Генератор влажности «КОНГ».

Для метрологического обеспечения (поверки) влагомеров практически до самого последнего времени в газовой промышленности применялось в основном стационарное оборудование, требующее как постоянного внимания со стороны высококвалифицированного персонала, так и большого количества дорогостоящих расходных материалов (жидкий азот, очищенный воздух, газообразный азот, специальные фильтры, осушители, компрессоры и т.д.). К этому оборудованию относятся наиболее распространённые в газовой промышленности динамические генераторы влажности «Родник-2» и «Родник-3», генератор «Полюс-1», зарубежные генераторы «Ендрюс-Хаузер» и переносной генератор «Панаметрикс» (массой ~50 кг). Кратко остановимся на основных принципах функционирования имеющихся технических средств поверки влагомеров.

1.Принцип двух давлений (динамические генераторы влажности «Родник-2» и «Родник-3»). Сущность метода состоит в насыщении газа влагой при определенном повышенном давлении Р₁ и последующем изотермическим расширении его до атмосферного давления Р₂. Вследствие чего парциальное давление водяного пара уменьшается пропорционально общему давлению газа, а относительная влажность в рабочем объеме определяется соотношением

φ =Р₂/Р₁

Кроме относительной влажности генератор «Родник-2» аттестован по объемной доле влаги и по температуре точки росы в диапазоне от минус 33 ^оС до +54^оС.

Объемная доля влаги определяется по формуле

В=Р_а/Р₁*Вн

Р_а – нормальное атмосферное давление равное 101,3 кПа;

Вн – табличное значение насыщения водяного пара при температуре термостатирования насытителя и давлении 101,3 кПа (определяется по таблицам Вукалович М.П. Ривкин С.П. Александров А.А., Таблицы тепло-физических свойств воды и водяного пара, Издательство Стандартов, М., 1969.).

Температура точки росы по влаге определяется по величине В с помощью тех же таблиц. Таким образом, в погрешность объемной доли влаги, и точки росы входит погрешность используемых справочных данных (таблиц). Для диапазона температуры от 0 до минус 70°С разработан генератор «Родник-3» построенный по тому же принципу. На текущий момент серийно генераторы («Родник-2» и «Родник-3») не выпускаются. Данные генераторы используются в Центрах стандартизации и метрологии в городах – Саратов, Москва, Надым. К недостаткам данного типа генераторов следует отнести сложность и громоздкость конструкции, отсутствие какой-либо автоматизации, длительный выход на режим (до 4-х часов), высокие требования к квалификации обслуживающего персонала, наличие расходных материалов (очищенного воздуха или азота под высоким давлением). Точность воспроизведения единицы влажности составляет 0,01% относительной влажности, что соответствует 0,2°С.

2. Принцип достижения фазового равновесия над жидкой или твердой фазой (генератор «Полюс»). Сущность этого метода состоит в насыщении газа влагой при известной температуре над жидкойили твердой фазой воды или льда.

После насыщения газа в сатураторе (насытителе) увлажненный газ подается в измерительную камеру поверяемого гигрометра. Для повышения точности метода измеряют давление в сатураторе и измерительной камере гигрометра. Если перепад давления между камерой насыщения и гигрометром пренебрежимо мал, то температура сатуратора Т, при которой устанавливается фазовое равновесие между паром и жидкой (твердой) фазой, и является точкой росы Тр (либо инея Ти). Еслиже имеется некоторый перепад давления, то парциальное давление водяного пара в измерительной камере поверяемого гигрометра уменьшается пропорционально общему давлению:

е = Ен* Р₂/Р₁

где е - парциальное давление в измерительной камере гигрометра;

Ен - парциальное давление насыщенного пара при температуре насытителя.

Можно сказать, что метод фазового равновесия является абсолютным методом получения известной точки росы.

На методе фазового равновесия основан образцовый генератор влажного газа «ПОЛЮС-1». Погрешность воспроизводимой генератором «ПОЛЮС-1» температуры точки росы определяется стабильностью, градиентами и точностью измерения температуры насытителя. Крометого, существенное значение приобретает вопрос полноты насыщения (т.е. достижения фазового равновесия), что обеспечивается выбором конструкции сатуратора и режима его работы. Разновидность метода, реализуемую при низкой температуре (отрицательной по Цельсию) часто называют методом вымораживания. При его реализации необходимо предусматривать меры, препятствующие образованию и выносу из насытителя влаги в дисперсной фазе (т.е. «морозного тумана»).

