Особенности используемого датчика первичной информации

Новизна и отличительные особенности датчика первичной информации заключаются в следующем.

1. Для повышения чувствительности датчика к образованию на зеркале конденсата любой физической природы используется оптический эффект полной поляризации света при его преломлении и отражении на границе двух диэлектриков (закон Брюстера). Для этой цели используется диэлектрическое конденсационное зеркало (кремниевая пластина 2х3 мм) и поляризованный источник света (лазерный диод с длиной волны 660 нм). Чувствительность к наличию на зеркале пленки конденсата будет тем выше, чем выше показатель преломления материала зеркала. Поэтому в качестве материала конденсационного зеркала использован кремний, имеющий хорошую теплопроводность (сравнимую с металлами) и высокий показатель преломления (n= 4,2) по отношению к показателям преломления конденсирующихся из газа веществ (n= 1,3…1,5).

2. Разделение конденсирующихся из газа влаги и углеводородов и их идентификация производится по различному перераспределению светового потока при отражении от их поверхности, что связано с различием коэффициентов поверхностного натяжения воды (σ =71…75 мН/м²) и углеводородов (σ =10…21 мН/м²). В результате этого, при отражении от поверхности пленки углеводородов происходит направленное отражение света. При отражении от пленки влаги, конденсирующейся в виде тумана (микрокапель) происходит направленно-диффузное отражение, которое по мере роста капель и их кристаллизации переходит в диффузное отражение. Для фиксации направленного, направленно-диффузного и диффузного отражения света от зеркала в датчике первичной информации используются три фотоприемника, расположенные в соответствии с рис.5. Фотоприемники расположены на одном уровне с источником излучения 1, свет которого линейно поляризован в плоскости падения и падает на зеркало 3 под углом Брюстера (77,6…° для границы «метан- кремний»).

3.

Рис. 5. Схема расположения фотоприемников:

1 – источник излучения (лазерный диод); 2 – конденсационное диэлектрическое зеркало;3 – фотоприемник направленного отражения; 4 – фотоприемник направленно-диффузного отражения; 5 – фотоприемник диффузного отражения.

3. При наличии на зеркале равномерной пленки углеводородов на фотоприемнике направленного отражения света наблюдается интерференционная картина, на основании которой можно контролировать толщину и скорость роста пленки углеводородов при охлаждении зеркала [5].

Поведение информационных сигналов при конденсации углеводородов представлено на рисунке 6. Образование на зеркале неоднородной пленки влаги, конденсирующейся в виде капель, приводит к возникновению направленно-диффузного отражения, которое по мере роста капель или их кристаллизации (замерзания) переходит в диффузное отражение (рис.7) и фиксируется соответствующими фотоприемниками.

Рис.6. - Поведение информационных сигналов фотоприемников в зависимости от текущей температуры зеркала при конденсации углеводородов:

Рис.7. - Поведение информационных сигналов фотоприемников в зависимости от текущей температуры зеркала при конденсации влаги и ее последующей кристаллизации

1 - сигнал фотоприемника направленного отражения;

2 – сигнал фотоприемника направленно-диффузного отражения;

3 - сигнал фотоприемника диффузного отражения;

4 – температура конденсационного зеркала.

Таким образом, наличие трех информационных каналов (т.е. трех приемников фотосигнала) даёт возможность однозначно и с высокой степенью точности идентифицировать конденсацию на зеркале анализатора углеводородов и влаги, а также дополнительно определять момент фазового перехода «вода - лед» (или же «вода – газовый гидрат», в зависимости от состава и давления газовой среды). При этом важно отметить, что температуры точек росы газа по влаге и углеводородам могут определяться независимо от их взаимного (по температуре начала конденсации) расположения.

В качестве подтверждения данного вывода на рис.8 приведен график изменения информационных сигналов анализатора при конденсации углеводородов на зеркало, покрытое пленкой сконденсированной ранее влаги. Из графика следует, что при конденсации на зеркале влаги, определяемой по возрастанию сигнала направленно-диффузного и диффузного отражения, конденсация углеводородов на зеркало, покрытое слоем сконденсированной влаги, приводит к возрастанию сигнала направленного отражения при одновременном снижении величины сигналов диффузного отражения.

Рис.8. - Поведение информационных сигналов фотоприемников в зависимости от текущей температуры зеркала при конденсации углеводородов после влаги

1 - сигнал фотоприемника направленного отражения;

2 – сигнал фотоприемника направленно-диффузного отражения;

3 - сигнал фотоприемника диффузного отражения;

4 – температура конденсационного зеркала.

Таким образом, конденсирующиеся углеводородные фракции заполняют неоднородности поверхности конденсационного зеркала, образовавшиеся в результате конденсации влаги, и увеличивают ее отражающие свойства, что позволяет идентифицировать процесс конденсации углеводородов даже при наличии на зеркале сконденсированной влаги.

Заключение

Рассмотренные особенности лазерного интерференционного метода измерения точек росы по влаге и углеводородам реализованы в новом серийно выпускаемом анализаторе «КОНГ-Прима-10». Основные преимущества разработанного метода измерения по сравнению с имеющимися на сегодняшний день средствами контроля качества природного газа по влаге и углеводородам состоят в следующем.

1. Существенно более высокая чувствительность к оптически прозрачным пленкам углеводородных фракций, конденсирующихся из газовой среды, обусловленная использованием эффекта полной поляризации света при отражении от поверхности диэлектрика (эффекта Брюстера).

2. Повышенная стабильность и достоверность измерений за счет использования трех различных информационных каналов.

3. Возможность определения точек росы по влаге и углеводородам независимо от взаимного расположения температур начала их конденсации из газа, а также принципиальная возможность измерения в одном цикле измерения нескольких точек росы (по влаге, углеводородам, льду, гидратам).

4. Контроль толщины и скорости роста пленки жидких углеводородов на основании наблюдаемой интерференционной картины по одному из каналов измерения.

Вышеуказанные преимущества позволяют сделать вывод о перспективности анализатора КОНГ-Прима-10 как инструмента исследования и контроля технологических процессов промысловой подготовки, транспорта и переработки природного и попутного нефтяного газов.