Интерференционная система регистрации момента выпадения флюида и измерения толщины пленки флюида для гигрометров конденсационного типа

ЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

УДК 622.691.4.052:665.632.074.002.5

А.Г. Агальцов

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННАЯ СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ МОМЕНТА ВЫПАДЕНИЯ ФЛЮИДА И ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПЛЕНКИ ФЛЮИДА ДЛЯ ГИГРОМЕТРОВ КОНДЕНСАЦИОННОГО ТИПА

Предложен новый подход к построению информационно-измерительной системы регистрации момента выпадения на зеркале конденсационного гигрометра пленки флюида, использующий явление Брюсте-ра. Реализованная на этом принципе оптическая система регистрации, фактически является лазерным интерферометром, что позволяет измерять толщину выпавшей пленки флюида.

Предложенный принцип реализован в серийно выпускаемом анализаторе точек росы природного газа «КОНГ-Прима-10».

A.G. Agaltsov

FLUID FALL MOMENT OF REGISTRATION AND FALLEN FLUID FILM MEASUREMENT INTERFERENCE SYSTEM FOR CONDENSATION HYGROMETERS

A new approach based on Bruster's phenomenon proposing the registration informative-measuring system of fluid fall moment on the speculum of condensation hygrometer is suggested in this paper. The optical registration system realized thus actually represents a laser interferometer that allows measuring the thickness of the fallen fluid film.

Proposed method is realized in serial manufacture of natural gas dew points analyzer «CONG-Prima-10».

Основную долю приборов, используемых в газовой промышленности для измерения влажности (температуры точки росы), составляют гигрометры конденсационного типа, которые позволяют непосредственно измерять температуры точки росы по влаге и высшим углеводородам при рабочих давлениях измеряемой газовой среды.

Все многообразие конденсационных гигрометров, в первую очередь, различается системами регистрации выпавшей на зеркале пленки конденсата. На рис. 1 представлена традиционная оптическая схема гигрометра.

При отсутствии на зеркале пленки сконденсированного флюида, свет источника, отражаясь от чистой полированной поверхности металлического зеркала, попадает на фото-

приемник. Образование на зеркале пленки флюида при охлаждении зеркала сопровождается снижением сигнала фотоприемника.

Рис. 1. Оптическая схема конденсационного гигрометра

Температура точки росы фиксируется в момент начала выпадения на охлаждаемом зеркале жидкой фазы флюида (из газовой среды).

Недостатком всех существующих оптических систем регистрации являются низкая чувствительность к тонким прозрачным пленкам сконденсировавшегося флюида (в первую очередь тяжелых углеводородов) и возникающие вследствие этого погрешности измерения температуры точки росы.

Ниже рассматривается оптическая схема регистрации на основе лазерного интерферометра, позволяющая не только фиксировать момент выпадения флюида из газовой среды, но и определять толщину образующейся пленки флюида. Предлагаемая схема имеет высокую чувствительность именно к тонким прозрачным пленкам, толщина которых соизмерима с длиной волны источника излучения.

Оптическая схема регистрации, использующая явление Брюстера

Применительно к классической схеме конденсационного гигрометра (рис. 1) световая волна от источника излучения проходит через газообразную среду и попадает на зеркало, представляющее собой металлическую пластину. Попадая на границу раздела двух сред, свет частично отражается от поверхности раздела, а частично преломляется, переходя во вторую среду (металлическое зеркало).

Показатель преломления газов (в том числе и метана) незначительно отличается от единицы, показатель преломления твердых тел значительно превышает единицу. Следовательно, световая волна распространяется из оптически менее плотной среды в оптически более плотную.

Принципиальным отличием предлагаемой схемы регистрации от применяемых в современных конденсационных гигрометрах является использование эффекта Брюстера, основанного на явлении поляризации света при отражении от поверхности диэлектриков.

Для получения указанного эффекта конденсационное зеркало гигрометра должно быть выполнено из диэлектрика, а в качестве источника излучения используется лазерный диод, свет которого линейно поляризован в плоскости падения.

