ДЕТЕКТОР ТОЧКИ РОСЫ Российский патент 1998 года по МПК G01N25/66 

Изобретение относится к физическим измерениям и может найти применение в нефтегазовой промышленности, в гидрометеорологии и других областях науки и техники, где необходимо измерение влажности газа.

Установление параметров, при которых происходит конденсация пластовых углеводородных газовых смесей, позволяет существенно повысить эффективность эксплуатации газоконденсатных месторождений, снизить потери конденсата -ценного углеводородного сырья.

Среди многочисленных первичных преобразователей, контролирующих возникновение конденсата, наиболее чувствительными и малоинерционными являются оптические детекторы росы конденсационных гигрометров. Они основаны на принципе измерения величины светового потока, отраженного от поверхности конденсации или прошедшего через нее, и регистрации точки росы в момент изменения интенсивности светового потока. Ряд оптических детекторов росы [1, 2, 3] содержит размещенное в контролируемом газе охлаждаемое плоское зеркало, источник света, охлаждающее устройство, фотоприемник и преобразователь температуры.

Детекторы росы с плоским зеркалом имеют недостаточную чувствительность в определении точки росы. Это объясняется тем, что процесс начала конденсации состоит в образовании первичных микрокапель на отдельных случайно распределенных центрах конденсации, которыми являются отдельные микроскопические впадины или канавки на конденсационной поверхности [4] Поэтому выпадение конденсата может начаться на любом участке охлаждаемого зеркала, например не в том месте, где происходит отражение светового потока. Вследствие этого имеет место дополнительное охлаждение поверхности зеркала для достижения ослабления интенсивности отраженного от зеркала излучения. В связи с тем что пар конденсируется на поверхности, охлаждаемой с определенным темпом, т.е. при отсутствии термодинамического равновесия, толщина слоя конденсата является функцией температуры пара и температуры поверхности [5] Переохлаждение поверхности плоского зеркала с целью уверенного детектирования росы существенно снижает точность в определении влажности: 10% на один градус переохлаждения [6] Недостатком традиционных оптических детекторов с плоской конденсационной поверхностью является также узкий диапазон контроля влажности, а именно: ограничение нижнего придела измерения точки росы, особенно при низких отрицательных температурах, за счет того, что в этих условиях резко меняется плотность расположения кристаллов на конденсационной поверхности: конденсат располагается редкими, но большими "островами", которые могут не попасть в поле зрения детектора. Практически нижний предел традиционных оптических детекторов при отрицательных температурах ограничен влажностью 25-35% [7]
Большей чувствительностью обладают гигрометры, оптические детекторы росы которых содержат отражательную конденсационную поверхность в виде поверхности второго порядка, обеспечивающую инвариантность детектирования росы со всей охлаждаемой поверхности. Известны, например, гигрометры [8, 9, 10] в которых отражающая поверхность выполнена в форме полуэллипса вращения, в одном из фокусов которого размещается источник, а во втором приемник излучения. Однако детекторы росы этих гигрометров имеют недостатки, свойственные этому типу конструкций, а именно:
сложность изготовления отражающей поверхности;
трудоемкость поддержания одинаковой температуры на поверхности конденсации ввиду относительно больших ее размеров;
высокие требования, предъявляемые к форме диаграмм направленности излучения и приема источника и фотоприемника: они должны быть строго сфероидальными, что трудно практически реализовать;
жесткие требования к юстировке источника и фотоприемника;
большая интенсивность отраженного от всей конденсационной поверхности сигнала не позволяет обнаружить первые капли конденсата, так как их появление незначительно ослабляет отраженный сигнал. Поэтому для заметного изменения выходного сигнала требуется значительное количество конденсата, т.е. дополнительное снижение температуры.

Все эти перечисленные особенности детекторов росы с эллиптическим зеркалом являются причиной снижения точности измерения точки росы. Кроме того, для каждого из них характерны специфические недостатки.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому по большему количеству общих признаков является детектор гигрометра точки росы, содержащий охлаждаемую поверхность в виде вогнутого сферического зеркала, источник света, размещенный на побочной оптической оси зеркала, два фотоприемника, один из которых установлен в фокальной плоскости зеркала, два термочувствительных элемента, один из которых размещен в зоне действия охладителя [11]
При известных преимуществах этого гигрометра он обладает недостаточной точностью, обусловленной тем, что на входном окне фотоприемника производится фокусирование отраженного от охлаждаемой поверхности излучения, исключающее отслеживание первых капель конденсата из-за избыточной яркости оптического пятна.

