инфракрасный датчик концентрации свободного газа в потоке нефти

Формула изобретения

Инфракрасный датчик концентрации свободного газа в потоке нефти, транспортируемой по диэлектрическому трубопроводу, содержащий источник излучения, детектор и индикатор, отличающийся тем, что в него введены диэлектрическое кольцо, свободно охватывающее трубопровод и установленное с возможностью вращения вокруг продольной оси трубопровода, входной и выходной элементы связи, расположенные диаметрально на наружной поверхности кольца, причем выход источника излучения подключен ко входному элементу связи, а выходной элемент связи через детектор соединен с индикатором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известно двухканальное СВЧ-устройство для измерения концентрации включений в жидкости, протекающей по трубопроводу. Это устройство (Викторов В.А. и др. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоиздат, 1989, с.172) содержит два объемных резонатора - измерительный и опорный, через сквозные отверстия в которых пропущены диэлектрические трубки, соответственно, с контролируемой и эталонной жидкостями. Согласно этому устройству по разности частот измерительного и опорного резонаторов с различными диэлектрическими параметрами веществ (примеси в измерительной жидкости) определяют концентрацию.

Недостатком этого устройства следует считать сложность процедуры определения разностной частоты, связанной с измеряемым параметром.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятый автором за прототип устройство (Кратиров В. А. и др. Проблема свободного газа в товарной нефти. Нефтяное хозяйство, 2001, 1, с.72-74), содержащее механизм перемещения с источником гамма-излучения и блоком детектирования, блок обработки и индикации. В этом устройстве по величине сигнала блока обработки и индикации, после воздействия пучка прямого гамма-излучения на контролируемую среду в трубопроводе, определяют содержание свободного газа в потоке.

Недостатком данного устройства следует считать невысокую его надежность из-за сложности в конструкции механизма перемещения, связанной с зондированием потока.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является повышение надежности определения концентрации потока нефти, транспортируемого по трубопроводу.

Поставленная задача решается тем, что в инфракрасный датчик концентрации свободного газа в потоке нефти, содержащий источник излучения, детектор и блок индикации, введены диэлектрическое кольцо, свободно охватывающее диэлектрический трубопровод и установленное с возможностью вращения вокруг продольной оси трубопровода, входной и выходной элементы связи, расположенные диаметрально на наружной поверхности кольца, причем выход источника излучения подключен ко входному элементу связи, выходной элемент связи через детектор соединен с индикатором.

Существенным отличительным признаком в указанной выше совокупности является наличие свободно охватывающего трубопровод, по которому транспортируется поток, диэлектрического кольца с возможностью вращения вокруг продольной оси трубопровода.

В заявляемом техническом решении благодаря свойствам совокупности перечисленных признаков использование для диагностики измеряемого потока вращающегося вокруг трубопровода инфракрасного излучения позволяет решить поставленную задачу: обеспечить более высокую надежность определения концентрации.

Изобретение поясняется чертежом, где приведена функциональная схема датчика.

Датчик содержит источник инфракрасного излучения 1, подключенный выходом ко входному элементу связи 2, диэлектрическое кольцо 3, выходной элемент связи 4, соединенный выходом со входом в детектор 5, и индикатор 6. Номером 7 обозначен диэлектрический трубопровод.

Источник инфракрасного излучения 1 со входным элементом связи 2 и выходной элемент связи 4 с детектором 5 и индикатором 6 соответственно расположены диаметрально на наружной поверхности диэлектрического кольца 3, свободно охватывающего трубопровод 7 с возможностью вращения вокруг его продольной оси.

Датчик работает следующим образом. Узкий пучок инфракрасного излучения с выхода источника излучения 1 с помощью входного элемента 2 поступает в контролируемый поток. После взаимодействия электромагнитного поля инфракрасной волны с потоком прошедший через него сигнал улавливается выходным элементом 4. В рассматриваемом случае согласно закону Бугера для интенсивности прошедшей через контролируемый поток инфракрасной волны можно записать:

I = I₀e^-d (1),

где I₀ и I - значения интенсивности инфракрасного излучения на входе входного элемента связи и выходе выходного элемента связи, d - диаметр трубопровода, - показатель поглощения среды, который зависит от природы и состояния облучаемого потока.

Учитывая, что данный случай содержания свободного газа в потоке нефти можно отнести к смеси непоглощающего вещества (свободный газ) в поглощающем (нефть), для параметра (закон Бера) можно принимать

=bk (2),

где b - коэффициент пропорциональности, k - концентрация смеси.

В результате совместных преобразований выражений (1) и (2) имеем:

I=I₀e^-bхkхd.

Отсюда



Анализ выражения (3) показывает, что из-за поглощающих свойств нефти в инфракрасном диапазоне длин волн под параметром k надо понимать содержание нефти в сечении потока, определяемое отношением площади части сечения потоком, занятой нефтью S_н, к общей площади сечения S₀

k_н=S_н/S₀,

где k_н - концентрация (содержание) нефти в сечении потока.

В силу этого концентрация (содержание) свободного газа в потоке может быть определена как

k_г=S_г/S₀=1-k_н,

где S_г - часть сечения потока, занятая газом.

Из сопоставлений формул (3) и (4) видно, что при отсутствии потока нефти в трубопроводе (k_н=0) интенсивность прошедшего через трубопровод сигнала равна I=I₀ (k_г=1), а при отсутствии свободного газа в потоке нефти (k_г=0) ослабление интенсивности прошедшего сигнала составляет I₀/e^bхd (k_н=1). Таким образом, по интенсивности прошедшего через поток нефти инфракрасного сигнала можно судить о содержании свободного газа в потоке нефти.

В предлагаемом датчике для определения интенсивности прошедшего инфракрасного сигнала и отображения информации о содержании (концентрации) свободного газа в потоке нефти выходной сигал выходного элемента связи 4 после детектирования в детекторе 5 переносится в индикатор 6.

В данном техническом решении путем вращения диэлектрического кольца вокруг продольной оси диэлектрического трубопровода исключается погрешность измерения, связанная с неравномерным распределением свободного газа по сечению потока.

Итак, в заявляемом датчике на базе диэлектрического кольца, осуществляющего вращения электромагнитного поля инфракрасной волны, можно обеспечить высокую надежность измерения концентрации.