276, A.V. Voronenko, V.A. Averin, D.E. Ushatkin. "Automation, telemechanization and communication in the oil industry", 5/2014].
Поэтому, чтобы уменьшить влияние состава водонефтяной смеси на результаты измерения влагосодержания, производители влагомеров производят градуировки каждого влагомера на предполагаемый состав водонефтяной смеси на месте установки каждого влагомера. В случае если состав водонефтяной смеси не будет соответствовать составу, на который настроен влагомер, это может привести к появлению дополнительной погрешности измерения влагосодержания, которая может значительно превысить заявленную производителем погрешность измерения. Therefore, in order to reduce the influence of the composition of the water-oil mixture on the results of measuring moisture content, moisture meter manufacturers calibrate each moisture meter to the expected composition of the water-oil mixture at the installation site of each moisture meter. If the composition of the water-oil mixture does not correspond to the composition to which the moisture meter is set, this may lead to an additional error in the measurement of moisture content, which may significantly exceed the measurement error declared by the manufacturer.
Далее в тексте заявителем приведены термины, которые необходимы для облегчения однозначного понимания сущности заявленных материалов и исключения противоречий и/или спорных трактовок при выполнении экспертизы по существу.Further in the text, the applicant gives the terms that are necessary to facilitate an unambiguous understanding of the essence of the claimed materials and to exclude contradictions and / or controversial interpretations when performing an examination on the merits.
Опорный спектр - частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 сенсора влагомера (далее - частотная характеристика) для одного конкретного набора значений параметров среды, которая устанавливаются при исследовании S характеристик заявленного устройства (далее - влагомера), затем сохраняются в памяти контроллера влагомера. Опорный спектр RefN состоит из двух частотных характеристик RefNS11 и RefNS12, где N - номер опорного спектра. The reference spectrum is the frequency response of the coefficients S11 and S12 of the moisture meter sensor (hereinafter referred to as the frequency response) for one specific set of values of the environment parameters, which are set when examining the S characteristics of the claimed device (hereinafter referred to as the moisture meter), then stored in the memory of the moisture meter controller. The reference spectrum RefN consists of two frequency responses RefNS11 and RefNS12, where N is the number of the reference spectrum.
Массив опорных спектров - массив опорных спектров RefN частотных характеристик коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора влагомера для полного набора значений параметров среды, которые принимаются в качестве опорных для вычисления промежуточных значений параметров измеряемой среды. Массив опорных спектров храниться в памяти контроллера влагомера. Array of reference spectra - an array of reference spectra RefN of the frequency characteristics of the coefficients S11 and S12 of the strip microwave sensor of the moisture meter for the full set of values of the medium parameters, which are taken as reference for calculating the intermediate values of the parameters of the measured medium. The array of reference spectra is stored in the memory of the moisture meter controller.
Измеренный спектр - измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора влагомера для измеряемого состава водонефтяной смеси. Измеренный спектр meas. состоит из двух частотных характеристик meas.S11 и meas.S12. Measured spectrum - the measured frequency response of the coefficients S11 and S12 of the strip microwave sensor of the moisture meter for the measured composition of the water-oil mixture. Measured spectrum meas. consists of two frequency responses meas.S11 and meas.S12.
СВЧ - сверхвысокие частоты. SHF - super high frequencies.
S11 - коэффициент отражения. S11 - reflection coefficient.
S12 - коэффициент передачи. S12 - transmission coefficient.
Сорт нефти - это жидкая природная смесь углеводородов, обладающая определенным составом и характеристиками. A grade of oil is a liquid natural mixture of hydrocarbons with a certain composition and characteristics.
Тип эмульсии «вода в нефти» - эмульсия, в которой диспергированная вода является дисперсной внутренней фазой, а нефть является дисперсной внешней средой. Type of emulsion "water in oil" - an emulsion in which dispersed water is a dispersed internal phase, and oil is a dispersed external medium.
Тип эмульсии «нефть в воде» - эмульсия, в которой диспергированная нефть является дисперсной внутренней фазой, а вода является дисперсной внешней средой. The oil-in-water emulsion type is an emulsion in which dispersed oil is the dispersed internal phase and water is the dispersed external medium.
Испытательный стенд - стенд, позволяющий создавать параметры измеряемой среды: состав смеси, скорость циркуляции, температуру и давление в измеряемой смеси. Test bench - a bench that allows you to create the parameters of the measured medium: composition of the mixture, circulation rate, temperature and pressure in the measured mixture.
Из исследованного уровня техники заявителем выявлены технические решения по измерению влагосодержания водонефтяной смеси, использующие измерение характеристик водонефтяной смеси с помощью высокочастотного сигнала, основанные на исследовании резонансных характеристик высокочастотных сенсоров, представляющих собой резонаторы, заполненные измеряемой средой.From the studied prior art, the applicant identified technical solutions for measuring the moisture content of an oil-water mixture using the measurement of the characteristics of an oil-water mixture using a high-frequency signal, based on the study of the resonant characteristics of high-frequency sensors, which are resonators filled with the measured medium.
Так, известны способы и методы для измерения характеристик жидкости с помощью измерения диэлектрического спектра, изложенные, например, в [Гусев Ю.А. Основы диэлектрической спектроскопии // Учебное пособие. Физический факультет КГУ. - URL:https://kpfu.ru/docs/F312491640/gusev_diel_spectrosc.pdf - c.69].So, there are methods and methods for measuring the characteristics of a liquid by measuring the dielectric spectrum, set forth, for example, in [Gusev Yu.A. Fundamentals of dielectric spectroscopy // Textbook. Faculty of Physics, KSU. - URL: https://kpfu.ru/docs/F312491640/gusev_diel_spectrosc.pdf - c.69].
Известны способы вычисления характеристик СВЧ устройств и полосковых линий, например [УДК 621.396.67 «Теория и применение устройств СВЧ»: Учеб. пособие для вузов» / Неганов В. А., Яровой Г. П.; под ред. В. А. Неганова. - М.: Радио и связь, 2006. - 720 с.]Known methods for calculating the characteristics of microwave devices and strip lines, for example [UDK 621.396.67 "Theory and application of microwave devices": Proc. manual for universities” / Neganov V. A., Yarovoy G. P.; ed. V. A. Neganova. - M.: Radio and communication, 2006. - 720 p.]
В заявленном техническом решении использованы принципы диэлектрической спектроскопии и вычисления характеристик СВЧ устройств, изложенные в приведенных выше известных технических решениях.The claimed technical solution uses the principles of dielectric spectroscopy and calculation of the characteristics of microwave devices, set forth in the above known technical solutions.
