RU203916U1 - Устройство для анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах сжиженного природного газа в атмосферу - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для дистанционного анализа жидких криогенных осадков и содержания паров в взрывоопасных выбросах сжиженного природного газа (СПГ) в атмосферу, и может быть использована для измерения содержания паров и количества криогенных осадков капель, брызг и фрагментов струй в системах экологического контроля топливно-энергетических объектов на удаленных расстояниях при аварийных выбросах взрывоопасного СПГ в атмосферу. Техническим результатом является улучшение технических характеристик устройства для анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах СПГ в атмосферу путем повышения точности дистанционного измерения интенсивных осадков СПГ за счет уменьшения частичной ошибки измерения количества и интенсивности осадков СПГ. Для его достижения предложено устройство для анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах сжиженного природного газа в атмосферу, включающее накопитель интенсивных осадков с теплоизоляцией, на дне которого горизонтально расположен первый электрический конденсатор, состоящий из нижнего листового электрода и сетчатого плоского электрода, подключенный к электронному блоку конденсатора для измерения его электрической емкости при накоплении интенсивных осадков с передачей оцифрованных данных к удаленному компьютеру по витой паре, оптический инфракрасный газоанализатор, установленный на верхнем торце накопителя интенсивных осадков с теплоизоляцией и подключенный к электронному блоку газоанализатора для его питания и передачи данных, при этом в накопителе интенсивных осадков с теплоизоляцией над первым электрическим конденсатором параллельно сверху установлен второй электрический конденсатор, состоящий из сетчатого плоского электрода первого электрического конденсатора и дополнительного сетчатого плоского электрода, причем первый и второй электрические конденсаторы подключены к электронному блоку конденсаторов для одновременного измерения их электрической емкости при накоплении интенсивных осадков с передачей оцифрованных данных к удаленному компьютеру по витой паре. 2 ил.

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для дистанционного анализа жидких криогенных осадков и содержания паров в взрывоопасных выбросах сжиженного природного газа (СПГ) в атмосферу, и может быть использована для измерения содержания паров и количества криогенных осадков капель, брызг и фрагментов струй в системах экологического контроля топливно-энергетических объектов на удаленных расстояниях при аварийных выбросах взрывоопасного СПГ в атмосферу.

Уровень техники

Известны устройства для определения интенсивности осадков, реализующие сбор их в специальные емкости и определение объема или массы выпавших осадков в единицу времени (Стернзат М.С.Метеорологические приборы и наблюдения, Л.Д. Гидрометеоиздат, 1968. С. 166-172; И.В.Литвинов, Осадки в атмосфере и на поверхности земли, Гидрометеоиздат, Москва. 1980. 208 С). Однако, данные устройства не позволяют дистанционно получать данные об интенсивных осадках и содержании паров в взрывоопасных выбросах СПГ в атмосферу.

Известно устройство для определения интенсивности осадков, представляющее оптико-акустико-электронный прибор, в котором происходит преобразование количества капель осадков в число электрических импульсов за счет прерывания каплями луча лазера, а также звукового сигнала с помощью мембраны и микрофона в электрический сигнал (Патент США №3882381). Его недостатком является возможность помутнения оптики от интенсивных осадков, а также не возможность одновременно и дистанционно детектировать жидкие, криогенные осадки и определять содержание паров примесных паров углеводородов в атмосфере.

Известны радиолокационные устройства для дистанционного анализа осадков капель из облаков в атмосфере, включающее радиолокационную станцию (РЛС) зондирования атмосферы на расстоянии до 80-100 км, подключенную к блоку автоматической обработки данных, и осадкомер для ее калибровки (А.М.Боровиков, В.В.Костарев, И.П.Мазин и др., Радиолокационные измерения осадков, Ленинград, Гидрометеорологическое издательство, 1967. 139 С; И.В.Литвинов, Осадки в атмосфере и на поверхности земли, Гидрометеоиздат, Москва. 1980. 208 С). Используя полученные данные, находят коэффициенты корреляционных функций с учетом типа облачности и типа осадков, которые затем используются для анализа осадков на контролируемой РЛС территории. Их недостатком является наличие "мертвой" зоны РЛС в радиусе до 15-30 км из-за помех от местных предметов и рельефа местности, сложности регистрации осадков менее 1 мм, а также невозможность одновременного анализа осадков капель и паров в выбросах СПГ в атмосфере.

Известен индикатор атмосферных осадков, содержащий измерительный конденсатор, выполненный в виде секционной обмотки с распределенной емкостью, образованной двумя изолированными проводниками, блоки обработки сигнала и регистратор (Авторское свидетельство СССР №607168). В индикаторе атмосферных осадков изменение емкости конденсатора под действием осадков, попадающих внутрь обмотки, преобразуется в последовательность электрических импульсов, частота следования которых пропорциональна интенсивности осадков. Однако, данное устройство характеризуется низкой точностью измерения интенсивности осадков. Это объясняется тем, что интенсивность осадков определяется как количеством капель в единицу времени, так и размером капель. В данном же устройстве интенсивность осадков определяется только по переменной частоте следования электрических импульсов равной длительности. Поэтому результат измерения не зависит от размеров капель, что приводит к наличию существенных погрешностей. Кроме того, устройство не позволяет дистанционно определять содержание паров СПГ в атмосфере.

