Особенности способа измерения, реализованные в анализаторе «КОНГ-Прима-10»

Тема 6. Анализатор точек росы интерференционный «КОНГ-Прима-10».

Оптоволоконный метод измерения точек росы по влаге и углеводородам, реализованный и внедренный в анализаторах точек росы «КОНГ-Прима-2», «КОНГ-Прима-4» и «КОНГ-Прима-4П» обеспечивает надежное и стабильное измерение точек росы по влаге в присутствии ранее конденсируемых углеводородов. Однако, он не обеспечивает измерение точки росы по углеводородам, если они конденсируются одновременно или после воды.

Для решения проблемы повышения чувствительности к конденсации углеводородов и обеспечения измерения точек росы по влаге и углеводородам независимо от их взаимного расположения по температуре предложен новый лазерно-интерференционный метод измерения точек росы, реализованный в анализаторе «КОНГ-Прима-10».

По назначению, внешнему виду и габаритным характеристикам анализатор «КОНГ-Прима-10» не отличается от анализатора «КОНГ-Прима-4». Различия состоят в конструкции датчика первичной информации и программном обеспечении, реализующем алгоритм измерения точек росы.

В разработанном в 2005 году анализаторе точек росы «КОНГ-Прима-10» (далее, - анализатор) для повышения точности и надежности измерения точек росы применён новый способ фиксации момента выпадения флюида из газовой среды, запатентованный в России, Западной Европе и США. Данный способ имеет высокую чувствительность именно к тонким прозрачным пленкам, толщина 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 n отражающей среды [2].

На рисунке 1 представлена схема распространения световых волн от источника света S. Линия АВ – плоская граница раздела сред с показателями преломления n₁ (исследуемый газ) и n₂ (диэлектрическое зеркало). Лучи 1, 1’ и 2 соответственно падающий, отраженный и преломленный лучи, а углы между ними и перпендикуляром ab к поверхности раздела сред: α – угол падения, α^’ – угол отражения и β – угол преломления.

Рисунок 1. - Схема распространения световых волн

Соотношения между фазами и амплитудами падающей (φ⁰, А⁰), отраженной (φ^отр, А^отр) и преломленной(φ^пр, А^пр) 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 преломленной волны.

Плоскую волну, вектор Е которой произвольно ориентирован в пространстве, можно разложить на сумму двух волн, у одной из которых Е_р напряженность электрического поля лежит в плоскости падения, а у другой Е_s – перпендикулярно ей.

Для волны Е_s и волны Е_р связь между амплитудами колебаний выражается формулами Френеля [2]:

, ; (1)

, ; (2)

Проведем качественный анализ формул (1, 2) для оптической схемы, используемой в первичном преобразователе анализатора, с учетом закона преломления Снеллиуса:

. (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 (n₂>n₁). Поскольку амплитуды падающей волны А⁰_s и А⁰_p величины всегда положительные, то из формул (1, 2) следует, что амплитуды преломленной волны А^пр_s и А^пр_p также положительны при любых возможных значениях угла падения и угла преломления. Это свидетельствует о совпадении фаз преломленной и падающей волн. Величина А^отр_s при отражении света от границы со средой с большим показателем преломления (α > β) является отрицательной величиной. Это означает, что фаза отраженной волны меняется на π. Зависимость (А^отр_p/ А⁰_p) отугла падения α для случая n2>n1 приведена на рисунке 2.

Из графика, приведенного на рисунке 2 следует, что при некотором угле падения α_б, амплитуда отраженной волны, лежащей в плоскости падения становится равной нулю, а при переходе через угол α_б фаза отраженной волны скачком изменяется на величину π. Угол находится из выражения (1) при условии А^отр_р/ А⁰p =0, т. е., когда tg(α + β) стремится к бесконечности и, следовательно α_б+ β_б= π/2. С учетом закона Снеллиуса (3) в итоге получаем:

. (4)

Формула (4) называется соотношением (законом) Брюстера, а угол α_б - углом Брюстера.

Рисунок 2. - Зависимость (А^отр_p/ А⁰_p) от угла падения α при n₂>n₁

Таким образом, в соответствии с законом Брюстера, естественный свет при отражении от диэлектриков полностью поляризуется, если тангенс угла падения численно равен относительному показателю преломления отражающей пластины (углу Брюстера). При дальнейшем увеличении угла падения доля поляризованного света вновь уменьшается. При падении света под углом Брюстера, луч отраженный и луч преломленный взаимно перпендикулярны, а колебания электрического вектора поляризованного излучения происходят перпендикулярно плоскости падения.

Из приведенного выше анализа следует, что в соответствии с принципом суперпозиции, при освещении диэлектрического зеркала поляризованным в плоскости падения светом (от лазерного источника) и выполнении условия (4), отраженная волна отсутствует, и весь падающий свет полностью преломляется в диэлектрическое зеркало. Таким образом, реализация условия (4) позволяет с высокой степенью точности идентифицировать наличие на зеркале анализатора любой дополнительной пленки, если ее показатель преломления отличен от показателя преломления материала зеркала, т. к. образование на зеркале пленки жидкого (или твердого) флюида нарушает условие Брюстера и приводит к появлению отраженной волны.