Известно изобретение по патенту RU №2678955 «Способ измерения влагосодержания и отбора проб в трехкомпонентных смесях из добывающих нефтяных скважин и устройство для его осуществления», являющееся аналогом по отношению к способу и по отношению к устройству. Сущностью является способ измерения влагосодержания и отбора проб в трехкомпонентных смесях из добывающих нефтяных скважин, включающий в себя зондирование измеряемой смеси высокочастотными электромагнитными волнами в рабочем диапазоне частот объемного резонатора радиоволнового датчика, измерение резонансной частоты и коэффициента передачи объемного резонатора на резонансной частоте и формирование обобщенной измеренной величины из значений этих параметров. Предусмотрено два режима работы: "динамический" режим с непрерывным протеканием измеряемой среды через радиоволновой датчик влагомера, при типе смеси с непрерывной нефтяной фазой, и режим "статический" с остановкой потока через радиоволновой датчик путем переключения его в байпасный канал, при смесях с водной непрерывной фазой. Переход с одного режима на другой осуществляется автоматически с помощью определения типа смеси путем анализа текущих значений резонансной частоты. Применяются различные градуировки в виде зависимостей резонансной частоты и коэффициента передачи от влагосодержания, используемые при различных режимах и различном содержании свободного газа. Рабочий алгоритм измерения текущего значения величины влагосодержания состоит в определении его из уравнения обобщенной измеренной величины, в которое подставлено текущее значение этой обобщенной величины, рассчитанное по измеренным значениям резонансной частоты. Устройство состоит из объемного высокочастотного резонатора типа радиоволнового датчика (РВД) и электронного блока с синтезатором частоты и процессорным модулем, реализующим управляющие и вычислительные функции в соответствии с заложенным рабочим алгоритмом. Отличительными особенностями являются выполнение РВД с малым зазором между возбуждающей обмоткой и корпусом, выполнение узла съема сигнала в виде дифференцирующей электрической цепи для уменьшения влияния свободного газа в смеси на точность измерения и в добавлении секции слива для измерения мерниками содержания жидкости, нефти и газа.An invention is known according to patent RU No. 2678955 "Method for measuring moisture content and sampling in three-component mixtures from producing oil wells and a device for its implementation", which is analogous to the method and to the device. The essence is a method for measuring moisture content and sampling in three-component mixtures from producing oil wells, which includes probing the measured mixture with high-frequency electromagnetic waves in the operating frequency range of the cavity resonator of the radio wave sensor, measuring the resonant frequency and the transmission coefficient of the cavity resonator at the resonant frequency and forming a generalized measured value from the values of these parameters. There are two modes of operation: "dynamic" mode with continuous flow of the measured medium through the radio wave sensor of the moisture meter, when the type of mixture is with a continuous oil phase, and the "static" mode with stopping the flow through the radio wave sensor by switching it to the bypass channel, with mixtures with continuous water phase. The transition from one mode to another is carried out automatically by determining the type of mixture by analyzing the current values of the resonant frequency. Various calibrations are used in the form of dependences of the resonant frequency and the transfer coefficient on moisture content, used in different modes and different contents of free gas. The working algorithm for measuring the current value of the moisture content consists in determining it from the equation of the generalized measured value, in which the current value of this generalized value, calculated from the measured values of the resonant frequency, is substituted. The device consists of a volumetric high-frequency resonator of the type of a radio wave sensor (RVD) and an electronic unit with a frequency synthesizer and a processor module that implements control and computational functions in accordance with the embedded working algorithm. Distinctive features are the implementation of high pressure hoses with a small gap between the exciting winding and the housing, the implementation of the signal pickup unit in the form of a differentiating electrical circuit to reduce the effect of free gas in the mixture on the measurement accuracy and the addition of a drain section for measuring liquid, oil and gas content by measuring instruments.
Известно изобретение по патенту RU №2372608 «Способ измерения влагосодержания смеси и датчик для его осуществления», являющееся аналогом по отношению к способу и по отношению к устройству. Сущностью является способ измерения влагосодержания смеси, включающий возбуждение ТЕМ волн генератором, перестраиваемым по частоте, в коаксиальном резонаторе, в котором протекает поток смеси, и измерение амплитудно-частотной характеристики мощности ТЕМ волн, отличающийся тем, что для смеси с заранее заданными показателями влагосодержания смеси в амплитудно-частотной характеристике мощности ТЕМ волн дополнительно измеряют частотное положение резонансных провалов волн H11, на амплитудно-частотной характеристике ТЕМ волн, по положению резонансных провалов волн H11 определяют калибровочную зависимость влагосодержания от частоты для волн H11 и для исследуемого потока смеси судят о влагосодержании по упомянутой калибровочной зависимости, измеряя положение частотного резонансного провала волны H11 исследуемого потока смеси. Датчик для измерения влагосодержания смеси, содержащий отрезок коаксиальной линии, два штуцера, установленные на боковой поверхности наружного проводника отрезка коаксиальной линии, канал, предназначенный для передачи потока смеси между внутренним и наружным проводниками отрезка коаксиальной линии, отличающийся тем, что введена диэлектрическая втулка, установленная между внутренним и наружным проводником отрезка коаксиальной линии, канал выполнен в диэлектрической втулке между двумя штуцерами, причем часть внутренней стенки наружного проводника отрезка коаксиальной линии, расположенная между штуцерами, служит стенкой канала, а электрические размеры поперечного сечения отрезка коаксиальной линии выбраны обеспечивающими возбуждение и распространение в области отрезка коаксиальной линии волны H11.An invention is known according to patent RU No. 2372608 "A method for measuring the moisture content of a mixture and a sensor for its implementation", which is analogous in relation to the method and in relation to the device. The essence is a method for measuring the moisture content of a mixture, including the excitation of TEM waves by a frequency-tunable generator in a coaxial resonator in which the mixture flows, and measuring the amplitude-frequency characteristic of the power of TEM waves, characterized in that for a mixture with predetermined indicators of the moisture content of the mixture in On the amplitude-frequency characteristic of the power of TEM waves, the frequency position of the resonant dips of the H11 waves is additionally measured, on the amplitude-frequency characteristic of the TEM waves, by the position of the resonant dips of the H11 waves, the calibration dependence of the moisture content on the frequency for the H11 waves is determined, and for the studied flow of the mixture, the moisture content is judged on the mentioned calibration dependence by measuring the position of the frequency resonant dip of the H11 wave of the studied mixture flow. A sensor for measuring the moisture content of the mixture, containing a segment of a coaxial line, two fittings installed on the side surface of the outer conductor of the segment of the coaxial line, a channel designed to transfer the mixture flow between the inner and outer conductors of the segment of the coaxial line, characterized in that a dielectric bushing is introduced, installed between the inner and outer conductor of the coaxial line segment, the channel is made in a dielectric sleeve between two fittings, and the part of the inner wall of the outer conductor of the coaxial line segment, located between the fittings, serves as the channel wall, and the electrical dimensions of the cross section of the coaxial line segment are selected to provide excitation and propagation in the area segment of the coaxial line of the H11 wave.
Известны устройства, реализующие способ измерения характеристик водонефтяной смеси с помощью высокочастотного сигнала. Эти устройства определяют резонансные частоты сенсоров-резонаторов, заполненных исследуемой жидкостью, в рабочей полосе частот.По значению резонансных частот определяется влагосодержание в водонефтяной смеси.Devices are known that implement a method for measuring the characteristics of an oil-water mixture using a high-frequency signal. These devices determine the resonant frequencies of the sensors-resonators filled with the investigated liquid in the operating frequency band. The moisture content in the water-oil mixture is determined by the value of the resonant frequencies.
Известно изобретение по патенту EP0478699 «Микроволновый аппарат и метод измерения смесей жидкостей». Сущностью является устройство для измерения свойства состава вещества с использованием изменения характеристик микроволнового излучения, содержащее: средство формирования измерительной секции, имеющей средства для передачи через нее микроволнового излучения; схему генератора, функционально соединенную с указанным средством передачи микроволнового излучения и имеющую рабочую частоту, которая изменяется с изменением комплексного импеданса нагрузки генератора, которая включает в себя свойства состава вещества в указанной секции измерения; и характеризуется средство для измерения рабочей частоты упомянутой схемы генератора, измененной упомянутым свойством; и характеризуется средство для измерения потерь мощности микроволнового излучения в упомянутой измерительной секции на упомянутой рабочей частоте; при этом рабочая частота или ее изменение, а также потери мощности на указанной рабочей частоте сравниваются с их опорными значениями для известного состояния указанного состава вещества, чтобы определить указанное свойство. Способ определения свойства состава вещества с использованием изменения характеристик микроволнового излучения, включающий следующие этапы: размещение указанного вещества в измерительной секции, имеющей средства для передачи через нее микроволнового излучения; генерируют с помощью схемы генератора и пропускают через измерительную секцию микроволновое излучение с рабочей частотой, которая изменяется с изменением комплексного импеданса нагрузки генератора, который включает в себя свойства состава вещества в упомянутой измерительной секции; измерение указанной рабочей частоты, измененной указанным свойством, и потерь мощности в указанной измерительной секции на указанной рабочей частоте; сравнение рабочей частоты или ее изменения, а также потерь мощности на указанной рабочей частоте с их опорными значениями для известного состояния указанного состава вещества, чтобы определить указанное свойство.An invention is known according to patent EP0478699 "Microwave apparatus and method for measuring mixtures of liquids". The essence is a device for measuring the property of the composition of a substance using a change in the characteristics of microwave radiation, containing: means for forming a measuring section having means for transmitting microwave radiation through it; a generator circuit operatively connected to said microwave transmission means and having an operating frequency that changes with a change in the complex load impedance of the generator, which includes material composition properties in said measurement section; and means for measuring the operating frequency of said oscillator circuit modified by said property is characterized; and characterizes means for measuring microwave power loss in said measurement section at said operating frequency; wherein the operating frequency or variation thereof and the power loss at said operating frequency are compared with their reference values for a known state of said composition of matter to determine said property. A method for determining a property of a composition of a substance using a change in the characteristics of microwave radiation, which includes the following steps: placing said substance in a measuring section having means for transmitting microwave radiation through it; using the generator circuit to generate and pass through the measuring section microwave radiation with an operating frequency that varies with the change in the complex load impedance of the generator, which includes the properties of the composition of the substance in the said measuring section; measuring said operating frequency modified by said property and power loss in said measurement section at said operating frequency; comparing the operating frequency, or variation thereof, and power loss at said operating frequency with their reference values for a known state of said composition of matter to determine said property.
