СВЧ-СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСАЖДЕННОЙ ВЛАГИ В ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДАХ

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности, и в частности для экспресс-контроля качества авиационных керосинов в условиях аэродрома.

Известен кондуктометрический способ определения влажности (см. Жуков Ю.П., Кулаков М.В. Высокочастотная безэлектродная кондуктометрия. - М.: Энергия, 1968. С.104). В диапазоне объемных влажностей 0-2% измерение практически невозможно, так как величины сопротивлений материалов становятся больше входных сопротивлений измерительных устройств.

Известен резонаторный способ определения влажности (см. Берлинер М.А. Измерение влажности. - М.: Энергия, 1973). Исследуемая жидкость помещается в кювету, находящуюся в полости цилиндрического объемного резонатора (ОР). Кювета выполняется в виде цилиндра или диска и устанавливается вдоль или перпендикулярно продольной оси объемного резонатора. Возбуждается колебание электромагнитного поля (ЭМП) типа Н₀₁₁. Выходной величиной первичного измерительного преобразователя (ПИП) служит изменение добротности резонатора ΔQ=Q₀-Q (Q - нагруженная; Q₀ - ненагруженная добротности резонатора), вызванное введением исследуемого материала с неизвестной влажностью. Недостатком способа является невысокая точность определения содержания влаги в виде осадка за счет влияния растворимой влаги, содержащейся в исследуемом углеводороде и которая зависит от температуры, давления и от типа углеводорода.

За прототип принят способ определения СВЧ-способ определения осажденной влаги в жидких углеводородах (Патент РФ №2451929, МКл⁶ G01N 22/04. СВЧ-способ определения осажденной влаги в жидких углеводородах / Суслин М.А., Шаталов А.Л. (РФ) - №2010147251/09; заявл. 18.11.10., опубл. 27.05.12 г. Бюл №15). В данном способе исследуемый жидкий углеводород помещают в полость цилиндрического объемного резонатора с продольной осью, перпендикулярной горизонту, возбуждают электромагнитное поле типа H₀₁₁, измеряют изменение добротности цилиндрического объемного резонатора с колебанием H₀₁₁, которое вызвано введением исследуемого материала, возбуждают далее электромагнитное поле типа Е₀₁₀, измеряют изменение добротности цилиндрического объемного резонатора с колебанием E₀₁₀, которое вызвано введением исследуемого материала, при этом цилиндрический объемный резонатор вначале полностью заполняют исследуемой жидкостью, после некоторого времени отстоя - порядка десяти секунд, сливают жидкость так, чтобы отстой влаги оставался на нижней торцевой стенке резонатора. По изменению добротности цилиндрического объемного резонатора с колебанием E₀₁₀ судят об объемной концентрации осажденной влаги в диапазоне до 0,4%, а по изменению добротности цилиндрического объемного резонатора с колебанием Н₀₁₁ - в диапазоне 0,4-2%.

Недостатком прототипа является недостаточная чувствительность определения осажденной влаги. Для реализации предлагаемой методики с использованием двух пространственных мод цилиндрического объемного резонатора необходим СВЧ генератор одновременно с широкой (для возбуждения колебаний H₀₁₁ и Е₀₁₀) и прецизионной перестройкой частоты (для измерения добротности нагруженной колебательной системы по полосе пропускания). Такой генератор сложен в исполнении и настройке, что значительно усложняет техническую реализацию устройства.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение чувствительности определения объемной концентрации осажденной влаги в жидких углеводородах и упрощение устройства, реализующего способ.

Данный технический результат достигается тем, что в известном способе определения объемной концентрации осажденной влаги в жидких углеводородах, заключающемся в полном заполнении цилиндрического объемного резонатора с продольной осью, перпендикулярной горизонту, исследуемой жидкостью, удалении через время t≥10 сек жидкости из полости резонатора с оставлением влаги на нижней торцевой стенке, возбуждении электромагнитных колебаний типа H₀₁₁ и оценке по изменению добротности цилиндрического объемного резонатора объемной концентрации осажденной влаги, при этом измерения добротности проводят в условиях возмущения электромагнитного поля резонатора полым диэлектрическим стержнем, расположенным на оси резонатора, при этом толщина стенок Δ≥0,5 мм, а отношение диаметра полого стержня из диэлектрика d_∂ к диаметру резонатора d_OP выбирают из условия

На фиг. 1 представлен внешний вид внутреннего объема резонатора с диэлектрическим полым стержнем на оси, на фиг. 2 - результаты численного моделирования электрического поля электромагнитного колебания H₀₁₁ пустого резонатора; на фиг. 3 - результаты численного моделирования трансформации электрического поля электромагнитного колебания H₀₁₁ резонатора с диэлектрическим полым стержнем; на фиг. 4 - результаты экспериментальных исследований.

