Способ определения локального объемного влагосодержания газожидкостных потоков

 

СдасОБ ОПРЕДЕЖНИЯ ЛОКАЛЬНОГО ОБЪЕМНОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ГАЗОЖВДКОСТНЫХ ПОТОКОВ, заключающийся в том, что исследуемьй поток облучают несеяективным источником света, регистрируют сигналы ослабления на двух длинах волн - аналитической, поглощаемой яощкнм комповентом потока, и эталонной, на которой этот компонент прозрачен, и по отношению этих сигналов определяют объемное влагосодержание , отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерений, предварительно измеряют коэффициент корреляции К между сигналами ослабления на двух длинах волн, находят диапазоны длин волн, для которых К 0,9 - 1,0, а жидкость при формировании газожидкостного потока вводят маркирукнций раствор , имеющий электронный или ионный спектр поглощения в найденных диапазонах , измеряют коэффициент корре/тяции в одном из этих диапазонов и при оп-§ ределении объемного влагосодержания за эталонную и аналнтнческу прини- Ц| мают длины волн указанного диапазо- f на, сигналы ослабления на котарых имеют значение коэффициента корреля- В ции К 0,05 - 0,1.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) т(51) G 0 1 N 2 1 8

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТБУ

) ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНЯТИЙ (21 ) 36364 00/24-25 (22) 15. 06. 83. (46) 07.05.85. Бюл. № 17 (72) А.Л. Душкин и А.И. Коломенцев (7t) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (53) 543.4(088.8) (56),1. Авторское свидетельство СССР № 305402, кл. С 01 И 22/00, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР № 258723, кл. (01 И 21/25, 1969. (54)(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНОГО ОБЪЕМНОГО ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ПОТОКОВ, .заключающийся в том, что исследуемый поток облучают неселективным источником света, регистрируют сигналы ослабления на двух длинах волн — аналитической, поглощаемой жидким компонентом потока, н эталонной, на которой этот компонент прозрачен,. и по отношению Этих сигналов определяют обьемное влагосодержание, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, предварительно измеряют коэффициент корреляции К между сигналамн ослабления на двух длинах волн, находят диапазоны длин волн, для которых K 0,9 - 1,0, в жидкость при формировании газожидкостного потока вводят маркирующий раствор, имеющий . электронный нли ионный спектр поглощения в найденных диапазонах, измеряют коэффициент коррепяции в одном из этих диапазонов и при оп-Я ределении объемного влагосодержания за эталонную и аналитическую принимают длины волн укаэанного диапазона, сигналы ослабления на которых имеют значение коэффициента корреля- Я ции К = 0 05 — О,1.

2 154

Изобретение относится к области исследования и физико-химического анализа газожидкостных сред. с помощью оптических методов и может найти применение в химической и нефтеперерабатывающей промышленности, авиационной технике.

Известен способ определения объемного влагосодержания многокомпонентных сред, по которому среду облуча- 1О ют электромагнитными волнами и по их поглощению определяют величину влагосодержания P J.

Недостатком способа является низкая точность измерения, обусловленная влиянием эффекта рассеяния волн на границе раздела компонент среды. Эффект рассеяния увеличивает1, ся в газожидкостных и дисперсных средах, Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения локального влагосодержания газожидкостных потоков, заключающийся в том, что исследуемый поток облучают неселективным источником света, регистрируют сигналы ослабления на двух длинах волн— аналитической, поглощаемой жидким компонентом потока, и эталонной, на которой этот компонент прозрачен, ЗО и по отношению этих сигналов определяют объемное влагосодержание. Эталонную длину волны выбирают таким образом, чтобы влияние эффекта рассеяния .на двух длинах волн было оди- Зэ наково, например Ддн= 1,93-0,045 мкм и 3 2.= 1,83 +- 0,05 мкм Г23.

Этот способ обладает низкой точностью определения локального объемного влагосодержания нестационарных 4О газожидкостных потоков, так как эффект рассеяния на заранее выбранных длинах воли будет различным в зависимости от изменения форм поверхности раздела фаз, т,е, структуры потока.

Низкая точность измерений при работе на длинах волн 1,93 0,045 мкм и

1,83 0,05 мкм определяется следующим.. При выборе в качестве аналитической длины волны 1,975 мкм, а эта- эО лонной - 1,780 мкм когда существенно влияние эффекта поглощения на аналитической длине волны, влияние эффекта рассеяния на этих длинах волн неодинаково для характерных размеров оптической неоднородности среды д = (3 - 5)Л., так как сравнительно велика разность между ра598 2 бочнми длинами волн (0,295 мкм).

С другой стороны, если рабочие длины волн составляют 1,885 мкм и 1,880 мкм, то разность оптических плотностей среды на этих длинах волн становится незначительной, что вызывает рост погрешности измерений.