Известно изобретение по патенту на полезную модель RU №94344 «Влагомер поточный». Сущностью является влагомер поточный, содержащий трубчатый электрод, соединенный с впускным и выпускным патрубками, стержневой электрод, находящийся в диэлектрическом изоляторе, установленный внутри трубчатого электрода коаксиально с ним и зафиксированный относительно него держателем, прикрепленным к трубчатому электроду при помощи внешней втулки с внутренней резьбой, при этом между стержневым электродом и втулкой установлена пружина, являющаяся высокочастотным контактом, стержневой электрод через центральный электрод и высокочастотные разъемы подключен к перестраиваемому генератору сигналов высокой частоты блока электроники, размещенному во взрывозащитном корпусе, отличающийся тем, что он снабжен статическим миксером, установленным во впускном патрубке, и датчиком температуры, установленным на трубчатом электроде, являющимся плечом измерительного моста сопротивлений, при этом впускной патрубок расположен перпендикулярно оси трубчатого электрода, а в качестве генератора сигналов высокой частоты используют цифровой синтезатор прямого синтеза сигналов высокой частоты DDSAn invention is known according to the utility model patent RU No. 94344 "Inline moisture meter". The essence is a flow moisture meter containing a tubular electrode connected to the inlet and outlet nozzles, a rod electrode located in a dielectric insulator, installed inside the tubular electrode coaxially with it and fixed relative to it by a holder attached to the tubular electrode using an external sleeve with an internal thread, with in this case, a spring is installed between the rod electrode and the sleeve, which is a high-frequency contact, the rod electrode is connected through the central electrode and high-frequency connectors to a tunable high-frequency signal generator of the electronics unit, located in an explosion-proof housing, characterized in that it is equipped with a static mixer installed in the inlet pipe, and a temperature sensor mounted on the tubular electrode, which is the arm of the resistance measuring bridge, while the inlet pipe is located perpendicular to the axis of the tubular electrode, and as a signal generator, high th frequency use a digital synthesizer direct synthesis of high frequency signals DDS
Все описанные выше известные технические решения позволяют измерить влагосодержание нефти с достаточно высокой точностью.All the known technical solutions described above make it possible to measure the moisture content of oil with a sufficiently high accuracy.
Вместе с тем общим недостатком всех описанных выше известных технических решений является достаточно сильная зависимость результатов измерений от конкретного состава водонефтяной смеси - сорта нефти, количества растворенных солей, типа эмульсии, что требует настройки каждого влагомера на предполагаемый состав водонефтяной смеси на месте установки каждого влагомера. В случае если состав водонефтяной смеси не будет соответствовать типу, на который настроен влагомер, это может привести к появлению дополнительной погрешности измерения влагосодержания, которая может значительно превысить заявленную производителем погрешность измерения влагосодержания.At the same time, a common disadvantage of all the known technical solutions described above is the rather strong dependence of the measurement results on the specific composition of the water-oil mixture - oil grade, the amount of dissolved salts, the type of emulsion, which requires setting each moisture meter to the expected composition of the water-oil mixture at the installation site of each moisture meter. If the composition of the water-oil mixture does not correspond to the type to which the moisture meter is set, this may lead to an additional error in the measurement of moisture content, which may significantly exceed the error in the measurement of moisture content declared by the manufacturer.
Техническим результатом заявленного технического решения является устранение недостатка аналогов, а именно - уменьшение погрешности измерений влагосодержания водонефтяных смесей с различным составом - сортом нефти, количеством растворенных солей, типом эмульсии, путем использования при измерении и вычислении влагосодержания массива опорных спектров. The technical result of the claimed technical solution is to eliminate the lack of analogues, namely, to reduce the measurement error of the moisture content of oil-water mixtures with different compositions - oil grade, amount of dissolved salts, type of emulsion, by using an array of reference spectra to measure and calculate the moisture content.
Сущностью заявленного технического решения является способ измерения влагосодержания в водонефтяных смесях, заключающийся в том, что проводят два этапа: на 1 этапе создают массив опорных спектров, для чего: готовят эталонную смесь с определенным сортом нефти, влагосодержанием, солесодержанием, типом эмульсии и заданной температурой, подают эталонную смесь на входной патрубок устройства для измерения влагосодержания, далее эталонная смесь поступает в измерительную секцию устройства для измерения влагосодержания через входной фильтр высоких частот, проходит по измерительной секции, обтекая полосковый СВЧ сенсор и через выходной фильтр высоких частот выходит через выходной патрубок, при этом проводят измерение частотных характеристик коэффициента отражения S11 и коэффициента передачи S12 полоскового СВЧ сенсора для данной эталонной смеси в полосе рабочих частот от 1 МГц до 3000 МГц следующим образом: широкодиапазонный генератор частот, входящий в состав измерителя S параметров, формирует зондирующий сигнал в диапазоне от 1 МГц до 3000 МГц, подающийся на вход полоскового СВЧ сенсора; часть отраженного от входа полоскового СВЧ сенсора и часть прошедшего через полосковый СВЧ сенсор сигнала поступают на входы приемника, входящего в состав измерителя S параметров, измеряющего величины коэффициентов S11 и S12; измеренные величины коэффициентов S11 и S12 через плату интерфейса передаются на вторичный прибор; в памяти контроллера вторичного прибора запоминается измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора для данной эталонной смеси при данной температуре - опорный спектр; далее готовят эталонные смеси с различными комбинациями сорта нефти, влагосодержания, солесодержания, типа эмульсии и заданной температуры и повторяют для каждой эталонной смеси перечисленные выше действия, начиная от поступления эталонной смеси в измерительную секцию устройства для измерения влагосодержания до передачи измеренных коэффициентов S11 и S12 на вторичный прибор, при этом в памяти контроллера вторичного прибора запоминается каждая измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора - опорный спектр для каждой эталонной смеси и для каждой заданной температуры; при этом создают массив опорных спектров, который является единой базой опорных спектров для данной конструкции устройства для измерения влагосодержания; на 2 этапе проводят измерения влагосодержания в исследуемой водонефтяной смеси, для чего: подают исследуемую водонефтяную смесь на входной патрубок устройства для измерения влагосодержания, далее водонефтяная смесь поступает в измерительную секцию устройства для измерения влагосодержания через входной фильтр высоких частот, проходит по измерительной секции, обтекая полосковый СВЧ сенсор и через выходной фильтр высоких частот выходит через выходной патрубок; при этом проводят измерение частотных характеристик коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора в полосе рабочих частот от 1 МГц до 3000 МГц следующим образом: широкодиапазонный генератор частот, входящий в состав измерителя S параметров, формирует зондирующий сигнал в диапазоне от 1 МГц до 3000 МГц, подающийся на вход