Измеритель влажности жидких углеводородов на основе открытого СВЧ-резонатора

Аннотация

Рассмотрены СВЧ-методы измерения влажности нефтепродуктов. Показаны возможности резонаторного метода измерения. Представлена возможная схема СВЧ-влагомера на основе резонатора.

Полный текст

Использоваие СВЧ-методов для построения измерителей влажности нефтепродуктов обусловлено несколькими «благоприятными» факторами [4]: если жидкие углеводороды, являясь высокодобротными диэлектриками (ε = 1,8—2,7; tg δ = (0,24—0,42)10—2), «радиопрозрачны» для сигнала СВЧ-диапазона, то вода — активный поглотитель СВЧ-энергии (ε = 49—80; tg δ = 0,15—1,2). Именно с этим связано распространённое в СВЧ-влагометрии построение влагомеров, основанное на измерении поглощений СВЧ-энергии исследуемой средой — методы свободного пространства с использованием проходящей либо отражённой волны [2]. Более информативным представляется резонаторный метод измерения, когда в качестве чувствительного элемента первичного преобразователя влажности используют резонатор. СВЧ-резонатор, помещённый в линию передачи, представляет собой высокодобротный избирательный фильтр, характеризуемый резонансной частотой f0 и собственной добротностью Q0 = f0 / 2 D f. При помещении в резонатор диэлектрика происходит изменение его характеристик — и резонансной частоты, и добротности. При этом резонансная частота fр будет определяться эффективной диэлектрической проницаемостью резонатора εэфф (с учётом наличия диэлектрика), а добротность Qн — суммарными потерями в резонаторе — tg δ. Далее остаётся получить зависимости: резонансной частоты fр от эффективной диэлектрической проницаемости резонатор εэфф: fр = F(εэфф) и добротности резонатора Qн от влажности присутствующего диэлектрика: Qн = F(tg δ) , чтобы сделать заключение о возможности измерения состава и влажности заполняющей резонатор диэлектрической среды. Возможная измерительная схема в этом случае может быть представлена линией передачи, нагруженной на согласованную нагрузку, в которую помещён СВЧ-резонатор с исследуемым диэлектриком. В качестве источника СВЧ-сигнала выбран свип-генератор. В этом случае выделяемый резонатором сигнал после детектирования можно наблюдать на экране осциллографа в виде резонансной кривой. Причём амплитуда её будет соответствовать составу диэлектрика (отображая εэфф), а ширина резонансной кривой — 2 D f — характеризовать влажность заполняющего резонатор диэлектрика. Если в качестве исследуемой среды рассматривать жидкие углеводороды [1], возможно получить устройство для измерения влажности и состава нефтепродуктов. Однако использование в качестве чувствительного элемента преобразователя влажности металлического — «закрытого» — резонатора создаёт определённые проблемы при измерении в нефтепроводе, так как часть потока, отводимая через резонатор, не будет адекватно отображать состав передаваемого потока (вода не растворяется в нефтепродуктах и не заполняет равномерно передаваемый поток). Дальнейшие исследования показали, что для измерения характеристик нефтепродуктов в потоке более приемлемым в качестве чувствительного элемента является «открытый» — диэлектрический — резонатор [1], характеризуемый наличием внешнего электрического поля. В этом случае резонатор может быть помещён непосредственно в исследуемый нефтяной поток. При этом, помещая несколько резонаторов (например, по периметру нефтепровода), удастся повысить достоверность полученных результатов. Реализация устройства связана с определёнными проблемами: для получения градуировочных кривых требуется однородная среда (суспензия нефть-вода), получение которой проблематично (требуется специальная смесительная установка), в то же время в передаваемом потоке появление компонентов (вода, нефть) в плоскости размещения резонаторов является величиной случайной. Поэтому обозначенные возможности для реализации измерительного устройства требуют дополнительных проработок.