Задачей изобретения является повышение точности определения температуры начала конденсации путем снижения степени переохлаждения контролируемой смеси газов.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, состоит в исключении фокусирования отраженного от охлаждаемого сферического зеркала излучения на входном окне фотоприемника, тем самым позволяющим обнаружить первые капли конденсата и повысить точность в определении температуры начала конденсации смеси газов.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что детектор точки росы, содержащий охлаждаемую металлическую поверхность в форме вогнутого сферического зеркала, измеритель температуры этой поверхности, микроохладитель, источник и приемник излучения, оптически связанные с поверхностью зеркала, причем источник излучения установлен в фокусе зеркала, в отличие от прототипа источник и приемник излучения оптически связаны с поверхностью зеркала при помощи световода, причем источник излучения оптически сопряжен с сердцевиной световода, а приемник излучения с оболочкой световода, при этом диаметр оболочки не превышает диаметра зеркала.

Таким образом, изобретение отвечает критерию "новизна".

Патентные исследования показали, что во всех известных устройствах с целью контроля всей охлаждаемой поверхности зеркала производится фокусирование отраженного от охлаждаемой поверхности излучения на входном окне фотоприемника (авт. св. СССР N 315999, 1969; 397830, 1973; 359994, 1976; 642665, 1979; 661485, 1979; 819648, 1981 г. 885589, 1981; 979978, 1982; 1073668, 1984; 1569565, 1990; Патент США N 4435091, 1984; заявки Великобритании: N 1297296, 1978; 2043242, 1980). Фокусирование отраженного от охлаждаемого зеркала излучения ухудшает чувствительность детектора из-за избыточной яркости оптического пятна на входном окне фотоприемника, исключающей отслеживание первых капель конденсата, незначительно ослабляющих интенсивность отраженного сигнала.

Использование изобретения позволяет достичь результат, удовлетворяющий потребность.

Таким образом, изобретение отвечает критерию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена конструкция устройства.

Детектор точки росы состоит из короткого металлического корпуса 1, в котором размещены оболочки 2 и сердцевина 3 волоконно-оптического световода. Детектор снабжен измерителем температуры 4, в качестве которого служит термопара. К корпусу 1 посредством резьбового соединения крепится термоизоляционная цилиндрическая полость 5 с окнами 6 для прокачки контролируемых газов. В нижней части этой полости устанавливается вогнутое сферическое зеркало 7, температура которого контролируется термопарой 4, и микроохладитель 8. Вне зоны контроля (в области атмосферного давления) световод разделяется на оболочку и сердцевину, защищенные резиновым покрытием 9 и 10. Источник излучения 11 (например, светодиод АЛ-107 или полупроводниковый лазер ИЛПН-109), фотоприемник 12 (например, ФД-8К) размещены в специальных держателях 13 и 14, установленных на лицевой панели вторичного прибора. При этом источник излучения сопряжен с сердцевиной световода, а приемник излучения с оболочкой световода, диаметр которой не превышает диаметра охлаждаемого зеркала.

Детектор точки росы функционирует следующим образом.

Детектор устанавливается в корпусе измерительной камеры посредством резьбового соединения и герметизирует контролируемую среду с помощью ножевого уплотнения. Источник излучения 11 формирует оптический сигнал инфракрасного диапазона, который по сердцевине 3 волоконного световода попадает на вогнутое зеркало, закрепленное посредством пайки на микроохладителе типа ТЭМО-8. При этом сердцевина 3 световода размещена в фокусе зеркала 7. Зеркалом 7 формируется пучок отраженных параллельных лучей, которые попадают на оптически прозрачную оболочку 2 волоконного световода. Так как диаметр оболочки не превышает диаметр охлаждаемого зеркала, поэтому весь пучок отраженных от зеркала лучей по оболочке попадает на фотоприемник. Для контроля работы излучателя во вторичном приборе, где установлен источник излучения, выполнен опорный канал, включенный в схему сравнения посылаемого и принимаемого сигналов. В исходном состоянии в отсутствии конденсата на зеркале 7 эти сигналы уравновешиваются.

