Устройство для определения влажности газовой смеси

Полезная модель предназначена для определения влагосодержания перекачиваемого газа, мониторинга состояния трубопровода с целью предотвращения гидратообразования и может быть использована в нефтегазовой промышленности. Устройство, содержит лазер с регулируемой длиной волны излучения, оптически сопряженный с оптоакустической ячейкой с исследуемой смесью, подсоединенной к блоку впуска/выпуска газовой смеси, преобразователи давления акустической волны и статического давления в оптоакустической ячейке, первый и второй усилители, синхронный детектор, мультиплексор. Газовую среду подвергают лазерному облучению на фиксированных длинах волн, регистрируют амплитуду акустического сигнала, вызванного поглощением излучения, на длинах волн, соответствующих наличию воды в газовой фазе, в жидкой фазе и не зависящих от фазового состояния. Выбирают длины волн излучения, не совпадающие с областями поглощения углеводородов, и по амплитуде акустического сигнала, соответствующего указанным областям, судят о присутствии воды в жидкой либо газообразной фазе или двух фазах одновременно и определяют ее концентрации в указанных фазах исходя из значений амплитуды акустических сигналов, полученных при калибровке на «сухом» и «влажном» газах. Устройство обеспечивает получение раздельной информации о концентрации воды в жидкой и газообразной фазах в составе газовой смеси. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в нефтегазовой промышленности для определения влагосодержания перекачиваемого газа, мониторинга состояния трубопровода с целью предотвращения гидратообразований.

Известен цифровой инфракрасный измеритель влажности, содержащий источник излучения, составной светофильтр, закрепленный на оси синхронного электродвигателя, подключенного к усилителю мощности, фотопреобразователь, усилитель фототока, к выходу которого подключен двухвходовой коммутатор, один из входов которого подключен через инвертирующий усилитель, интегратор, соединенный входом с коммутатором, а выходом с компаратором, подключенным к одному из входов триггера, усилитель мощности, управляющий вход коммутатора и другой вход триггера соединены с делителем частоты, подключенным к генератору тактовой частоты, выход триггера соединен с управляющим входом ключа, соединяющим генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов (RU 2117936, G01N 21/81, 1998).

Принцип действия известного устройства основан на сравнительном измерении отражательной способности контролируемого вещества на двух длинах волн инфракрасного диапазона, из которых первая длина волны соответствует интенсивному поглощению воды, а вторая длина волны

соответствует слабому поглощению воды. В этом устройстве излучение, отраженное от поверхности контролируемого объекта проходит через составной светофильтр, который вращается при помощи синхронного двигателя. Вращающийся составной светофильтр поочередно пропускает излучение на длинах волн, соответствующих интенсивному поглощению воды и слабому поглощению воды. Прошедшее излучение фокусируется на светочувствительной поверхности фотопреобразователя, получаемые сигналы проходят через схему обработки информации, на выходе которой формируется пакет счетных импульсов, количество которых пропорционально влажности

Основным недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет различать агрегатные состояния вещества, концентрация которых измеряется.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является цифровой инфракрасный измеритель влажности, содерж составной светофильтр, неподвижно зафиксированный между симметричным световодом и двумя фотопреобразователями, соединенными с двумя усилителями фототока, два коммутатора, управляемые делителем частоты, интегратор, подключенный входом к коммутатору, а выходом - к двум компараторам, выходы которых подключены к установочным входам триггера, выход триггера соединен с управляющим входом коммутатора, соединяющим генератор тактовых импульсов со счетчиком импульсов (RU 2102730, G01N 21/81, 1996).

Принцип действия этого устройства основан на сравнительном измерении отражательной способности контролируемого вещества на двух длинах волн инфракрасного диапазона, из которых первая длина волны соответствует интенсивному поглощению воды, а вторая длина волны соответствует слабому поглощению воды. В этом устройстве излучение, отраженное от поверхности контролируемого объекта проходит через составной светофильтр и фокусируется на светочувствительных поверхностях фотопреобразователей, далее полученные сигналы проходят

через схему обработки информации, на выходе которой формируется пакет счетных импульсов, количество которых пропорционально влажности

Основным недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет различать агрегатные состояния вещества, концентрация которых измеряется.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение получения раздельной информации о концентрации воды в жидкой и газообразной фазах в составе газовой смеси.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для определения влажности газовой смеси, содержит лазер с регулируемой длиной волны излучения, оптически сопряженный с оптоакустической ячейкой с исследуемой смесью, подсоединенной к блоку впуска/выпуска газовой смеси, преобразователи давления акустической волны и статического давления в оптоакустической ячейке, первый и второй усилители, синхронный детектор, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорный контроллер, при этом, выходы преобразователей давления акустической волны и статического давления в оптоакустической ячейке подключены к входам первого и второго усилителей, выходы которых подсоединены, соответственно, первого - через синхронный детектор, второго - непосредственно к входам мультиплексора, выход которого подключен к входу микропроцессорного контроллера, управляющие выходы которого подключены входам лазера, блока впуска/выпуска газовой смеси, синхронного детектора и мультиплексора.

