устройство для измерения удельного электрического сопротивления жидких сред

Формула изобретения

Устройство для измерения удельного электрического сопротивления жидких сред, включающее цилиндрический корпус, два питающих и два измерительных электрода, закрепленных на корпусе на фиксированных расстояниях друг от друга и изолированных токонепроводящим материалом, которые контактируют с исследуемой жидкостью, отличающееся тем, что электроды изготавливают из электропроводной резины и устанавливают на внутренней стенке корпуса, причем первый питающий и первый измерительный электрод размещают в диаметрально противоположных точках ортогонального к оси корпуса сечения, второй питающий и второй измерительный электроды устанавливают на образующей поверхности стенки корпуса, проходящей через первый измерительный электрод, причем отношение расстояния между первым измерительным и вторым питающим электродами к расстоянию между вторым питающим и вторым измерительным электродами находится в интервале 1 исключая граничные значения, при этом расстояния между электродами определяются соотношением



где АМ расстояние между первым питающим и первым измерительным электродами;

BN расстояние между вторым питающим и вторым измерительным электродами;

ВМ расстояние между вторым питающим и первым измерительным электродами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для измерения свойств жидкостей, в частности удельного электрического сопротивления. Оно может использоваться при определении сопротивления бурового раствора и промывочной жидкости скважин разведочного бурения, при оценке параметров, функционально связанных с удельным электрическим сопротивлением жидкостей, а именно концентрации солей и плотности растворов. Устройство может также использоваться при мониторинге концентрации солей в растворах и, в частности, при режимных наблюдениях в скважинах, вскрывающих источники минеральных вод.

Кроме того, оно может применяться при мониторинге засоления подземных вод вблизи источников повышенной экологической опасности (рассолосборники, шламохранилища и т.д.) в промышленных зонах предприятий химической промышленности, промышленности по переработке природных солей (производство минеральных удобрений, содовое производство и т.п.). Устройство может использоваться в качестве первичного преобразователя, включаемого в систему автоматизированного управления процессами растворения солей.

Известны устройства, действие которых основано на измерении электропроводности водных растворов, так называемые кондуктометры (контрольно-измерительные приборы. Уральский научн.-исследов.хим. ин-т. Л., Химия, 1973, с. 133 - 134, А.с. СССР N 1221569, кл. G 01 N 27/02, 1986). Основой конструкции кондуктометров является электролитическая ячейка - чувствительный элемент измерительной системы.

Для определения концентрации солей в растворах, поступающих в ячейку, измеряют электрическое сопротивление ячейки. Основным недостатком кондуктометров является инкрустация кристаллами солей металлических электродов электролитической ячейки при измерениях концентрации высокоминерализованных растворов. При этом измеряемое прибором сопротивление складывается из сопротивления рассола в ячейке и переходного сопротивления системы "электрод-жидкость", которое изменяется по мере зарастания кристаллами поверхности электрода. По этой причине кондуктометры нашли применение лишь при измерениях концентрации слабоминерализованных растворов.

Известны устройства для измерения удельного электрического сопротивления жидкостей, объединенные общим наименованием - резистивиметры. Несмотря на различие конструкций резистивиметров, предложенных в различные годы, для всех их характерен ряд особенностей, которые могут быть проиллюстрированы при рассмотрении резистивиметра, описанного в работе "Геофизические методы исследования скважин. Справочник геофизика под редакцией В.М.Запорожца. М., Недра, 1983, с. 276 - прототип.

Известное устройство содержит корпус из электроизоляционного материала и стальные электроды, одну пару которых используют для создания электрического поля при пропускании тока через раствор (токовые электроды), а другую пару - для измерения разности потенциалов между точками контакта этих электродов с жидкостью. Электроды выполняют из стали и укрепляют на наружной поверхности корпуса. Электроды друг от друга изолируют токонепроводящим материалом.

К недостаткам известного устройства относятся:

1. Ограниченная слабоминерализованными растворами область применения, т. к. при минерализации растворов более 50 кг/м³ происходит инкрустация кристаллами соли поверхности электродов, что, в свою очередь, ведет к повышению погрешности измерений, как и в случае применения кондуктометров.

2. Невозможность производства измерений в скважине при наличии обсадной металлической колонны из-за замыкания электродов при касании ими трубы.

