СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОЧКИ РОСЫ Российский патент 2002 года по МПК G01N25/66 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к измерению влажности газов. Оно может быть также использовано для определения упругости паров других летучих компонент, например паров высших углеводородов в природном газе.

Одним из самых распространенных способов измерения влажности газов является конденсационный. Исследуемый газ пропускают над металлическим зеркалом, которое постепенно охлаждают. Одновременно ведутся наблюдения за состоянием поверхности зеркала и измеряется его температура T. При некоторой температуре Т=T_к поверхность зеркала начинает запотевать: на ней конденсируются микрокапли воды - выпадает роса. Температура T_к, называемая температурой точки росы (T_р, ТТР), однозначно связана с влагосодержанием газа и является мерой влажности [1].

Приборы, основанные на описанном принципе, называются конденсационными гигрометрами. Наблюдение за состоянием поверхности ведется либо глазом, либо в более совершенных приборах - оптическими средствами с фотоэлементом в качестве приемника. При этом регистрируется поток света, отраженный от зеркала, а ТТР измеряется по началу его уменьшения из-за рассеяния пленкой водяного конденсата.

Поскольку чувствительность глаза или фотоэлемента ограничена, то факт выпадения росы наблюдается при температуре всегда несколько ниже Т_р(Т_р<Т_к), что приводит к погрешностям измерения в несколько градусов. Иногда, чтобы скорректировать эту погрешность, предлагается наблюдать момент начала испарения пленки - температуру испарения T_и, а Т_р определяют как среднее из двух температур: T_p=1/2(T_p+T_к) [2]. Однако это соотношение дает более высокую точность лишь в том случае, если наблюдаемые Т_к и T_и отстоят от истинной T_р на одинаковое число градусов, что обычно не выполняется. Таким образом, измерение T_р и в этом случае происходит с ошибкой, величина которой не определена и часто достигает нескольких градусов. Это является недостатком способа.

Решаемой технической задачей является создание способа определения ТТР с более высокой точностью.

За основу берется способ определения температуры точки росы, заключающийся в том, что газ пропускают над охлаждаемой поверхностью металлического зеркала и регистрируют значение температуры точки росы T_p ⁽⁰⁾ ТТР по началу момента конденсации.

Новым в заявленном способе является то, что выбирают по крайней мере три значения температуры - T₁, T₂, Т₃ - из условия Т_р ⁽⁰⁾>Т₁>Т₂>Т₃, после чего очищают поверхность зеркала, устанавливают температуру T₁, выдерживают ее в течение определенного времени t_и и измеряют толщину выпавшей пленки конденсата d₁, или величину изменения другого информативного параметра, пропорционального толщине этой пленки ΔA₁~d₁, и находят таким образом точку М₁, определяемую координатами (T₁, d₁) или (T₁, ΔА₁), далее аналогичным образом при других выбранных значениях температуры Т₂, Т₃ выдерживают зеркало в течение того же времени t_и и измеряют толщины соответственно выпавших пленок d₂ и d₃ или изменения параметров ΔA₂, ΔA₃ и находят точки М₂ и М₃, определяемые координатами (T₂, d₂) и (T₃, d₃) или (T₂, ΔA₂) и (T₃, ΔA₃), после чего с помощью интерполяционного полинома через точки M₁, М₂ и М₃ проводят кривую зависимости толщины пленки d или изменения информативного параметра ΔА от температуры конденсационной поверхности Т, т. е. строят функцию d(T) или ΔA(T), экстраполируют ее до пересечения с осью абсцисс, а значение температуры точки росы Т_р находят как значение температуры, при котором функция d(T_р) или ΔA(T_р) обращается в нуль.

Сделаем пояснение по поводу параметра А.

В большинстве конструкций конденсационных гигрометров факт выпадения конденсата фиксируется путем определения начала изменения какой-либо величины, физически связанной с появлением пленки конденсата на зеркале. В наиболее распространенных гигрометрах с оптической системой регистрации это может быть изменение интенсивности поступающего в фотоприемник света ΔI из-за рассеяния последнего микрокаплями, образующими пленку конденсата; в СВЧ гигрометрах это может быть изменение амплитуды сигнала ΔU, или сдвиг фазы зондирующей пленку монохроматической волны ΔФ, или изменение добротности колебательной системы ΔQ и т.д. Таким образом, вместо толщины пленки d возможна регистрация изменения любого информативного параметра ΔА при условии, что его изменение отражает рост пленки выпадающего на зеркало конденсата, т.е. ΔА~d.