Целесообразно длину волны излучения лазера выбирать в следующих диапазонах: 3000-3200 см, 3350-3600 см, 3650-3700 см.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:

на фиг.1 изображена блок-схема устройства для определения влажности газовой смеси;

на фиг.2 и фиг.3 показаны спектры поглощения, соответственно, воды в газообразной и жидкой фазах и метана, этана, пропана, бутана и воды в

жидкой фазе;

на фиг.4 приведен алгоритм работы микропроцессорного контроллера.

Устройство содержит блок впуска/выпуска газовой смеси 1, оптоакустическую ячейку 2, преобразователь статического давления 3, преобразователь динамического давления 4, два усилителя электрического сигнала 5 и 6, синхронный детектор 7, мультиплексор 8, аналого-цифровой преобразователь 9, микропроцессорный контроллер 10, лазер 11 с перестраиваемой длиной волны излучения. Преобразователь динамического давления 4 соединен с усилителем электрического сигнала 6, выход которого соединен с синхронным детектором 7, который соединен с мультиплексором 8, а преобразователь статического давления 3 соединен с усилителем электрического сигнала 5, выход которого соединен с мультиплексором 8. Выход мультиплексора 8 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 9, который соединен с микропроцессорным контроллером 10. Микропроцессорный контроллер 10 соединен управляющими выходами с синхронным детектором 7, мультиплексором 8, лазером 11 и блоком впуска/выпуска газовой смеси 1.

Сущность предлагаемого устройства для определения концентрации воды в газовой смеси заключается в том, что газовую среду подвергают лазерному облучению на фиксированных длинах волн, регистрируют амплитуду акустического сигнала, вызванного поглощением излучения, на длинах волн, соответствующих наличию воды в газовой фазе, в жидкой фазе и не зависящих от фазового состояния. Выбирают длины волн излучения, не совпадающие с областями поглощения углеводородов, и по амплитуде акустического сигнала, соответствующего указанным областям, судят о присутствии воды в жидкой либо газообразной фазе или двух фазах одновременно и определяют ее концентрации в указанных фазах исходя из значений амплитуды акустических сигналов, полученных при калибровке на «сухом» и «влажном» газах.

Анализируемую газовую смесь закачивают при помощи блока 1 (по

сигналу от микропроцессорного контроллера 10) в оптоакустическую ячейку 2 до определенного давления (при достижении в оптоакустической ячейке 2 определенного давления, которое регистрируются с помощью преобразователя статического давления 3, по сигналу от микропроцессорного контроллера 10 прекращается закачка газовой смеси). Газовую смесь в оптоакустической ячейке подвергают облучению лазера 11. Микропроцессорный контроллер 10 периодически перестраивает лазер 11 на излучение с длиной волны из следующих диапазонов. Для определения концентрации воды в жидкой фазе используют излучение с длиной волны, лежащей в диапазоне (3000-3200) см^-1; для определения концентрации воды в газовой фазе используют излучение с длиной волны лежащей в диапазоне (3650-3700) см^-1 ; для определения концентрации воды (не зависимо от того, находится ли она в жидкой фазе или в газовой фазе) в газовой смеси используют излучение с длиной волны, лежащей в диапазоне (3350-3600) см ^-1. Указанные диапазоны длин волн определены в результате анализа спектров воды в жидком и газообразном состояниях (фиг.2) и соответствуют максимумам поглощения воды в указанных состояниях. При поглощении анализируемой газовой смесью лазерного излучения с длиной волны, лежащей в соответствующем диапазоне, средой генерируется (за счет оптоакустического эффекта) акустическая волна. Колебания давления акустической волны регистрируются с помощью преобразователя динамического давления 4. Сигналы с выхода преобразователя динамического давления, усиливаются усилителем 6, детектируются синхронным детектором 7, амплитуда детектированного сигнала (пройдя через мультиплексор 8) преобразуется в код аналого-цифровым преобразователем 9 и передается в микропроцессорный контроллер 10. Микропроцессорный контроллер усредняет полученные значения амплитуды за несколько циклов измерений и вычисляет долю Х воды по формуле:

,где:

Ax - усредненное значение амплитуды акустического сигнала, полученного за несколько циклов измерения;

Ac - усредненное значение амплитуды акустического сигнала, полученное при калибровке устройства на «сухой» газовой смеси;

Хс - доля воды в «сухой» газовой смеси;

Ав - усредненное значение амплитуды акустического сигнала, полученного при калибровке устройства на «влажной» газовой смеси;

Хв - доля воды во «влажной» газовой смеси.