Суть СВЧ-способа определения осажденной влаги в жидких углеводородах заключается в возмущении (помещение внутрь резонатора) электромагнитного поля цилиндрического объемного резонатора (ЦОР) полым диэлектрическим стержнем, расположенным на оси. Наличие возмущающего диэлектрического полого стержня приводит к трансформации основного колебания H₀₁₁. По середине длины трубопровода и у торцевых стенок наблюдается концентрация поля, что значительно увеличивает чувствительность к содержанию на этой стенке влаги. Поясним это результатами численного моделирования и эксперимента.

Электрическое поле пространственного колебания Н₀₁₁ невозмущенного резонатора (см. Корбанский, И.Н. Теория электромагнитного поля. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1964. - 356 с.) представляет собой замкнутые концентрические окружности, поле максимально по середине длины и радиуса, электрическое поле равно нулю на оси и у торцевых стенок. Проведенный численный анализ электрического поля пространственного колебания H₀₁₁ электромагнитного поля методом конечных элементов в системе COMSOL Multiphysics показывает те же самые результаты: поле максимально (красный цвет на рис. 2) по середине длины и радиуса и равно нулю на оси и у торцевых стенок (синий цвет). Поэтому чувствительность к содержанию среды с потерями на торцевой стенке невысока. В прототипе нагруженная добротность уменьшается на порядок по отношению к пустому резонатору примерно при 2% объемной доли влаги.

Введения в резонатор диэлектрического полого стержня, расположенного по оси, позволяет увеличить чувствительность к содержанию на торцевой стенке влаги. На фиг. 1 показана такая система. Толщина стенок стержня составляет 1 мм, диаметр - 25 мм. Материал - пластик с относительной диэлектрической проницаемостью 5,3. На фиг. 3 представлены результаты моделирования ЭМ поля методом конечных элементов в системе COMSOL Multiphysics. Наличие возмущающего диэлектрического трубопровода приводит к трансформации поля. По середине длины трубопровода и у торцевых стенок наблюдается концентрация поля. При этом резонансная частота по отношению к резонансной частоте основного колебания H₀₁₁, равной

где а - радиус; l - длина резонатора, для колебания H₀₁₁ характеристическое число , изменяется примерно на 10 МГц. При этом добротность вырастает примерно на 30%.

Такая трансформация наблюдается при отношении диаметра полого стержня из диэлектрика d_∂ к диаметру резонатора d_OP

и толщине стенок больше 0,5 мм.

Два максимума электрического поля по радиусу на торцевой стенке значительно увеличивает чувствительность к содержанию на этой стенке влаги.

При этом, как в прототипе, цилиндрический объемный резонатор с продольной осью, перпендикулярной горизонту, полностью заполняют исследуемой жидкостью. После некоторого времени отстоя (для авиационного керосина это время не превышает десятка секунд) начинают слив жидкости так, чтобы отстой в виде влаги оставался на нижней торцевой стенке резонатора. Наличие тонкого слоя практически не изменяет резонансную частоту колебаний (частота остается в пределах полосы задержания ненагруженной системы), а добротность (за счет изменения эффективной проводимости нижней стенки) изменяется значительно.

На фиг. 4 показаны экспериментальные значения нагруженной добротности резонатора с с диэлектрическим полым стержнем на оси от объемной концентрации влаги в осадке %V. Объемная концентрация влаги в осадке %V рассчитывалась как отношение эффективной высоты влаги l_эф к высоте резонатора l_OP

Концентрация поля у торцевых стенок резонатора приводит к увеличению чувствительности от содержания влаги в осадке: нагруженная добротность уменьшается на порядок по отношению к пустому резонатору примерно при 0,25% объемной доли влаги. Что значительно выше, чем для колебания H₀₁₁ пустого резонатора, и в два раза выше, чем для колебания Е₀₁₀ (результаты прототипа). Это объясняется наличием двух максимумом электрического поля по радиусу на торцевой стенке в трансформированном поле против одного для колебания E₀₁₀.

Реализация устройства аналогична прототипу. Только применение в схеме измерения двух резонаторов (пустого и с трубопроводом) и одного генератора СВЧ с небольшим диапазоном перестройки частоты (десятки МГц против единиц ГГц в схеме с одним резонатором, как в прототипе) позволят реализовать более высокую чувствительность к содержанию влаги в осадке и одновременно упростить аппаратную реализацию устройства.