Микроволновые резонаторные методы определения объемного влагосодержания в жидких углеводородах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Топильский, Алексей Викторович

• Топильский, Алексей Викторович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Топильский, Алексей Викторович

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР И КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ.

1.1 Характеристики исследуемой среды.

1.2 Обзор методов определения влажности.

1.2.1 Прямые методы.

1.2.2 Косвенные методы.

1.3 Постановка задачи.

Выводы.

2. РАЗРАБОТКА ОДНОМОДОВОГО МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВЛАГОСОДЕРЖАЩИХ ПРИСАДОК В ТОПЛИВАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЧ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ОБЪЁМНЫХ РЕЗОНАТОРОВ.

2.1 Обзор методов расчёта возмущённых резонансных частот ЦОР.

2.1.1. Эквивалентные параметры объёмных резонаторов.

2.1.2 Расчёт резонансной частоты и парциальной добротности при горизонтальном расположении исследуемой среды колебания Е0ю ЦОР методом «эквивалентной ёмкости».

2.2 Расчёт резонансной частоты и парциальной добротности при горизонтальном расположении проводящей среды колебания Hon ЦОР.

2.3 Расчёт резонансной частоты и парциальной добротности при аксиальном расположении провод колебания Hon ЦОР.

2.4 Выбор моделей определения частоты и добротности колебания H0i i при горизонтальном расположении исследуемой среды с учётом адекватности.

2.5 Метод определения малых концентраций влагосодержащих присадок в топливах.

2.6 Метрологический анализ одномодового метода.

Выводы.

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОКИХ ЗНАЧЕНИЙ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЧ-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ДВУХМОДОВЫМИ РЕЖИМАМИ.

3.1 Метод расчета параметров СВЧ — преобразователей колебаний Ещ и Ном при горизонтальном расположении среды.

3.2 Метод расчета неразрушающих преобразователей СВЧ с распределенными параметрами при аксиальном расположении среды.

3.3 Устройство для определения диэлектрической проницаемости жидкости.

3.4 Выбор конструктивных параметров сопряженных КОР и ЦОР из условия их частотного согласования.

Выводы.

4. МНОГОМОДОВЫЙ ТЕРМОВЛАГОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ПРОЦЕНТНОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В ДИАПОЗОНЕ СВЧ.

4.1 Сущность метода и описание экспериментальной установки.

4.2 Результаты экспериментальных исследований по определению объёмного процентного содержания растворённой влаги.

4.3 Результаты экспериментальных исследований определению объёмного процентного содержания взвешенной влаги.

4.4 Разработка устройства для реализации предложенного метода.

4.5 Оценка инструментальной погрешности и рекомендации по улучшению метрологических свойств метода.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Микроволновые резонаторные методы определения объемного влагосодержания в жидких углеводородах»

Актуальность темы. Интенсивное развитие современной автомобильной и авиационной техники диктует особые требования к качеству используемых горючесмазочных материалов (ГСМ), от которых зависит безаварийная эксплуатация и долговечность работы. В частности в настоящее время очень высокие требования предъявляются к авиационным горюче-смазочным материалам таким как авиационный керосин, содержащий жидкость «И» (моноэтиловый эфир этиленгликоля). Так содержание растворённой влаги в авиационном керосине не превышает 0.01% от общей массы керосина. Добавка жидкости «И», содержащей растворённую влагу (в зависимости от сортности 0.2-0.6%), увеличивает процентное содержание влаги. В зависимости от температуры добавляется от 0.1% до 0.3%. Жидкость «И» связывает растворённую влагу, не давая ей образовывать капли (эмульсию). Сегодня нет экспресс-метода анализа содержания влаги в авиационном керосине, он осуществляется визуальным методом. Очень актуальна проблема определения качества бензина (повышение октанового числа путём добавления различных примесей, содержащих растворённую влагу). Актуальным также является определение процентного содержания растворённой влаги жидких ГСМ, имеющих высокое значение процентного содержания растворённой влаги (например, этиленгликоль от 40% до 60% влаги) как в процессе производства, так и перед непосредственным использованием.

Диэлькометрические и кондуктометрические методы ВЧ диапазона обладают или низкой чувствительностью или высокой погрешностью. СВЧ-методы на «прохождение» и «отражение» сложны в реализации и требуют дорогостоящей реализации. Известные СВЧ резонаторные методы являются лабораторными.

Как известно интегральные характеристики СВЧ систем с распределенными параметрами (объемный резонатор (ОР)) - резонансная частота, добротность весьма чувствительны к изменению электрофизических характеристик сред частично заполняющих объемный резонатор.

Оперативное определение электрофизических и физико-механических параметров горюче-смазочных материалов с использованием первичного измерительного преобразователя (ГОШ) на основе цилиндрического ОР (ЦОР) позволит проверить соответствие топлива его паспортным данным (наличие в нем взвешенной влаги, % содержания жидкости «И», динамической вязкости и т.