Калибровочные смеси должны быть аналогичного состава, что и анализируемая газовая смесь (за исключением доли воды в этих смесях). Калибровку и измерение необходимо проводить при одинаковом давлении в оптоакустической ячейке.

По окончании цикла измерения ячейку продувают (при помощи блока впуска/выпуска газовой смеси) самим анализируемым газом, после чего процесс измерения начинается заново.

Вместо лазера с перестраиваемой длиной волны излучения можно использовать блок лазерных излучателей (3 лазера).

В конкретном случае применения устройства, например, при определении концентрации жидкой воды в газовой смеси, содержащей метан, этан, пропан и бутан (основные компоненты природного газа) выбранный диапазон (для анализа жидкой воды) (3000-3200) см^-1 сужается до диапазона (3150-3200) см^-1 (фиг.2, фиг.3).

Для определения концентрации воды в газообразном состоянии в смеси того же состава диапазон (3650-3700) см ^-1 остается справедливым (фиг.2, фиг.3).

Для определения концентрации воды (не зависимо от того, находится ли она в жидкой фазе или газовой фазе) в газовой смеси того же состава выбранный диапазон (3350-3600) см^-1 остается справедливым (фиг.2, фиг.3).

Алгоритм работы микропроцессорного контроллера приведен на фиг.4 и содержит следующие основные операторы:

1 - пуск;

2 - подпрограмма инициализации ресурсов системы;

3 - подача команды блоку впуска/выпуска газовой смеси на запуск газовой смеси;

4 - подача команды мультиплексору подключить к АЦП выход преобразователя статического давления;

5 - чтение из АЦП значения давления в оптоакустической ячейке (сигнала преобразователя статического давления);

6 - проверка достижения значения сигнала давления в оптоакустической ячейке требуемому значению (заданному при конфигурировании);

7 - подача команды на прекращение запуска газовой смеси;

8 - подача команды мультиплексору подключить к АЦП выход синхронного детектора;

9 - подача команды на перестройку длины волны излучения лазера на длину волны излучения из диапазона (3000-3200) см ^-1;

10 - подача команды на открытие синхронного детектора;

11 - подача команды на излучение лазерного импульса;

12 - чтение из АЦП значения сигнала преобразователя динамического давления (значение амплитуды акустического сигнала), прошедшего через синхронный детектор;

13 - подача команды на закрытие синхронного детектора;

14 - проверка достижения требуемого (сконфигурированного) количества циклов измерения амплитуды акустического сигнала;

15 - вычисление концентрации воды в жидкой фазе по формуле (1);

16 - подача команды на перестройку длины волны излучения лазера на длину волны излучения из диапазона (3650-3700) см^-1;

17 - подача команды на открытие синхронного детектора;

18 - подача команды на излучение лазерного импульса;

19 - чтение из АЦП значения сигнала преобразователя динамического давления (значение амплитуды акустического сигнала), прошедшего через синхронный детектор;

20 - подача команды на закрытие синхронного детектора;

21 - проверка достижения требуемого (сконфигурированного) количества циклов измерения амплитуды акустического сигнала;

22 - вычисление концентрации воды в газовой фазе по формуле (1);

23 - подача команды на перестройку длины волны излучения лазера на длину волны излучения из диапазона (3350-3600) см ^-1;

24 - подача команды на открытие синхронного детектора;

25 - подача команды на излучение лазерного импульса;

26 - чтение из АЦП значения сигнала преобразователя динамического давления (значение амплитуды акустического сигнала), прошедшего через синхронный детектор;

27 - подача команды на закрытие синхронного детектора;

28 - проверка достижения требуемого (сконфигурированного) количества циклов измерения амплитуды акустического сигнала;

29 - вычисление концентрации воды (не зависимо от того, находится ли она в жидкой фазе или в газовой фазе) по формуле (1);

30 - подача команды блоку впуска/выпуска газовой смеси на продувку оптоакустической ячейки газовой смесью;

31 - вывод на индикацию вычисленных концентраций.

32 - конец.

1. Устройство для определения влажности газовой смеси, содержащее лазер с регулируемой длиной волны излучения, оптически сопряженный с оптоакустической ячейкой с исследуемой смесью, подсоединенной к блоку впуска/выпуска газовой смеси, преобразователи давления акустической волны и статического давления в оптоакустической ячейке, первый и второй усилители, синхронный детектор, мультиплексор, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессорный контроллер, при этом выходы преобразователей давления акустической волны и статического давления в оптоакустической ячейке подключены к входам первого и второго усилителей, выходы которых подсоединены, соответственно, первого - через синхронный детектор, второго - непосредственно к входам мультиплексора, выход которого подключен к входу микропроцессорного контроллера, управляющие выходы которого подключены к входам лазера, блока впуска/выпуска газовой смеси, синхронного детектора и мультиплексора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длину волны излучения лазера выбирают в следующих диапазонах: 3000-3200 см, 3350-3600 см, 3650-3700 см.