полоскового СВЧ сенсора; часть отраженного от входа полоскового СВЧ сенсора и часть прошедшего через полосковый СВЧ сенсор сигнала поступают на входы приемника, входящего в состав измерителя S параметров, измеряющего величины коэффициентов отражения S11 и коэффициента передачи S12; измеренные величины коэффициентов S11 и S12 через плату интерфейса передаются на вторичный прибор; в памяти контроллера вторичного прибора запоминается измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора - измеренный спектр; далее программное обеспечение контроллера сравнивает измеренный спектр с набором опорных спектров из созданного на 1 этапе массива опорных спектров, находящихся в памяти контроллера, и выбирает опорные спектры с наиболее близкими к измеренному спектру значениями; затем методом интерполяции от опорных спектров контроллер пересчитывает измеренные характеристики исследуемой водонефтяной смеси и вычисляет параметры исследуемой водонефтяной смеси - значение влагосодержания. Устройство для реализации способа по п.1, состоящее из первичного датчика и вторичного прибора, при этом первичный датчик состоит из измерительной секции, выполненной в виде трубы, содержащей полосковый СВЧ сенсор; входного и выходного патрубков; датчика температуры; блока электроники; при этом входной и выходной патрубки расположены на трубе измерительной секции, при этом полосковый СВЧ сенсор выполнен аксиально по центру трубы измерительной секции и состоит из металлического стержня, выполненного из немагнитного металла, на котором размещена подложка, на которой выполнена полосковая линия, при этом полосковый СВЧ сенсор закрыт внешней изоляцией, при этом полосковый СВЧ сенсор закреплен в опоре входной и опоре выходной; на стенке трубы измерительной секции в местах соединения с входным и выходным патрубками выполнены фильтры высоких частот в виде перфорации, при этом диаметр отверстий перфорации выполнен с возможностью эффективной изоляции измерительной секции по высокой частоте в диапазоне частот от 1 МГц до 3000 МГц от влияния подсоединяемого к входному и выходному патрубкам внешнего трубопровода, а также с возможностью однородного смешения водонефтяной смеси; на входном патрубке размещен датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры измеряемой среды и передачи этого значения в цифровом виде на вторичный прибор; в торце трубы измерительной секции в месте подсоединения входного патрубка закреплен блок электроники, включающий измеритель S параметров и плату интерфейса, при этом блок электроники и датчик температуры соединены между собой кабелем, при этом измеритель S параметров выполнен с возможностью измерения высокочастотных характеристик полоскового СВЧ сенсора - коэффициента отражения S11 и коэффициента передачи S12 при обтекании полоскового СВЧ сенсора измеряемой средой, причем канал измерения коэффициента отражения S11 подключен к входу полоскового СВЧ сенсора, а канал измерения коэффициента передачи S12 подключен к выходу полоскового СВЧ сенсора; вторичный прибор выполнен в приборном корпусе, внутри которого размещена электронная схема, состоящая из контроллера, выполненного на встраиваемом компьютере, сенсорного дисплея, платы преобразователей интерфейса, блока питания и барьеров искрозащиты, при этом все элементы соединены между собой кабелями; при этом первичный датчик и вторичный прибор соединены между собой кабелем. The essence of the claimed technical solution is method for measuring moisture content in water-oil mixtures,consisting in the fact that carry out two stages:at
Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 -Фиг.6.The claimed technical solution is illustrated in Fig.1-Fig.6.
На Фиг.1 представлен чертеж заявленного устройства в разрезе. Figure 1 shows a drawing of the claimed device in section.
На Фиг.2 представлен фильтр высоких частот. Figure 2 shows a high pass filter.
На Фиг.3 представлена измерительная секция в поперечном сечении. Figure 3 shows the measuring section in cross section.
На Фиг.4 представлена функциональная схема заявленного устройства. Figure 4 shows a functional diagram of the claimed device.
Позиции на Фиг.1 - Фиг.4 обозначают:Positions in figure 1 - figure 4 denote:
1 - первичный датчик;1 - primary sensor;
2 - вторичный прибор;2 - secondary device;
3 - входной патрубок;3 - inlet pipe;
4 - выходной патрубок;4 - outlet pipe;
5 - измерительная секция;5 - measuring section;
6 - датчик температуры;6 - temperature sensor;
7 - полосковый СВЧ сенсор с входом измерения коэффициента отражения S11 и выходом измерения коэффициента передачи S12;7 - strip microwave sensor with an input for measuring the reflection coefficient S11 and an output for measuring the transmission coefficient S12;
8 - подложка;8 - substrate;
9 - полосковая линия;9 - strip line;
10 - внешняя изоляция полоскового СВЧ сенсора;10 - external insulation of a strip microwave sensor;
11 - опора входная;11 - input support;
12 - опора выходная;12 - output support;
13 - блок электроники;13 - electronics unit;
14 - входной фильтр высоких частот;14 - input high-pass filter;
15 - выходной фильтр высоких частот;15 - output high-pass filter;
16 - отверстия перфорации фильтров высоких частот;16 - perforation holes for high-frequency filters;
17 - измеритель S параметров с каналами измерения коэффициента отражения S11 и коэффициента передачи S12;17 - meter S parameters with channels for measuring the reflection coefficient S11 and the transmission coefficient S12;
18 - плата интерфейса;18 - interface board;
19 - водонефтяная смесь;19 - water-oil mixture;
20 - контроллер;20 - controller;
21 - сенсорный дисплей;21 - touch display;
22 - плата преобразователей интерфейса;22 - interface converter board;
23 - блок питания;23 - power supply;
24 - барьеры искрозащиты;24 - spark protection barriers;
25 - стержень полоскового СВЧ сенсора;25 - rod of a strip microwave sensor;
RS485 - интерфейс стандарта RS485.RS485 - RS485 standard interface.
На Фиг.5 представлен график, отображающий комбинацию измеренного спектра meas.S11 и двух опорных спектров Ref1S11 и Ref2S11, где: Figure 5 is a graph showing the combination of the measured spectrum meas.S11 and two reference spectra Ref1S11 and Ref2S11, where:
ось Х - частота (Frequency), MHz;X-axis - frequency (Frequency), MHz;
ось Y - величина S11, dB;Y-axis - value S11, dB;
Ref1S11, Ref2S11 - опорные спектры S11, Ref1S11, Ref2S11 - reference spectra S11,
meas.S11 - измеренный спектр S11.meas.S11 - measured spectrum S11.
На Фиг.6 представлен график, отображающий комбинацию измеренного спектра meas.S12 и двух опорных спектров Ref1S12 и Ref2S12, где: 6 is a graph showing the combination of the measured meas.S12 spectrum and the two reference spectra Ref1S12 and Ref2S12, where:
ось Х - частота (Frequency), MHz;X-axis - frequency (Frequency), MHz;
ось Y - амплитуда S12, dB;Y-axis - S12 amplitude, dB;
Ref1S12, Ref2S12 - опорные спектры S12,Ref1S12, Ref2S12 - S12 reference spectra,
meas.S12 - измеренный спектр S12.meas.S12 - measured spectrum S12.
Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.Further, the applicant provides a description of the claimed technical solution.
Заявленное устройство (влагомер), реализующее заявленный способ, конструктивно и функционально состоит из (Фиг.1 - Фиг.4): The claimed device (moisture meter), which implements the claimed method, structurally and functionally consists of (Figure 1 - Figure 4):
- первичного датчика 1;-
- вторичного прибора 2.-
Первичный датчик 1 конструктивно в разрезе показан на Фиг.1 - Фиг.3, функциональная электрическая схема приведена на Фиг.4. The
Первичный датчик состоит из:The primary sensor consists of:
измерительной секции 5, выполненной в виде трубы, содержащей полосковый СВЧ сенсор 7;measuring
входного 3 и выходного 4 патрубков;
датчика температуры 6;
блока электроники 13.