3. Необходимость предварительной градуировки устройства, т.к. теоретический расчет удельного сопротивления раствора по формуле:



(где K - геометрический коэффициент; U - величина разности потенциалов, мВ, I - величина пропускаемого тока, мА) невозможен, т.к. форма и размеры электродов не позволяют аппроксимировать их точечными электродами, для которых имеются простые формулы для расчета коэффициента K. Указанное обстоятельство в сочетании с недостатком, отмеченным в п. 1, затрудняет использование известного устройства при длительных режимных наблюдениях и делает практически невозможным его использование при наблюдениях в непрерывном режиме.

Предлагаемое изобретение направлено на решение нескольких задач:

1. Расширение области применения устройств за счет измерения удельного сопротивления растворов в широком диапазоне концентрации солей (от 0,5 кг/м³ до насыщенных рассолов) и использования при длительных режимных наблюдениях.

2. Упрощение конструкции прибора.

3. Повышение точности измерений.

4. Исключение необходимости периодической градуировки прибора.

Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема устройства (здесь A и B - питающие, а M и N - измерительные электроды. Все электроды выполнены из электропроводной резины);

1 - корпус из токонепроводящего материала;

2 - провода, соединяющие электроды с источником тока и измерительным прибором;

на фиг. 2 - взаимосвязь между геометрическими параметрами устройства (AM, BM, AN и BN - расстояния между электродами;

на фиг. 3, 4 - пример конкретного применения устройства в наблюдательной скважине вблизи шламохранилища Третьего рудоуправления ПО "Белорускалий", где фиг. 3 - график зависимости разности потенциалов, измеряемой с помощью заявляемого устройства от минерализации раствора;

фиг. 4 - график изменения минерализации раствора по оси скважин N 12a (кривая 1), N 12 (кривая 2), N 13a (кривая 3) и N 13 (кривая 4).

Сущность изобретения заключается в том, что электроды изготавливают из электропроводной резины и устанавливают на внутренней стенке корпуса, причем первый питающий и первый измерительный электроды размещают в диаметрально противоположных точках ортогонального к оси корпуса сечения, второй питающий и второй измерительный электроды устанавливают на образующей поверхности стенки корпуса, проходящей через первый измерительный электрод, причем отношение расстояния между первым измерительным и вторым питающим электродами к расстоянию между вторым питающим и вторым измерительным электродами находятся в интервале от 1 до , исключая граничные значения, при этом расстояния между электродами определяются соотношением:

,

где AM - расстояние между первым питающим и первым измерительным электродами, BN - расстояние между вторым питающим и вторым измерительным электродами, BM - расстояние между вторым питающим и первым измерительным электродами.

Существенным признаком, отличающим заявляемое устройство от прототипа, является то, что все электроды выполнены из электропроводной резины.

Такие электроды не инкрустируются кристаллами солей даже при измерениях в рассолах, близких к насыщению. Это свойство резины известно и широко используется в химической технологии, когда внутренние поверхности растворителей, мешалок, центрифуг и т. п. специально гумируют для предотвращения процессов инкрустации. Испытания электропроводной резины в близких к насыщению рассолах хлористого натрия (C300 кг/м³, t=18^oC) показали, что инкрустация не происходит даже при провоцировании процесса кристаллообразования резким охлаждением рассола до отрицательных температур.

Электропроводная резина в агрессивной среде - концентрированных соляных растворах, абсолютно не теряет своих электропроводящих свойств. Были проведены длительные (в течение 5 мес.) испытания резины в растворе, содержанием 300 кг/м³ хлористого натрия, 5 кг/м³ едкого натрия и 15 кг/м³ сернокислого натрия. Никаких заметных визуальных изменений поверхности резины, а также изменений ее удельного электрического сопротивления за период испытаний замечено не было.

Исключение инкрустации солей на поверхности электродов позволяет использовать устройство при измерении удельного электрического сопротивления рассолов во всем возможном диапазоне концентрации солей, вплоть до насыщенных рассолов. Отсутствие изменений свойств электропроводной резины при длительном нахождении в агрессивной среде в сочетании с рассмотренным выше свойством позволяют использовать устройство при длительных режимных наблюдениях в растворах. Все это обеспечивает расширение области применения известных устройств. Этому же способствует и размещение электродов из электропроводной резины на внутренней поверхности цилиндрического корпуса из электроизоляционного материала, например фторопласта. Подобная конструктивная особенность является также одним из существенных признаков, отличающих предлагаемое устройство от прототипа: она позволяет производить измерения в обсаженных скважинах без опасения замыкания электродов.

Основной конструктивной особенностью предлагаемого устройства является особое размещение электродов. Это является третьим существенным признаком, отличающим данное устройство от прототипа.

