Сорбционно-емкостной чувствительный элемент влажности газа

Полезная модель относится к устройствам, применяемым в системе магистрального транспорта газа, и может быть применена для определения концентрации влаги в природном газе, находящемся под избыточным давлением до 15 МПа.
Чувствительный элемент предназначен для измерения влагосодержания в природном газе в технологических трубопроводах и установках объектов магистрального транспорта газа. В качестве технологии определения температуры точки росы природного газа выбрана сорбционно-емкостная технология. Сорбционно-емкостной принцип измерения влажности заключается в поглощении чувствительным элементом влаги из измеряемой среды, что приводит к изменению его электрической емкости.
Из исследованного уровня техники известны различные технические решения для определения концентрации влаги в природном газе.
Известен сорбционно-емкостной чувствительный элемент влажности газа, выбранный заявителем в качестве прототипа, представляющий собой конденсатор переменной емкости, состоящий из диэлектрического сорбирующего слоя и электродов, пропускающих влагу, являющийся емкостным сенсором, причем диэлектрический сорбирующий слой выполнен из пористой керамики и заключен между двумя перфорированными электродами, выполненными из коррозионностойкого металла, нанесенными при температурах, близких к температурам плавления металла [патент Российской Федерации № RU 190945, опубл. 16.07.2019, бюл. № 20].
Недостатком прототипа является снижение чувствительности емкостного сенсора при перенасыщении влагой диэлектрического сорбирующего слоя сенсора.
Под перенасыщением влагой сенсора следует понимать снижение чувствительности сенсора к изменению концентрации влаги, содержащейся в анализируемом газе. При прохождении потока газа с высоким содержанием влаги возможно насыщение ей диэлектрического сорбирующего слоя сенсора. При последующем снижении концентрации влаги в газе сенсор может выдавать сигнал о ее повышенном содержании, так как освобождение от влаги, содержащейся в чувствительном элементе может занимать длительное время в зависимости от текущего содержания влаги в анализируемой пробе газа.
Технической проблемой заявленной полезной модели является создание устройства, позволяющего повысить чувствительность сенсора к изменению концентрации влаги, содержащейся в газе.
Технический результат заключается в обеспечении испарения влаги из диэлектрического сорбирующего слоя емкостного сенсора в результате его нагрева.
Технический результат в сорбционно-емкостном чувствительном элементе влажности газа, содержащем конденсатор переменной емкости, состоящий из диэлектрического сорбирующего слоя и электродов, пропускающих влагу, своими контактами соединенный с измерительной платой, причем диэлектрический сорбирующий слой выполнен из пористой керамики и заключен между двумя перфорированными электродами, выполненными из коррозионностойкого металла, нанесенными при температурах, близких к температурам плавления металла, достигается тем, что дополнительно содержит керамический нагревательный элемент, размещенный в полости диэлектрического сорбирующего слоя, причем контакты керамического нагревательного элемента являются выводами для соединения с выходами микропроцессора.
Заявляемое техническое решение поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 представлена структурная схема сорбционно-емкостного чувствительного элемента влажности газа, на фиг. 2 представлена блок-схема соединения микропроцессора с нагревательным элементом.
Сорбционно-емкостной чувствительный элемент влажности газа представляет собой конденсатор переменной емкости, состоящий из диэлектрического сорбирующего слоя 1, выполненного из химически однородного диэлектрика – пористой керамики с равномерным распределением пор, образующих капиллярную структуру, размерами, например, длиной 40 мм, шириной 8 мм, заключенного между двумя перфорированными электродами 2, выполненными из коррозионностойкого металла, например, серебра или платины, стойких к химическим компонентам, содержащихся в природном газе в малых концентрациях. Электроды 2 имеют сетчатую (перфорированную) структуру для обеспечения беспрепятственного проникновения влаги в диэлектрический сорбирующий слой 1 и обратно. В полости 3 диэлектрического сорбирующего слоя 1 размещен нагревательный элемент 4, выполненный из керамики, диаметром, например, 3 мм, с электрической мощностью, например, 10 Вт и напряжением 24 В. Подключение электродов 2 сенсора к измерительной плате 5 производится с помощью контактов 6. Подключение нагревательного элемента 4 с выходами микропроцессора 7, размещенного на измерительной плате 5 производится посредством контактов 8.
