ru en

Особенности нового метода измерения, реализованного в анализаторе точек росы газа "КОНГ-ПРИМА-10"

Автор
  • А.М. Деревягин, 000 НПФ «Вымпел»
Основную долю приборов, используемых в неф-тегазовом комплексе для контроля показателей ка-чества товарного газа, составляют гигрометры кон-денсационного типа, которые непосредственно изме-ряют температуры точек росы газа по влаге и выс¬шим углеводородам при рабочих давлениях газовой среды. Конденсационные гигрометры различаются ме¬жду собой системами регистрации выпавшей на зер¬кале пленки конденсата. Недостатком всех сущест¬вующих систем регистрации является довольно низ¬кая чувствительность к тонким прозрачным пленкам сконденсировавшегося флюида (в первую очередь, пленкам тяжелых углеводородов). Как следствие — имеющиеся средства измерения не всегда обеспечи-вают надежное и стабильное измерение точек росы по влаге и углеводородам в среде природных и по¬путных нефтяных газов.
В разработанном в 2005 г. анализаторе точек росы «КОНТ-Прима-10» для повышения точности и надежности измерения точек росы применен новый спо¬соб фиксации момента выпадения флюида из газовой среды. Данный способ имеет высокую чувствитель¬ность именно к тонким прозрачным пленкам, толщи¬на которых соизмерима с длиной волны источника излучения. Рассмотрим его принципиальные отличительные особенности.
В классической схеме конденсационного гигрометра световая волна от источника излучения проходит через газообразную среду и попадает на зеркало, представляющее собой полированную металлическую пластину. Образование на пластине пленки конденсата при ее охлаждении определяется по изменению отражающих свойств поверхности. Отличие новой схемы регистрации, примененной в анализаторе, состоит в использовании явления поляризации света при его отражении и преломлении, что принципиально позволяет повысить чувствительность измерительного тракта системы.
Учитывая, что поляризация света всегда происходит при его отражении и преломлении на границе раздела двух диэлектрических сред, для реализации этого подхода конденсационное зеркало анализатора должно быть выполнено из пластины диэлектрика. Электромагнитная оптическая волна, падая на границу раздела двух сред (диэлектрическое зеркало), частично отражается от поверхности раздела, а частично преломляется, переходя во вторую среду. Степень поляризации зависит от угла падения и показателя преломления и отражающей среды.
На рис. 1 представлена схема распространения световых волн от источника света S.Линия АВ — плоская граница раздела сред с показателями преломления щ (исследуемый газ) и n2 (диэлектрическое зеркало). Лучи 1, Г и 2 — соответственно падающий, отраженный и преломленный, а углы между ними и перпендику¬ляром abк поверхности раздела сред: а — угол па¬дения, а’ - угол отражения, (3 — угол преломления.
схема распространения световых волн
Соотношения между фазами и амплитудами падающей (φ°, А0), отраженной (φ°, АОТР)и преломленной (φпр, Апр) волн можно найти из граничных условий на границе раздела сред: в первой среде на поле падающей волны накладывается поле отраженной волны; во второй среде имеется поле только преломлен¬ной волны.
Плоскую волну, вектор Е которой произвольно ориентирован в пространстве, можно разложить на сумму двух волн, у одной из них Ер напряженность электрического поля лежит в плоскости падения, а у другой Е, — перпендикулярно ей.
Для волн Е, и Ер связь между амплитудами колебаний выражается формулами Френеля:
формулами Френеля
Проведем качественный анализ формул (1), (2) для оптической схемы, используемой в первичном преобразователе анализатора, с учетом закона преломления Снеллиуса:
sinα/sinβ = n2/n1=n21 (3)
Показатель преломления газов (в том числе и метана) близок к единице, показатель преломления твердых тел (диэлектриков) значительно превышает единицу. Следовательно, световая волна распространяется из оптически менее плотной среды в оптически более плотную (n1>n2). Поскольку амплитуды падающей волны А° и А°p — величины всегда положительные, то из формул (1), (2) следует, что амплитуды преломленной волны Апрs и Апрр также положительныпри любых возможных значениях углов падения и преломления. Это свидетельствует
о совпадении фаз преломленной и падающей волн. Амплитуда Аотрs при отражении света от границы со средой
с большим показателем преломления (α>β) является отрицательной величиной. Это означает, что фаза отлаженнойволны меняется на