Известен индикатор атмосферных осадков в виде электродинамического логометра, содержащий первый измерительный конденсатор, открытый для свободного прохождения осадков через пространство между обкладками, которые выполнены в виде секционной обмотки с распределенной емкостью, образованной двумя изолированными проводниками, второй измерительный конденсатор, идентичным первому, но закрытый от проникновения осадков, и блок преобразования изменений емкости первого измерительного конденсатора в выходной сигнал (патент РФ №2097797). Его недостатком является не возможность одновременного определения интенсивных осадков и паров СПГ в анализируемом воздухе.

Известен газоанализатор метана, включающим газовый датчик, плату для предварительной обработки аналогового сигнала, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер, и вторичный микропроцессор, считывающий информацию с выхода сенсорного модуля (патент РФ №2321847). Его недостатком является невозможность одновременного и дистанционного анализа паров и осадков капель СПГ в атмосфере.

Известен инфракрасный оптический газоанализатор (патент РФ №2187093) для измерения объемной концентрации метана и других паров СПГ, включающий инфракрасный оптический датчик, содержащий корпус с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, инфракрасный светодиод, интерференционные фильтры для выделения опорной и рабочих длин волн инфракрасного излучения, расположенную по ходу инфракрасного излучения светодиода измерительную газовую кювету, установленные за ней фотоприемники инфракрасного излучения опорного и рабочего измерительных каналов, электронный блок с усилителем сигналов, стабилизатором питания, управляющим микропроцессором и коммуникационную плату с устройством внешней коммутации, стабилизированного питания, управляющим микропроцессором и интерфейсом с формирователем цифровых сигналов. Его недостатком является большая величина времени быстродействия τ ≈ 10 с, вследствие диффузионного отбора газа в инфракрасный оптический датчик, а также невозможность одновременного и дистанционного анализа паров и осадков капель в выбросах СПГ в атмосферу.

Известен оптический инфракрасный газоанализатор метана и других паров СПГ (патент РФ на полезную модель №191610), содержащий цилиндрический корпус, внутри которого расположены электронный блок и плата внешней коммуникации, а на его поверхности установлен разъем для подключения внешних цепей и инфракрасный оптический датчик с отверстиями для входа и выхода анализируемого газа, газовый канал, состоящий из коаксиальных внутренней и внешней цилиндрических труб, причем внешняя труба герметично присоединена к цилиндрическому корпусу и на ее выходе размещен пылевой фильтр, а внутренняя труба коаксиально и герметично соединена с инфракрасным оптическим датчиком, на ее торце расположен измеритель наружной температуры газа, снаружи нее установлена цилиндрическая электропечь, а внутри нее коаксиально и последовательно расположены пористый металлический наполнитель, аэрозольный фильтр, побудитель расхода анализируемого газа через отверстия для его входа и выхода в инфракрасном оптическом датчике и измеритель его внутренней температуры, дополнительную плату управления измерителями наружной и внутренней температуры анализируемого газа, побудителем его расхода и цилиндрической электропечью, установленную внутри цилиндрического корпуса. Недостатком данного устройства является невозможность одновременного и дистанционного анализа паров и осадков капель в выбросах СПГ в атмосферу.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство для анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах сжиженного природного газа в атмосферу, включающее накопитель интенсивных осадков с теплоизоляцией на дне которого горизонтально расположен электрический конденсатор, состоящий из нижнего листового электрода и сетчатого плоского электрода, подключенный к электронному блоку конденсатора для измерения его электрической емкости при накоплении интенсивных осадков с передачей оцифрованных данных к удаленному компьютеру по витой паре, и оптический инфракрасный газоанализатор, установленный на верхнем торце накопителя интенсивных осадков с теплоизоляцией и подключенный к электронному блоку газоанализатора для его питания и передачи данных в удаленный компьютер (прототип, патент РФ на полезную модель №198022, Бюл. 17 от 15.06.2020). Накопитель интенсивных осадков оснащен теплоизоляцией на основе газонепроницаемого пенополиуретана с экранно-вакуумной теплоизоляцией. Результаты измерений передаются на удаленный до 1200 м компьютер. Изменение емкости электрического конденсатора С от времени t пропорционально количеству V или скорости dV/dt заполнения межэлектродного объема интенсивным осадком СПГ с диэлектрической проницаемостью ε ≈ 1,7. Его калибровка позволяет определять интенсивность криогенных осадков СПГ с быстродействием τ ≈ 0,1 с.

Недостатком устройства по прототипу является недостаточная точность измерения интенсивных осадков в выбросах СПГ из-за ошибки измерения количества и интенсивности осадков СПГ, вследствие их кипения за счет теплового обмена с поверхностью нижнего листового электрода, окружающим воздухом и стенками накопителем интенсивных осадков СПГ, а также не менее, чем 100% ошибка их измерения после заполнения интенсивным осадком (капли, брызги, фрагменты струй) СПГ межэлектродного пространства электрического конденсатора (Горев В.А., Овсянников Д.Л. Испарение жидкого метана с металлической поверхности // Пожаровзрывобезопасность (Fire and Explosion Safety). Процессы горения, детонации и взрыва. 2019. т. 28. №1. С. 14; А.В. Загнитько, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, Анализаторы интенсивных осадков капель топливных жидкостей и воды // Приборы и техника эксперимента. 2019. №4. С. 153).

Технической проблемой, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является унификация конструкции устройства анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах СПГ в атмосферу и расширение его функциональных возможностей.

