NO176375B - Apparat for deteksjon av kondenserbare komponenter i en gass-ström - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et apparat for deteksjon av kondenserbare komponenter i en gass-strøm eller endringer av kondenseringsegenskapene i en gass.

Det er allment tilgjengelig en rekke innretninger for. bestemmelse av vannets duggpunkt i gass-strømmer, spesielt strømming av fuktig luft og som er basert på prinsippet med detektering av nærværet av kondens så som, eksempelvis dugg på en avkjølt overflate, for eksempel et speil, ved hjelp av lysrefleksjonsteknikk. Imidlertid har det vist seg at virkningen av disse apparater ikke alltid har vært pålitelig eller nøyaktig. Fuktig luft er hovedsakelig en tokomponentblanding som består av en enkel kondenserbar komponent i et ikke kondenserbart medium, i alle fall kan denne forenkling gjelde for de fleste praktiske anvendelser. Duggpunktet er således enkelt definerbart. Gass-strømmer slik som de man finner innenfor gassindu-strien på land og offshore, og i industrianlegg og andre anlegg for gass-prosessering, omfatter imidlertid ofte komplekse blandinger hvor kondensasjonsegenskapene så som eksempelvis duggpunktet, ikke kan defineres så enkelt. En slik blanding kan betraktes som en rekke kondenserbare fraksjoner og duggpunktet defineres ved den temperatur, ved et fast trykk (eller omvendt), hvor en målbar duggdannelse kan detekteres. Ytterligere senkning av temperaturen vil øke den dannede duggmengde, etterhvert som tyngre fraksjoner kondenseres. Det er fastslått at nærværet av et visst kvantum tyngre fraksjoner i små, men likevel analyt-isk signifikante mengder, har en vidtgående innflytelse på duggpunktet av en slik blanding. Det vites ikke tilgjengelig noe pålitelig automatisk duggpunktmeter eller en monitor som kan gi en presis og følsom respons på dannelsen av den første kondensering av betydning for slike tyngre komponenter, og hvor således duggpunktet kan fastlegges.

For å kunne oppnå en nøyaktig indikasjon av kondenseringsegenskapene, slik som for eksempel duggpunktet, er det nødvendig å oppfylle forhåndsgitte krav til temperatur og trykk, og det vil måtte være nødvendig å fremskaffe en gassprøve til detektoren for undersøkelse

under kontrollerbare betingelser.

Den mest vellykkete av de gjengse innretninger for kompleks blanding av gasser, er den som bygger på visuell observasjon av kondensering, så som eksempelvis dugg på en avkjølt flate på et plant speil. Følsomheten er imidlertid dårlig, og observasjonen og tolkningen på visuell vis av duggformasjonen er gjenstand for subjektiv oppfatning og vil være avhengig av operatørens legning eller eventuell feilav-lesning.

Tidligere arbeider som anvendte dette prinsipp, men innenfor elektronisk detektering av endringen i lysets reflek-sjonsevne, har vist at det således oppnådde signal var beheftet med støy og transienter, og at signalet således var upålitelig. Kondensert vanndamp i form av dugg er relativt lett å detektere fordi duggen opptrer som separate vanndråper, mens komplekse gassblandinger gjerne kondenserer med dråper med langt mindre kontaktvinkel, hvorved dråpene lett flyter sammen og danner en overflatefilm som opprettholder en lite spredt lysrefleksjon.

Det er således et formål med foreliggende oppfinnelse å skaffe til veie et apparat som kan fastslå kondensering i gasskomponenter og som gir pålitelige og reproduserbare resul-tater.