Для обеспечения работы генератора требуется доукомплектовать его побудителем расхода газа (компрессор), средствами подготовки газа (увлажнитель, осушитель и т.п.), средствами измерения сопротивления платинового термометра (потенциометр высокой точности с образцовым резистором) и т.п.

Сложность конструкции, высокое энергопотребление генератора, а также использование жидкого азота в качестве охладителя сильно затрудняют работу с ним. Серийное производство таких генераторов не организовано и общееих количество в стране крайне мало (несколько штук).

3. Принцип смешения потоков (генераторы «Ендрюс-Хаузер» и «Панаметрикс»)

Генераторы основанные на этом методе применяются в ОАО «Газпром» («Тюменьтрансгаз», «Оренбурггазпром», «ВНИИГАЗ») в качестве передвижных.

Сущность метода заключается в смешении двух потоков – сухого и влажного газа. При этом влажный газ насыщается при известной температуре, а сухой газ используется для понижения влажности влажного газа за счёт нормированного смешения потоков. Регулирование влажности осуществляется с помощью изменения расходов сухого и влажного газа. Для расчета генерируемой точки росы используются специальные таблицы .

Положительной стороной этого типа генераторов является то, что их можно, хоть и с трудом, использовать в качестве переносного средства поверки (вес с дополнительным оборудованием, необходимым для работы, около 50 кг). Однако, генераторы «Ендрюс-Хаузер» и «Панаметрикс» имеют достаточно высокую погрешность ±(1…2) ^оС и требуют дополнительного оборудования (компрессор, баллоны с газом, фильтры, осушитель и т.д.), и, как все генераторы этого класса, имеют довольно продолжительное время выхода на режим (примерно 1,5…2 часов).

В табл. 1 приведены основные характеристики стационарных образцовых средств задания влажности газов.

Таблица 1.

Основные характеристики стационарных образцовых средств задания влажности газов.

Принципы работы поверочного комплекса «КОНГ»

Таким образом, анализируя состояние дел со средствами поверки можно сделать вывод, что малое их количество (единичные экземпляры в России) и практически полное отсутствие переносных устройств сильно затрудняет проведение поверки на местах использования гигрометров. В связи с этим для облегчения поверки гигрометров серии КОНГ, научно-технической фирмой «Вымпел» было разработано уникальное, мобильное средство для проведения поверок – «Поверочный комплекс КОНГ», и было налажено его серийное производство. Простота обслуживания, небольшие размеры и вес, удобный интерфейс, полностью автоматизированный способ задания температуры точки росы, отсутствие расходных материалов – позволяют использовать его непосредственно на местах установки средств измерения для проведения оперативной поверки.

В основу работы комплекса положен метод фазового равновесия над жидкой или твердой фазой при установившемся гигротермодинамическом равновесии. Метод фазового равновесия является абсолютным методом получения известной точки росы. Комплекс создан с учетом имеющихся плюсов и минусов данного метода (см. выше). В «Поверочном комплексе КОНГ» насытитель и рабочая камера объединены, что исключает влияние перепада давления. Небольшие размеры рабочей камеры (около 0,2 см³) обеспечивают наступление термодинамического равновесия (время выхода на режим) в кратчайшие сроки (~10 минут). У других генераторов это время колеблется от 2^х до 4^х часов.

Для большинства генераторов необходим принудительный проток газа через рабочую камеру, что связано с определенными трудностями, по обеспечению генераторов дополнительным оборудованием (компрессорами, баллонами с газом, осушителями, специальными фильтрами и т.д.). В поверочном комплексе «КОНГ» применен ряд оригинальных отечественных разработок, которые позволили проводить работы в стационарном режиме без принудительного расхода газа через рабочую камеру. Благодаря этому отсутствуют трудности связанные с динамическим режимом (который, кстати, так же можно использовать при работе с комплексом), а так же нет опасности выброса жидкости (тумана из насытителя), что присуще генераторам серии «Полюс». Основные технические характеристики разработанного комплекса приведены ниже.

Комплекс аттестован органами Госстандарта РФ и внесен в Государственный реестр средств измерений под №17286-98, Сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.31.004.A №5195.

Сравнение «Поверочного комплекса КОНГ» с переносными аналогами

Компактность «Поверочного комплекса КОНГ» позволяет использовать его как в качестве лабораторного (стационарного), так и в качестве переносного генератора точки росы. Низкая погрешность в совокупности с габаритно-массовыми характеристиками а также отсутствие расходных материалов (специально подготовленного воздух или азота, фильтров или компрессогров и т.д.) делает работу с комплексом простой и удобной. В таблице 2 приведены сравнительные технические характеристики поверочного комплекса «КОНГ» с переносным генератором «Панаметрикс».

