Об особенностях измерения влажности нефтепродуктов СВЧ-методами

Измерение свойств диэлектриков радиотехническими методами в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) ведет отсчет с начала ХХ в. (метод Друде) [2]. Однако и в настоящее проблема актуальна: новые технологии позволяют видоизменять существующие методы, автоматизировать процесс измерения, получать дополнительную информацию об измеряемых параметрах.

Притягательность СВЧ-методов объясняется несколькими причинами.

• 1 .    С одной стороны, СВЧ-диапазон — диапазон электромагнитных колебаний, расположенный между ультравысокими телевизионными частотами и частотами дальней ИК-области (100 МГц — 300 ГГц), что соответствует длинам волн λ = 30 см – 1мм. Так как по длинам волн СВЧ-диапазон является промежуточным между световыми излучениями и радиоволнами, ему присущи свойства и света, и радиоволны.

СВЧ-сигнал:

• — как свет, распространяется по прямой в виде луча, фокусируется, на границе раздела сред претерпевает преломление, отражение, поглощение;

• 2.    В свою очередь, жидкие углеводороды (нефтепродукты) являются высокодобротными диэлектриками ( ε = 1,8 – 2,7; tg δ = (0,24 – 0,42)10 –2 ), и следовательно, «радиопрозрачными» для электромагнитных волн, что позволяет применять для исследования их характеристик уже существующие опробованные методы измерений. Известно, что при распространении энергии от генератора к нагрузке в согласованной линии передачи устанавливается «бегущая волна». При наличии неоднородностей, из-за возникающих отражений, в линии устанавливается «стоячая волна». Результирующее распределение напряжения вдоль линии получается суммированием напряжения падающей ( Uпад ) и отраженной ( Uотр ) волн. Отношение максимального значения напряжения стоячей волны Umax к минимальному Umin , называемое коэффициентом стоячей волны по напряжению (КСВН), является параметром, определяемым с помощью измерительной линии:

— как радиоволна, генерируется аналогичными методами и может использоваться как носитель информации и средство связи.

p = Umax / Umin = [( Uпад ) + ( Uотр )]/[( Uпад ) – (U отр )]

Величина КСВН связана с коэффициентом отражения [Г] соотношением

[ Г ] = (р - 1) / (р + 1) и р = (1 +[ Г ]) / (1 - [ Г ] ).                       (2)

При изменении коэффициента отражения [Г] от нуля до единицы значение КСВН будет изменяться в пределах от единицы (при согласованной линии) до бесконечности (при коротком замыкании линии).

При исследовании диэлектриков и магнитоэлектриков на переменном токе вводят понятие комплексной проницаемости:

диэлектрической (ДП) f * = £ ’ - j £ ”                        (3)

магнитной (МП) д * = д’ - j д ”, где £’ и Д’ — действительные части диэлектрической/магнитной проницаемости, £ и д ” — мнимые части диэлектрической/магнитной проницаемости.

В общем случае диэлектрическая и магнитная проницаемости характеризуют скорость V распространения электромагнитной волны в пространстве, заполненном данным диэлектриком:

V = 1/д^ £ * д * ,                                  (4)

(для свободного пространства С = 1/    £ о Д о), где £ о = 8,85*10 -12 Ф/м ; до = 4п *10 -7 Гн/м; с = Я * f = 3*108 м/с — скорость света в вакууме.

На практике комплексные проницаемости £ * и д * характеризуют относительными величинами:

• —    действительные части — относительными диэлектрической £ = £ ’/ £ о и магнитной д = д ’/ д _о проницаемостями;

• —    мнимые части — тангенсами диэлектрических (tg 5 = £ ”/ £ ’) и магнитных (tg д ) потерь.

£ и tg 5 — величины безразмерные и характеризуют свойства материала на СВЧ.

СВЧ-методы измерения влажности являются разновидностью диэлькометрического метода, в котором свойства диэлектриков оцениваются по взаимодействию с радиоволнами СВЧ-диапазона (дециметровыми, сантиметровыми, миллиметровыми).

Согласно принятой классификации методы СВЧ-влагометрии подразделяются на:

• 1)    методы свободного пространства (оптические методы):

• а)    с использованием проходящей волны;

• б)    с использованием отраженной волны.

