Свч-способ определения объемного процентного содержания влагосодержащих присадок в жидких углеводородах и топливах

Изобретение относится к способам определения влажности жидких углеводородов для применения в нефтехимической промышленности и лабораторной практике для контроля качества горючесмазочных материалов. Техническим результатом является повышение точности измерений. СВЧ-способ определения объемного процентного содержания влагосодержащих присадок в жидких углеводородах и топливах, в котором жидкий углеводород или топливо фиксированного уровня помещают в цилиндрический объемный резонатор и возбуждают электромагнитное колебание типа Н₀₁₁. Измеряют нагруженную добротность при температуре t₁ и дополнительно измеряют нагруженную добротность при меньшей температуре t₂, при этом объемное процентное содержание влагосодержащей присадки определяют по приведенной математической формуле. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности жидких углеводородов. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности и лабораторной практике для контроля качества горючесмазочных материалов.

Известен кондуктометрический способ определения влажности (см. Жуков Ю.П., Кузнецов М.В. Высокочастотная безэлектродная кондуктометрия - М.: Энергия, 1968. С.104). Измерение объемной влажности данным способом ограничено участком от 2 до 30%. В диапазоне влажностей 0-2% измерение практически невозможно, так как величины сопротивлений материалов становятся больше входных сопротивлений измерительных устройств.

Известен резонаторный способ определения объемной концентрации влажности (см. Берлинер М.А. Измерение влажности - М.: Энергия, 1973), принятый за прототип. Исследуемый образец помещают в полость объемного резонатора (ОР), возбуждают электромагнитное поле (ЭМП) типа Н₀₁₁, измеряют нагруженную добротность. Выходной величиной первичного измерительного преобразователя (ПИП) служит вызванное введением исследуемого материала изменение добротности резонатора ΔQ=Q-Q₀ (Q - нагруженная; Q₀ - ненагруженная добротности ОР). Недостатком прототипа является невозможность измерения объемного процентного содержания влагосодержащих присадок по причине того, что изменение влагосодержания может быть вызвано не только наличием влагосодержащей присадки, но и изменением марки топлива. Так как объемное процентное содержание естественной растворенной влаги зависит от марки топлива - керосина, бензина, дизельного топлива и т.д.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей за счет определения объемного процентного содержания влагосодержащих присадок.

Технический результат достигается тем, что в СВЧ-способе определения объемного процентного содержания влагосодержащих присадок в жидких углеводородах и топливах, заключающегося в том, что жидкий углеводород или топливо фиксированного уровня помещают в цилиндрический объемный резонатор, возбуждают электромагнитное колебание типа Н₀₁₁, измеряют нагруженную добротность при температуре t₁, дополнительно измеряют нагруженную добротность при меньшей температуре t₂, объемное процентное содержание влагосодержащей присадки V_пр определяют по формуле

где - объемное процентное содержание растворенной влаги в жидком углеводороде при температуре t₂; Q_н1 и Q_н2 - нагруженные добротности колебания Н₀₁₁ цилиндрического объемного резонатора при температуре t₁ и t₂ соответственно; α₁ - коэффициент, учитывающий, во сколько раз уменьшаются объемное процентное содержание растворенной влаги в жидком углеводороде при изменении температуры от t₁ до t₂; α₂ - коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличиваются СВЧ-потери в воде при изменении температуры от t₁ до t₂, при этом α₂ выбирается с учетом частоты, на которой измеряют нагруженные добротности Q_н1 и Q_н2; К - объемное процентное содержание растворенной влаги в присадке.

На фиг.1 показан СВЧ-нагрев авиационного керосина марки ТС1 в замкнутом объеме с рабочей длиной волны магнетрона λ≈12.7 см, на фиг.2 - пример реализации предлагаемого способа.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. В цилиндрический объемный резонатор (ЦОР) горизонтально помещают жидкий углеводород, содержащий естественную растворенную влагу (в виде одной, двух и т.д. молекул, а не мельчайших капель), а также растворенную влагу за счет наличия ее в присадке. Возбуждают электромагнитное колебание Н₀₁₁. Измеряют нагруженную добротность Q_н1 колебания Н₀₁₁ ЦОР при температуре t₁. При температуре t₂ измеряют нагруженную добротность Q_н2. Объемное процентное содержание влагосодержащей присадки V_пр определяют по формуле

где - объемное процентное содержание растворенной влаги в жидком углеводороде при температуре t₂; Q_н1 и Q_н2 - нагруженные добротности колебания Н₀₁₁ ЦОР при температуре t₁ и t₂ соответственно; α₁ - коэффициент, учитывающий, во сколько раз уменьшается при изменении температуры от t₁ до t₂; α₂ - коэффициент, учитывающий, во сколько раз увеличиваются СВЧ-потери в воде при изменении температуры от t₁ до t₂; К - объемное процентное содержание растворенной влаги в присадке.