Д.).

Цель работы. Разработать экспресс-метод определения объёмного процентного содержания влагосодержащих присадок в топливах с использованием одномодового режима СВЧ преобразователей, обладающий высокой чувствительностью и точностью. Разработать метод и реализующее его устройство определения высоких значений влагосодержания в жидких углеводородах с использованием нового двухмодового режима СВЧ преобразователей. Разработать простой в реализации многомодовый СВЧ-метод определения влагосодержания жидких углеводородов (ГСМ), позволяющий определять не только растворённую, но и взвешенную влагу.

Методы исследования основаны на применении аппарата математической физики, теории электродинамики, математическом моделировании, компьютерных технологий и метрологии.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем. Разработан экспресс-метод определения объёмного процентного содержания присадок имеющих собственную растворённую влагу в топливах, с использованием одномодового режима СВЧ преобразователей обладающий высокой чувствительностью и точностью. Теоретической основой метода являются полученные модели для резонансной частоты и добротности колебания Нои ЦОР при горизонтальном расположении исследуемой среды для случая деформации электрического поля Еф, учитывающего концентрацию поля в исследуемой среде. Предложен новый двухмодовый метод определения высоких значений влагосодержания в ГСМ. С этой целью произведён расчёт разности резонансных частот колебаний Нои иЕщ ЦОР при аксиальном расположении трубопровода с исследуемой жидкостью. Разработан простой в реализации многомодовый СВЧ-метод определения влагосодержания ГСМ, позволяющий определять не только растворённую, но и взвешенную влагу.

Практическая ценность работы заключается в следующем. По экспериментальным данным предложена методика выбора поправочных коэффициентов ai и (Х2 в моделях возмущённой частоты и нагруженной добротности соответственно. Разработано устройство для определения процентного содержания растворённой влаги в жидкостях с высоким значением влагосодержания, реализующее двухмодовый метод. Предложена конструкция генератора СВЧ на основе коаксиального объёмного резонатора (КОР) с закороченной ёмкостью, обеспечивающего широкую и прецизионную перестройку частоты. Предложена методика выбора конструктивных параметров КОР и ЦОР из условия их частотного согласования. Разработано устройство, реализующее многомодовый термовлагомет-рический СВЧ-метод определения влагосодержания ГСМ. Все устройства позволяют оперативно контролировать качество ГСМ.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошли испытания в службе ГСМ в/ч 21350 и рекомендованы к внедрению. Они также используются в научно-исследовательской работе «Датчик», заданной главнокомандующим ВВС.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались на 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (г. Москва, 2000г.), на Международной Научной конференции «Измерения, контроль, информатизация» (г. Барнаул, 2001г.), на 4-ой Международной теплофизической школе «Теплофизические измерения в начале XXI века» (г. Тамбов, 2001г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (г. Нижний Новгород, 2002г.), Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования» (г. Тамбов, 2004г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, на одно разработанное устройство для определения диэлектрической проницаемости жидкости получен патент РФ на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, изложенные на 128 страницах машинописного текста, 29 рисунках и 10 таблицах. Список литературы включает 51 наименование.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Топильский, Алексей Викторович

Выводы

1. Предложен многомодовый термовлагомтрический метод измерения процентного влагосодержания органических соединений. К достоинствам метода можно отнести простоту и доступность реализации, не нужен образец строгой формы, однородность электромагнитных полей (в широком диапазоне измерения влажности может нарушиться условие одномодовости в волноводе, что приводит к дополнительным погрешностям), не наблюдается вырождение основного типа колебаний, как в объёмном резонаторе.

2. Экспериментальная проверка определения растворённой влаги в авиационном керосине, содержащем жидкость «И» и этиленгликоле показала, что относительная погрешность определения жидкости «И» в авиационном керосине составила примерно 40 % для 0.1% жидкости «И» и 1нач=1'7.60С и 3% при 1ШЧ=2°С. Однозначный прирост температуры нагрева этиленгликоля с добавлением воды наблюдается до 3.5-4.5%.

3. Экспериментально доказана принципиальная возможность определения предложенным методом не только растворённой, но и взвешенной влаги.

4. Проведён анализ инструментальных погрешностей и даны рекомендации по улучшению метрологических свойств метода и разработано устройство реализующее метод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен метод определения малых концентраций присадок в топли-вах на примере наличия жидкости «И» в авиационном керосине. Способ предусматривает наличие эталона, предложена также методика коррекции величины уровня заполнения ЦОР жидкостью. Эксперимент показал, что порог чувствительности (относительная погрешность измерений равна 100%) можно оценить как 0.15% жидкости «И» в авиационном керосине марки ТС-1 при температуре 18°С и добротности пустого ЦОР равной 910. Улучшение метрологических свойств возможно за счёт измерения при низких температурах и увеличения добротности пустого ЦОР с одновременным уменьшением уровня исследуемой жидкости.