Использование в оптической схеме диэлектрического зеркала позволяет добиться линейной поляризации отраженного света, в случае, если угол падения света равен углу Брю-стера. При отражении света от проводников (металлов) закон Брюстера не выполняется. Величина угла Брюстера определяется из условия:

tga6 = njn ,

где п1, п2 - показатели преломления на границе раздела сред «газ - зеркало».

Таким образом, если в качестве источника света используется когерентный источник излучения (лазерный диод), свет которого линейно поляризован в плоскости падения, и угол падения определяется соотношением (1), отраженная волна отсутствует, и весь падающий свет полностью преломляется в диэлектрик.

Последнее утверждение позволяет с высокой степенью точности идентифицировать наличие на зеркале гигрометра любой дополнительной пленки, если ее коэффициент преломления отличен от коэффициента преломления материала зеркала, так как образование на зеркале пленки жидкого флюида нарушает условие Брюстера и приводит к появлению отраженной волны.

Рассмотрим оптическую схему распространения световых волн при наличии на зеркале пленки сконденсированного из газа флюида.

Образование на зеркале пленки флюида предусматривает прохождение света от источника излучения через три среды:

- газообразную, представляющую собой исследуемый газ;

- жидкую, представляющую собой сконденсировавшийся из газа флюид;

- твердую, представляющую собой непосредственно конденсационное зеркало гигрометра.

На рис. 2 представлена схема распространения световых волн в оптической схеме конденсационного гигрометра.

Предположим, что конденсационное зеркало 3 освещается источником света S, свет которого поляризован в плоскости падения (плоскости рисунка) под углом а.

Величина угла а удовлетворяет следующему условию:

Рис. 2. Схема распространения света при наличии на зеркале пленки конденсата: 1 - исследуемый газ, имеющий показатель преломления п1; 2 - пленка сконденсированного флюида, имеющая показатель преломления п2 и толщину Л; 3 - диэлектрическое зеркало, имеющее показатель преломления п3; 5 - источник излучения; Р- приемник излучения

В этом случае свет будет падать на конденсационное зеркало под углом Брюстера. Следовательно, при отсутствии на зеркале сконденсированной пленки, линейно поляризованный свет источника излучения, падающий на границу раздела сред 1-3 (газ - зеркало) будет полностью преломляться в среду 3, а отраженная волна будет отсутствовать.

Измерение толщины пленки сконденсированного флюида

a = arctg(njn)a .

50

При образовании на зеркале пленки флюида 2, имеющей показатель преломления n2, отличный от n3, явление Брюстера нарушается и появляется отраженная волна от границы раздела сред 1-2 (газ - пленка). Кроме того, ввиду оптической прозрачности сконденсированной пленки, происходит разделение падающего пучка света по амплитуде. В результате падающий луч SO частично отражается, а частично преломляется во вторую среду. Луч ОА, в свою очередь, частично отражается от конденсационного зеркала 3, а частично преломляется в пластину зеркала 3.

Получающиеся лучи OF и BF интерферируют, а отрезок СВ является фронтом плоской волны. Оптическая разность хода лучей, приходящих к приемнику, определяется разностью длин отрезков ОА+АВ и ОС.

Из рассмотрения треугольников ОАВ и ОСВ в соответствии с рис. 2 имеем:

OA = AB = h cosß; OC = 2h tgß-sina .

Для разности хода лучей получаем:

Д = 2h

С учетом закона Снеллиуса получим:

Д = 2h  n2cos ß + V2 = 2h  n1 sin a ctg ß + V/2 .

Разность фаз между лучами, приходящими к приемнику F, будет описываться следующим выражением:

4р 4p

5 = —h  n2cos ß + p = — h  n1 sin a-ctg ß + p .

Как видно из выражения (6), разность фаз интерферирующих лучей является функцией толщины пленки h. Следовательно, и интенсивность приходящего на фотоприемник света также будет периодической функцией от толщины пленки h.