При снижении температуры контролируемой среды за счет адиабатического расширения газа (как это имеет место в испытательных камерах трубопроводов) или вследствие включения микроохладителя 8 температура зеркала 7 понижается. Это отображается с помощью термопары 4, размещенной вблизи зеркала. При выпадении конденсата на охлаждаемой поверхности вогнутого металлического зеркала 7 интенсивность отраженного от него излучения резко снижается вследствие двойного рассеяния: первичного рассеяния на микрокаплях падающего на зеркала излучения и вторичного рассеяния прошедшего через конденсат и отраженного от зеркала излучения. Кроме того, имеет место молекулярное поглощение излучения в слое конденсата, более значительное, чем в газе. Уменьшение интенсивности излучения на фотоприемнике, вызванное рассеянием света на каплях конденсата, приводит к возникновению сигнала разбаланса в схеме сравнения, с помощью которого фиксируется температура точки росы. Этим сигналом может контролироваться и давление, при котором обнаруживается возникновение конденсата. Как следует из описания принципа действия заявляемого детектора, электронная схема работы в целом повторяет схему, представленную в устройстве, выбранном за прототип [11] Устройство же чувствительного элемента в предлагаемом детекторе отличается значительной простотой реализации и надежностью в работе. Прежде всего существенно упрощена юстировка вогнутого зеркала относительно источника излучения: перемещая цилиндрическую полость 5 с зеркалом 7 по винтовой резьбе корпуса 1, добиваются максимально отраженного сигнала и фиксируют это положение. Отсутствие смещения друг относительно друга сердцевины и его оболочки исключает необходимость юстировки положений источника и приемника излучения, как это имеет место в прототипе. Жесткая, фиксированная компоновка элементов оптической схемы детектора, его незначительные габаритные размеры: 10х25 мм позволяют размещать его в установках высокого давления. Детектор может применяться в интервале давлений 0,1-20 МПа, в диапазоне температур 253-373 К. Расширение диапазона применения в отличие от прототипа обусловлено тем, что источник и приемник излучения снабжены волоконным световодом и выведены тем самым из зоны воздействия низких температур и высоких давлений. В отличие от прототипа в предлагаемом детекторе исключена фокусировка отраженного от охлаждаемого зеркала излучения, которая не позволяет обнаружить первые капли конденсата, так как их появление незначительно ослабляет интенсивность отраженного предварительно сфокусированного сигнала.

Детектор предлагаемой конструкции был испытан в автоклаве высокого давления при определении параметров конденсации н-пентана. В таблице приводятся результаты измерений и сравнения с литературными данными [12]
Можно видеть, что сравнение данных испытаний с табличными [12] подтверждает надежность и большие функциональные возможности заявляемого детектора. Испытание устройства [11] выбранного прототипом, в аналогичных условиях оказалось невозможным в связи с тем, что детектор прототипа рассчитан на нормальное давление.

При определении параметров конденсации взрывоопасных газов, например смесей углеводородов, находящихся при высоких давлениях, температуру контролируемой среды снижают путем адиабатического расширения газов. Питание микроохладителя в этом случае должно быть отключено. В остальном принцип работы детектора остается прежним.

Источники информации
1. Берлинер М.А. Измерение влажности. М. Энергия, 1973. 233-235 с.

2. Авторское свидетельство СССР N 256500 G 01 N 21/50, 1970.

3. Патент Великобритании N 2043242 G 01 N 25/68, 1980.

4. Танака Х. Теоретическое исследование капельной конденсации. - "Теплопередача". Т. 101, N 1, 1979. 72-79 с.

5. Умур А. Гриффит Р. Механизм капельной конденсации. -"Теплопередача". Т. 101, N 1, 1979. 135-144 с.

6. Берлинер М. А. Состояние и направление развития средств измерения и автоматического контроля регулирования влажности за рубежом. М. ЦНИИТЭнефтехим, 1967. 21-81 с.

7. Зайцев В. А. и др. Влажность воздуха и ее измерение. Л. Гидрометиоиздат, 1974. 38 с.

8. Авторское свидетельство СССР N 115828 кл. 42 e, 416, 19567
9. Патент Франции N 2196977 G 01 N 21/006, 1974.

10. Авторское свидетельство СССР N 359994 G 01 N 25/66, 1974.

11. Авторское свидетельство СССР N 1460685 G 01 N 25/66, 1989 (прототип).

12. Варгафтик Н.В. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М. Гос. изд-во физико-математ. литерат. 1962. 202 с.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения точки росы смеси газов, преимущественно углеводородных. Оно может быть использовано в технологических аппаратах нефтегазоперерабатывающего производства, в системах подготовки газа к транспорту, а также при разработке газоконденсатных и газовых месторождений. Сущность: в устройстве источник и приемник излучения оптически связаны с поверхностью охлаждаемого зеркала при помощи световода, причем источник излучения оптически сопряжен с сердцевиной световода, а приемник излучения - с оболочкой световода, при этом диаметр оболочки не превышает диаметра зеркала. 1 табл., 1 ил.

Детектор точки росы, содержащий охлаждаемую металлическую поверхность в форме вогнутого сферического зеркала, измеритель температуры этой поверхности, микроохладитель, источник и приемник излучения, оптически связанные с поверхностью зеркала, причем источник излучения установлен в фокусе зеркала, отличающийся тем, что источник и приемник излучения связаны с поверхностью зеркала при помощи световода, причем источник излучения оптически сопряжен с сердцевиной световода, а приемник излучения с оболочкой световода, при этом диаметр оболочки не превышает диаметр зеркала.