Импульсный измерительный диэлькометрический преобразователь влагосодержания

Использование: в области нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности при автоматическом контроле и измерении влагосодержания в нефти, непроводящих жидкостях и сыпучих материалах, диэлектрическая проницаемость которых зависит от влагосодержания.

Сущность изобретения: импульсный измерительный диэлькометрический преобразователь влагосодержания содержит генератор прямоугольных импульсов стабильной амплитуды, два коммутатора, две идентичные RC-цепи с двумя стабильными резисторами двух номиналов в каждой, одна с опорным емкостным датчиком, а другая - с рабочим, делитель напряжения, два компаратора, управляющий ключ и логический элемент «И», причем выход генератора прямоугольных импульсов стабильной амплитуды соединен со входом стабильного резистивного делителя напряжения и с информационными входами первого и второго коммутаторов, вторые входы которых подключены к управляющему ключу, а первые выходы и вторые выходы соединены с первыми и вторыми входами RC-цепей, выход RC-цепи с рабочим емкостным датчиком подключен к инвертирующему входу первого компаратора, выход RC-цепи с опорным емкостным датчиком подключен к неинвертирующему входу второго компаратора, вторые входы которых соединены с выходом стабильного резистивного делителя напряжения, а выходы подключены к соответствующим входам логического элемента «И», выход которого является выходом преобразователя, причем первый вывод первого резистора является первым входом каждой RC-цепи, а первый вывод второго резистора - вторым входом, соединения вторых выводов резисторов каждой RC-цепи, соответственно, с опорным емкостным датчиком и с рабочим емкостным датчиком образуют выходы соответствующей RC-цепи, а вторые выводы емкостных датчиков заземлены.

В результате воздействия периодическим прямоугольным импульсным сигналом постоянной амплитуды одновременно на две RC-цепи, через одинаковые по значению сопротивления, влагосодержание определяется по расхождению во времени переходных процессов возникающих при заряде емкостных датчиков на уровне 0,632 от амплитуды прямоугольного импульсного сигнала.

Устройство позволяет: производить измерения влагосодержания с более высокой чувствительностью за счет использования дифференциальной схемы включения датчиков, а также оперативно контролировать параметры водонефтяной эмульсии. 3 илл.

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована при автоматическом контроле и измерении влагосодержания в непроводящих жидкостях, диэлектрическая проницаемость которых зависит от влагосодержания, например, при измерении влагосодержания в продукции нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий.

Известно LC-автогенераторное устройство - измерительный преобразователь нефтяного влагомера для измерения объемной концентрации воды в водонефтяном потоке, содержащем от 0 до 100% воды., состоящий из емкостного датчика, внешний электрод которого выполнен в виде металлической трубы, в которой коаксиально расположен внутренний электрод с покрытием из диэлектрика и обтекателями на концах, внутренний электрод подключен в частотозадающую цепь LC-автогенераторного преобразователя, а выход автогенератора подключен к блоку определения типа нефтяной эмульсии, один из его выходов соединен с блоком преобразования информации для эмульсии воды в нефти, а другой выход соединен с блоком преобразования информации для эмульсии нефти в воде, выходы этих блоков соединены с соответствующими входами блока индикации (RU 2024862, 1994). Найденное соотношение геометрических размеров коаксиальных электродов измерительного преобразователя позволяет сократить различие чувствительностей для различных типов нефтяной эмульсии.

Известно RC-автогенераторное устройство, которое одновременно измеряет текущее значение содержания воды в потоке водонефтяной смеси с помощью емкостного датчика и оптического датчика (RU 2315987, 2008).

В указанном устройстве осуществляется выбор значения содержания воды, измеренного одним из указанных датчиков в зависимости от текущего значения предварительно заданного параметра, который определяется свойствами водонефтяной смеси. В диапазоне низкого и среднего влагосодержания применяется емкостной датчик, включенный в RC-автогенераторный преобразователь. Точность измерения обводненности нефти повышена засчет объединения преимуществ емкостного и оптического способов измерения влагосодержания нефти.