Эксперимент с использованием цилиндрического ОР с параметрами: радиус а=0.0375 м, длина l=0.1037 м, добротность пустого ЦОР - Q₀≈910, материал - отполированная бронза марки 555 показал следующие результаты. Измерялась нагруженная добротность ЦОР с чистым авиационным керосином марки ТС1 и с тем керосином, но с добавкой К=0.2% объемной процентной концентрации жидкости "И" первого сорта. В первом сорте содержалось 0.2% объемной процентной концентрации растворенной влаги. Жидкость "И" (моноэтиловый эфир этиленгликоля) связывает растворенную влагу в авиационном керосине, не давая ей образовывать мельчайшие капли, что напрямую связано с безопасностью полетов авиации. В зависимости от температуры окружающей среды в керосин добавляется 0.1÷0.3% жидкости "И". Резонансная частота ЦОР с чистым и авиационным керосином с жидкостью "И" относительного уровня h/l=0.3 (где l - длина ЦОР, h - уровень керосина) была постоянной по причине малого количества присадки и равнялась 4.82 ГГц. Результаты сведены в таблицу.

Таблица
	Керосин ТС1 с 0.2% содержанием "И"	Чистый керосин ТС1
Qн1 при t=18°С	423	429
Qн1 при t=2°С	405	452
ΔQ=Qн1-Qн2	-18	+23

Для чистого керосина с уменьшением температуры с 18 до 2°С объемная концентрация естественной растворенной влаги уменьшается примерно в 2 раза: α₁=2 (см. Резников М.Е., Старостенко Г.К. Химия и авиационные горючие и смазочные материалы. - М.: Издание ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 1977. C.114). Но при этом для частоты 4.82 ГГц СВЧ-потери в воде увеличиваются примерно в 1.7 раза: α₂=1.7 (см. Р.Кинг, Г.Смит. Антенны в материальных средах в двух книгах. Книга 1. - М.: Мир. 1984. С.396-397). В результате чего потери в исследуемой среде уменьшаются, и с уменьшением температуры наблюдается увеличение нагруженной добротности: Q_н1-Q_н2=23. Для керосина с добавкой жидкости "И" с уменьшением температуры концентрация естественной растворенной влаги уменьшается, а доля растворенной влаги в жидкости "И" остается прежней, в результате чего относительная доля растворенной влаги, содержащейся в присадке, по отношению к доле естественной растворенной влаги увеличивается. Это в совокупности с увеличением СВЧ-потерь в воде за счет уменьшения температуры приводит к уменьшению нагруженной добротности: Q_н1-Q_н2=-18.

Другим подтверждением правоты предлагаемого способа может служить СВЧ-нагрев авиационного керосина марки ТС1 в замкнутом объеме с рабочей длиной волны магнетрона λ≈12.7 см. Непрерывная мощность магнетрона - 600 Вт, нагрев - в течение 30 сек. На фиг.1: Δt - абсолютный прирост температуры; t_нач - начальная температура нагрева. На этой длине волны (λ≈12.7 см) наблюдается примерно пропорциональное изменение естественной растворенной влаги и СВЧ-потерь в воде (при изменении температуры с 18 до 2°С α₁≈2, α₂≈2). Ha графике (фиг.1) наблюдается примерно одинаковый прирост температуры Δt для чистого керосина при различных начальных температурах нагрева. Для керосина, содержащего 0.2% объемной концентрации жидкости "И" 1 сорта, чувствительность к содержанию жидкости "И" при изменении начальной температуры от 22 до 1.9°С увеличивается примерно в 5 раз.

На фиг.2 представлен пример реализации предлагаемого способа.

Ha фиг.2 показан ЦОР 1. Пенопластовая вставка 2 служит для фиксации заданного уровня жидкости. Диэлектрическая проницаемость пенопласта ≈1, следовательно, наличие вставки не влияет на резонансные частоты колебания Н₀₁₁. Продольные оси возбуждающей петли 3 и приемной петли 4 совпадают с продольной осью Z ЦОР и находятся посередине длины резонатора, служат для возбуждения и приема энергии колебания Н₀₁₁. Амплитудный детектор 5 (АД) служит для детектирования СВЧ-гармонических колебаний, аналого-цифровой преобразователь 6 (АЦП) - для преобразования аналогового напряжения АД в цифру. Микропроцессор 7 управляет работой всего устройства, цифроаналоговый преобразователь 8 (ЦАП) преобразует цифровой двоичный код в аналоговое напряжение. Патрубок для ввода жидкости 9 и патрубок контроля заполнения ЦОР жидкостью заданного уровня 10 служат для ввода и вывода исследуемой жидкости в и из полости ЦОР. Перестраиваемый по частоте генератор СВЧ 11 и устройство ввода-вывода жидкости 12 управляются сигналами микропроцессора 7. Холодильное устройство 13 с регулятором температуры 14 служат для создания и поддержания температур t₁ и t₂ исследуемой жидкости, датчики температуры 15 и 16 - для измерения температуры жидкого углеводорода и стенок ЦОР соответственно.