Оценим чувствительность предлагаемой схемы к изменению оптических свойств измеряемой среды. Поскольку данная оптическая схема используется не для непосредственных измерений оптических свойств, а только в качестве индикатора образования на зеркале гигрометра пленки флюида, нет необходимости учитывать показатели преломления с большой точностью. Показатель преломления для газов близок к единице.

В таблице приведены показатели преломления жидкостей, которые могут сконденсироваться на зеркале гигрометра при его использовании в нефтегазовой отрасли [2].

Показатель преломления жидкостей при температуре 20°С

Жидкость п Жидкость п

Бензины 1,38-1,41 Вода 1,333

Гексан 1,37506 Спирт метиловый 1,329

Декан 1,4119 Компрессорное масло 1,47-1,49

Как следует из таблицы, показатель преломления жидкостей лежит в пределах 1,3...1,5.

Для линейной поляризации отраженного света конденсационное зеркало должно быть выполнено из диэлектрика. Причем, чем выше будет показатель преломления диэлектрического зеркала, тем более явной будет реакция оптического тракта на образование на зеркале пленки конденсата. В этом случае свет всегда будет распространяться из оптически менее плотной среды в оптически более плотную среду, что является необходимым условием возникновения явления Брюстера. В качестве материала конденсационного зеркала можно, например, выбрать кремний, обладающий хорошей теплопроводностью и имеющий показатель преломления «=4,24 [2].

Оценка показателей преломления показывает, что величина угла Брюстера для границы «воздух - кремний» составляет 76,73°, а для границы «метан - кремний» 76,723°. Разность составляет 2,5 угловые секунды, что пренебрежимо мало.

В случае конденсации на зеркале пленки флюида образуются две границы раздела сред: «воздух(метан) - флюид» и «флюид - кремний». В результате на конденсационное зеркало свет от источника будет попадать под углом, определяемым законом преломления. Угол падения света составит 44...48° в зависимости от физической природы флюида.

Таким образом, появление на зеркале пленки флюида приводит к существенному изменению угла падения света на конденсационное зеркало и нарушению условия Брюстера.

Заключение

Рассмотренный в данной статье принцип регистрации момента выпадения на зеркале конденсационного гигрометра пленки флюида, использующий явление Брюстера, практически реализован в серийно выпускаемом анализаторе точек росы «КОНГ-Прима-10». Особенности конструкции и основные результаты испытаний анализатора представлены в [2, 3]. Внешний вид анализатора в одном из конструктивных исполнений представлен на рис. 3.

Анализатор обладает высокой чувствительностью, стабильными метрологическими характеристиками и соответствует лучшим мировым аналогам.

О высоком техническом уровне анализатора свидетельствует его признание в Западной Европе. Сейчас находятся в стадии завершения тестовые испытания анализатора в компании SNAM (Италия), начаты испытания в центральной тестовой лаборатории компании EON RUHRGAS (Германия), ведется подготовка к испытаниям в Норвегии, организованным группой GERG.

Рис. 3. Внешний вид анализатора «КОНГ-Прима-10»

ЛИТЕРАТУРА

1. Таблицы физических величин: справочник / под ред. И.К. Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.

2. Лазерный измеритель точек росы газа по водным фазам и тяжелым углеводородам «КОНГ - ПРИМА 10»/ А.М. Деревягин, А.С. Фомин, А.Р. Степанов, С.В. Селезнёв и др. // Наука и техника в газовой промышленности. М.: ИРЦ Газпром. 2005. № 1. С. 70-78.

3. A New Approach for Measuring Water and Heavy Hydrocarbon Dew Points of Natural Gases by using a Three-channel Laser Interferometer / А.М. Деревягин, С.В. Селезнев, А.Р. Степанов и др. // Материалы 23-го Мирового Газового Конгресса на СD. Амстердам, 2006. Доклад № 99. 16 с.

Агальцов Андрей Геннадиевич -

главный специалист ООО «Научно-производственная фирма «Вымпел», г. Саратов

52