Раскрытие сущности полезной модели

Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение технических характеристик устройства для анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах СПГ в атмосферу путем повышения точности дистанционного измерения интенсивных осадков СПГ за счет уменьшения частичной ошибки измерения количества и интенсивности осадков СПГ.

Для достижения технического результата предложено устройство для анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах сжиженного природного газа в атмосферу, включающее накопитель интенсивных осадков с теплоизоляцией на дне которого горизонтально расположен первый электрический конденсатор, состоящий из нижнего листового электрода и сетчатого плоского электрода, подключенный к электронному блоку конденсатора для измерения его электрической емкости при накоплении интенсивных осадков с передачей оцифрованных данных к удаленному компьютеру по витой паре, оптический инфракрасный газоанализатор, установленный на верхнем торце накопителя интенсивных осадков с теплоизоляцией и подключенный к электронному блоку газоанализатора для его питания и передачи данных, при этом, в накопителе интенсивных осадков с теплоизоляцией над первым электрическим конденсатором параллельно сверху установлен второй электрический конденсатор, состоящий из сетчатого плоского электрода первого электрического конденсатора и дополнительного сетчатого плоского электрода, причем первый и второй электрические конденсаторы подключены к электронному блоку конденсаторов для одновременного измерения их электрической емкости при накоплении интенсивных осадков с передачей оцифрованных данных к удаленному компьютеру по витой паре.

Кроме того, в устройстве для анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах сжиженного природного газа в атмосферу, оптимальное расстояние h₁ между нижним листовым электродом и сетчатым плоским электродом первого электрического конденсатора равно расстоянию h₂ между сетчатым плоским электродом первого электрического конденсатора и дополнительным сетчатым плоским электродом второго электрического конденсатора. Это позволяет повысить точность дистанционного измерения количества V и интенсивности dV/dt осадков флуктуирующих во времени в быстроизменяющихся во времени выбросах СПГ в атмосферу.

Создание устройства для анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах сжиженного природного газа в атмосферу, включающее накопитель интенсивных осадков с теплоизоляцией на дне которого горизонтально расположен первый электрический конденсатор, состоящий из нижнего листового электрода и сетчатого плоского электрода, подключенный к электронному блоку конденсатора для измерения его электрической емкости при накоплении осадков капель с передачей оцифрованных данных к удаленному компьютеру по витой паре, оптический инфракрасный газоанализатор, установленный на верхнем торце накопителя осадков с теплоизоляцией и подключенный к электронному блоку газоанализатора для его питания и передачи данных, и установка в накопителе интенсивных осадков с теплоизоляцией над первым электрическим конденсатором параллельно сверху второго электрического конденсатора, состоящего из сетчатого плоского электрода первого электрического конденсатора и дополнительного сетчатого плоского электрода, а также подключение первого и второго электрических конденсаторов к электронному блоку конденсаторов для одновременного измерения их электрической емкости при накоплении интенсивных осадков с передачей оцифрованных данных к удаленному компьютеру по витой паре, позволяет осуществить технический результат заявляемой полезной модели путем улучшения ее технических характеристик по сравнению с прототипом, вследствие повышения точности измерения интенсивных осадков СПГ за счет уменьшения частичной ошибки измерения их количества и интенсивности, вследствие пленочного кипения СПГ на поверхности нижнего листового электрода, и исключения не менее, чем 100% ошибки измерения количества и интенсивности осадков после заполнения со временем осадками СПГ межэлектродного пространства электрического конденсатора по прототипу (Горев В.А., Овсянников Д.Л. Испарение жидкого метана с металлической поверхности // Пожаровзрывобезопасность (Fire and Explosion Safety). Процессы горения, детонации и взрыва. 2019. т. 28. №1. С. 14; А.В. Загнитько, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, Анализаторы интенсивных осадков капель топливных жидкостей и воды // Приборы и техника эксперимента. 2019. №4. С. 153).

В устройстве по прототипу после заполнения криогенным осадками СПГ межэлектродного пространства электрического конденсатора процесс измерения их количества и интенсивности прекращается, так как изменение его емкости С равно нулю. В результате, дальнейший сбор осадков в накопителе интенсивных осадков с теплоизоляцией не позволяет их регистрировать и ошибка их измерения составляет не менее, чем 100%.

Кроме того, в устройстве по прототипу при заполнении межэлектродного пространства электрического конденсатора осадками СПГ первоначально реализуется его пленочное кипение, вследствие теплового потока от нижнего листового электрода, окружающего воздуха и от корпуса накопителя интенсивных осадков с теплоизоляцией, поскольку их начальная температура близка к атмосферной и существенно превышает температуру СПГ, составляющую около -162°С при нормальном давлении (Горев В.А., Овсянников Д.Л. Испарение жидкого метана с металлической поверхности // Пожаровзрывобезопасность. Процессы горения, детонации и взрыва. 2019. Т. 28. №1. С. 14). Скорость испарения осадка СПГ определяется режимом теплообмена между СПГ и поверхностью нижнего пластинчатого электрода, а также теплообменом между осадком СПГ с окружающим воздухом и корпусом накопителя осадков с теплоизоляцией. Теплообмен между СПГ и нижним плоским электродом электрического конденсатора определяется режимом кипения, который зависит от температурного напора между средами. Теплообмен между СПГ и окружающим воздухом зависит от температуры воздуха и площади испарения СПГ. Теплообмен между жидким метаном и корпусом накопителя интенсивных осадков с теплоизоляцией определяется его массой, теплопроводностью, теплоемкостью и площадью контакта. Наличие теплообмена и интенсивного пленочного кипения с испарением СПГ из электрического конденсатора приводит к уменьшению его емкости и к ошибке анализа осадков.