Foreliggende oppfinnelse lanserer således et apparat for deteksjon av kondenserbare komponenter i en gass-strøm, omfattende en målecelle med en sonde i et prøvekammer under trykk, hjelpemidler for avkjøling av sonden, et element for lystransmisjon mot sondens overflate, og et element for å fange opp reflektert lys fra sondeoverflaten. Apparatet kjennetegnes ved at sondeoverf laten har en sentral, relativt grunn fordypning med en slik form at det lys som faller inn på fordypningen fra lystransmisjonselementet og som speilreflekteres, vil danne en lysstråle BL som faller utenfor det lysoppsamlende element, at sondeoverf latens fordypning videre har en slik overf latestruktur at det innfallende lys blir reflektert diffust, slik at det lysoppsamlende element vil motta spredt lys i form av en spredestråle AL i fravær av kondens i fordypningen, mens tilstedeværelse av kondens vil gjøre overflaten i fordypningen mer speilref lekterende og følgelig redusere lysspredningen mot elementet, og at det er anordnet en måler for registrering av intensiteten av det lys som oppfanges av dette lysoppsamlende element, slik at tilstedeværelsen av kondens av gass-strømmens kondenserbare komponenter kan utledes. I en fordelaktig utførelse av oppfinnelsen er fordypningen sirkulær. I nok en fordelaktig utførelse har den sirkulære fordypning et V-formet tverrsnitt.

Oppfinnelsen bygger på deteksjon på kondensdannelsen fra en gass-strøm når denne berører en avkjølt og belyst sondeoverf late, ved at en mindre del av det lys som reflekteres fra overflaten faller inn på en detektor når kondens forefinnes på sondeoverflaten.

Fra DE-A 3 243 320 er kjent en måte å måle endringer i ref leks jonsforholdene på for å registrere duggdannelse, idet dette oppnås ved hjelp av et konkavt hulspeil, særlig i et apparat for å registrere kondenserbare komponenter i en gass. Apparatet har en målecelle med en sonde, midler for å kjøle ned sonden, midler for å overføre lys til sondeoverf laten i et kammer, midler for å motta reflektert lys fra den nedkjølte sondeoverf late, og midler for å bestemme tilstedeværelsen av kondens ved reduksjon i lysintensiteten av det reflekterte lys. Sondeoverflaten har i sentrum en fordypning som er relativt grunn. Videre er det fra US-A 3 623 356 kjent et duggpunkt-hygrometer som måler duggpunktet ved endring av spredt reflektert lys. Endelig kjennes fra US-A 3 812 596 et apparat for prosess-overvåking hvor en viktig parameter er damptrykket. Apparatet bygger på refleksjon fra en hul overflate som holdes ved en gitt temperatur i området for begynnende kondensering av en damp, og styreparameteren er endringen i lysrefleksjon.

Oppfinnelsen slik den arter seg av det som er omtalt ovenfor skiller seg altså fra den kjente teknikk slik denne fremgår av disse patentskrifter. Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives i detalj ved hjelp av et eksempel og med henvisning til de ledsagende illustrasjoner, hvor figur 1 viser et apparat ifølge oppfinnelsen for deteksjon av kondenserbare komponenter i en gass-strøm, figur 2 viser prinsippet for endring av refleksjonen fra diffust spredt til mer speilende lysrefleksjon når kondens dannes på apparatets sondeoverf late, og figur 3 viser

en detalj fra figur 1 og 2.

Som vist på figur 1, opptas en gassprøve fra en gassledning (for enkelhets skyld ikke vist) ved et punkt A og føres som en gass-strøm gjennom et prøvekammer 1 i en målecelle la, ved kontrollert trykk og gjennomstrømming.

Målecellen la er utstyrt med en sonde 2.

Kjølegass (f.eks. C02 fra en lagringstank 4, eventuelt en annen egnet gass så som naturgass 5 antydet tilført langs den stiplete linje) ekspanderes under kontrollerte forhold for avkjøling av sondeoverf laten 3 som er lett oppruet. Kjølegassen slås periodevis på eller av ved hjelp av en luftbetjent ventil 6. Det skal bemerkes at gjennomstrømmingen av gassprøven og kjølegassen slett ikke er kritisk. Etter passering av målecellen føres gassprøven videre ved B til et eller annet sted etter ønske. Den anvendte kjølegass føres ut av et utløp C på sonden 2 og prosesseres deretter på ønsket vis.

I en alternativ utførelse kan prøvegass-strømmen avbrytes på en eller annen passende måte med det formål å holde tilbake et gassvolum i prøvekammeret.