2. Методом эквивалентной ёмкости получены аналитические выражения для резонансной частоты колебания Нои ЦОР при горизонтальном и аксиальном расположении исследуемой среды.

3. Методом эквивалентной ёмкости получены аналитические выражения для резонансной частоты и добротности колебания Н0ц ЦОР при горизонтальном расположении возмущающего объёма для случая деформации электрического поля Еф, учитывающего концентрацию поля в исследуемой среде.

4. По экспериментальным данным предложена методика выбора поправочных коэффициентов а, и а2 в моделях возмущённой частоты и нагруженной добротности соответственно. При этом а, учитывает режим работы детектора огибающей, а — степень концентрации поля в возмущённом объёме.

5. Разработан метод и устройство для определения процентного содержания растворённой влаги в жидкостях с высоким значением влагосодержания. Информативный параметр — разность расщеплённых частот колебаний Н0ц и Ei и не зависит от изменения линейных размеров ЦОР вследствие теплового расширения. Устраняется возможность перепутывания колебаний, что возможно при измерении абсолютного ухода резонансной частоты колебания Ноц.

5. Предложен метод расчёта разности возмущённых резонансных частот колебаний Н0ц и Еш ЦОР при аксиальном и горизонтальном расположении исследуемой среды на основе методов эквивалентных параметров и малых возмущений.

7. Предложена конструкция генератора СВЧ на основе коаксиального ОР (КОР) с закорачивающей ёмкостью, обеспечивающего широкую и прецизионную перестройку частоты и методика выбора конструктивных параметров ЦОР и КОР из условия их частотного согласования. Осуществлена экспериментальная проверка предложенного способа с использованием этиленгликоля с содержанием влаги от 40% до 60%.

8. Метрологический анализ показал, что относительная погрешность определения влагосодержания этиленгликоля в диапазоне 40% - 60% содержания растворённой влаги для нагруженной добротности 1000 не превышает 2%.

9. Предложен многомодовый термовлагометрический метод измерения процентного объёмного содержания растворённой влаги в жидких углеводородах. Осуществлена экспериментальная проверка предложенного метода. Выработаны меры по улучшению метрологических свойств. Разработано устройство, реализующее метод.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Топильский, Алексей Викторович, 2004 год

1. Янушевский В.Я. Применение радиоактивных излучений в промышленности. Рига: изд. ЛатвССР, 1957.

2. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств: Учебник для вузов. Издание 2-е, переработанное и дополненное.- М.: Машиностроение, 1974.

3. Брандт A.A. Исследование диэлектриков на СВЧ: учебник для вузов/ М.: ГИФМЛ, 1963.

4. ГОСТ 14.203-69. Диэлькометричский метод определения влажности нефти и нефтепродуктов.

5. Мелкумян В. Е., Клугман И. Ю., Ковылов Н. Б. Поверка диэлькометриче-ских влагомеров для нефти. «Измерительная техника», 1969, № 8.

6. Берлинер М. А. Оценка погрешностей влагомеров. «Измерительная техника», 1969.

7. Голант В. Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. М., «Наука», 1968.

8. Клюев В.В. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. 352с., ил.

9. Берлинер М. А. Влагомеры СВЧ. «Приборы и системы управления», 1970, №1.

10. Берлинер М. А. Авторское свидетельство № 191890. «Бюллетень изобретений», 1967, № 4

11. Берлинер М. А., Лелянов Б. Н. и Семенов Л. В. Авторское свидетельство № 315.996. «Бюллетень изобретений», 1971, №29.

12. Клугман Ю. И. и Ковылов Н. Б. Диэлькометрические нефтяные влагомеры (обзор). М. ВНИИОЭНГ, 1969.

13. Palmer L. S. On the dielectric constant of the water in wet clay. Proc. Phys. Soc., 1952, B65

14. Берлинер М. А. и Полищук С. А. Характеристики фазовых влагомеров СВЧ. «Приборы и системы управления», 1971, № 12.

15. Suresfi N. and oth. Microwave measurement of the degree of binding of water, absorbed in soils. ,11 Microwave Power- 1967, № 4.

16. Ловкие И. H. Исследование влажности древесины методом СВЧ. Диссертация. 1971

17. Берлинер М. А., Иванов В. А. Характеристики влагомеров сверхвысоких частот. — «Приборы и системы управления», 1967, № 3.

18. Бона Н. Т. и Лайхтман И. Б. Измерение параметров волноводных элементов. Киев, «Техника», 1968.

