Модуляційний вимірювач малих вмістів води в нафті та нафтопродуктах

1. Модуляційний вимірювач малих вмістів води в нафті та нафтопродуктах, який містить перший автоматичний перемикач, високочастотний автогенератор, в часозадаючий ланцюг якого через перший автоматичний перемикач включений своїм високопотенціальним електродом ємнісний сенсор, а також частотний детектор, входом з'єднаний з виходом високочастотного автогенератора, перший фільтр нижніх частот, вхід якого з'єднаний з виходом частотного детектора, і вихідний прилад, який відрізняється тим, що в нього введені другий автоматичний перемикач, інтегратор, інвертор, амплітудний обмежувач, другий фільтр нижніх частот і несиметричний мультивібратор з блоком задання часової несиметрії, керуючий вхід якого через другий фільтр нижніх частот з'єднаний A (54) МОДУЛЯЦІЙНИЙ ВИМІРЮВАЧ МАЛИХ ВМІСТІВ ВОДИ В НАФТІ ТА НАФТОПРОДУКТАХ 38608 ності контрольованого палива через появу води викликають модуляцію і появу на виході демодулятора вимірювального сигналу, пропорційного вмісту води. Відомий модуляційний вимірювач вмістів води в нафті та нафтопродуктах (див.: Каменев В.В., Ройфе B.C. Диэлькометрические влагомеры на основе схем с параметрической модуляцией // Приборы и системы управления. – 1974. - № 10. С. 17-18), який містить генератор, електричний двополюсник, що містить індуктивність, ємність, автоматичний ключ, додаткову ємність, і ємнісний сенсор з контрольованим матеріалом, який підключений до двополюсника, і демодулятор. Двополюсник живиться високочастотною напругою від генератора через активний розв'язуючий опір, а періодичне замикання і розмикання ключа здійснюється з низькою частотою від допоміжного генератора. Недоліком модуляційних вимірювачів з параметричною модуляцією є відсутність в схемі другого ємнісного сенсора з еталонним зневодженим матеріалом, що ускладнює виявлення слідів води в нафті та нафтопродуктах. Відомий також модуляційний вимірювач малих вмістів води в нафті та нафтопродуктах (див.: Пешков Н.П., Коровский И.Я. Применение метода частотной модуляции для измерения малых содержаний воды в авиационных топливах // Труды Рижского института инженеров гражданской авиации. - Рига, 1970. - Вып. 166. - С. 66-71), який містить перший автоматичний перемикач, високочастотний автогенератор, в часозадаючий ланцюг якого через перший автоматичний перемикач включений своїм високопотенціальним електродом ємнісний сенсор, а також частотний детектор, входом з'єднаний з виходом високочастотного автогенератора, перший фільтр нижніх частот, вхід якого з'єднаний з виходом частотного детектора, і вихідний прилад. Крім того, відомий вимірювач містить другий сенсор, високопотенціальний електрод якого також включений через перший автоматичний перемикач в часозадаючий ланцюг високочастотного автогенератора, підсилювач частоти перемикань, підключений до виходу фільтра нижніх частот, і послідовно з'єднаний з ним синхронний детектор, до виходу якого підключено вихідний прилад. При цьому керуючий вхід синхронного детектора з'єднаний з керуючим входом автоматичного перемикача і підключений до виходу генератора низької частоти. Нестабільність частоти автогенератора у відомому пристрої при почерговому порівнянні ємностей сенсорів з досліджуваним і еталонним матеріалами не викликає появу адитивної похибки вимірювання (похибки "нуля"). Але залежність ємності сенсорів не тільки від діелектричної проникності нафтопродуктів, але також від геометричних розмірів сенсорів, різниці температур контрольованого матеріалу і еталонного, а також непостійність крутизни перетворення ємності в частоту автогенератора, нелінійність і нестабільність характеристики частотного детектора та інших елементів електронної частини схеми обумовлюють появу великої мультиплікативної похибки (похибки "чутливості"), що не дозволяє вірогідно проводити кі лькісну оцінку малих вмістів води в нафті і нафтопродуктах. В основу винаходу покладена задача створення такого модуляційного вимірювача малих вмістів води в нафті та нафтопродуктах, в якому введення нових елементів та зв'язків дозволило б виключити вплив температурних і часових змін параметрів ємнісних сенсорів, нестабільності і нелінійності характеристик автогенератора, частотного детектора та інших елементів електронної частини схеми на результат вимірювання відносної різниці ємностей сенсорів, що підвищить точність вимірювань малих вмістів води в нафті та нафтопродуктах. Поставлена задача вирішується тим, що в модуляційний вимірювач малих вмістів води в нафті та нафтопродуктах, який містить перший автоматичний перемикач, високочастотний автогенератор, в часозадаючий ланцюг якого через перший автоматичний перемикач включений своїм високопотенціальним електродом ємнісний сенсор, а також частотний детектор, входом з'єднаний з виходом високочастотного автогенератора, перший