В заявленном устройстве за счет установки в накопителе интенсивных осадков с теплоизоляцией над первым электрическим конденсатором параллельно сверху второго электрического конденсатора, состоящего из сетчатого плоского электрода первого электрического конденсатора и дополнительного сетчатого плоского электрода, а также подключение первого и второго электрических конденсаторов к электронному блоку конденсаторов для одновременного измерения их электрической емкости при накоплении интенсивных осадков с передачей оцифрованных данных к удаленному компьютеру по витой паре, увеличивается в два раза количество измеренных осадков СПГ по сравнению с прототипом при оптимальных для обработки результатов одинаковых расстояниях между плоскими электродами первого и второго электрических конденсаторов с h₁=h₂. Их электрические емкости измеряются методом генератора, причем измеряемая электрическая емкость является электрическим элементом частотозадающего генератора (Н.Г. Фарзане, Л.В. Илясов, А.Ю. Азим-заде, Технологические измерения и приборы, М., Высшая школа, 1989. 456 С; Форейт Й. Емкостные датчики неэлектрических величин, Москва, Энергия, 1966. 160 С).

В электронном блоке конденсаторов с подключенными к нему первым и вторым электрическими конденсаторами, образованными тремя параллельными нижним листовым и двумя сетчатым плоским и дополнительным плоским сетчатым электродами, причем сетчатый плоский электрод является центральным и общим для первого и второго электрических конденсаторов, имеются первый и второй частотозадающие генераторы при сохранении чувствительности измерения электрических емкостей. Частоты первого (таймер NE 555) и второго (таймер NE 555) частотозадающих генераторов измеряются микропроцессором STM32F103RC и передаются в формирователь сигнала по интерфейсу RS-485 на удаленный компьютер по витой паре на расстояние до 1200 м.

Кроме того, в заявленном устройстве по мере заполнения осадком СПГ первого электрического конденсатора одновременно происходит охлаждение второго электрического конденсатора за счет теплообмена воздуха с криогенными осадками и парами СПГ и стенками накопителя интенсивных осадков с теплоизоляцией. Причем, при заполнении осадками СПГ первого электрического конденсатора температура его сеточного плоского электрода несущественно отличается от температуры кипения СПГ. В результате уменьшается скорость испарения интенсивных осадков СПГ из второго охлажденного электрического конденсатора. Это приводит к повышению точности измерения интенсивных осадков СПГ за счет уменьшения ошибки их измерения с помощью охлажденного второго электрического конденсатора по сравнению с ошибкой измерения интенсивных осадков СПГ с помощью первого неохлажденного электрического конденсатора, первоначально находящегося при температуре атмосферы.

В процессе детектирования метана и паров углеводородов используется оптический инфракрасный газоанализатор согласно патенту РФ №2187093 и патенту РФ на полезную модель №191610.

В целях безопасного анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах СПГ в атмосферу расстояние передачи данных по витой паре от места анализа к удаленному компьютеру составляет до 1200 м.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах сжиженного природного газа в атмосферу, а на фиг. 2 приведены измеренные значения отношений текущих значений электрических емкостей (кривая I) и (кривая II) первого и второго электрических конденсаторов к их начальной емкости от времени t в процессе их последовательного заполнения интенсивными осадками СПГ.

Устройство на фиг. 1 включает следующие основные конструктивные элементы:

1 - сетчатый плоский электрод;

2 - нижний листовой электрод;

3 - осадок СПГ в первом электрическом конденсаторе;

4 - накопитель интенсивных осадков с теплоизоляцией;

5 - теплоизоляция накопителя осадка капель 4;

6 - электронный блок первого и второго конденсаторов;

7 - оптический инфракрасный газоанализатор;

8 - побудитель расхода анализируемого воздуха с парами СПГ через оптический инфракрасный газоанализатор 7;

9 - аэрозольный фильтр;

10 - электронный блок газоанализатора для его питания и передачи данных;

11 - удаленный компьютер;

12 - торец накопителя осадка СПГ на котором закреплен оптический инфракрасный газоанализатор 7;

13 - дополнительный сетчатый плоский электрод;

14 - осадок СПГ во втором электрическом конденсаторе;

I - первый электрический конденсатор, включающий сетчатый плоский электрод 1 и нижний листовой электрод 2;

II - второй электрический конденсатор, включающий сетчатый плоский электрод 1 и дополнительный сетчатый плоский электрод 13;

L - расстояние от удаленного компьютера 11 до места анализа осадков и паров в выбросах СПГ в атмосферу;

Q - объемный расход анализируемой смеси воздуха с парами СПГ через оптический инфракрасный газоанализатор 7;

V- количество осадков СПГ с их фотографией (600 видеокадров/с) в виде струй, падающих в накопитель интенсивных осадков 4 с теплоизоляцией 5;

h₁ - расстояние между сетчатым плоским электродом 1 и нижним листовым электродом 2;

h₂ - расстояние между сетчатым плоским электродом 1 и дополнительным сетчатым плоским электродом 13.