Схема расстановки электродов показана на фиг. 1. Один измерительный электрод M и питающий электрод A расположены в диаметрально противоположных точках сечения, ортогонального к оси корпуса 1. Этим достигается определенность точки записи результата (она относится к данному сечению), что немаловажно, если учесть, что соляные растворы стратифицируются по плотности. При иной компоновке электрод, в поле которого производится измерение, оказывается в условиях, отличных от условий, где размещен измерительный электрод.

При использовании электроизмерительной установки заданных размеров (по аналогии с геоэлектроразведной установкой будем называть совокупность электродов, расположенных на определенных расстояниях друг от друга) наименьшим геометрическим коэффициентом обладает так называемая потенциальная установка (двухэлектродная с двумя линиями "бесконечность"). Это означает, что, если в жидкой среде создать электрическое поле при пропускании тока заданной величины, потенциальная установка обеспечивает максимальную, по сравнению с другими видами установок, измеряемую разность электрических потенциалов. Вследствие этого установка с минимальным геометрическим коэффициентом позволяет добиться наибольшей точности измерений.

Устройства, предназначенные для измерения удельного сопротивления жидких сред, как правило, являются погружными. Их размещают в емкостях, монтируют внутри трубопроводов и т.п., поэтому использование линий "бесконечность" для вторых питающего (B) и измерительного электрода (N) исключается. В этой связи возникает необходимость использования в таких устройствах четырехэлектродных установок.

Если поместить второй питающий электрод (B) и второй измерительный электрод (N) на образующей внутренней поверхности корпуса, проходящей через электрод M (см. фиг. 1), с таким расчетом, чтобы отношение расстояния между электродами M и B к расстоянию между электродами B и N находилось в пределах интервала от 1 до (исключая граничные значения), а отношение расстояния между электродами A и M к расстоянию между электродами B и N определяется соотношением: то данная установка будет эквивалентна потенциальной, у которой коэффициент определяется только расстоянием между электродами A и M.

Докажем это.

В общем виде геометрический коэффициент четырехэлектродной установки определяется известным в геоэлектроразведке выражением:

,

где AM, AN, BM и BN - расстояния между соответствующими электродами, м.

Геометрический коэффициент потенциальной установки (K_п) определяется из условия, что AN, BM и BN _ :

.

Из сопоставления (1) и (2) вытекает, что для того, чтобы четырехэлектродная установка была эквивалентна потенциальной (в смысле равенства геометрических коэффициентов, а следовательно, измеряемых величин разности потенциалов при одних и тех же токах) необходимо, чтобы последние три слагаемых в знаменателе выражения (1) обращались в нуль, т.е. должно выполняться условие:



Поскольку при размещении электродов в порядке, указанном на фиг. 1

Перепишем (3) в виде:



Умножим обе части равенства (4) на BN и, обозначив BM/BN=a, AM/BN=b, после несложных преобразований получим:



Величина b является действительным числом в том случае, если подкоренное выражение больше нуля, т.е. при условии:



Нетрудно показать, что это условие выполняется лишь при .

Поскольку при величина b становится равной нулю, означающей совмещение электродов A и M, что, естественно, недопустимо, то величина a не может быть равна . При b _ величина a стремится к единице, что определяет нижний предел значений a.

Таким образом, если величина a находится в интервале от 1 до (исключая a=1 и ), а расстояние между электродами определяется соотношением (5), то четырехэлектродная расстановка электродов, приведенная на фиг. 1, обеспечивает равенство коэффициента данной установки величине .

На фиг. 2 приведен график, отражающий соотношение расстояний между электродами, определяемое формулой (5). Задаваясь отношением расстояний , можно по графику определить отношение расстояний , при котором коэффициент установки будет равен коэффициенту потенциальной установки. Задаваясь заранее величиной BN и одним из отношений (AM/BN или BM/BN), можно найти расстояния AM и BM.

Например, при BN=10^-1 м и AM/BN=5, находим, что BM/BN должно быть равно 1,225, т.е. AM=510^-1 м, BM=1,22510^-1 м.

Тогда удельное электрическое сопротивление жидкой среды можно рассчитывать по формуле:



где U - измеренная между электродами разность электрических потенциалов при величине пропускаемого тока I.

Для получения результатов в Омм величина AM должна исчисляться в м, U - в мВ, I - в мА.

Величину всегда при измерениях можно рассчитывать по формуле (7), т.к. все входящие в нее величины имеют вполне определенную количественную оценку. Расстояние между электродами AM, в частности, является расстоянием между поверхностями резиновых электродов, обращенных друг к другу.