фільтр нижніх частот, вхід якого з'єднаний з виходом частотного детектора, і вихідний прилад, згідно винаходу введені другий автоматичний перемикач, інтегратор, інвертор, амплітудний обмежувач, другий фільтр нижніх частот і несиметричний мультивібратор з блоком задання часової несиметрії, керуючий вхід якого через другий фільтр нижніх частот з'єднаний з виходом інтегратора, вхід якого з'єднаний з виходом другого автоматичного перемикача, один вхід якого з'єднаний з виходом першого фільтра нижніх частот безпосередньо, другий вхід з'єднаний з виходом першого фільтра нижніх частот через інвертор, керуючі входи автоматичних перемикачів підключені до протилежних плечей несиметричного мультивібратора, між якими включені паралельно з'єднані вихідний прилад і амплітудний обмежувач. Поставлена задача вирішується також тим, що в модуляційному вимірювачі малих вмістів води в нафті та нафтопродуктах, згідно з винаходом, ємнісні сенсори виконані у вигляді одного занурюваного циліндричного конденсатора, в якому в середині між високопотенціальним внутрішнім електродом і зовнішнім низькопотенціальним електродом розміщений проміжний коаксіальний електрод, який розділяє проточну камеру з контрольованим продуктом і камеру з еталонним зневодженим продуктом, при цьому вихід першого автоматичного перемикача з'єднаний з проміжним коаксіальним електродом, один вхід першого автоматичного перемикача з'єднаний з внутрішнім високопотенціальним електродом, а другий вхід з'єднаний з зовнішнім низькопотенціальним електродом. Введення в схему модуляційного вимірювача другого автоматичного перемикача, інтегратора з інвертором, другого фільтра нижніх частот і несиметричного мультивібратора з блоком задання часової несиметрії, підключення керуючого входу блока задання часової несиметрії через другий фільтр нижніх частот до виходу інтегратора, вхід якого через другий автоматичний перемикач почергово підключається то до виходу першого фільтра нижніх частот безпосередньо, то до цього ж 2 38608 виходу через інвертор, з'єднання керуючих входів автоматичних перемикачів з протилежними плечами несиметричного мультивібратора, між якими включені паралельно з'єднані амплітудний обмежувач і вихідний прилад, забезпечує за рахунок безпосереднього вимірювання відносної різниці діелектричних проникностей контрольованого і еталонного продуктів виключення впливу непостійності параметрів ємнісних сенсорів і параметрів автогенератора, частотного детектора та інших елементів електронної схеми на точність вимірювання об'ємного вмісту води в нафті та нафтопродуктах. Виконання ємнісних сенсорів у вигляді одного коаксіального конденсатора, в якому всередині між високопотенціальним внутрішнім і низькопотенціальним зовнішнім електродами розміщений проміжний коаксіальний електрод, який розділяє в середині сенсора робочу проточну камеру з контрольованим продуктом і камеру порівняння з еталонним зневодженим продуктом, і з'єднання проміжного електрода з виходом першого автоматичного перемикача, входи якого з'єднані з внутрішнім і зовнішнім електродами коаксіального конденсаторного сенсора забезпечує виключення впливу різниці температур контрольованого і еталонного продуктів на результат вимірювання відносної різниці їх діелектричних проникностей, що забезпечує підвищення точності вимірювання об'ємного вмісту води в нафті та нафтопродуктах. На кресленні (фіг.) показана функціональна схема модуляційного вимірювача малих вмістів води в нафті та нафтопродуктах. Модуляційний вимірювач включає ємнісний сенсор 1 у вигляді занурюваного циліндричного конденсатора, утворений ізоляційною основою 2 з отворами і ізоляційною кришкою 3 з отворами, між якими розміщені коаксіальні металічні електроди: зовнішній низькопотенціальний 4, внутрішній високопотенціальний 5 і проміжний 6. Камера між зовнішнім 4 і проміжним 6 електродами є робочою проточною, а камера між проміжним 6 і внутрішнім 5 електродами є порівняльною, яка заповнюється зневодженим еталонним продуктом і закривається пробками 7. Проміжний електрод 6 з'єднаний з виходом першого автоматичного перемикача 8, один вхід якого з'єднаний з зовнішнім низькопотенціальним електродом 4 і заземлений, другий вхід з'єднаний з внутрішнім високопотенціальним електродом 5 і конденсатором та резистором часозадаючого ланцюга 9 високочастотного автогенератора 10, до виходу якого підключені послідовно з'єднані, частотний детектор 11 і перший фільтр 12 нижніх частот. До виходу першого фільтра 12 нижніх частот підключені інвертор 13 і другий автоматичний перемикач 14, один вхід якого з'єднаний з виходом фільтра 12 безпосередньо, а другий вхід з'єднаний з цим виходом через інвертор 13. Вихід другого автоматичного перемикача 14 з'єднаний з входом інтегратора 15, вихід якого через другий фільтр 16 нижніх частот з'єднаний з керуючим входом блока 17 задання часової