Следует отметить, что использование длин волн, лежащих в инфракрасной области спектра (il >- 2 мкм) снижает П cl параметр дифракции Р = по сравнению с длинами волн, лежащими

iL в видимой области спектра. Это обстоятельство приводит к различному влиянию эффекта рассеяния.

Целью изобретения является повышение точности измерений. Эта цель достигается тем, что согласно способу определения локального объемного влагосодержания газожидкостных потоков, заключающемуся в том, что исследуемый поток облучают неселективным источником света., регистрируют сигналы ослабления на двух длинах волн — аналитической, поглощаемой жидким компонентом потока, и эталонной, на которой этот компонент прозрачен, и по отношению этих сигналов определяют объемное влагосодержание, предварительно измеряют коэффициент корреляции К между сигналами ослабления на двух длинах волн, находят диапазоны длин волн, для которых

К = 0,9 — 1,0, в жидкость при формировании газожидкостного потока вводят маркирующий раствор, имеющий элекгронный или ионный спектр поглощения в найденных диапазонах, измеряют коэффициент корреляции в одном из этих диапазонов н прн определении объемного влагосодержания за эталонную и аналитическую принимают дЛнны волн из указанного диапазона, сигналы ослабления на которых имеют значение коэффициента корреляции

К=005-0,1.

Под коэффициентом корреляции двух сигналов ослабления I и I< поднимает,ц г. ся отношение ковариации сигналов ог.лабления к произведению их средних квадратичных отклонений

Величина i является переменной вследствие изменения формы поверхности раздела фаз в газожидкостном потоке. Для длин волн, на которых рассеяние не зависит от длины волны, 1154598 коэффициент корреляции имеет значение,, равное единице. При вводе маркирующего раствора за счет поглощения, которое пропорционально объему раст-, stupa на просвечиваемай длине, поглощение на аналитической длине волны будет- отличаться как по амплитуде, так и по частоте от сигналов ослабления за счет рассеяния ча других длинах волн. Так как форма поверх- 1п ности жидкой фазы не коррелируется с ее объемом, то сигналы в полосе поглощения и вне ее становятся некоррелированными„ а.их ковариация равна нулю ° 15

Таким образом, признаком того, что при измерении аналитическая волна оказывается в полосе поглощения раствора, а эталонная вне ее, служит коэффициент корреляции,- стремящийся к нулю. В действительности эти сигналы оказываются слабокоррелированными, так как на сигнал поглощения наложится сигнал от рассеяния.

Выбор ненулевого нижнего значения р коэффициента корреляции К = 0,1 — 0,05 определяется, с одной стороны, наложением сигналов ослабления за счет рассеяния и поглощения, с другой стороны, нижнее ограничение дик- ЗО туется невозможностью полностью избавиться от паразитных помех в электронных приборах, которые оказываются слабокоррелированными, По той же причине помех и наводок s электронной аппаратуре коррелирован35 ные сигналы только за счет рассеяния имеют значение К 0,9 — 1,0.

На чертеже представлена схема конкретного устройства для реализации способа. устройства для определения локального объемного влагосодержания состоит иэ.емкасти 1 с маркирующим растворам 1, расходомера 2, дроссель-4 нага крана 3, измерительного участка 4 с исследуемым газожидкостным потоком, неселектнвного источника 5 света, линзы 6, формирующей плоскопараллельнЫ пучок света, щелевой 50 диафрагмы Z снабженной механизмом 8 для регулирования размеров щели, прОзрачных плоских стекол 9, вмонтированных в стенку измерительного участка 4 по ходу светового пучка, .:спектографа 10, фотоприемников 11, электрически подсоединенных через согласующие усилители 12 к вольтф метрам 13, аналогового коррелятора 14, решающего блока 15 и цифропечатающего устройства 16.

Способ осуществляется следующим образом.

С помощью неселективнога источника 5 света и оптической линзы 6, формирующей плоскопараллельный пучок света, исследуемый газожидкостный поток аблучают электромагнитным излучением. Размерами щелевой диафрагмы 7 фиксируют облучаемый объем среды. На спектографе 10 световое излучение разлагается в спектр и с помощью фотоприемников 11 (показана только два фотоприемника), усилителей 12 и вольтметров 13 регистрируются сигналы ослабления интенсивности света на различных длинах

A I< (Л}о ХЛр где (ТЛ.)ае ТЛ. соответственно интенсивности света на длине волны до и после прохождения газожидкостной среды. С помощью коррелятора 14 измеряют коэффициент корреляции К между сигналами ослабления пар длин волн в области излучения источника 5 света и определяют диапазон длин волн с К =