Микропроцессор 7 выпускается промышленностью и является покупным узлом [микропроцессор 1886ВЕ61 производства АО «ПКК Миландр», Российская Федерация, г. Зеленоград].
Первый выход 9 и второй выход 10 микропроцессора 7, представленного на фиг. 2, соединены соответственно с контактами 8 нагревательного элемента 4, а третий выход 11 микропроцессора 7 соединен со входом фильтра-преобразователя 12, размещенного на измерительной плате 5 и предназначенным для преобразования цифрового сигнала в аналоговый электрический сигнал. Выход фильтра-преобразователя 12 соединен со входом операционного усилителя 13, размещенного на измерительной плате 5 и предназначенного для вывода значений выходного сигнала тока. Выход операционного усилителя 13 соединен с цифровым дисплеем 14, предназначенным для вывода выходного сигнала тока.  Выходной сигнал тока передается в диспетчерский пункт диспетчеру для проверки выходного сигнала тока (4-20 мА) на соответствие установленным величинам влажности.
Интервал включения нагревательного элемента 4 задается в зависимости от величины влажности в анализируемой пробе газа в ручном режиме путем установки комбинации четырех перемычек, расположенных на измерительной плате 5 (на фиг. 1 не показаны) в требуемом диапазоне, например, от 1 до 18 часов или «Отключено» (положение «Включено»: установка каждой из перемычек соответствует определенному диапазону времени, а именно, первая перемычка – 1 час, вторая перемычка – 2 часа, третья перемычка – 5 часов, четвертая перемычка – 10 часов, положение «Отключено» – нагревательный элемент отключен). Время включения нагревательного элемента 4 задается величиной влажности и составляет от 30 секунд до 3 минут, причем во время работы нагревательного элемента 4 и в течение 5 минут после его отключения измерения влажности газа не производятся, так как необходимо время для насыщения чувствительного элемента влагой, содержащейся в анализируемой пробе газа.
Заявляемое техническое решение представляет собой единую конструкцию.
Рассмотрим заявляемое техническое решение в использовании.
Перед установкой сорбционно-емкостного чувствительного элемента влажности газа на объекты магистрального транспорта газа, проверку его работоспособности выполняют на стенде с эталонной установкой по созданию влажности. Для этого чувствительный элемент устанавливают в измерительную камеру установки, в которую подают воздух с эталонными заданными величинами влажности, равными 10 %, 50 %, 90 %. При изменении количества влаги в измеряемом воздухе, изменяется электрическая емкость чувствительного элемента. Значение величины емкости поступает на вход микропроцессора 7. Полученное значение обрабатывается, после чего сигнал передается в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), являющееся часть микропроцессора 7. В памяти ПЗУ микропроцессора 7 занесена градуировочная характеристика, отражающая зависимость электрической емкости чувствительного элемента от относительной влажности измеряемого газа. По градуировочной характеристике микропроцессор 7 определяет значение влажности газа. Полученный цифровой сигнал, соответствующий значению влажности, передается на вход фильтра-преобразователя 12, где преобразуется в аналоговый электрический сигнал, который далее в виде напряжения поступает на вход операционного усилителя 13, в котором электрический сигнал стабилизируется и преобразуется в стандартный выходной сигнал тока (4-20 мА) и выводится на цифровой дисплей 14. Далее выходной сигнал тока проверяют на соответствие установленным величинам влажности. После каждого измерения выходного сигнала тока включают нагревательный элемент 4 на заданное время для испарения влаги с чувствительного элемента. Время включения нагревательного элемента 4 задается величиной влажности и составляет от 30 секунд до 3 минут.