19. Брандт А. А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М., Физматпи. 1963

20. Эме Ф. Диэлектрические измерения. М., «Химия», 1967

21. Stuchly S. Wlasciwosci ukladow cial stalych i wody w zak-resie mikrofal. Praca doktorska. Instytut podstawowych problemow techniki. Warszawa, 1968.

22. Демьянов А. А. Исследование диэлектрических параметров нефти и ее фракций в диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн с целью создания влагомеров. Диссертация. М., 1969.

23. Демьянов А. А. Измерение в миллиметровом диапазоне длин волн содержания воды в нефти. «Измерительная техника», 1971. № 8.

24. Полулях К. С. Электронные резонансные измерительные приборы. Изд-во Харьковского университета, 1961.

25. Брякин В. И. и Скрипко А. Л. Лабораторный измеритель влажности нефти. Методы и приборы определения состава и свойств вещества. Фрунзе, «Илим», 1968.

26. Брякин В. И. Автоматический влагомер нефти с емкостным датчиком. -Методы и приборы определения состава и свойств вещества. Фрунзе, «Илим», 1968.

27. Берлинер М. А. Автоматический контроль малых концентраций влаги в жидких углеводородах. «Химия и технология топлив и масел», 1968, № 2.

28. Давыдов В. В. и Коптелов Ю. К. Исследование электрофизических характеристик текстильных тканей для разработки емкостных влагомеров. «Известия вузов. Сер. Технология текстильной промышленности», 1968, № 5.

29. Дмитриев Д.А. Методы и устройства контроля состава и свойств ферромагнитных жидких сред в диапозоне СВЧ. Диссертация. -Тамбов 1998

30. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. -М.: Наука, 1989.

31. Фальковский О.И. Техническая электродинамика. -М. : Свазь, 1978.

32. Кугушев. A.M., Терещук K.M., Седов С.А. Полупроводниковые приёмно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя. Киев: Наукова Думка, 1988.

33. Каценеленбаум Б.З. Высокочастотная электродинамика. -М.: Наука, 1966.

34. Григорьев А.Д., Янкевич В.Б. Резонаторы и резонаторные замедляющие системы. -М.: Радио и связь, 1984.

35. Дмитриев Д.А., Кораблёв И.В., Суслин М.А. СВЧ объёмные резонаторы в качестве измерительных преобразователей состава и свойств специальных жидких сред. -М.: Заводская лаборатория. №2, 1996.

36. Корбанский И.Н. Теория электромагнитного поля. -М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1964.

37. Новокшанов М.Н. Электродинамика и распространение радиоволн. -Рига. Изд. ВВАИУ им. Алксниса, 1981.

38. Дмитриев Д.А., Суслин М.А., Герасимов Б.И., Федюнин П.А. Методы и устройства СВЧ-кондуктометрии. -М.: Заводская лаборатория. №7. 1996.

39. Герасимов Б.И., Дмитриев Д.А, Кораблев И.В., Суслин М.А., Федюнин П.А. СВЧ объемные резонаторы в качестве измерительных преобразователей состава и свойств специальных жидких сред. -М.: Заводская лаборатория (диагностика материалов). №2. 1996.

40. A.c. 1592798: Способ измерения добротности резонаторов/ Урмачёв P.P. -Опубл. В Б.И. №34,1990

41. Суслин М.А., Дмитриев Д.А., Топильский A.B., Михалин М.В. Итерационный метод расчета неразрушающих преобразователей СВЧ. Контроль и диагностика: Ежемесячный научно-технический журнал. — М.: 2002, №3

42. Чернышов В.Н., Суслин М.А., Дмитриев Д.А., Топильский A.B. Устройство для определения диэлектрической проницаемости жидкости. Патент РФ №2192646, МКл6 G 01 R 27/26, G 01 N 22/04 № 2001116234/09 зявл. 13.06.2001., опубл. 10.11.2002 г.Бюл№31

43. Дмитриев Д.А. Чернышов В.Н. Топильский А.В Частотные автогенераторные методы неразрушающего контроля диэлектрической проницаемости жидких сред. Контроль и диагностика: Ежемесячный научно-технический журнал. М.: 2001, №6.

44. Топильский A.B., Федюнин П.А., Дмитриев Д.А. Автогенераторные ди-элькометрические преобразователи на двух слабосвязанных объемных резонаторах // Сборник рефератов депонированных рукописей. Деп. в ЦВНИ МО РФ 29.01.2001 серия В № 4562.

45. Топильский A.B. Автогенераторные диэлькометрические преобразователи на двух слабосвязанных объемных резонаторах // Труды ТГТУ: Сб. ст. молодых ученых и студентов. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2001. Вып. 9.

46. Бабко В.Б., Константинов В.Е., Королёв А.Ф., Крылов Д.А. Влагометрия жидких углеводородов. Материалы 7-й Всероссийской НТК «Состояние и проблемы измерений» М.: МГТУ им Н.Э. Баумана. 2000г.