При этом входной 3 и выходной 4 патрубки расположены на трубе измерительной секции 5 и соединены с указанной трубой, например, с помощью сварки.When this
По центру трубы 5 аксиально выполнен полосковый СВЧ сенсор 7 (Фиг.1), состоящий из металлического стержня 25, выполненного из немагнитного металла, например из меди, на котором размещена подложка 8 (например, приклеиванием), на которой выполнена полосковая линия 9 (например, приклеиванием), при этом полосковый СВЧ сенсор 7 закрыт внешней изоляцией 10, выполненной, например, из фторопласта. Заявитель поясняет, что на Фиг.1 часть внешней изоляции 10 для наглядности удалена, чтобы показать полосковую линию 9, размещенную на подложке 8. Полосковый СВЧ сенсор 7 закреплен в опоре входной 11 и опоре выходной 12 механическим способом, например, сочленением с уплотнителем.In the center of the
На стенке трубы измерительной секции 5 в местах соединения с входным 3 и выходным 4 патрубками выполнены фильтры высоких частот 14 и 15 (Фиг.1, Фиг.2) в виде перфорации 16. Диаметр отверстий перфорации 16 выполнен таковым, чтобы эффективно изолировать по высокой частоте в диапазоне частот от 1 МГц до 3000 МГц измерительную секцию 5 от влияния подсоединяемого к входному 3 и выходному 4 патрубкам внешнего трубопровода (на Фиг.не указаны). Кроме того, конструкция фильтров высоких частот 14 и 15 функционально выполняет роль статического смесителя для получения более однородной по структуре водонефтяной смеси.On the pipe wall of the measuring
На входном патрубке 3 размещен датчик температуры 6, соединенный с входным патрубком 3, например, сочленением с уплотнителем. Датчик температуры 6 измеряет температуру измеряемой среды и передает это значение в цифровом виде на плату интерфейса 18 и далее во вторичный прибор (на Фиг.4 показано односторонней стрелкой).On the
В торце трубы измерительной секции 5 в месте подсоединения входного патрубка 3 закреплен блок электроники 13, например, с помощью сварки, включающий измеритель S параметров 17 и плату интерфейса 18.At the end of the pipe of the measuring
При этом блок электроники 13 и датчик температуры 6 соединены между собой кабелем (на Фиг.1 и Фиг.4 показано стрелкой).In this case, the
Измеритель S параметров состоит из: широкодиапазонного генератора частот, выполненного, например, на микросхемах синтезаторах ADF4350 и Si5351; приемника, выполненного, например, на микросхемах AD8342, ADF4350 и Si5351, усилителя, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и контроллера измерителя (на Фиг.не указаны). Измеритель параметров связан с платой интерфейса, например, кабелем (на Фиг.4 показано двусторонней стрелкой). Плата интерфейсов осуществляет передачу и прием информации от вторичного прибора, по интерфейсу, например RS485.The S parameter meter consists of: a wide-range frequency generator, made, for example, on synthesizer chips ADF4350 and Si5351; a receiver made, for example, on AD8342, ADF4350 and Si5351 microcircuits, an amplifier, an analog-to-digital converter (ADC) and a meter controller (not shown in Fig.). The parameter meter is connected to the interface board, such as a cable (shown in Figure 4 with a double-sided arrow). The interface board transmits and receives information from the secondary device via an interface, such as RS485.
Измеритель S параметров 3 предназначен для измерения частотных характеристик полоскового СВЧ сенсора 7 - коэффициента отражения S11 и коэффициента передачи S12, при обтекании его (полоскового СВЧ сенсора 7) измеряемой средой - водонефтяной смесью 19 и имеет канал измерения коэффициента отражения S11, подключенный к входу полоскового СВЧ сенсора 7 (на Фиг.4 показано двусторонней стрелкой), и канал измерения коэффициента передачи S12, подключенный к выходу полоскового СВЧ сенсора 7 (на Фиг.4 показано односторонней стрелкой).
Вторичный прибор 2 (Фиг.1, Фиг.4) конструктивно выполнен в приборном корпусе, например, из металла, внутри которого размещена электронная схема, состоящая из контроллера 20, выполненного на встраиваемом компьютере, сенсорного дисплея 21 платы преобразователей интерфейса 22, блока питания 23 и барьеров искрозащиты 24, соединенных между собой соответствующими проводами и кабелями. The secondary device 2 (Figure 1, Figure 4) is structurally made in an instrument housing, for example, made of metal, inside which is placed an electronic circuit consisting of a
Контроллер 20 осуществляет процессы вычисления, измерения, хранения и обмена информации.The
Сенсорный дисплей 21 служит для отображения процесса и результатов измерения.The
Плата преобразователей интерфейса 22 производит формирование передачи и приема информации от первичного датчика 1, по интерфейсу, например RS485.The
Блок питания 23 осуществляет формирование напряжения питания для компонентов устройства.The
Барьеры искрозащиты 24 осуществляют защиту интерфейса RS485 от опасных перенапряжений.IS
При этом первичный датчик 1 и вторичный прибор 2 соединены между собой кабелем, по интерфейсу, например RS485 (на Фиг.1 и Фиг.4 показано двусторонней стрелкой RS485).In this case, the
Заявленный способ с использованием заявленного устройства заключается в измерении влагосодержания в водонефтяных смесях с помощью исследования свойств (в частности, влагосодержания) водонефтяной смеси в широком радиочастотном диапазоне от 1 МГц до 3000 МГц, с использованием для анализа полного спектра в рабочем диапазоне и массива опорных спектров. The claimed method using the claimed device consists in measuring the moisture content in oil-water mixtures by studying the properties (in particular, moisture content) of the water-oil mixture in a wide radio frequency range from 1 MHz to 3000 MHz, using the full spectrum in the operating range and an array of reference spectra for analysis.
Заявленный способ состоит из двух основных этапов: The claimed method consists of two main steps:
1 этап. Создание массива опорных спектров.
2 этап. Измерение влагосодержания в исследуемой водонефтяной смеси.
Далее заявителем приведено подробное описание этапов.The applicant then provides a detailed description of the steps.
1 этап. Создание массива опорных спектров.
В заявленном устройстве создают массив опорных спектров, представляющих собой набор опорных значений параметров среды, для чего производят измерения частотных характеристик S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора влагомера во всем диапазоне значений характеристик среды.In the claimed device, an array of reference spectra is created, which is a set of reference values of the environment parameters, for which the frequency characteristics S11 and S12 of the strip microwave sensor of the moisture meter are measured over the entire range of values of the environment characteristics.
Для этого:For this:
- готовят эталонную смесь с определенным сортом нефти, влагосодержанием, солесодержанием и типом эмульсии, например, следующим образом.- prepare a reference mixture with a certain grade of oil, moisture content, salinity and type of emulsion, for example, as follows.
