Реализация предложенного способа в виде датчика первичной информации

Основной проблемой при изготовлении ПИП было изготовление изогнутого оптического волокна. Исходя из вышеприведённых расчётов по формуле (2), для обеспечения нарушения полного внутреннего отражения, радиус изгиба волокна должен быть менее 0,57 мм. На практике, однако, минимально допустимый радиус изгиба определяется, учитывая механические свойства волокна. Если волокно изогнуто столь сильно, что поверхностные напряжения превысят 0,2 %, то весьма вероятно [51], что в процессе эксплуатации в нем возникнут микротрещины и впоследствии это может привести к механическому разрушению волокна. Чтобы эти напряжения не превысили 0,2 %, радиус изгиба волокна должен быть больше:

, (3)

где Ri- допустимый радиус изгиба оптоволокна;

r2- радиус вторичной оболочки оптоволокна.

Подставив в формулу (3) значение r2=62,5мкм, получим, что Ri должен быть больше 31250 мкм или 31,25 мм. Отсюда очевидно, что приемлемый с механической точки зрения радиус изгиба значительно больше минимально необходимого Rc<0,57 мм. Для решения задачи резкого уменьшения механических напряжений при изгибе кварцевого оптоволокна был разработана оригинальная технология изгиба, удовлетворяющего требованиям нарушения полного внутреннего отражения и позволяющая избежать появления микротрещин. Эта технология основана на разогреве оптического волокна в локальной зоне до температуры размягчения (~1200-1300°С, - примерно на ~200 ^oC ниже температуры). При достижении этой температуры световод изгибают до минимально возможного радиуса. Эта технология позволила получить изгиб, минимальным радиусом до 0,3 мм, что удовлетворяет условию Rc<0,57 мм.

Далее остановимся на обосновании выбора основных элементов ПИП.

Выбор материала оптического волокна - кварца обусловлен требованием повышенной стойкости к воздействию внешней среды (воздух, азот, метан) и состава конденсирующихся компонентов (метанол, гликоль, углеводороды).

Основным критерием выбора термодатчика послужили его габаритные размеры, т.к. для снижения погрешности измерения от градиентов температур он должен быть соизмерим с изгибом оптоволокна. В результате был выбран полупроводниковый термистор (10К3А1, фирмы BetaTHERM), обладающий не только миниатюрными габаритными размерами (Ø 0,5 мм, L=2,2 mm), но и долговременной стабильностью характеристик (смещение температурной характеристики не более 0,5°С в течение 10 лет). Постоянная времени термодатчика 300мс.

Определяющими условиями при выборе охлаждающего элемента были: низкое энергопотребление и высокий кпд. Эту задачу удалось решить благодаря миниатюрным размерам элементов подлежащих охлаждению - изгиба оптоволокна и термистора. В качестве охлаждающего элемента была выбрана трёхкаскадная термоэлектронная батарея (ТЭБ), построенная на элементах Пельтье, обеспечивающая максимальный перепад температур между холодной и горячей гранью не менее 125 ^оС (при минимальном теплопритоке) при потребляемой электрической мощности - не более 12 Вт и размерами холодной грани 3х4 мм.

Объединение основных элементов ПИП (изгиб оптоволокна, термистор и ТЭБ) в единый измерительный узел позволило получить миниатюрное конденсационное зеркало, площадью менее 0,25 мм², что более чем на два порядка меньше чем у других конденсационных приборов. На рассматриваемую конструкцию в совокупности с возможностью измерения точек росы без принудительного потока исследуемого газа над конденсационным зеркалом, был получен патент на изобретение [48]. Внешний вид ПИП и конденсационного зеркала приведён на рисунке 6.

Вышеизложенный новый методологический подход к реализации конденсационного метода измерения точки росы имеет следующие преимущества:

1. Высокие динамические характеристики, позволяющие охлаждать и нагревать конденсационное зеркало с высокой скоростью и минимальным градиентом температур (в силу миниатюрности конденсационного зеркала);

2. Существенное повышение чувствительности определения начала появления плёнки конденсата (чувствительности волоконно-оптического элемента), при этом появляется возможность проводить измерения практически без принудительного расхода газа через измерительную камеру;

3. Существенно снизить габаритно - массовые характеристики гигрометра и его энергопотребление.

Реализация этих преимуществ позволила разработать методику управления процессами охлаждения и нагрева конденсационного зеркала. Это в совокупности с высокой чувствительностью волоконно-оптической схемы регистрации позволило разработать обобщенный алгоритм измерения точки росы по влаге в природном газе с любым компонентным составом и точки росы по углеводородам.