= 0,9 — 1,0. Затем в жидкую фазу газожидкостной среды из емкости 1 вводят маркирующий раствор, имеющий электронный или ионный спектр поглощения в найденном диапазоне длин волн, что позволяет увеличить оптическую пло-.íîñòü среды на аналитической длине волны. !Например,, для

1,5Х-наго водного раствора марганцовокислого > калия, применяемого в качестве маркирующего раствора, он = — 0 48 мкм. Дроссельным краном 3 устанавливают определенный расход маркирующего раствора, величина которого измеряется расхадомером 2 и поступает в решающий блок 15 для вычисления концентрации маркирующего раствора в.жидкой фазе. Вторично измеряют коэффициент корреляции между сигналами ослабления интенсивности света в диапазоне длин волк jl = (0,5 — 1,5)AaA и находят две длины волны с К 0,05О, 10. Длину волны с максимальным значением сигнала ослабления в указанном диапазоне принимают за аналитическую, а с минимальным — за эталонную. Максимальное значение сигнала ослабления соответствует < I kaí>0,5 (I

x{ Ip>z ) . Сигналы ослабления света на аналитической и эталонной длинах

5 115459 волн поступают в решающий блок 15, где по разности оптических плотностей среды на двух длинах волн дн и

3L вычисляется объемная концентрация влаги в потоке. Результаты измерений поступают на цифрапечатающее устройство 16.

Для определения объемного влагосодержания необходимо знать объемную концентрацию маркирующего раствора 1О в жидкой фазе. При вводе маркнрующего раствора непосредственно в газожидкостный поток, например с помощью пористых вставок, для измерения объемной концентрации раствора, например оптическим компенсационным методом, из измерительного участка с исследуемьич газожидкостным потоком отбирают пробу раствора. Однако предпочтительнее вводить маркирующее ве- зО щество в магистраль подвода жидкой фазы. В этом случае концентрация раствора определяется из балансового .соотношения расходов жидкой фазы и маркирующего вещества. 25

В качестве маркирующего раствора выбирается вещество, имеющее узкую паласу поглощения в растворе жидкой фазы патока и большое значение коэффициента экстинкции. Таким требованиям отвечают растворы солей металлов, имеющие электронный или ионный спектр наглощения, Главная полоса поглощения раствора должна находиться в видимой области спектра, чта позволит при реализации предлагаемого спо33 саба использовать простые оптические приборы, обладающие высокой разрешающей способностью, например, при исследовании газоводяиых потоков можно использовать водные растворы марганцовокислого калия, имеющего максимальное поглощение на длине волны

0,48 мкм, или медного купороса, имеющега максимальное поглощение на

4$ длине волны 0,83 мкм.

Длина волны, на которой маркирующий раствор имеет максимальное поглощение, является аналитической.

Зталонную длину волны выбирают таким образам, чтобы разность между аналитической и. эталонной длинами волн была минимальной, а сигналы ослабления на этих длинах волн имели минимальный коэффициент корреляции. Как правило, слабокоррелированными сигналами являются сигналы, имеющие коэффициент корреляции менее 0,1.

Так как выбранный маркирующий раствор имеет в спектре очень узкую полосу поглощения, то разность между аналитической и эталонной длинами волн не превосходит 0,005 мкм н. определяется разрешаемой способностью используемых оптических приборов.

Это позволяет существенно повысить точность измерений и расширить функциональные возможности способа, так как в этом случае рассеяние на аналитической и эталонной длинах волн будет одинаково независимо от структуры газожидкостных нотоков. Как показали проведенные исследования газожидкостных потоков, использование предлагаемого способа позволяет повысить точность определения локального объемного влагосодержания более чем в три раэа— с 10 до ЗХ.

Для реализации предлагаемого способа использовалась следующая, аппаратура: источник света — ленточная лампа накаливания СИ8 — 200 у, щелевые диафрагмы типа УФ-12, фотоприемники на базе фотодиода ФД-10к с операционным предусилителем, собранным на микросхемах КТЧТ40Х, вольт» метр средних квадратичных значений

55Д35 Disa аналоговый коррелятор типа 55Д70 Disa. Измеренные уровни сигналов ослабления и коэффициентов корреляции К составили по амплитуде (О 1 — 1,0) В при значении К 0,91 (до ввода маркирующего раствора) и К 0,08. (при вводе маркирующего раствора). При этом поФрешяастьиэмерения не превысила 2,5Х, что в

3 раза выше точности измерения традиционным радиаизотопным методом.

Составитель В. Калечиц

Техред Л.Коцюбняк

Редактор С. Патрушева

Корректор С. Шекмар

Подаисное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная 4

Заказ 2706/38 Тираж 897

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делаи изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5