Устанавливают заявленное устройство (влагомер) на испытательный стенд, воспроизводящий характеристики среды (на Фиг.не указан) и подключают влагомер к измерительному контуру испытательного стенда. В измерительном контуре испытательного стенда готовят эталонную смесь с определенным сортом нефти, влагосодержанием, солесодержанием, типом эмульсии и заданной температурой в диапазоне, например, от минус 5°С до плюс 80°С;Install the claimed device (moisture meter) on a test stand that reproduces the characteristics of the environment (not shown in Fig.) and connect the moisture meter to the measuring circuit of the test stand. In the measuring circuit of the test stand, a reference mixture is prepared with a certain grade of oil, moisture content, salinity, type of emulsion and a given temperature in the range, for example, from minus 5°C to plus 80°C;
- подают эталонную смесь на входной патрубок влагомера, например, включением циркуляции измеряемой среды (эталонной смеси) в измерительном контуре стенда;- the reference mixture is supplied to the inlet of the moisture meter, for example, by turning on the circulation of the measured medium (reference mixture) in the measuring circuit of the stand;
- далее эталонная смесь поступает в измерительную секцию влагомера через входной патрубок 3, затем через входной фильтр 14 высоких частот, проходит по измерительной секции 5, обтекая полосковый СВЧ сенсор 7 и через выходной фильтр высоких частот 15 выходит через выходной патрубок 4,- then the reference mixture enters the measuring section of the moisture meter through the
- при этом проводят измерение частотных характеристик коэффициента отражения S11 и коэффициента передачи S12 полоскового СВЧ сенсора для данной эталонной смеси в полосе рабочих частот от 1 МГц до 3000 МГц следующим образом: широкодиапазонный генератор частот, входящий в состав измерителя S параметров 17, формирует зондирующий сигнал в диапазоне от 1 МГц до 3000 МГц, подающийся на вход полоскового СВЧ сенсора; часть отраженного от входа полоскового СВЧ сенсора и часть прошедшего через полосковый СВЧ сенсор сигнала поступают на входы приемника, входящего в состав измерителя S параметров 17, измеряющего величины коэффициентов S11 и S12; измеренные величины коэффициентов S11 и S12 через плату интерфейса 18 передаются по интерфейсу RS485 на вторичный прибор;- at the same time, the frequency characteristics of the reflection coefficient S11 and the transmission coefficient S12 of the strip microwave sensor for this reference mixture are measured in the operating frequency band from 1 MHz to 3000 MHz as follows: range from 1 MHz to 3000 MHz, supplied to the input of a strip microwave sensor; part reflected from the input of the strip microwave sensor and part of the signal passed through the strip microwave sensor are fed to the inputs of the receiver, which is part of the meter S
- в памяти контроллера вторичного прибора запоминается измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора 7 для данной эталонной смеси при заданной температуре - опорный спектр эталонной смеси;- in the memory of the controller of the secondary device, the measured frequency response of the coefficients S11 and S12 of the
- далее готовят эталонные смеси с различными комбинациями сорта нефти, влагосодержания, солесодержания, типа эмульсии и заданной температуры для создания наиболее полной базы опорных спектров, при этом для каждого сорта нефти берут:- further, reference mixtures are prepared with various combinations of oil grade, moisture content, salinity, emulsion type and specified temperature to create the most complete database of reference spectra, while taking for each oil grade:
не менее семи значений влагосодержания Wn в нефти, например: 0%, 1%, 10%, 25%, 50%, 75%, 98%,at least seven values of moisture content Wn in oil, for example: 0%, 1%, 10%, 25%, 50%, 75%, 98%,
не менее пяти значений солесодержания Сi в нефти, например: 0 г/л, 1 г/л, 5 г/л, 35 г/л, 200 г/л,at least five values of salt content Сi in oil, for example: 0 g/l, 1 g/l, 5 g/l, 35 g/l, 200 g/l,
различные типы эмульсии, например, «вода в нефти» или «нефть в воде», при этом для создания эмульсии «вода в нефти» эталонную смесь создают путем добавления воды в обезвоженную нефть, а для создания эмульсии «нефть в воде» эталонную смесь создают путем добавления обезвоженной нефти в воду,various types of emulsion, for example, "water in oil" or "oil in water", while to create a "water in oil" emulsion, a reference mixture is created by adding water to dehydrated oil, and to create an "oil in water" emulsion, a reference mixture is created by adding dehydrated oil to water,
не менее пяти значений заданной температуры, например: минус 5°С, 0°С, плюс 25°С, плюс 50°С, плюс 80°С;at least five values of the set temperature, for example: minus 5°С, 0°С, plus 25°С, plus 50°С, plus 80°С;
- повторяют для каждой эталонной смеси перечисленные выше действия, начиная от поступления эталонной смеси в измерительную секцию влагомера до передачи измеренных коэффициентов S11 и S12 на вторичный прибор;- repeat for each reference mixture the above actions, starting from the receipt of the reference mixture in the measuring section of the moisture meter to the transfer of the measured coefficients S11 and S12 to the secondary device;
- при этом в памяти контроллера вторичного прибора 20 запоминается каждая измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора 7 - опорный спектр для каждой эталонной смеси при каждой заданной температуре.- at the same time, in the memory of the controller of the
Таким образом создают массив опорных спектров, который является единой базой опорных спектров для данной конструкции устройства.Thus, an array of reference spectra is created, which is a single base of reference spectra for a given device design.
Каждая комбинация состава эталонной смеси запоминается в памяти контроллера 20 влагомера как элемент массива опорных спектров.Each combination of the composition of the reference mixture is stored in the memory of the
Суммарно все комбинации опорных спектров являются единой базой опорных спектров для данной конструкции устройства для измерения влагосодержания (влагомера).In total, all combinations of reference spectra are a single base of reference spectra for a given design of a device for measuring moisture content (moisture meter).
2 этап.Измерение влагосодержания в исследуемой водонефтяной смеси (Фиг.1 - Фиг.4).
После создания массива опорных спектров проводят измерения влагосодержания в исследуемой водонефтяной смеси, для чего:After creating an array of reference spectra, moisture content is measured in the studied oil-water mixture, for which:
- заявленное устройство (влагомер) подключают, например, к трубопроводу с исследуемой водонефтяной смесью (на Фиг.не указан), подают исследуемую водонефтяную смесь на входной патрубок 3;- the claimed device (moisture meter) is connected, for example, to the pipeline with the investigated oil-water mixture (not shown in Fig.), the investigated oil-water mixture is supplied to the
- далее водонефтяная смесь из входного патрубка 3 поступает в измерительную секцию 5 через входной фильтр высоких частот 14, проходит по измерительной секции 5, обтекая полосковый СВЧ сенсор 7 и через выходной фильтр высоких частот 15 поступает в выходной патрубок 4 и затем обратно в трубопровод либо в испытательный стенд;- then the water-oil mixture from the
- при этом проводят измерение частотных характеристик коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора в полосе рабочих частот от 1 МГц до 3000 МГц следующим образом: широкодиапазонный генератор частот, входящий в состав измерителя S параметров 17, формирует зондирующий сигнал в диапазоне от 1 МГц до 3000 МГц, подающийся на вход полоскового СВЧ сенсора 7 (Фиг.1, Фиг.4); часть отраженного от входа полоскового СВЧ сенсора 7 и часть прошедшего через полосковый СВЧ сенсор 7 сигнала поступают на входы приемника, входящего в состав измерителя S параметров 17, измеряющего величины коэффициентов отражения S11 и коэффициента передачи S12; измеренные величины коэффициентов S11 и S12 через плату интерфейса 18 передаются по интерфейсу RS485 на вторичный прибор 2;- at the same time, the frequency characteristics of the coefficients S11 and S12 of the strip microwave sensor are measured in the operating frequency band from 1 MHz to 3000 MHz as follows: a wide-range frequency generator, which is part of the meter S
- в памяти контроллера 20 запоминается измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора 7 (измеренный спектр);- in the memory of the
- далее программное обеспечение контроллера 20 влагомера сравнивает измеренный спектр с набором опорных спектров из созданной на 1 этапе базы массива опорных спектров, находящихся в памяти контроллера 20 влагомера, и выбирает опорные спектры с наиболее близкими к измеренному спектру значениями;- then the software of the
- затем известным как таковым методом интерполяции от опорных спектров контроллер влагомера пересчитывает измеренные характеристики исследуемой водонефтяной смеси и вычисляет параметры исследуемой водонефтяной смеси, в частности - значение влагосодержания.- then the controller of the moisture meter recalculates the measured characteristics of the studied water-oil mixture and calculates the parameters of the studied water-oil mixture, in particular, the moisture content value, known as such by interpolation from the reference spectra.
Методы интерполяции изложены, например, в [УДК 519.613 Вержбицкий В.М. «Основы численных методов», М.: Высшая школа, 2002].Interpolation methods are described, for example, in [UDC 519.613 Verzhbitsky V.M. "Fundamentals of Numerical Methods", Moscow: Higher School, 2002].
Далее заявителем приведен пример конкретного осуществления заявленного технического решения.Further, the applicant gives an example of a specific implementation of the claimed technical solution.