В начале цикла измерения микропроцессор 7 вырабатывает сигнал, по которому устройство ввода-вывода жидкости 12 исследуемую жидкость (жидкий углеводород, например авиационный керосин) через патрубок для ввода жидкости 9 подает в полость ЦОР. После заполнения полости ЦОР под пенопластовой вставкой 2 по наличию жидкости в патрубке контроля заполнения ЦОР жидкостью заданного уровня 10 устройство ввода-вывода жидкости 12 прекращает впуск жидкости. Сигнал прекращения впуска жидкости устройства ввода-вывода жидкости 12 поступает на микропроцессор 7. По сигналам микропроцессора 7 частота перестраиваемого по частоте генератора СВЧ 11 устанавливается равной частоте пустого ЦОР с колебанием Н₀₁₁ и в холодильное устройство 13 по сигналу регулятора температуры 14 создает и поддерживает температуру t₁. При установке температуры t₁ исследуемой жидкости и стенок резонатора по сигналам датчиков температуры 15 и 16 микропроцессор 7 вырабатывает управляющий сигнал, по которому частота перестраиваемого по частоте генератора СВЧ 11 изменяется в пределах частоты пустого ЦОР с колебанием Н₀₁₁, т.е. определяется полоса пропускания, а с ней и нагруженная добротность ЦОР Q_н1. Далее по сигналу микропроцессора 7 холодильное устройство 13 по сигналу регулятора температуры 14 создает и поддерживает температуру t₂. При установке температуры t₂ исследуемой жидкости и стенок резонатора по сигналам датчиков температуры 15 и 16 микропроцессор 7 вырабатывает управляющий сигнал, по которому частота перестраиваемый по частоте генератор СВЧ 11 изменяется в пределах частоты ЦОР с колебанием Н₀₁₁, т.е. определяется полоса пропускания, а с ней и нагруженная добротность ЦОР Q_н2. По величинам нагруженных добротностей Q_н1 и Q_н2 микропроцессор вычисляет объемное процентное содержание влагосодержащих присадок в жидких углеводородах и топливах. После окончания цикла измерения микропроцессор 7 вырабатывает сигнал, поступающий на устройство ввода-вывода жидкости 12 и под действием которого исследуемый углеводород удаляется через патрубок для ввода жидкости 9 из нижней полости ЦОР 1.

Продольная ось ЦОР (ось Z) в нашем примере может быть расположена и перпендикулярно и неперпендикулярно горизонту, на работоспособность предлагаемого способа это не влияет: при наличии пенопластовой вставки поверхность исследуемой жидкости всегда перпендикулярна продольной оси цилиндрического объемного резонатора. Таким образом, распределение поля не изменяется при изменении положения продольной оси Z ЦОР относительно поверхности горизонта.

Таким образом, по сравнению с прототипом существует возможность в предлагаемом способе определения объемной концентрации влагосодержащих присадок в жидких углеводородах и топливах.

СВЧ-способ определения объемного процентного содержания влагосодержащих присадок в жидких углеводородах и топливах, заключающийся в том, что жидкий углеводород или топливо фиксированного уровня помещают в цилиндрический объемный резонатор, возбуждают электромагнитное колебание типа Н₀₁₁, измеряют нагруженную добротность при температуре t₁, отличающийся тем, что дополнительно измеряют нагруженную добротность при меньшей температуре t₂, объемное процентное содержание влагосодержащей присадки V_ПР определяют по формуле

где - объемное процентное содержание растворенной влаги в жидком углеводороде при температуре t₂;

Q_H1 и Q_H2 - нагруженные добротности колебания Н₀₁₁ цилиндрического объемного резонатора при температуре t₁ и t₂ соответственно;

α₁ - коэффициент, учитывающий во сколько раз уменьшается объемное процентное содержание растворенной влаги в жидком углеводороде при изменении температуры от t₁ до t₂;

α₂ - коэффициент, показывающий во сколько раз увеличиваются СВЧ потери в воде при изменении температуры от t₁ до t₂, при этом α₂ выбирается с учетом частоты, на которой измеряют нагруженные добротности Q_H1 и Q_H2;

К - объемное процентное содержание растворенной влаги в присадке.