Датчик точки росы Советский патент 1992 года по МПК G01N25/68 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для контроля и измерения влажности природного газа и может быть использовано в газоперерабатывающей промышленности, а также при проведении метрологических исследований.

Известен конденсационный гигрометр, содержащий рабочую камеру, в которой размещены охлаждаемое зеркало, осветитель, светочувствительный элемент, термопара и механический очиститель зеркала.-В результате охлаждения зеркала на его поверхность конденсируются капельки воды, что приводит к изменению величины интенсивности оптического излучения, попадающего на светочувствительный элемент. Для очистки зеркала от пыли и капельно-жидких веществ периодически включают очиститель.

К недостаткам устройства относятся громоздкость конструкции, малая надежность из-за быстрого выхода из строя охлаждаемого зеркала, что также снижает ресурс работы гигрометра.

Известен оптический датчик росы, в котором в качестве конденсационной поверхности используется поверхность световода, соединенного с источником и приемником света, на которой имеются неровности для рассеяния света, полученные путем механической деформации.

Недостатком такого датчика является осаждение на неровностях капельно-жидких и твердых примесей, присутствующих в исследуемом газе, что приводит к потере чувствительности, точности и снижает ресурс работы датчика.

VI 00

00

о ±

Цель изобретения - увеличение чувствительности, точности и ресурса работы датчика.

Указанная цель достигается тем. что в датчике точки росы, содержащем конденсационную поверхность, световоды, соединенные соответственно с источником и приемником света, на конденсационной поверхности установлены пластины с зазором между собой,который превышает капил- ляр ную постоянную, снабженные электродами емкостного электровибратора. Световоды расположены в этих пластинах на расстоянии от конденсационной поверхности, равном заданному порогу чувствительности.

Предлагаемый датчик отличается от прототипа налич ием пьезоэлектрических пластин, установленных на конденсационную поверхность, в которых сформированы световоды Это позволяет изготавливать конденсационную поверхность из металла, что повышает точность измерения амплитуды. Создается возможность регулировки чувствительности датчика путем расположения световодов на определенном расстоянии над конденсационной поверхностью. Кроме того конденсационная поверхность предохраняется от осаждения капельножидких и твердых примесей целью, образованной пластинами, установленными с зазором между собой. Удаление примесей со стенок и дна щели облегчается с помощью возбуждения в пластинах ультразвуковых волн.

Для того, чтобы в зазоре между пластинами не сказывался капиллярный эффект, необходимо соблюдение следующего условия:

d «а ,

где d - расстояние между вертикальными пластинами;

а - капиллярная постоянная,

а-уПГо

qS где а- поверхностное натяжение жидкости;

S - плотность жидкости, q - ускорение свободного падения. Для воды

2.76 -10 Зн/м 9,8 м/с2 103 кг/м3

«3,9 мм

Фиксация момента появления росы осуществляется помощью световодов, расположенных над конденсационной поверхностью, на расстоянии 0-50 мкм от нее.

Капельки влаги, конденсирующиеся на бронзовом хромированном зеркале, отполированном по десятому классу чистоты, в начальный период конденсации (первые 1 - 2с) имеют средний размер 4-5 мкм и покрывают 1/10 площади зеркала.

Числовая аппертура Ак капельки, преломляющей свет, в воздухе равна;

Ак Isln arctg()l.

где V - показатель преломления конденсата, Для воды, у которой )/ 1,33,

Ак - 0,93,

типичная числовая апертура используемых многомодовых световодов

Асв 0,2.

Следовательно, интенсивность света, преломленного капелькой влаги, уменьшится в 21 раз.

21,

где fax - интенсивность света, падающего на капельку конденсата.

1вых интенсивность света, прошедшего через капельку конденсата, т.е. происходит почти полное рассеивание пучка лучей.

Если размер световода в направлении, перпендикулярном конденсационной поверхности, равен 5 мкм, а в направлении вдоль зазора между пластинами 50 мкм, то наличие одной капельки воды с диаметром 5 мкм в зазоре между световодами приведет к относительному уменьшению пропускания до величины

| 1 Зк , 3.14 2.52 мкм2

1К iЈn г- -

See50,5 мкм мкм

0,92 ,

где SK - площадь поперечного сечения ка- пельки,

Sen - площадь поперечного сечения световода.

При ширине зазора между пластинами равном 2 мм, на конденсационной поверхности между двумя световодами в первые 1 - 2 с сконденсируется около N 500 капелек влаги

N 5кп k 2000.50 0.1 мкм мкм а

Sk3.14-2,52мкм2

500.

где Зкп - площадь конденсационной поверхности между световодами;

k - часть площади конденсационной поверхности, покрывающаяся капельками росы в первые 1 - 2 с конденсации. Это приведёт к практически полному погашению оптического сигнала

1(1к)м (0,92).