Пример. Измерение влагосодержания в водонефтяной смеси и определение погрешности.Example. Measurement of moisture content in water-oil mixture and determination of error.
Исследование проводили на заявленном устройстве в лабораторных условиях.The study was carried out on the claimed device in the laboratory.
Измерение влагосодержания проводили в двух вариантах:Moisture content was measured in two versions:
- с использованием заявленного способа;- using the claimed method;
- без использования заявленного способа (опыт сравнения).- without using the claimed method (comparison experience).
Для определения достижения заявленного технического результата - уменьшение погрешности измерений влагосодержания водонефтяных смесей с различным составом, взяли водонефтяную смесь с известными действительными характеристиками:To determine the achievement of the claimed technical result - a decrease in the measurement error of the moisture content of oil-water mixtures with different compositions, a water-oil mixture with known actual characteristics was taken:
сорт нефти №1 (условно),oil grade No. 1 (conditionally),
объемное влагосодержание Wд=17,2%,volumetric moisture content Wd=17.2%,
содержание соли 4,2 г/л,salt content 4.2 g/l,
тип эмульсии - «вода в нефти»,type of emulsion - "water in oil",
температура 20°С.
Для данной водонефтяной смеси провели определение влагосодержания по заявленному способу с опорными спектрами и по известному способу без опорных спектров.For this oil-water mixture, the moisture content was determined by the claimed method with reference spectra and by the known method without reference spectra.
Для определения влагосодержания по заявленному способу с опорными спектрами провели последовательность действий на заявленном устройстве: To determine the moisture content according to the claimed method with reference spectra , a sequence of actions was carried out on the claimed device:
- описанная выше водонефтяная смесь из измерительного контура испытательного стенда поступала во входной патрубок 3, далее поступала в измерительную секцию 5 через входной фильтр высоких частот 14, проходила по измерительной секции 5, обтекая полосковый СВЧ сенсор 7, далее через выходной фильтр высоких частот 15 поступала в выходной патрубок 4 и затем возвращалась в измерительный контур испытательного стенда;- the water-oil mixture described above from the measuring circuit of the test bench entered the
- при этом в полосе рабочих частот влагомера от 1 МГц до 3000 МГц производили измерение частотных характеристик коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора 7 влагомера следующим образом: широкодиапазонный генератор частот, входящий в состав измерителя S параметров 17, формировал зондирующий сигнал в диапазоне от 1 МГц до 3000 МГц, подающийся на вход полоскового СВЧ сенсора 7 (Фиг.1, Фиг.4); часть отраженного от входа полоскового СВЧ сенсора 7 и часть прошедшего через полосковый СВЧ сенсор 7 сигнала поступали на входы приемника, входящего в состав измерителя S параметров 17, измеряющего величины коэффициентов отражения S11 и коэффициента передачи S12; измеренные величины коэффициентов S11 и S12 через плату интерфейса 18 передавались на вторичный прибор 2;- at the same time, in the operating frequency band of the moisture meter from 1 MHz to 3000 MHz, the frequency characteristics of the coefficients S11 and S12 of the
- в памяти контроллера 20 запомнилась измеренная частотная характеристика коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора 7 (измеренный спектр);- in the memory of the
- далее программное обеспечение контроллера 20 влагомера сравнило измеренный спектр с набором опорных спектров из созданной ранее базы массива опорных спектров, находящихся в памяти контроллера влагомера, и выбрало опорные спектры с наиболее близкими к измеренному спектру значениями, а именно, выбраны:- then the software of the
Ref1 - опорный спектр с характеристиками: сорт нефти №1, влагосодержание 10,2%, содержание соли 1 г/л, тип эмульсии - «вода в нефти», температура 20,05°С.Ref1 - reference spectrum with characteristics: oil grade No. 1, moisture content 10.2%, salt content 1 g/l, type of emulsion - "water in oil", temperature 20.05°C.
Ref2 - опорный спектр с характеристиками: сорт нефти №1, влагосодержание 25%, содержание соли 5 г/л, тип эмульсии - «вода в нефти», температура 20,1°С.Ref2 - reference spectrum with characteristics: oil grade No. 1,
Затем известным как таковым методом интерполяции от опорных спектров контроллер 20 влагомера пересчитал измеренные характеристики исследуемой водонефтяной смеси и вычисил параметры исследуемой водонефтяной смеси, в частности - значение влагосодержания.Then the
Получено: сорт нефти №1, измеренное влагосодержание Wизм.=17,6%, содержание соли 4,17 г/л, тип эмульсии - «вода в нефти», температура 20°С.Received: oil grade No. 1, measured moisture content Wmeas.=17.6%, salt content 4.17 g/l, type of emulsion - "water in oil",
Абсолютная погрешность влагосодержания рассчитывали по формуле [УДК621.317.088 «Погрешности измерений»: Рабинович С.Г. - Л.Энергия, 1978,- 262 с.]:The absolute error of moisture content was calculated by the formula [UDK621.317.088 "Measurement errors": Rabinovich S.G. - L. Energy, 1978, - 262 p.]:
ΔW=Wизм. - WдΔW=Wmeas. - Wd
где:where:
ΔW - измеренная абсолютная погрешность;ΔW - measured absolute error;
Wизм. - измеренное влагосодержание;Wmeas. - measured moisture content;
Wд - действительное объемное влагосодержание.Wd - actual volumetric moisture content.
Измеренная абсолютная погрешность в данном случае составила 0,4%:The measured absolute error in this case was 0.4%:
ΔW=17,6% - 17,2%=0,4%.ΔW=17.6% - 17.2%=0.4%.
На Фиг.5 представлены комбинации измеренного спектра и двух опорных спектров для коэффициента отражения S11.Figure 5 shows combinations of the measured spectrum and two reference spectra for the reflection coefficient S11.
На Фиг.6 представлены комбинации измеренного спектра и двух опорных спектров для коэффициента передачи S12.6 shows combinations of the measured spectrum and two reference spectra for the S12 gain.
Ref1 - первый (условно) опорный спектр включает в себя частотные характеристики коэффициента отражения S11 - кривая Ref1S11 и коэффициента передачи S12 - кривая Ref1S12,Ref1 - the first (conditionally) reference spectrum includes the frequency characteristics of the reflection coefficient S11 - the Ref1S11 curve and the transmission coefficient S12 - the Ref1S12 curve,
Ref2 - второй (условно) опорный спектр включает в себя частотные характеристики коэффициента отражения S11 - кривая Ref2S11 и коэффициента передачи S12 - кривая Ref2S12,Ref2 - the second (conditionally) reference spectrum includes the frequency characteristics of the reflection coefficient S11 - the Ref2S11 curve and the transmission coefficient S12 - the Ref2S12 curve,
meas.S11 и meas.S12 - измеренные спектры включающие в себя частотные характеристики коэффициента отражения S11 - кривая meas.S11 и коэффициента передачи S12 - кривая meas.S12.meas.S11 and meas.S12 - measured spectra including frequency characteristics of reflectance S11 - meas.S11 curve and gain S12 - meas.S12 curve.