На фиг. 2 приведены измеренные значения отношения электрических емкостей C(t)/C₀ от времени t последовательного заполнения СПГ межэлектродного пространства первого и второго электрических конденсаторов: кривая I - отношение C₁/C₀ для первого электрического конденсатора; кривая II - отношение C₂/C₀ для второго охлажденного электрического конденсатора, где C₀ - их начальная без интенсивного осадка СПГ электрическая емкость при h₁=h₂=10 мм. Измеренная температура смеси воздуха с парами СПГ на поверхности дополнительного сетчатого плоского электрода 13 составляла около -100°С после заполнения первого электрического конденсатора интенсивными осадками СПГ.

Осуществление полезной модели

На фиг. 1 изображена принципиальная схема заявленного устройства для анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах сжиженного природного газа в атмосферу. Устройство содержит накопитель интенсивных осадков 4 с теплоизоляцией 5 на дне которого расположены параллельно первый I и второй II электрические конденсаторы, подключенные к электронному блоку конденсаторов 6 для одновременного измерения их электрической емкости при накоплении интенсивных осадков с передачей оцифрованных данных к удаленному компьютеру 11 по витой паре. Первый электрический конденсатор состоит из нижнего листового электрода 2 и сетчатого плоского электрода 1. Второй электрический конденсатор состоит из сетчатого плоского электрода 1 первого электрического конденсатора и дополнительного сетчатого плоского электрода 13. На торце 12 накопителя интенсивных осадков 4 с теплоизоляцией 5 закреплен инфракрасный оптический газоанализатор 7, подключенный к электронному блоку газоанализатора для его питания и передачи данных 10 к удаленному компьютеру 11. Вход анализируемого потока смеси воздуха с парами СПГ потока Q в оптический инфракрасный газоанализатор 7 защищен аэрозольным фильтром 9. Величина Q задается побудителем его расхода 8.

Расстояние h₁ между нижним листовым электродом 2 и сетчатым плоским электродом 1 первого электрического конденсатора равно расстоянию между сетчатым плоским электродом 1 первого электрического конденсатора и дополнительным сетчатым плоским электродом 13 второго электрического конденсатора.

Сетчатый плоский электрод 1 и дополнительный сетчатый плоский электрод 13 выполнены из одинаковой нержавеющей, высоколегированной проволочной тканой сетки с прямоугольными ячейками и с живым сечение S(c) ее квадратных ячеек от 50 до 92%. Величина S(c) определяется отношением площади ячеек в свету ко всей площади сетки, выраженным в процентах согласно ГОСТ 2715-75.

Нижний листовой электрод 2 первого электрического конденсатора выполнен из фольгированного термостойкого стеклотекстолита марки МИ ТУ 2296-012-00213060-2006. Экспериментально было показано, что данный материал выдерживает термоудары в течение более 20 минут при его периодическом погружении в жидкий азот при 77 К или СПГ при 111 К. Отслоения медной фольги от стеклотекстолита и ее коррозии не наблюдалось.

Ее оптимальная толщина составляет 18 микрон, ее плотность ρ ≈ 8,9 г/см³, теплоемкость С(т) ≈ 390 Дж/кг⋅К и теплопроводность γ ≈ 385-400 Вт/м⋅К. Плотность стеклотекстолита составляет ρ ≈ 1,8-1,9 г/см³, его теплоемкость С(т) ≈ 840 Дж/кг⋅К и теплопроводность γ ≈ 0,2 Вт/м⋅К.

Изменение емкостей C₁ и C₂ первого и второго электрических конденсаторов от времени t пропорционально количеству V и/или скорости dV/dt заполнения их межэлектродного объема осадком СПГ с величиной диэлектрической проницаемости ε ≈ 1,7. Их калибровка при фиксированном межэлектродном расстоянии h₁=h₂ позволяет определять интенсивность криогенных осадков СПГ с быстродействием τ ≈ 0,1 с. Оптимальное значение h₁=h₂=5-15 мм.

Снаружи накопителя интенсивных осадков 4 установлена теплоизоляция 5 для уменьшения теплопередачи от воздуха и от земли на основе газонепроницаемого пенополиуретана с экранно-вакуумной теплоизоляцией при давлении до (10^-4-10^-5) мм рт.ст. Создание накопителя интенсивных осадков капель 4 с теплоизоляцией 5 позволяет снизить молекулярный и лучистый теплообмен собранного жидкого осадка с окружающей средой. Ее использование позволяет повысить точность измерений величины V за счет уменьшения интенсивности кипения и испарения осадков СПГ.

В процессе измерения малых значений электрической емкости первого I и второго II электрических конденсаторов в диапазоне С=10-500 пФ используется метод генератора (Н.Г. Фарзане, Л.В. Илясов, А.Ю. Азим-заде, Технологические измерения и приборы, М., Высшая школа, 1989. 456 С; Форейт Й. Емкостные датчики неэлектрических величин, М., Энергия, 1966. 160 С). Измеряемая емкость является частотозадающим элементом генератора. В качестве генератора выбран таймер EN 555. Схема малочувствительна к параллельному сопротивлению утечки. Надежно измеряемое изменение величин емкости составляет 0,03-0,05 пФ. Нулевая частота составляет 100-300 кГц. Микропроцессор измеряет частоту, обрабатывает данные и передает их по витой паре в удаленный компьютер 11, который расположен от места сбора осадков и анализа паров на расстоянии L ≤ 1200 м. Период опроса составляет около 0,1 секунды, а разрешение по генерации около 100 импульсов на 1 пФ. Соответственно, схема чувствительна к изменению емкости на величину 0,01 пФ.