Таким образом, при применении устройства не требуется проведение градуировки, что упрощает работу с ним.

Рассмотренная выше компоновка электродов, их размещение внутри корпуса простой цилиндрической формы существенно упрощают конструкцию устройства по сравнению с известным устройством, что очевидно при сопоставлении фиг. 1 и рисунка на стр. 276 Справочника геофизика под ред. В.М.Запорожца, указанного ранее, где изображено устройство - прототип.

Предлагаемое устройство работает следующим образом (см. фиг. 1).

При погружении корпуса 1 в жидкость последняя заполняет корпус, при этом жидкость (раствор) контактирует с электродами A, B, M и N, изготовленными из электропроводной резины. Каждый из электродов снабжен отходящим проводом 2, одну пару которых присоединяют к источнику тока, а другую - к милливольтметру, с помощью которого измеряют разность электрических потенциалов ( U ) между электродами M и N. Фиксируют величину тока (I) и разность потенциалов ( U ), а при использовании стабилизированного источника тока - только величину U , после чего рассчитывают удельное электрическое сопротивление по формуле (7).

Устройство может быть помещено в емкость, вмонтировано внутри трубопровода. Запись величины U можно осуществлять в автоматическом режиме самопишущим прибором с предварительно откалиброванной в единицах удельного электрического сопротивления лентой. Учитывая пропорциональность величины U удельному сопротивлению ( ), величина U может использоваться непосредственно в системе автоматизированного управления процессами растворения солей, приводя в движение исполнительные механизмы (заслонки, шибера и т.п.).

Предлагаемое устройство обеспечивает решение поставленных задач, т.к. при значительном упрощении конструкции по сравнению с известным устройством, где используют электроды сложной конфигурации, шайбы из диэлектрика и т.п., отпадает необходимость в проведении градуировок, а также исключается инкрустация электродов кристаллами солей, что существенно ограничивает область применения известных устройств.

Размещение электродов внутри корпуса из диэлектрика обеспечивает возможность измерений удельного сопротивления жидкости как в обсаженных скважинах, так и при помещении устройства внутри трубопровода, что расширяет область применения заявляемого устройства.

Рассмотрим пример конкретного выполнения способа.

Заявляемое устройство использовано для оценки минерализации вод в наблюдательных скважинах, пробуренных вблизи шламохранилища Третьего рудоуправления ПО "Белорускалий" (г. Солигорск, Минская обл.). Скважины снабжены обсадными колоннами с фильтрами для поступления подземных вод. Цель наблюдений - определение поступления рассолов из шламохранилища в водоносный горизонт.

Удельное электрическое сопротивление и минерализация раствора связаны обратной зависимостью. На фиг. 3a приведена зависимость величины U , пропорциональной удельному электрическому сопротивлению раствора ( ), от его минерализации (C) (суммарного содержания солей). Данная зависимость позволила не рассчитывать , а непосредственно откалибровать шкалу прибора в единицах концентрации солей (кг/м³).

На фиг. 4 приведены результаты измерений вдоль скважин N 12a (кривая 1), N 12 (кривая 2), N 13a (кривая 3) и N 13 (кривая 4), выполненных предлагаемым устройством.

Критерием оценки точности, обеспечиваемой при использовании предлагаемого устройства, может служить сопоставление результатов определения минерализации растворов (суммарного содержания солей) предлагаемым устройством с данными химических анализов проб. Результаты сопоставления, выполненного по 4 точкам (пробы с заданной глубины отбирались пробоотборником Симонова), приведены в табл. 1.

Данные таблицы свидетельствуют о вполне удовлетворительной сходимости результатов измерений содержания солей в рассоле предлагаемым устройством с данными химанализов.

В настоящее время заявляемое устройство в качестве первичного преобразователя включено в состав разработанной АО ВНИИГ измерительной аппаратуры ИКС-01 ВС, которой в ближайшем будущем будут оснащены все рассолопромыслы, ведущие добычу соли методом подземного растворения через буровые скважины, а также ряд предприятий химической промышленности (концерн "Хлорвинил", г. Калуш Ивано-Франковкой обл. , ПО "Уралкалий" и "Сильвинит", Пермская область).

Предварительная оценка эффективности внедрения предлагаемого устройства в промышленности показывает, что положительный экономический эффект может обеспечиваться за счет экономии сырья в период растворения при своевременной корректировке режимов работы растворителей в соответствии с показаниями приборов.