Для определения влагосодержания без использования заявленного способа (опыт сравнения) провели следующую последовательность действий на заявленном устройстве: To determine the moisture content without using the claimed method (comparison experiment) , the following sequence of actions was carried out on the claimed device:
- описанная выше водонефтяная смесь 19 из входного патрубка 3 поступала в измерительную секцию 5 через входной фильтр высоких частот 14, проходя по измерительной секции 5, обтекая полосковый СВЧ сенсор 7 и через выходной фильтр высоких частот 15 поступала в выходной патрубок 4;- the water-
- при этом в полосе рабочих частот влагомера от 1 МГц до 3000 МГц произведено измерение частотных характеристик коэффициентов S11 и S12 полоскового СВЧ сенсора влагомера следующим образом: широкодиапазонный генератор частот, входящий в состав измерителя S параметров 17, формировал зондирующий сигнал в диапазоне от 1 МГц до 3000 МГц, подающийся на вход полоскового СВЧ сенсора 7 (Фиг.1); часть отраженного от входа полоскового СВЧ сенсора 7 и часть прошедшего через полосковый СВЧ сенсор 7 сигнала поступают на входы приемника, входящего в состав измерителя S параметров 17, измеряющего величины коэффициентов отражения S11 и коэффициента передачи S12; измеренные величины коэффициентов S11 и S12 через плату интерфейса 18 передаются на вторичный прибор 2;- at the same time, in the operating frequency band of the moisture meter from 1 MHz to 3000 MHz, the frequency characteristics of the coefficients S11 and S12 of the strip microwave sensor of the moisture meter were measured as follows: a wide-range frequency generator, which is part of the meter S of
- в памяти контроллера 20 запомнился измеренный спектр и получен следующий результат измерения: сорт нефти - не определен, влагосодержание 21,15%, содержание соли - не определено, тип эмульсии - не определен, температура 20°С.- the measured spectrum was stored in the memory of the
Измеренная абсолютная погрешность в данном случае составила:The measured absolute error in this case was:
ΔW=Wизм. - Wд=21,15% - 17,2%,=3,95%.ΔW=Wmeas. - Wd \u003d 21.15% - 17.2%, \u003d 3.95%.
Таким образом, абсолютная погрешность измерения влагосодержания без применения заявленного технического решения по приведенному Примеру практически в 10 раз больше по сравнению с измеренной абсолютной погрешностью по заявленному техническому решению (3,95%: 0,4% ≈ 10), что подтверждает достижение заявленного технического результата.Thus, the absolute error of moisture content measurement without the application of the claimed technical solution according to the Example given is almost 10 times greater than the measured absolute error according to the claimed technical solution (3.95%: 0.4% ≈ 10), which confirms the achievement of the claimed technical result .
Таким образом, из описанного выше можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат, а именно - уменьшена погрешность измерений влагосодержания водонефтяных смесей с различным составом - сортом нефти, количеством растворенных солей, типом эмульсии, путем использования при измерении и вычислении влагосодержания массива опорных спектров.Thus, from the above, we can conclude that the applicant has achieved the claimed technical result , namely, the measurement error of the moisture content of water-oil mixtures with different compositions is reduced - oil grade, amount of dissolved salts, type of emulsion, by using an array of reference spectra to measure and calculate the moisture content .
Claims (28)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021135188A RU2769954C1 (en) | 2021-12-01 | 2021-12-01 | Method for measuring moisture content in water-oil mixtures and a device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021135188A RU2769954C1 (en) | 2021-12-01 | 2021-12-01 | Method for measuring moisture content in water-oil mixtures and a device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2769954C1 true RU2769954C1 (en) | 2022-04-11 |
Family
ID=81255499
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021135188A RU2769954C1 (en) | 2021-12-01 | 2021-12-01 | Method for measuring moisture content in water-oil mixtures and a device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2769954C1 (en) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4991915A (en) * | 1988-08-04 | 1991-02-12 | Imperial Chemical Industries PLC Manchester Polytechnic | Microwave moisture sensing arrangement |
| RU2011972C1 (en) * | 1991-12-29 | 1994-04-30 | Юрий Николаевич Носков | Device for measuring humidity of dielectric sheet materials |
| RU2152024C1 (en) * | 1999-03-31 | 2000-06-27 | Жиров Михаил Вениаминович | Concentration meter |
| RU2372608C1 (en) * | 2008-10-17 | 2009-11-10 | Юрий Всеволодович МАКЕЕВ | Method of measuring moisture content of mixture and sensor to this end |
| RU94344U1 (en) * | 2010-01-19 | 2010-05-20 | Петр Борисович Мулер | HYDROGEN FLOW |
| EP2251679A1 (en) * | 2009-05-11 | 2010-11-17 | AMS- Advanced Microwave Systems GmbH | Device and method for measuring a product characteristic with a microwave dispersion range sensor assembly |
| RU2536184C1 (en) * | 2013-06-04 | 2014-12-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Concentration meter |
-
2021
- 2021-12-01 RU RU2021135188A patent/RU2769954C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4991915A (en) * | 1988-08-04 | 1991-02-12 | Imperial Chemical Industries PLC Manchester Polytechnic | Microwave moisture sensing arrangement |
| RU2011972C1 (en) * | 1991-12-29 | 1994-04-30 | Юрий Николаевич Носков | Device for measuring humidity of dielectric sheet materials |
| RU2152024C1 (en) * | 1999-03-31 | 2000-06-27 | Жиров Михаил Вениаминович | Concentration meter |
| RU2372608C1 (en) * | 2008-10-17 | 2009-11-10 | Юрий Всеволодович МАКЕЕВ | Method of measuring moisture content of mixture and sensor to this end |
| EP2251679A1 (en) * | 2009-05-11 | 2010-11-17 | AMS- Advanced Microwave Systems GmbH | Device and method for measuring a product characteristic with a microwave dispersion range sensor assembly |
| RU94344U1 (en) * | 2010-01-19 | 2010-05-20 | Петр Борисович Мулер | HYDROGEN FLOW |
| RU2536184C1 (en) * | 2013-06-04 | 2014-12-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Concentration meter |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2617186C (en) | A method and apparatus for measuring the water conductivity and water volume fraction of a multiphase mixture containing water | |
| Heimovaara | Frequency domain analysis of time domain reflectometry waveforms: 1. Measurement of the complex dielectric permittivity of soils | |
| CA2572955C (en) | A method and apparatus for measuring the composition and water salinity of a multiphase mixture containing water | |
| Friel et al. | Frequency analysis of time-domain reflectometry (TDR) with application to dielectric spectroscopy of soil constituents | |
| JP2523342B2 (en) | Device for measuring the concentration of one fluid contained in another fluid | |
| Folgero et al. | A broad-band and high-sensitivity dielectric spectroscopy measurement system for quality determination of low-permittivity fluids | |
| CN105137199B (en) | The dielectric permittivity measuring method of Excavation Cluster Based on Network Analysis instrument | |
| Folgero | Broad-band dielectric spectroscopy of low-permittivity fluids using one measurement cell | |
| Ghannouchi et al. | Measurement of microwave permittivity using a six-port reflectometer with an open-ended coaxial line | |
| CN101158702A (en) | Dielectric materials high-temperature complex dielectric constant measurement method based on terminal short circuit method | |
| Cataldo et al. | Broadband reflectometry for enhanced diagnostics and monitoring applications | |
| AU4423489A (en) | Composition monitor and monitoring process using impedance measurements | |
| CN101545931A (en) | Method for measuring high-temperature complex dielectric constants based on terminal short-circuit method | |
| US20090212789A1 (en) | Modified tdr method and apparatus for suspended solid concentration measurement | |
| Otto et al. | Improved calibration of a large open-ended coaxial probe for dielectric measurements | |
| RU2769954C1 (en) | Method for measuring moisture content in water-oil mixtures and a device for its implementation | |
| US7288944B1 (en) | Evanescent waveguide apparatus and method for measurement of dielectric constant | |
| Skierucha et al. | Comparison of Open-Ended Coax and TDR sensors for the measurement of soil dielectric permittivity in microwave frequencies | |
| Shenhui et al. | Measurement of electromagnetic properties of materials using transmission/reflection method in coaxial line | |
| US11815484B2 (en) | Device for measuring complex dielectric permittivity of a material-under-test, measuring device for multiple reflections of time-domain signals of a complex dielectric and measuring method thereof | |
| Okoniewski et al. | Further analysis of open-ended dielectric sensors | |
| RU2678955C1 (en) | Method of moister content measuring and sampling in three-component mixtures from extracting oil wells and device for its implementation | |
| WO2007129208A2 (en) | Sensor | |
| RU2509315C2 (en) | Method to measure complex dielectric permeability of liquid and loose substances | |
| Lawrence et al. | Coaxial dielectric sensor for cereal grains |