В процессе анализа осадков СПГ в атмосфере и одновременного детектирования их паров используется оптический инфракрасный газоанализатор 7, изготовленный по патенту РФ на полезную модель №191610 с инфракрасным сенсором согласно патенту РФ №2187093.

В целях безопасного анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах СПГ в атмосферу расстояние L передачи данных по витой паре от места анализа к удаленному компьютеру 11 составляет до 1200 м.

При анализе интенсивных осадков и паров СПГ в атмосфере заявленная полезная модель устанавливается на земле или на подставке высотой от 0,5 до 1,5 м.

Заявленное устройство работает следующим образом. По мере накопления интенсивных осадков СПГ изменяется электрическая емкость C₁ первого электрического конденсатора. Далее, при заполнении его межэлектродного пространства изменение C₁ прекращается и начинает увеличиваться электрическая емкость C₂ охлажденного второго электрического конденсатора. Их первоначальные электрические емкости без осадков СПГ практически равны, так как площади плоских электродов и расстояния между ними совпадают (h₁=h₂). Калибровка первого и второго электрических конденсаторов позволяет определять значения V и dV/dt. Диапазон измерения интенсивности осадков СПГ в выбросах СПГ в атмосферу составляет dV/dt ≈ 2-40 мм/с.

Создание устройства для анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах сжиженного природного газа в атмосферу, включающее накопитель интенсивных осадков 4 с теплоизоляцией 5 на дне которого горизонтально расположен первый электрический конденсатор, состоящий из нижнего листового электрода 2 и сетчатого плоского электрода 1, оптический инфракрасный газоанализатор 7, установленный на верхнем торце 12 накопителя интенсивных осадков 4 с теплоизоляцией 5 и подключенный к электронному блоку газоанализатора 10 для его питания и передачи данных, и установка в накопителе интенсивных осадков 4 с теплоизоляцией 5 над первым электрическим конденсатором параллельно сверху второго электрического конденсатора, состоящего из сетчатого плоского электрода 1 первого электрического конденсатора и дополнительного сетчатого плоского электрода 13, а также подключение первого и второго электрических конденсаторов к электронному блоку конденсаторов 6 для одновременного измерения их электрической емкости при накоплении интенсивных осадков с передачей оцифрованных данных к удаленному компьютеру 11 по витой паре, позволяет осуществить технический результат заявляемой полезной модели путем улучшения ее технических характеристик по сравнению с прототипом, вследствие повышения точности измерения интенсивных осадков СПГ за счет уменьшения частичной ошибки измерения их количества и интенсивности, вследствие пленочного кипения СПГ, и исключения не менее, чем 100% ошибки измерения количества и интенсивности осадков после заполнения со временем осадками СПГ межэлектродного пространства первого электрического конденсатора по прототипу (Горев В.А., Овсянников Д.Л. Испарение жидкого метана с металлической поверхности // Пожаровзрывобезопасность. Процессы горения, детонации и взрыва. 2019. т. 28. №1. С. 14; А.В. Загнитько, И.Д. Мацуков, Д.Ю. Федин, Анализаторы интенсивных осадков капель топливных жидкостей и воды // Приборы и техника эксперимента, 2019. №4. С. 153).

В устройстве по прототипу после заполнения криогенным осадками СПГ межэлектродного пространства электрического конденсатора процесс измерения их количества и интенсивности прекращается, так как изменение его емкости С равно нулю. В результате, дальнейший сбор осадков в накопителе интенсивных осадков с теплоизоляцией не позволяет их регистрировать и ошибка их измерения составляет не менее, чем 100% по сравнению с заявленной моделью. Кроме того, в устройстве по прототипу при заполнении межэлектродного пространства электрического конденсатора осадками СПГ первоначально реализуется его пленочное кипение, вследствие теплового потока от нижнего листового электрода, окружающего воздуха и от корпуса накопителя интенсивных осадков с теплоизоляцией, поскольку их начальная температура близка к атмосферной и существенно превышает температуру СПГ, составляющую около -162°С при нормальном давлении (Горев В.А., Овсянников Д.Л. Испарение жидкого метана с металлической поверхности // Пожаровзрывобезопасность. Процессы горения, детонации и взрыва. 2019. Т. 28. №1. С. 14). Скорость испарения осадка СПГ определяется режимом теплообмена между СПГ и поверхностью нижнего пластинчатого электрода, а также теплообменом между осадком СПГ с окружающим воздухом и корпусом накопителя осадков с теплоизоляцией. Теплообмен между СПГ и нижним плоским электродом 2 электрического конденсатора определяется режимом кипения, который зависит от температурного напора между средами. Теплообмен между СПГ и окружающим воздухом зависит от температуры воздуха и площади испарения СПГ. Теплообмен между жидким метаном и корпусом накопителя интенсивных осадков 4 с теплоизоляцией 5 определяется его массой, теплопроводностью, теплоемкостью и площадью контакта. Наличие теплообмена и интенсивного пленочного кипения с испарением СПГ из электрического конденсатора приводит к уменьшению его емкости и к ошибке анализа осадков.