В обеих модификациях измеряемой характеристикой могут служить затухание (модуль коэффициента передачи или коэффициента отражения), изменение амплитуды или фазы волны;

• 2)    резонаторные методы, использующие закрытые (металлические) и открытые (диэлектрические) резонаторы;

• 3)    волноводные методы;

• 4)    зондовые методы.

Из существующих методов наибольшее практическое применение нашли методы, основанные на сравнении характеристик электромагнитной волны, измеренных в свободном пространстве, и волны, прошедшей через исследуемый материал. Измерения сводятся к определению комплексного коэффициента передачи участка направляющей системы, заполненной исследуемым материалом (коэффициента поглощения/отражения как функции влагосодержания). Такой системой может являться как волновод, частично или полностью заполненный исследуемой диэлектрической средой, так и область свободного пространства, в которой распространяются электромагнитные колебания СВЧ.

Оптический метод реализуют в автоматических влагомерах, построенных по двухканальным схемам сравнения с опорной волноводной ветвью или с использованием опорного электрического сигнала. В первом варианте [1] колебания СВЧ поступают к делителю энергии и разветвляются по двум трактам — измерительному с передающей и приемной антеннами и исследуемым материалом и опорному, содержащему эталон влажности, которым может служить аттенюатор, настроенный на определенное значение влажности.

Во втором варианте [3] опорный сигнал получают детектированием части падающей энергии СВЧ. Выходной сигнал (разность измерительного и опорного сигналов) поступает на вход следящей системы, управляющей уравновешивающим аттенюатором, с которым связан индикатор влагомера.

Блок-схема влагомера приведена на рис. 1. Колебания СВЧ-генератора 1 через ферритовые вентили 2, 3 поступают в передающую антенну 4. После прохождения через исследуемую среду 5 СВЧ-сигнал через приемную антенну 6 поступает в приемный волноводный тракт, содержащий уравновешивающий аттенюатор 7 и детекторную секцию 8 для измерения прошедшей мощности. Опорный тракт содержит направленный ответвитель 9, ферритовый вентиль10, подстроечный аттенюатор 11 и детекторную секцию 12. Измерительный и опорный сигналы подаются на вход дифференциального усилителя 13, выходной ток которого управляет аттенюатором 7. Цепь управления содержит выходное устройство 14, дающее унифицированный сигнал 15. На входы 16 поступают сигналы измерительных преобразователей параметров материала (температура, плотность), используемые для автоматической компенсации погрешностей от изменения этих параметров.

Рис. 1. Блок-схема автоматического влагомера СВЧ

Выбор рабочей частоты (обычно вблизи λ ≈ 3,2см) представляет собой компромиссное решение. Переход к более коротким волнам повышает чувствительность влагомера; однако при этом уменьшается область исследуемого объема и, следовательно, его представительность, увеличиваются сложность (и стоимость) аппаратуры. Использование более длинных волн ухудшает метрологические характеристики влагомера (чувствительность, погрешность от изменения состава), увеличивает массогабаритные показатели прибора.

Подобные устройства относительно просты схемотехнически, в управлении и настройке; не являются датчиками; отсутствие у них чувствительных элементов существенно повышает надежность работы устройств.

Новые возможности открываются при использовании резонаторных методов измерений. СВЧ-резонатор характеризуют собственной резонансной частотой f0 и добротностью Q0 .

Внесение в резонатор диэлектрика (при ε ≠ 1) будет приводить к изменению его резонансной частоты (что связано с изменением эквивалентной диэлектрической проницаемости резонатора) и изменению (уменьшению) амплитуды выходного сигнала (что определяется общими потерями в резонаторе). Выполнив измерения параметров «сухого» — незаполненного резонатора и «влажного» — резонатора с исследуемым продуктом, возможно при наличии соответствующих градуировочных кривых получать информацию о влажности и составе исследуемых нефтепродуктов.

Влагомеры, использующие для измерений резонаторные системы, характеризуются высокой точностью, чувствительностью, разрешающей способностью, но сложнее в реализации (и при разработке, и в настройке).

На их основе можно разрабатывать устройства для измерений во всем диапазоне влажности нефтепродуктов, начиная от «сырой» нефти с влажностью до 90% до «сухой» — товарной нефти, влажность которой составляет доли процента.