Конструкция и функционирование «Поверочного комплекса КОНГ»

Поверочный комплекс «КОНГ» представляет собой генератор влагосостояния, основанный на принципе насыщения-вымораживания. Конструктивно комплекс (см. Рис. 1) состоит из термогигростата, согласующего электронного блока, преобразователя температуры точки росы серии «КОНГ-Прима» и управляющего компьютера IBM PC со специальным программным обеспечением. Нехорошее описание в целом! Например. ниже появляется преобразователь конг Прима, но он – «неописанный идентификатор!»

Основным элементом термогигростата является конденсационное зеркало (см. Рис. 7, поз.Е), температура которого регулируется при помощи охлаждающего модуля, построенного на базе трехкаскадного «элемента Плетье». Рисунок 7 далеко ниже и не по тому поводу!

Для того, чтобы конденсационное зеркало стало сатуратором (насытителем), перед установкой преобразователя «КОНГ-Прима» зеркало охлаждается до температуры минус 20˚С* (для конденсации паров воды из окружающего воздуха) и выдерживается в течении 5 минут (для образования устойчивой плёнки воды/льда).

Конструкция ЧЭ преобразователя «КОНГ-Прима» и зеркала комплекса такова, что при монтаже анализатора образуется замкнутый объем, и чувствительный элемент преобразователя «КОНГ-Прима» (см. Рис. 7, поз D) находится в 1,5мм от зеркала (сатуратора) комплекса (см. Рис. 7, поз.Е). Т.о. образуется измерительная ячейка (см. Рис. 7, поз.А), влагосостояние в которой зависит от температуры зеркала (сатуратора) и от фазового состояния жидкости на зеркале комплекса. Следовательно, изменяя температуру зеркала, изменяем точку росы в измерительной ячейке.

Таблица 2.

Технические характеристики генератор MG-101(производство фирмы «Панаметрикс») и поверочного комплекса «КОНГ»

При измерении точки росы преобразователем «КОНГ-Прима» происходит конденсация паров воды на ЧЭ преобразователя. Количество воды, которое используется при проведении измерения, не может исказить пробу в измерительной ячейке комплекса. Это показывают как результаты измерений точки росы по льду, так и простые оценочные расчеты. Наличие на зеркале комплекса жидкости толщиной ~1 мм обеспечивает чувствительный элемент преобразователя «КОНГ-Прима» при измерении необходимым количеством молекул воды, поскольку объемная доля влаги необходимая для проведения измерений составляет 6.75х10^-3 % от всего количества влаги сконденсированной на зеркале (сатураторе) внутри измерительной ячейки (исходные данные на основании которых проводился расчёт: площадь зеркала комплекса 50 мм² , среднее значение толщины плёнки льда на зеркале 1мм, площадь чувствительного элемента 0,25 мм² толщина пленки влаги необходимая для падения фотосигнала на 90%** от максимального уровня – 13.5 мкм). Очевидно, что столь низкое количество влаги необходимое для проведения измерений преобразователем «КОНГ-Прима4» не может, сколь ни будь существенно, повлиять на влагосостояние внутри измерительной ячейки.

Управление процессами задания и поддержания точки росы осуществляется через согласующий электронный блок при помощи компьютера со специализированным программным обеспечением.

Рис. 1. Поверочный комплекс «КОНГ» совместно с преобразователем точки росы серии «КОНГ−Прима»

1 – согласующий электронный блок, 2 – термогигростат, 3 преобразователь точки росы серии "КОНГ-Прима", 4 – управляющий компьютер

Электронный блок термогигростата и компьютер со специальной программой обеспечивают:

¨ стабилизацию заданной температуры точки росы на поверхности конденсационного зеркала;

¨ автоматический режим работы комплекса при калибровке (поверке) с отображением числовых значений контролируемых параметров;

¨ протоколирование работы.

Простота настройки, наглядность представления информации, а также предлагаемый на выбор пользователю ручной или автоматический режим калибровки измерителей серии «КОНГ-Прима» не требует привлечения высококвалифицированного персонала, и делают работу комплекса простой и удобной. Например, работа в автоматическом режиме вообще не требует привлечения обслуживающего персонала. Конструкция образцовой камеры и идеология воспроизведения величины влагосостояния позволяют работать с комплексом при давлении до 10 МПа.

Встроенный источник питания преобразует напряжение переменного тока 220В 50Гц в напряжение постоянного тока 24В, которое используется для питания согласующего электронного блока и поверяемого преобразователя «КОНГ−Прима».