Figur 2 viser den øverste del av sonden 2. Elementer 7a, 7 for lysoppsamling hhv. lystransmisjon er innrettet slik at de begge har sitt fokuseringsområde ved sondeoverf laten 3, og området er synlig gjennom et vindu 7b (for oversiktens skyld ikke vist på figur 2, men vist på figur 1). Sondeoverf laten 3 er i utgangspunktet slik anordnet at det reflekterte lys ikke reflekteres plant, men danner en lysstråle som hovedsakelig faller utenfor det lysoppsamlende element 7a. Overflatestrukturen av sondeoverf laten 3 er imidlertid slik at det innfallende lys fra lystransmisjonselementet 7 også blir diffust reflektert, hvorved en del av det reflekterte lys likevel blir oppfanget av elementet 7a (idet dette diffust reflekterte lys er indikert som en spredestråle AL på figur 2). Den lysstråle BL som ville ha vært enerådende hvis sondeoverflaten ikke hadde vært diffust lysreflekterende er på figur 2 angitt med heltrukne piler i form av en lyskjegle som følge av at sondeoverf laten 3 i det viste eksempel har en sentral og sirkulær, konisk fordypning 3a, mens spredestrålen AL er indikert med bølgelinjer. Det som er nevnt ovenfor og som figur 2 viser gjelder situasjoner når det ikke er avsatt kondens på sondeoverflaten 3 (og heller ikke i fordypningen 3a). Den vinkel som fordypningens sideflater danner med et horisontalt plan er ikke særlig kritisk, så lenge hoved-betingelsene for refleksjonen oppfylles. For å gjøre fordypningens 3a overflatestruktur diffust lysreflekterende opprues den etter en første maskinbearbeiding og polering, f .eks. ved hjelp av mekaniske, kjemiske eller andre virkemidler.

I en foretrukket utførelse som benytter dette prinsipp, vist på figur 2 og 3, er lyselementene 7 og 7a anordnet med sin karakteristiske halve vinkel (den vinkel som hhv. innfallende og detektert lys danner med et vertikalplan) på 10-15°. Vinkelene velges i forhold til en V-formet sirkulær fordypning med liten vinkel (det vil si meget stump V-form). I foretrukne utførelses-eksempler er vinkelen (i forhold til et horisontalplan) for fordypningens sideflater 4-8°, og mer spesielt foretrekkes 6,5°. Den nominelle ytre diameter av fordypningen er 6 mm som tilsvarer en nominell sentral dybde på 0,34 mm. Med hensiktsmessig geometri for sondeoverf laten, fiberoptiske elementer for lystransmisjon og -oppsamling samt gunstige optiske og mekaniske egenskaper for betraktningsvinduet oppnås en kompakt kbmponentsammenstilling som egner seg for oppfinnelsen. Tilførselen av kjølemedium til sondeoverf laten 3 er på figur 3 antydet ved 8.

Fra målecellen la kan målesignaler føres ut av apparatet til f .eks. f jernbehandling, dette er imidlertid ikke vist for å gjøre tegningene enklere.

Som allerede nevnt endres ref leks jonsforholdene for det innfallende lys på sondeoverf latens fordypning 3a når kondens (f.eks. dugg) avsettes på fordypningens overflate som følge av nedkjøling av sonden 2 og dennes sondespiss 9, og ved at refleksjonen som følge av duggdannelsen ikke lenger blir så diffus, men i stedet blir mer speilende, vil lysintensiteten av det diffust spredte retur lys som faller inn på det lysoppsamlende element 7a reduseres. Reduksjonen vil være et mål på kondens-forekomsten og registreres i den hensikt f.eks. å fastslå en kondensparameter så som duggpunktet.

F. eks. benyttes en målecelle beregnet for et arbeidstrykk på 200 bar i en praktisk utførelse ifølge oppfinnelsen, og da er den nominelle prøvegjennomstrømming < 0,02 m<3> (st)/h ved kjøling av C02 med < 0,51/°C, 0,2 °C/s og med en periodetid > 2 min. Det er klart at måleutrustningens arbeidstrykk kun bestemmes av mekaniske forhold og på ingen måte vil begrense anvendelsen av oppfinnelsens prinsipp ved høyere (eller lavere) trykk.