Новая совокупность существенных признаков в заявляемом способе позволяет определить ТТР в природном газе с более высокой точностью, поскольку, во-первых, она вычисляется как некоторая предельная температура, при которой d=0 или ΔА=0, а не определяется измерением по началу физического появления пленки конденсата, что в принципе некорректно, и, во-вторых, при построении кривой с помощью интерполяционного полинома, описывающего толщину пленки конденсата d(T) или изменения информативного параметра ΔA(T), используется не одно, а три или большее число экспериментально регистрируемых точек.

На фиг. 1 представлено устройство, реализующее заявляемый способ. Устройство содержит охлаждаемое металлическое зеркало 1, источник света 2, приемник светового потока 3 и датчик температуры 4. По описанной схеме работают практически все конденсационные гигрометры с оптической системой регистрации: ТТР, Харьков-1М, Dewscope, Конг-Прима 2 и др. [1], [3].

На фиг.2 в координатах ΔI-Т представлен график изменения толщины информативного параметра ΔА, в данном случае - интенсивности светового потока (ΔА≡ΔI), отраженного от зеркала и зарегистрированного фотоприемником 3 в зависимости от температуры конденсационной поверхности T, К.

Способ реализуется следующим образом.

Устанавливают величину светового потока, отраженного от зеркала в приемнике 3, I⁰; устанавливают проток газа над зеркалом 1. Начинают медленно понимать температуру зеркала 1, одновременно наблюдая за величиной потока света, попадающего в приемник 3 и температурой поверхности зеркала, регистрируемой термометром. При выпадении росы из-за рассеяния света на микрокаплях конденсата интенсивность света в приемнике 3 падает I⁰-->I=I⁰-ΔI. Температура, при которой начинает падать интенсивность, принимается за исходную температуру T_p ⁰. Интенсивность I является здесь информационным параметром.

Далее очищают зеркало - механически или с помощью нагревания - и производят три или более замеров величины ослабления интенсивности ΔI в трех или более температурных точках T₁, T₂, и Т₃..., расположенных на несколько градусов ниже Т_p ⁽⁰⁾, например:
1-й замер - в точке T₁=T_p ⁽⁰⁾-2^oС;
2-й замер - в точке T₂=T_p ⁽⁰⁾-4^oС;
3-й замер - в точке T₃=T_p ⁽⁰⁾-6^oС.

При выполнении замеров величины ΔI соблюдаются следующие условия.

Перед каждым замером конденсационная поверхность очищается. Одним из способов очистки может быть нагрев зеркала и выдержка его при температуре 60÷80^oС в течение 5÷10 минут с одновременным продувом над ним газа.

После нагрева устанавливают температуру зеркала равной одному из значений T₁, Т₂ и T₃... и выдерживают его при этой температуре всегда одно и то же время t_и=Const.

Величина t_и лежит обычно в интервале 5÷10 минут.

По найденным значениям ΔI, относящимся к температурам T₁, T₂ и T₃, т.е. по значениям ΔI_i=ΔI_i(T_i), i=1, 2, 3 с помощью аппроксимирующего полинома 2-й степени устанавливают аналитическую зависимость ΔI от температуры: ΔI=ΔI(T).

Определяют точки М₁, М₂ и М₃ с координатами (ΔI₁; T₁), (ΔI₂; T₂) и (ΔI₃; T₃), через которые плавную кривую проводят с помощью интерполяционного полинома до пересечения ее с осью абсцисс. Значение Т_р найдется как точка, лежащая на кривой ΔI(T) с ординатой ΔI=0. Схематически эта процедура показана на фиг. 2. По оси абсцисс отложена температура конденсационной поверхности Т^oС, а по оси ординат - изменение информационного параметра ΔI, пропорциональное толщине пленки конденсата.