Согласующий электронный блок комплекса, функциональная схема которого приведена ниже на Рис. 2, встроен в корпус поверочного комплекса и выполняет следующие функции:

- измерение сопротивлений терморезисторов корпуса образцовой камеры и конденсационного зеркала;

- измерение выходного токового сигнала 0−24 мА поверяемого преобразователя точки росы;

- питание термоэлектронных батарей (ТЭБ) комплекса стабилизированным током, величина которого задается внешним компьютером;

- передачу измеренных данных на внешний компьютер.

Рис. 2. Функциональная схема согласующего электронного блока

Остановимся более подробно на описании функций согласующего электронного блока.

Управляемый источник тока обеспечивает питание ТЭБ стабилизированным то­ком, величина которого задается внешним компьютером. В его состав входят инте­гральный ЦАП, преобразователь “напряжение - ток”, и усилитель мощности на транзисторах. Внешний компьютер, управляя выходным напряжением ЦАП, может изменять величину тока, питающего ТЭБ, в пределах от минус 600 мА до +2,6 А.

Измерение сопротивлений терморезисторов и токового сигнала 0−24 мА обеспе­чивает АЦП. В его состав входят 12-разрядный 8-ми канальный АЦП и интеграль­ный источник опорного напряжения. Переключение каналов измерений и съем ре­зультатов измерений осуществляется внешним компьютером.

Согласующий усилитель преобразует сопротивление терморезисторов в напря­жение, величина которого не превышает входной диапазон АЦП при изменении температуры от минус 50°С до +50°С. В его состав входят два генератора тока для питания терморезисторов и два усилителя напряжения.

Для управления комплексом разработано специальное программное обеспечение, которое выполняет следующие функции автоматического поддержания заданной точки росы, отображения на панели управления комплексом числовых значений контролируемых параметров, протоколирование работы как при калибровке влагомеров серии "КОНГ-Прима", так и при проведнии каких-либо других, например исследовательских работ. Программа для управления комплексом имеет низкие системные требования, очень удобна при установке и использовании, работает практически под всеми разновидностями операционной системы "Windows". Достаточно запустить программу установки, и она автоматически выполнит все действия, связанные с установкой программного обеспечения на компьютер типа "Notebook", входящий в комплект поставки, или на любой другой компьютер.

После запуска программы на экране управляющего компьютера появится панель управления поверочным комплексом "КОНГ". Внешний вид панели управления поверочным комплексом "КОНГ" приведен ниже, на рис. 3.

Рис. 3. Панель управления «Поверочным комплексом КОНГ»

Программа управления комплексом обеспечивает ручной и автоматический режимы работы как с приборами "КОНГ-Прима", так и при проведении каких-либо исследований с использованием комплекса. На рисунке 3 в окне "Протокол работы" существуют графы, на которых стоит остановиться более подробно. В графе «Время» фиксируется время записи строки протокола, в графе «Т1» указывается темература корпуса комплекса "КОНГ", в графе «Т2» - заданная на данный момент времени точка росы, в графе «Т3» - точка росы, измеренная прибором «КОНГ−Прима». Пока­зания снимаются с токового выхода прибора «КОНГ−Прима».

-

Рис. 4. Вид заполненного окна "Протокол работы"

Автоматический режим работы очень удобен тем, что позволяет запрограммировать комплекс на долгий режим работы, в течении которого программа управления будет автоматически выполнять действия, заданные оператором комплекса, через указанный им же промежуток времени, ведя при этом протокол работы.

При работе в автоматическом режиме у пользователя есть возможность создать файл истории работы комплекса, который сохраняется на жестком диске компьютера и содержит копию данных панели «Протокол работы» в табличном и графическом виде, от начала автоматического режима до его завершения. (см. рис.5.)

Рис. 5. Внешний вид панели файла истории

По графику можно увидеть, что измеренная точка росы отличалась от заданной (красная и синяя линии) в диапазоне +20°С.

Заголовок файла истории по умолчанию состоит из даты и времени запуска автоматического режима, а также номера проверяемого прибора. Пользователю остается только дополнить заголовок своими комментариями в поле, чтобы облегчить впоследствии поиск интересующего файла. При желании можно сформировать отчет для вывода на печать, в котором указаны сведения о приборе и поверочном комплексе, результаты поверки и график погрешности (см. рис. 6).

Рис. 6. Отчет, формируемый программой хранения данных

Из данного отчета видно, что анализатор не прошел поверку, и его погрешность вышла за допустимые пределы.

В автоматическом режиме на панели управления комплексом отображается суммарное время работы в автоматическом режиме и оставшееся время выдержки текущей точки росы. По окончании времени, которое пользователь определил для работы в автоматическом режиме, комплекс сам переходит в ручной режим работы.