В предлагаемом датчике точки росы конденсационная поверхность с установ- ленными на ней пластинами, в рабочем положении расположена горизонтально и обращена вниз. Щель, образованная между пластинами, расположена поперек потока исследуемого газа. В этом случае, при соот- ветствующем выборе отношения ширины и высоты щели, капельно-жидкие и твердые примеси под действием сил инерции и тяжести осаждаются в основном на стенках щели, не достигая ее дна Под действием ультразвуковых вибраций, получаемых с помощью электродов, сформированных на пьезоэлектрических пластинах, облегчается удаление осажденных примесей со стенок щели, Незначительное количество микро- примесей, осаждающихся на дне щели, при соответствующем выборе порога чувствительности, не оказывает существен ноТо влияния на работу датчика

Таким образом, применение светово- дов, расположенных вблизи металлической конденсационной поверхности, сформированных в пьезоэлектрических пластинах, снабженных электровибраторами и установленных с за зором между собой позволя- ет эффективно защитить конденсационную поверхность от осаждения капельнб-жид- ких и твердых примесей с сохранением или увеличением чувствительности и точности, свойственным оптическим методам,

На чертеже представлена схема датчика точки росы.

Датчик точки росы состоит из конденсационной поверхности 1, на которо й установлены с зазором между собой пластины 2 из пьезоэлектрического материала, снабженные электродами емкостного электровибратора 3, В пластинах сформированы световоды 4, соединенные соответственно с источником 5 и приемником 6 света.

Датчик точки росы работает следующим образом В процессе охлаждения, на конденсационной поверхности 1, в зазоре между пластинами 2, происходит конденсация капелек влаги, которые рассеивают свет, распространяющийся вдоль конденсационной поверхности между световодами 4. Щель, образованная между пластинами 2, предохраняет конденсационную побёр х- ность 1 от осаждения капельно-жидких и

твердых примесей, присутствующих в потоке исследуемого газа, движущегося поперек щели Для удаления осажденных примесей со стеной и дна щели, в пластинах 2, при помощи, электродов 3, возбуждаются ультразвуковые волны.

П р и м е р. На конденсационную поверхность 1 латунного зеркала толщиной 2,5 мм устанавливались с зааором между собой равном 3 мм две пластин 2 толщиной 3,6 мм, изготовленные из LiNbOa. В пластинах были сформированы ТШМЬОз диффузионные световоды 4, имеющие глубину 4 мкм и ширину 50 мкм и электроды емкостного электровибратора 3, Световоды соединялись при помощи оптических волокон соответственно с полупроводниковым лазерном типа ИЛПН-301 и фотодиодом типа ФД-290.

В процессе лабораторных испытаний состояние конденсационной поверхности контролировалось при по мощи микроскопа МБС-9. При охлаждении конденсационной поверхности 1, сигнал, регистрируемый фотоприемником 6, начинал уменьшаться еще до того, как капельки влаги, конденсирующиеся из воздух а обнаруживались визуально с помощью микроскопа. Это указывает на очен ь высокую чувствительность устройства. Для понижения чувствительности, но повышения при этом защищенности от осаждаемых примесей, световоды отдалялись от конденсационной поверхности на величины от 1 до 50 мкм. Это достигалось путем нанесения пленок соответствующей толщины на внешние поверхности световодов до их установки на конденсационную поверхность.

Промышленные испытания устройства производились в прЪизводственном объединении Кубаньгазлром. На первом этапе испытаний проводились измерения температуры точки росы товарного газа при давлении 35 атм. Точность определения температуры точки росы составила ±0 5 С. Воспроизводимость отдельных измерений ± 0,25°С. Время отдельного измерения составило 3 мин, время восстановления сигнала при нагревании конденсационного зеркала 30 с. В течение двух дней испытаний датчик продемонстрировал устойчивую работу.

На втором этапе испытаний датчик устанавливался на трубопровод отбора газа непосредственно из скважины, при давлении 70 атм. В потоке исследуемого газа присутствовало значительное количество конденсата, влаги и др. примесей. После подачи газй оптический сигнал упал на 30%. однако прибор остался работоспособным. Была

произведена серия измерений температуры точки росы исследуемого газа с точностью ± 1°С, т.е. некоторое загрязнение датчика привело к определенному ухудшению точности.

Таким образом, датчик точки росы продемонстрировал устойчивую работу в условиях газового промысла при разных состояниях природного газа: как очищенного, так и загрязненного.

Формула изобретения Датчик точки росы, содержащий конденсационную поверхность, световоды, со

единенные соответственно с источником и приемником света, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и ресурса работы, на конденсационной поверхности установлены с зазором между собой, снабженные электродами емкостного электровибратора пьезоэлектрические пластины, в которых расположены на расстоянии от конденсационной поверхности, равном заданному порогу чувствительности, световоды, причем зазор между пьезоэлектрическими пластинами больше величины капиллярной постоянной.

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и предназначено для контроля влажности природного газа при наличии в потоке газа капельножидких и твердых примесей. Цель изобретения - увеличение чувствительности, точности и ресурса работы. Использование пьезоэлектрических пластин, установленных на конденсационную поверхность с зазором между собой, снабженных электродами емкостного электровибратора, предохраняет конденсационную поверхность от осаждения капельно-жидких и твердых примесей и способствует ее очищению в случае загрязнения. Применение для регистрации момента появления росы световодов, расположенных в пластинах на расстоянии от конденсационной поверхности, равном заданному порогу чувствительности, позволяет регулировать чувствительность датчика. 1 ил.