Способ был реализован в лабораторных условиях, а также при измерении точки росы по высшим углеводородам и точки росы по воде природного газа на станции подземного хранения газа в пос. Степное (Саратовская обл.). Был использован конденсационный микроволновый гигрометр, в котором информация о состоянии конденсационной поверхности считывается с помощью радиоволн миллиметрового диапазона [4]; информационным параметром при этом является амплитуда сигнала с КВЧ детектора U. Контрольными приборами при этом были - штатный конденсационный гигрометр "Харьков 1" и новейший оптоволоконный гигрометр фирмы "Вымпел" "Конг-Прима 2".

С помощью указанного способа были измерены величины температур точек росы (ТТР) по воде в нескольких режимах работы установки осушки газа, в том числе и в случае, когда контрольные приборы давали широкий разброс измеренных значений ТТР.

Источники информации
1. Халиф А.Л., Туревский Е.Н., Сайкин В.В., Сахаров В.Е., Бахметьев П.И. Приборы для определения влажности природного газа, Москва, ИРЦ Газпром, 1995, 45 с.

2. ГОСТ 20060-83. Газы горючие, природные. Методы определения содержания водяных паров и точки росы влаги. М.: Изд-во стандартов, 1984, 16 с.

3. Москалев И.Н., Битюков B.C., Филоненко А.С., Гаврилин А.К., Федосов В. М., Ефременко И.А. Влагометрия природного газа: состояние и проблемы. М.: ИРЦ Газпром, 1999, 36 с.

4. Москалев И.Н., Кориткин И.П., Москалев М.И., Вышиваный И.Г., Хохрин Л. П. , Орехов Ю.И., Филиппов А.Г. Микроволновая техника для газовой промышленности. Газовая промышленность, 1997, 56, 58 с.

Изобретение относится к измерению влажности газа, в том числе и природного, по методу определения температуры точки росы (ТТР). В способе определения ТТР, основанном на регистрации температуры в момент начала выпадения росы на охлаждаемом зеркале, определяется толщина пленки d конденсата, выпадающего на зеркало за одно и то же время в трех или более температурных точках (Т₁, Т₂, Т₃), отстоящих от ТТР заведомо ниже на несколько градусов. Практически удобнее использовать изменение какого-нибудь другого параметра, пропорционального толщине пленки выпавшего конденсата (например, изменение интенсивности света, отраженного от зеркала ΔI~d после появления конденсата на зеркале). Обрабатывая полученную кривую, определяют температуру, при которой толщина пленки выпавшего конденсата равна нулю; эту температуру принимают за ТТР. Поскольку процесс определения ТТР использует количественные данные, к тому же полученные в области, где эффект конденсации значителен (Т_p>T₁>Т₂>Т₃), и, кроме того, привлекаются три или более точек, то величина ТТР измеряется с существенно большей точностью, чем в классическом способе "по началу запотевания зеркала". Технический результат - повышение точности определения. 2 ил.

Способ определения температуры точки росы в газе, заключающийся в том, что газ пропускают над охлаждаемым металлическим зеркалом и регистрируют его температуру в момент начала выпадения конденсата на поверхности зеркала, отличающийся тем, что предварительно определяют температуру точки росы Т_р ⁽⁰⁾ по началу момента конденсации, затем выбирают, по крайней мере, три значения температуры Т₁, Т₂, Т₃, при условии, что Т_р ⁽⁰⁾>Т₁>Т₂>Т₃, после чего очищают поверхность зеркала, устанавливают температуру T₁, выдерживают ее в течение определенного времени t_u и измеряют толщину выпавшей пленки конденсата d₁ или величину изменения параметра, пропорционального толщине этой пленки ΔА₁, и находят точку М₁ с координатами (Т₁, d₁) или (Т₁, ΔА₁), далее аналогичным образом для других выбранных значений температур Т₂, Т₃ измеряют соответствующие им толщины пленок d₂ и d₃ или изменения параметров ΔА₂, ΔА₃ и находят точки М₂, М₃ с координатами (T₂, d₂), (T₃, d₃) или (T₂, ΔА₂), (T₃, ΔА₃), после чего с помощью интерполяционного полинома через точки М₁, М₂, М₃ проводят кривую зависимости толщины пленки d или изменения информативного параметра ΔА от температуры конденсационной поверхности Т, которая определяет функцию d(T) или ΔА(Т), экстраполируют ее до пересечения с осью абсцисс, а значение температуры точки росы Т_p определяют как такое значение температуры, при котором функция d(T) или ΔА(Т) обращается в нуль.