Однако точность работы известных устройств в первую очередь зависит от стабильности частоты измерительного автогенератора к воздействию внешних факторов, например, к температуре окружающей среды. Эта стабильность определяется добротностью колебательной системы автогенератора, которая не может быть высокой из-за значительных потерь на активном внутреннем сопротивлении емкостного датчика. При прочих равных условиях, добротность значительно выше у LC-автогенераторных преобразователях, чем у RC.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является преобразователь влагосодержания, состоящий из двух RC-цепей - RC₀ и RC_Д, где C₀ - емкость датчика, заполненного безводной нефтью и С_Д - емкость датчика влагомера, генератора прямоугольных импульсов, импульсы с которого одновременно поступают на две RC-цепи, двух операционных усилителей, вычитающего устройства, интегратора на операционном усилителе, аналогового компаратора, транзисторного ключа и выходного формирователя (Браго Е.Н. Мешков Е.П. «Цифровой измерительный преобразователь емкость-код влагомера товарной нефти», «Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности» 1980, 8 стр.11-13).

Недостатком известного устройства является низкая точность аналоговых преобразований вычитающего и интегрирующего устройств из-за влияния внешних факторов на схемные компоненты, например, температуры.

Относительная погрешность преобразователя определяется суммой погрешностей всех элементов и узлов входящих в нее, и в наилучшем случае может составить 0,12-0,15%. Заявляемая чувствительность преобразователя по емкости - 0,03 пФ не удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к приборам коммерческого учета нефти по точности измерения влагосодержания.

Задачей настоящей полезной модели является повышение чувствительности и точности измерения влагосодержания нефти за счет использования дифференциальной схемы включения емкостных датчиков и логометрической измерительной схемы, что позволяет использовать одно и то же напряжение для стабилизации амплитуды прямоугольных импульсов и для получения значения порогового напряжения компараторов, что позволяет исключить влияние изменение напряжения питания.

Поставленная задача достигается тем, что импульсный измерительный диэлькометрический преобразователь влагосодержания содержит генератор прямоугольных импульсов стабильной амплитуды, два коммутатора, две идентичные RC-цепи с двумя стабильными резисторами двух номиналов в каждой, одна с опорным емкостным датчиком, а другая - с рабочим, делитель напряжения, два компаратора, управляющий ключ и логический элемент «И», причем выход генератора прямоугольных импульсов стабильной амплитуды соединен со входом стабильного резистивного делителя напряжения и с информационными входами первого и второго коммутаторов, вторые входы которых подключены к управляющему ключу, а первые выходы и вторые выходы соединены с первыми и вторыми входами RC-цепей, выход RC-цепи с рабочим емкостным датчиком подключен к инвертирующему входу первого компаратора, выход RC-цепи с опорным емкостным датчиком подключен к неинвертирующему входу второго компаратора, вторые входы которых соединены с выходом стабильного резистивного делителя напряжения, а выходы подключены к соответствующим входам логического элемента «И», выход которого является выходом преобразователя, причем первый вывод первого резистора является первым входом каждой RC-цепи, а первый вывод второго резистора - вторым входом, соединения вторых выводов резисторов каждой RC-цепи, соответственно, с опорным емкостным датчиком и с рабочим емкостным датчиком образуют выходы соответствующей RC-цепи, а вторые выводы емкостных датчиков заземлены.

Сущность устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема импульсного измерительного диэлькометрического преобразователя влагосодержания, на фиг.2 изображены временные диаграммы работы импульсного измерительного диэлькометрического преобразователя влагосодержания, на фиг.3 изображены выходные характеристики импульсного измерительного диэлькометрического преобразователя влагосодержания при двух различных значениях сопротивлений в RC-цепях.