Sonden 2 og dennes sondespiss 9 kan være utført av hvilket som helst passende materiale og kan forbindes mekanisk på forskjellig vis. Sonden kan likeledes innrettes for forskjellige egnete mekaniske forbindelser med målecellen 1 (for enkelhets skyld ikke vist). Henvisningstallet 10 på figur 2 og 3 indikerer hvor et termometer kan være plassert for kontinuerlig måling av sondeoverf latens temperatur slik at den temperatur hvor kondenseringen begynner, kan bestemmes. I en foretrukket utførelse i samsvar med oppfinnelsen, måles overflatetemperaturen ved forskjellige verdier for endringen av signalet.

Man skal videre være klar over at en fordelaktig utførelse av oppfinnelsen kan anvendes for å måle duggpunktet for en gjennomstrømming av hydrokarbon-gass. Nok en foretrukket utførelse kan brukes for duggpunktmålinger for fuktig luft.

Det er likeledes klart at apparatet ifølge oppfinnelsen kan benyttes til kondensmengdemålinger.

F. eks. vil kalibrering av apparatet ifølge oppfinnelsen kunne skje ved hjelp av svake binærgassblandinger hvis metningskurver kan fastlegges nøyaktig. Slike blandinger vil holdes i likevekt ved avkjøling under sin kondenser ings-temperatur, ved at det hele tiden vil eksistere en viss mengde av en kondenserbar gasskomponent i form av damp inne i gass-strømmen. Denne mengde kan fastlegges på forhånd og ut fra den fastlagte verdi kan den kondenserte mengde utledes og refereres til den optiske signalendring som observeres.

En slik kalibrering kan utføres ved å benytte forskjellige kombinasjoner av trykk og gass, og fremgangsmåten vil kunne gi en presis kalibrering av systemets følsomhet.

Claims (9)

1. Apparat for deteksjon av kondenserbare komponenter

i en gass-strøm, omfattende en målecelle (la) med en sonde (2) i et prøvekammer (1) under trykk, hjelpemidler (4, 5, 6) for avkjøling av sonden (2), et element (7) for lystransmisjon mot sondens overflate (3), og et element (7a) for å fange opp reflektert lys fra sondeoverf laten (3), KARAKTERISERT VED at sondeoverf laten (3) har en sentral, relativt grunn fordypning (3a) med en slik form at det lys som faller inn på fordypningen (3a) fra lystransmisjonselementet (7) og som speilreflekteres, vil danne en lysstråle BL som faller utenfor det lysoppsamlende element (7a), at fordypningen (3a) videre har en slik overflatestruktur at det innfallende lys blir reflektert diffust, slik at det lysoppsamlende element (7a) vil motta spredt lys i form av en spredestråle AL i fravær av kondens i fordypningen (3a), mens tilstedeværelse av kondens vil gjøre overflaten i fordypningen (3a) mer speilreflekterende og følgelig redusere lysspredningen mot elementet (7a), og at det er anordnet en måler for registrering av intensiteten av det lys som oppfanges av dette lysoppsamlende element (7a), slik at tilstedeværelsen av kondens av gass-strømmens kondenserbare komponenter kan utledes.

2. Apparat ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at fordypningen (3a) er sirkulær.

3. Apparat ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at fordypningen (3a) har et V-formet tverrsnitt.

4. Apparat ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at det V-formede tverrsnitts sider danner en vinkel på mellom 4 og 8° med horisontalen.

5. Apparat ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at tverr-snittets sider danner en vinkel på 6,5° med horisontalen.

6. Apparat ifølge krav 3, KARAKTERISERT VED at den V-formede fordypning har en sentral dybde på 0,34 mm og en største-diameter på 6 mm.

7. Apparat ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den halve vinkel mellom lyselementenes (7, 7a) optiske akse er mellom 10 og 15°.

8. Apparat ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at den halve vinkel er 12,5°.

9. Apparat ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at fordypningens (3a) overflate er gjort diffust lysref lekterende ved oppruing.