При наличии на зеркале пленки флюида прохождение света от источника излучения осуществляется через три физически различных среды:

· газообразную (исследуемый газ);

· жидкую (сконденсировавшийся флюид при охлаждении зеркала);

· твердую, представляющую собой конденсационное зеркало гигрометра.

На рисунке 3 представлена схема распространения световых волн в оптической схеме первичного преобразователя анализатора.

Конденсационное зеркало 3 освещается источником света , свет которого поляризован в плоскости падения (плоскости рисунка) под углом . Величина угла удовлетворяет условию (4). В этом случае свет будет падать на конденсационное зеркало под углом Брюстера. Следовательно, при отсутствии на зеркале сконденсированной пленки, линейно поляризованный свет источника излучения, падающий на границу раздела сред 1 - 3 (газ - зеркало) будет полностью преломляться в среду 3, а отраженная волна будет отсутствовать.

Рисунок 3. - Схема распространения света при наличии на зеркале пленки конденсата:

1 - исследуемый газ, имеющий показатель преломления n₁;

2 - пленка сконденсированного флюида, имеющая показатель преломления n₂ и толщину h;

3 - диэлектрическое зеркало, имеющее показатель преломления n₃;

S – источник излучения; F – приемник излучения

При появлении на зеркале пленки флюида 2, некоторой толщины h и имеющей показатель преломления n₂, отличный от n₃, соотношение Брюстера нарушается: появляется отраженная волна от границы раздела сред 1- 2 (газ – пленка). Кроме того, ввиду оптической прозрачности сконденсированной пленки, происходит разделение падающего пучка света по амплитуде. В результате падающий луч SO частично отражается, а частично преломляется во вторую среду. Луч ОА, в свою очередь, частично отражается от конденсационного зеркала 3, а частично преломляется в пластину зеркала 3. Получающиеся лучи OF и BF интерферируют, а отрезок СВ является фронтом плоской волны.

В итоге, для разности хода лучей получаем [3]:

. (5)

Разность фаз между лучами, приходящими к приемнику F будет описываться следующим выражением:

. (6)

Как видно из выражения (7), разность фаз интерферирующих лучей является функцией толщины пленки h. Следовательно, интенсивность приходящего на фотоприемник света будет периодической функцией от толщины пленки h.

Анализ чувствительности схемы к образованию пленки флюида, проведенный на основании зависимости (6), показывает, что с повышением показателя преломления материала диэлектрического зеркала увеличивается амплитуда отраженного интерференционного сигнала.

Из условия обеспечения максимальной чувствительности, химической стойкости к агрессивным средам и хорошей теплопроводности в качестве материала зеркала выбран кремний, имеющий показатель преломления n =4,24, а коэффициент теплопроводности l =167 Вт/м^.К, сравнимый с металлами, что определяет минимальный градиент температур между измеряемой термодатчиком температурой и действительной температурой поверхности зеркала. Угол Брюстера для границы сред «метан - кремний» составляет 76,73°.

Для определения физической природы конденсирующихся из газа флюидов (влаги и/или углеводородов) могут быть использованы различия в отражающих свойствах образующейся на зеркале пленки. Из-за существенно разных коэффициентов поверхностного натяжения влаги и углеводородов, структуры пленки углеводородов и воды на поверхности зеркала качественно различаются (пленка углеводородов - равномерная и однородная, а пленка водной фазы неоднородная и как бы состоящая из множества микрокапель). В связи с этим разные по физической природе пленки конденсата перераспределяют отраженный световой поток по-разному. В случае конденсации на зеркале углеводородных фракций происходит направленное отражение света от поверхности пленки, а в случае конденсации влаги – диффузное отражение.

В связи с рассмотренной выше физической картиной конденсации для определения момента конденсации, а также идентификации конденсирующихся из газа влаги и углеводородов в первичном преобразователе анализатора используются три приемника света. Приемники света расположены в соответствии с рисунком 4 и фиксируют направленное отражение (фотоприемник напротив световода), диффузное отражение (фотоприемник слева от световода) и комбинированное отражение (фотоприемник справа от направления светового потока).

Рисунок 4. - Внешний вид первичного преобразователя анализатора

а – без защитного кожуха; б – в сборе

Поляризованный лазерный луч через световод под углом Брюстера направляется на кремниевое зеркало, припаянное к термоэлектронной батарее (предназначенной для управления температурой зеркала). При чистом зеркале (т.е. отсутствии на нем пленки жидкости) весь падающий свет оказывается преломленным и отраженная волна отсутствует. При охлаждении зеркала и появлении пленки флюида часть светового потока отражается из-за нарушения условия Брюстера. Образование на зеркале равномерной однородной пленки углеводородов приводит к появлению двух отраженных сигналов, которые могут усиливать или ослаблять друг друга в зависимости от толщины пленки флюида. Эти изменения фиксируются фотоприемником, установленным напротив источника излучения и фиксирующим направленное отражение света.

Дата добавления: 2014-01-07