Устройство содержит генератор прямоугольных импульсов стабильной амплитуды 1 с источником опорного напряжения (на фиг. не показан), коммутаторы 2 и 3, четыре стабильных резистора 4, 5, 6, 7, емкостные датчики опорный 8 и рабочий 9, стабильный резистивный делитель напряжения 10, два компаратора 11 и 12, логический элемент «И» 13, блок управления 14. Причем, выход генератора прямоугольных импульсов 1 соединен с первыми входами коммутаторов 2 и 3, а на их вторые управляющие входы поступает сигнал переключения от блока управления 14. Первый вывод рабочего емкостного датчика подключен ко вторым выводам 4 и 5 резисторов и к инвертирующему входу компаратора 11, первые выводы резисторов подключены к соответствующим выходам коммутатора 2. Первый вывод опорного емкостного датчика подключен ко вторым выводам 6 и 7 резисторов и к неинвертирующему входу компаратора 12. Первые входы этих резисторов подключены к соответствующим выходам коммутатора 3. Неинвертирующий вход компаратора 11 подключен к инвертирующему входу компаратора 12 и к выходу стабильного резистивного делителя напряжения 10. Вторые выводы емкостных датчиков подключены к общей шине земля. Выходы компараторов 11 и 12 подключены к первому и второму выводу логического элемента 13. Сопротивления резисторов 4 и 6 равны, сопротивления резисторов 5 и 7 также равны, но имеют другое значение.

Резисторы 4, 5 и опорный емкостной датчик 8 образуют первую RC-цепь 15, а резисторы 6, 7 и рабочий емкостной датчик 9, соответственно, вторую RC-цепь 16.

Работает устройство следующим образом.

Импульсы с амплитудой U_T=E ₀ от генератора прямоугольных импульсов стабильной амплитуды 1 поступают на первые информационные входы коммутаторов 2 и 3. При значении высокого уровня напряжения «лог.1» на вторых управляющих входах коммутаторов их информационные входы подключаются к третьему выходу, т.е. импульсный сигнал поступает на первые входы четвертого и шестого резисторов интегрирующих цепей. В случае, когда на управляющих входах низкий уровень напряжения «лог.0», информационные входы коммутаторов коммутируются с выходами, к которым подключены пятый и седьмой резисторы. Конструкция емкостного датчика 9 - проточный цилиндр, в котором протекает водонефтяная эмульсия продукции скважины с диэлектрической проницаемостью _см, которая изменяется с изменением объемного влагосодержания эмульсии согласно С_д=С₀ ·_см, где C₀ - емкость с воздушным диэлектриком, значение которой определяется геометрией электродов, между которыми протекает водонефтяная эмульсия. Конструкция опорного емкостного датчика 8 - C_K может быть аналогична конструкции рабочего емкостного датчика, но заполнена сухой нефтью (_H) с эксплуатируемого месторождения. Однако, она может быть выполнена и в виде сосредоточенной емкости C _K=C₀·_H, допускающей подстройку под сорт нефти, с разным _H. Начиная с момента времени t₀, когда на входы RC-цепей поступает передний фронт импульса U _T (фиг.2), напряжения на конденсаторах изменяются по экспоненциальному закону и , где _Д=RC_Д и _К=RC_K - постоянные времени соответствующих RC-цепей.

С выхода RC-цепей сигналы U_Д (t) и U_K(t) поступают на компараторы 11 и 12, где происходит их сравнение со значением порогового напряжения . Напряжение U_П формируется стабильным резистивным делителем напряжения 10 от источника опорного напряжения - E ₀, который задает амплитуду прямоугольного импульса, и изменяется синхронно с ним. Поэтому нестабильность амплитуды E₀ не сказывается на времени опрокидывания компараторов - t₁ и t₂. В моменты времени t₁ =t₀+_K и t₂=t₀+_Д происходит срабатывание компараторов 11 и 12. В результате на выходе логического элемента «И» - 13 формируется импульс, длительность которого равна =t₂-t₁=_Д-_К.

Зависимость диэлектрической проницаемости водонефтяной эмульсии от влагосодержания _см(W) при определенном стандарте подготовки эмульсии представляется известной формулой [5]:

где: _Н и _В - диэлектрические проницаемости соответственно нефти и воды.

Для водонефтяных эмульсий всегда выполняется условие _В>>_Н и (1) принимает более упрощенный вид:

Воспользовавшись соотношением (2) получим:

На фиг.3 показаны выходные характеристики импульсного измерительного диэлькометрического преобразователя влагосодержания при значениях сопротивлений резисторов 4 и 6 равном R₁=100 кОм, и резисторах 5 и 7 у которых сопротивление равно R₂=500 кОм.