В заявленном устройстве за счет установки в накопителе интенсивных осадков 4 с теплоизоляцией 5 над первым электрическим конденсатором параллельно сверху второго электрического конденсатора, состоящего из сетчатого плоского электрода 1 первого электрического конденсатора и дополнительного сетчатого плоского электрода 13, а также подключение первого и второго электрических конденсаторов к электронному блоку конденсаторов 6 для одновременного измерения их электрической емкости при накоплении интенсивных осадков с передачей оцифрованных данных к удаленному компьютеру 11, увеличивается в два раза количество измеренных осадков СПГ по сравнению с прототипом при оптимальных для обработки данных одинаковых расстояниях между плоскими электродами первого и второго электрических конденсаторов с h₁=h₂. Их электрические емкости измеряются методом генератора, причем измеряемая электрическая емкость является электрическим элементом частотозадающего генератора (Н.Г. Фарзане, Л.В. Илясов, А.Ю. Азим-заде, Технологические измерения и приборы, М, Высшая школа, 1989. 456 С; Форейт Й. Емкостные датчики неэлектрических величин, М., Энергия, 1966. 160 С). В электронном блоке конденсаторов 6 с подключенными к нему первым и вторым электрическими конденсаторами, образованными тремя параллельными нижним листовым 2, сетчатым плоским 1 и дополнительным плоским сетчатым 13 электродами, причем сетчатый плоский электрод 1 является центральным и общим для первого и второго электрических конденсаторов, имеются первый и второй частотозадающие генераторы для измерения значений С₁ и С₂. Частоты первого и второго частотозадающих генераторов измеряются микропроцессором STM32F103RC и передаются в формирователь сигнала по интерфейсу RS-485 на расстояние до 1200 м на удаленный компьютер 11 по витой паре.

Кроме того, в заявленном устройстве по мере заполнения осадком СПГ первого электрического конденсатора одновременно происходит охлаждение второго электрического конденсатора за счет теплообмена воздуха с криогенными осадками и парами СПГ и стенками накопителя интенсивных осадков 4 с теплоизоляцией 5. Причем, при заполнении осадками СПГ первого электрического конденсатора температура его сеточного плоского электрода 1 несущественно отличается от температуры кипения СПГ. В результате уменьшается скорость испарения интенсивных осадков СПГ из второго охлажденного электрического конденсатора. Это приводит к повышению точности измерения интенсивных осадков СПГ за счет уменьшения ошибки их измерения с помощью охлажденного второго электрического конденсатора по сравнению с ошибкой измерения интенсивных осадков СПГ с помощью первого неохлажденного электрического конденсатора, первоначально находящегося при температуре атмосферы.

В результате удается улучшить технические характеристики заявленной полезной модели и расширить ее функциональные возможности по сравнению с устройством по прототипу. Пример.

В атмосфере при около 10°С анализировались осадки из выброса СПГ с температурой -162°С при атмосферном давлении. Их первоначальный размер d ≤10000 мкм. СПГ распылялся криогенным газообразным азотом с образованием затопленной струи из капель, брызг и фрагментов струй и паров объемом более 104 м³ в атмосфере.

Первый электрический конденсатор с сетчатым плоским электродом 1 и нижним листовым электродом 2 прямоугольной формы был установлен горизонтально в накопителе интенсивных осадков 4. В качестве теплоизолятора 5 накопителя 4 использовались газонепроницаемый пенополиуретан и экранно-вакуумная теплоизоляция при давлении 10-4 мм. рт.ст. с восьмью слоями тонкой алюминиевой фольги, разделенных стеклобумагой.

Сетчатый плоский электрод 1 был выполнен из нержавеющей сетки с размером прямоугольных ячеек 6x6 мм и толщиной проволоки 0,4 мм. Нижний листовой электрод 2 был изготовлен из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,1 мм марки FR-4 ТУ 2296-012-00213060-2006 с фольгой из меди 18 микрон. Длина каждого электрода составляла 56 см, а ширина - 21 см; их площадь ≈ 1176 см², а расстояние между ними h₁ ≈ 10 мм. Измеренное значение электрической емкости первого электрического конденсатора без осадка СПГ составляло ≈ 100 пФ.

Второй электрический конденсатор с сетчатым плоским электродом 1 и дополнительным сетчатый плоским электродом 13 прямоугольной формы был установлен горизонтально в накопителе интенсивных осадков 4 с теплоизоляцией 5. Размер прямоугольных ячеек дополнительного сетчатого плоского электрода 13 и толщина проволоки составляли 6×6 мм и 0,4 мм. Измеренное значение электрической емкости второго электрического конденсатора без осадка СПГ составляло ≈ 99 пФ при h₂=10 мм.