несиметрії мультивібратора 18, плечі якого з'єднані з керуючими входами автоматичних перемикачів 8 і 14. Між протилежними плечами мультивібратора 18 включені, паралельно з'єднані, амплітудний обмежувач 19 і вихідний прилад 20. Модуляційний вимірювач малих вмістів води в нафті та нафтопродуктах працює таким чином. Конденсаторний сенсор 1 розміщують в резервуарі з контрольованим продуктом. Через отвір в основі 2 і в ізоляційній кришці 3 продукт поступає в робочу камеру між зовнішнім низькопотенціальним електродом 4 і проміжним електродом 6, які розміщені коаксіальне відносно внутрішнього високопотенціального електрода 5. Внутрішню камеру порівняння, яка утворена простором між внутрішнім електродом 5 і проміжним електродом 6, заповнюють еталонним зневодженим продуктом і закривають пробками 7. Завдяки високій теплопровідності металічних електродів відбувається вирівнювання температур в камерах сенсора з температурою контрольованого матеріалу в резервуарі. При вказаному на кресленні положенні контактів автоматичного перемикача 8, проміжний електрод 6 електрично з'єднаний з внутрішнім електродом 5 і вони підключені паралельно конденсатору часозадаючого ланцюга 9 високочастотного автогенератора 10. При цьому, високочастотна напруга автогенератора 10 створює електричне поле в середині робочої камери між проміжним електродом 6 і зовнішнім заземленим електродом 4. Через еквіпотенціальність електродів 5 і 6 електричне поле в камері порівняння відсутнє. Частота w релаксаційних коливань, які генеруються автогенератором 10, визначається опором і сумарною ємністю його часозадаючого RCланцюга: w1=S10/(2pR(C+Cp)) (1) де S10 - крутизна перетворення (чутливість) автогенератора 10, яка визначається параметрами використовуваної мікросхеми і напругою її живлення; R - опір резистора часозадаючого ланцюга; С - ємність конденсатора часозадаючого ланцюга; Ср - ємність робочої камери конденсаторного сенсора. Коливання автогенератора 10 поступають на частотний детектор 11, де вони детектуються по частоті. Вихідна напруга детектора, пропорційна частоті, згладжується фільтром 12 нижніх частот. Постійна напруга на виході фільтра 12 залежно від частоти приймає значення: U1=S11K12w1 (2) де S11 - крутизна перетворення частотного детектора 11; К12- коефіцієнт передачі фільтра нижніх частот 12. У вказаному положенні контактів другого автоматичного перемикача 14 заряд інтегратора 15 відбувається безпосередньо з виходу фільтра 12 нижніх частот. За час t1, в якому автоматичні перемикачі 8 і 14 знаходяться у вказаному положенні, інтегратор 15 заряджається до напруги: U2=K15U1=S11K12K15w1t1 (3) де K15- масштабний коефіцієнт інтегратора 15, який визначається його постійною часу. Автоматичні перемикачі 8 і 14 перемикаються прямокутними напругами з виходів плечей несиметричного мультивібратора 18. При переході мультивібратора в протилежний стан через час t1 відбувається зміна положення контактів автоматичних перемикачів на протилежне. При цьому, проміжний електрод 6 конденсаторного сенсора 1 електрично з'єднується з низькопотенціальним 3 38608 Підставляючи у вираз (13) відношення часових інтервалів з (9 ), отримуємо: U6=U0(w1-w2)/(2w1) (14) Конструктивно відстань між проміжним електродом 6 і зовнішнім електродом 4 встановлюють так, щоб ємності пустих камер робочої Срo і порівняння Спо були однакові: Cpo=Cпо=С0 (15) Тоді при заповненні робочої камери контролюємим продуктом з діелектричною проникністю eх, а камери порівняння еталонним зневодженим продуктом з діелектричною проникністю eе, їх ємності можна представити так: Ср=eхС0 (16) Сп=eеС0. (17) Якщо підставити значення частот (1) і (4) у вираз (14) з врахуванням (16) і (17), то отримаємо: U6=(eе-eх)С0U0/(2(С+eеС0)) (18) Ємність конденсатора С часозадаючого ланцюга 9 вибирають із співвідношення: С=(0,1-0,05)С0 (19) Тоді, з врахуванням (19), насамкінець отримаємо значення вимірюваноїнапруги: U6=(ee-eх)U0/(2ee) (20) Таким чином, при заданому рівні обмеження амплітуд вихідної напруги плечей мультивібратора 18 (U0=const) покази вихідного приладу 20 пропорційні відносній різниці діелектричної проникності порівнюваних продуктів. При цьому на результат порівняння не впливають непостійність чутливості автогенератора (S10), параметрів часозадаючого ланцюга (R і С ), крутизни перетворення частотного детектора (S11), коефіцієнтів передач фільтрів нижніх частот 12 і 16 (К12 і К16), масштабного коефіцієнта інтегратора 15 (К15), а також початкового значення ємностей камер конденсаторного сенсора (С0). Діелектрична проникність нафтопродуктів визначається сортом нафти (eе) і наявністю води. Тому діелектричну проникність контрольованого нафтопродукту можна представити також у вигляді: ex=ee(1-W)+eвW (21) де eв - діелектрична проникність води; W - об'ємний вміст води в продукті. Для малих вмістів води в нафті та нафтопродуктах (W