Следует обратить внимание, что при импульсном измерении влагосодержания используется дифференциальная схема включения датчиков, что позволяет в известной степени компенсировать влияние внешних факторов на выходной сигнал. Например, если при росте температуры произошло изменение значения сопротивления R на величину R, то влияние этого изменения на точность определения будет меньше, чем RC_Д, а именно:

Погрешность R(C_Д-C_К) выходного параметра тем меньше, чем ближе значения С_Д и С_К .

Задача измерительного преобразователя - выполнить измерительную операцию (W). Затем, во внешнем блоке обработки сигнала за время подсчитывается количество импульсов N стабильной частоты f₀ и определяются параметры:

и

При малом влагосодержании, когда _K, используется упрощенная формула:

Однако в процессе эксплуатации свойства эмульсии могут измениться. Например, при увеличении влагосодержания сверх предельно допустимого для диэлькометрических измерений (W>0,4÷0,5) эмульсия «вода в нефти» обращается в эмульсию «нефть в воде» с другими физическими характеристиками. Предлагаемое устройство позволяет отследить произошедшие изменения. Оперативный контроль качества эмульсии осуществляется в произвольном порядке - переключением коммутаторов по сигналу «Упр.» на их управляющих входах от блока управления 14. Измерение производится в два этапа - в первом емкостные датчики подключаются к генератору 1 через сопротивление R₁, а во втором - через сопротивление R₂. Тогда, при условии, что за время двух тактов влагосодержание и диэлектрическая проницаемость нефти не изменились, будет справедливо соотношение (8) во всем измеряемом диапазоне влагосодержания:

В этом нетрудно убедиться, анализируя графики на фиг.3.

С увеличением солесодержания в эмульсии резко падает внутреннее сопротивление емкостного датчика R_i и его порядок может приближаться к значениям сопротивлений R₁ и R₂. Но т.к. R₂>R ₁, то в первую очередь наибольшее изменение от шунтирующего воздействия R_i получит постоянная _Д(R₁). Это означает, что соотношение (8) при контрольных измерениях уже не будет выполняться. Следовательно, по соотношению (8) можно оперативно судить о параметрах эмульсии в диапазоне измерения влагосодержания. Возможность контроля параметров эмульсии не исключается и для LC и RC автогенераторных преобразователей, так внутреннее сопротивление R_i емкостных датчиков влияет на выходную резонансную частоту генераторов и тем самым вносит дополнительную погрешность в измерение влагосодержания.

Таким образом, в предлагаемом устройстве в результате воздействия периодическим прямоугольным импульсным сигналом стабильной амплитуды Е₀ одновременно на две RC-цепи с равными по значению сопротивлениями и с двумя емкостными датчиками, один из которых опорный, а второй рабочий и заполнен водонефтяной эмульсией, по расхождению во времени переходных процессов возникающих при заряде емкостных датчиков на уровне 0,632Е₀ определяется цифровыми методами значение и далее во внешнем вычислительном блоке функциональная связь W().

Импульсный измерительный диэлькометрический преобразователь влагосодержания, характеризующийся тем, что он содержит генератор прямоугольных импульсов стабильной амплитуды, два коммутатора, две идентичные RC-цепи с двумя стабильными резисторами двух номиналов в каждой, одна с опорным емкостным датчиком, а другая - с рабочим, делитель напряжения, два компаратора, управляющий ключ и логический элемент «И», причем выход генератора прямоугольных импульсов стабильной амплитуды соединен со входом стабильного резистивного делителя напряжения и с информационными входами первого и второго коммутаторов, вторые входы которых подключены к управляющему ключу, а первые выходы и вторые выходы соединены с первыми и вторыми входами RC-цепей, выход RC-цепи с рабочим емкостным датчиком подключен к инвертирующему входу первого компаратора, выход RC-цепи с опорным емкостным датчиком подключен к неинвертирующему входу второго компаратора, вторые входы которых соединены с выходом стабильного резистивного делителя напряжения, а выходы подключены к соответствующим входам логического элемента «И», выход которого является выходом преобразователя, причем первый вывод первого резистора является первым входом каждой RC-цепи, а первый вывод второго резистора - вторым входом, соединения вторых выводов резисторов каждой RC-цепи, соответственно, с опорным емкостным датчиком и с рабочим емкостным датчиком образуют выходы соответствующей RC-цепи, а вторые выводы емкостных датчиков заземлены.