В процессе измерения малых значений первого и второго электрических конденсаторов в диапазоне 10-500 пФ использовался метод генератора (Н.Г. Фарзане, Л.В. Илясов, А.Ю. Азим-заде, Технологические измерения и приборы, М, Высшая школа, 1989. 456 С; Форейт Й. Емкостные датчики неэлектрических величин, М., Энергия, 1966. 160 С). В электронном блоке конденсаторов 6 с подключенными к нему первым и вторым электрическими конденсаторами, образованными тремя параллельными нижним листовым 2, сетчатым плоским 1 и дополнительным плоским сетчатым 13 электродами, причем сетчатый плоский электрод 1 является центральным и общим для первого и второго электрических конденсаторов, имеются первый и второй частотозадающие генераторы для измерения значений C₁ и C₂. Частоты первого (таймер NE 555) и второго (таймер NE 555) частотозадающих генераторов измеряются микропроцессором STM32F103RC и передаются в формирователь сигнала по интерфейсу RS-485 на расстояние L ≈ 1200 м на удаленный компьютер 11 по витой паре. Схема была малочувствительна к параллельному сопротивлению утечки. Для контроля параллельно с измеряемыми первым и вторым электрическими конденсаторами было установлено сопротивление 5,6 Мегом. Нулевая частота составляла 100-300 кГц. Микропроцессор измерял частоту, обрабатывал данные и передавал их по витой паре в удаленный компьютер. Сигнал с компьютера передавался по оптоволоконному кабелю на головной сервер сбора и обработки данных, удаленный на расстояние около 5000 м. Период опроса устройства составлял около 0,1 с. Ориентировочное разрешение по генерации составляло около 100 импульсов на 1 пФ. Схема чувствительна к изменению емкости на величину 0,01 пФ.

В процессе анализа в осадков СПГ в атмосфере, одновременно, регистрировалась объемная концентрация паров в воздухе с помощью предварительно калиброванного оптического инфракрасного газоанализатора 7 по патенту РФ на полезную модель №191610, с оптическим инфракрасным сенсором типа MIPEX с быстродействием τ <0,35 с согласно патенту РФ №2187093.

Сигнал с устройства, расположенного от центра выброса на расстоянии 12 м, был синхронизирован с началом процесса распыления СПГ. В результате была измерена интенсивность осадков и объемная концентрация паров СПГ. Показано, что за первые 3 секунды выпало более 65% массы осадков с интенсивностью около 4-5 мм/с. Причем, первый электрический конденсатор был заполнен осадками СПГ за ≈2,5 с и их последующее детектирование прекратилось, так как после заполнения межэлектродного пространства криогенной жидкостью величина C₁ практически не менялась. Далее, интенсивные осадки СПГ измерялись по изменению величины электрической емкости C₂ охлажденного второго электрического конденсатора. Объемная концентрация паров метана флуктуировала с хаотическим возрастанием от 1 до 30% об.

На фиг. 2 приведены измеренные значения отношения электрических емкостей C(t)/C₀ от времени t последовательного заполнения СПГ межэлектродного пространства первого и второго электрических конденсаторов: кривая I - отношение C₁/C₀ для первого электрического конденсатора; кривая II - отношение C₂/C₀ для второго охлажденного электрического конденсатора, где C₀ - их начальная без интенсивного осадка СПГ электрическая емкость при h₁=h₂=10 мм. Измеренная температура смеси воздуха с парами СПГ на поверхности дополнительного сетчатого плоского электрода 13 составляла около -100°С после заполнения первого электрического конденсатора интенсивными осадками СПГ. Интенсивность осадков СПГ dV/dt варьировалась от 3 до 5 мм/с в процессе заполнения межэлектродного пространства первого и второго электрического конденсаторов. Из анализа данных фиг. 2 следует, что разработанное устройство на фиг. 1 позволяет последовательно измерять количество и интенсивность осадков СПГ в атмосфере. Причем, второй конденсатор находится в охлажденном состоянии перед анализом осадков СПГ и его температура существенно ниже, чем температура первого электрического конденсатора перед заполнением его межэлектродного пространства интенсивными осадками СПГ.

Таким образом, сравнение характеристик заявленного устройства для анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах сжиженного природного газа в атмосферу с прототипом показывает, что за счет создания первого и второго электрических конденсаторов с центральным общим сеточным плоским электродом, расположения их на дне накопителя осадков капель с теплоизоляцией с одновременным измерением значений их электрической емкости позволило осуществить технический результат заявляемой полезной модели путем улучшения ее технических характеристик по сравнению с прототипом, вследствие повышения точности измерения интенсивных осадков СПГ за счет уменьшения частичной ошибки измерения их количества и интенсивности, вследствие пленочного кипения СПГ, и исключения не менее, чем 100% ошибки измерения количества и интенсивности осадков после заполнения со временем интенсивными осадками СПГ межэлектродного пространства первого электрического конденсатора по прототипу.

Claims (1)

1. Устройство для анализа интенсивных осадков и содержания паров в выбросах сжиженного природного газа в атмосферу, включающее накопитель интенсивных осадков с теплоизоляцией, на дне которого горизонтально расположен первый электрический конденсатор, состоящий из нижнего листового электрода и сетчатого плоского электрода, подключенный к электронному блоку конденсатора для измерения его электрической емкости при накоплении интенсивных осадков с передачей оцифрованных данных к удаленному компьютеру по витой паре, оптический инфракрасный газоанализатор, установленный на верхнем торце накопителя интенсивных осадков с теплоизоляцией и подключенный к электронному блоку газоанализатора для его питания и передачи данных, отличающийся тем, что в накопителе интенсивных осадков с теплоизоляцией над первым электрическим конденсатором параллельно сверху установлен второй электрический конденсатор, состоящий из сетчатого плоского электрода первого электрического конденсатора и дополнительного сетчатого плоского электрода, причем первый и второй электрические конденсаторы подключены к электронному блоку конденсаторов для одновременного измерения их электрической емкости при накоплении интенсивных осадков с передачей оцифрованных данных к удаленному компьютеру по витой паре.

Images