Если в течение какого-то времени надобность работы в автоматическом режиме отпала, или требуется вмешательство в работу комплекса, пользователь может остановить автоматический режим и продолжить работу по своему усмотрению.

Программным обеспечение предусмотрена возможность экспорта данных из файла истории в программу обработки электронных таблиц «Microsoft Excel». При экспорте программа автоматически запускает программу "Microsoft Excel", если она установлена на компьютере, и дальнейшая обработка данных производится уже сред­ствами этой программы. На Рис. 6 представлен пример отчета с графиком погрешности.

Для поверки комплекса не нужно иметь каких-то специальных средств. Вполне достаточно термокамеры, образцового термометра, вольтметра и магазина сопротивлений, встречающихся практически на любых производствах.

Дополнительные возможности «Поверочного комплекса КОНГ»

В виду своих функциональных особенностей использование «Поверочного комплекса КОНГ» не исчерпываются проверкой метрологических характеристик преобразователей семейства "КОНГ-Прима". Отсутствие расходных материалов и возможность с легкостью задавать температуру точки росы в широком диапазоне, позволило использовать поверочный комплекс "КОНГ" в научно-исследовательской работе. В исследовательской лаборатории НПФ "Вымпел" был поставлен ряд экспериментов, для проведения которых использовался вышеуказанный комплекс совместно с анализатором точки росы "КОНГ-Прима-4". Эксперименты охватывали ряд проблем, среди которых были затронуты такие важные вопросы как:

§ влияние присутствия солей на температуру точки росы (на зеркало проверочного комплекса наносилась пленка солевого раствора);

§ измерение точки росы по гидратам и отличие ее от точки росы по воде (в камеру поверочного комплекса закачивался природный газ под давлением, в этом случае на зеркале моделируется точка росы по гидратам);

§ Влияние на точку росы присутствия спирта (на зеркало поверочного комплекса наносилась пленка спирта);

§ Измерение температуры точки росы по воде и по углеводородам (камера термогигростата продувалась воздухом с точкой росы –20°С, после чего в нее заносился углеводород, например конденсат, перекрывались входные вентили, и комплексом моделировалась точка росы по углеводородам).

§ Измерение точек росы по льду и по воде и их отличия друг от друга в диапазоне -20 °С…-40°С.

Полученные результаты частично опубликованы (см. [ ]) и будут детально рассмотрены в последующих пубикациях.

Ниже приведена экспериментальная схема исследовательской установки на базе поверочного комплекса "КОНГ" и анализатора точки росы по влаге и углеводородам "КОНГ-Прима-4" (см. Рис. 7.). В данный момент установка успешно используется НПФ "Вымпел" для дальнейшего изучения проблем, так или иначе возникающих при измернии точки росы и контроле качества подготовки газа.

Рис.7. Схема установки для исследования гидратообразования

1. Анализатор точки росы по влаге и углеводородам "КОНГ-Прима-4";

2. Поверочный комплекс "Конг";

3. Баллон с воздухом (газом);

4. Манометр контроля давления в поверочном комплексе "КОНГ";

5. Манометр контроля давления в баллоне 3;

6. Редуктор;

7. Продувочный вентиль;

8. Вентиль подачи воздуха (газа);

9. Заправочный вентиль;

А – измерительная камера, В – вход и выход исследуемого газа, С – фторопластовый колпак и цилиндр, D – чувствительный элемент преобразователя точки росы “КОНГ-Прима”, Е– зеркало поверочного комплекса "Конг".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, научно-производственой фирмой "Вымпел" разработан переносной «Поверочный комплекс КОНГ», который является техническим средством широкого спектра применения. Комплекс имеет определенные достоинства по сравнению с имеющимися аналогами: малые габариты, возможность работы в полевых условиях, простота и удобство в обращении. Следует также отметить, что «Поверочный комплекс КОНГ» не требует каких-либо расходных материалов, т.е. является полностью автономным. В настоящее время комплекс серийно выпускается. Выпушено около 50 штук, основными потребителями являются организации, широко применяющие преобразователи температуры точки росы серии «КОНГ-Прима» (более 10 преобразователей). Генераторы нашли применение не только в нашей стране, но также пользуются спросом в странах Западной Европы. Выше была указана возможность использования комплекса не только в целях поверки средств измерения точек росы газа приборами КОНГ Прима 2 и 4, но и в научно-исследовательских целях. Всё это делает комплекс надежным и удобным инструментом для многих организаций, занимающихся научно – исследовательской работой и так или иначе связанных с проблемами контроля качества газа.