RU207499U1 - Sorption-capacitive gas moisture sensor - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к устройствам, применяемым в системе магистрального транспорта газа и может быть применена для определения концентрации влаги в природном газе, находящемся под избыточным давлением до 15 МПа. Технической проблемой заявленной полезной модели является создание устройства, позволяющего повысить чувствительность сенсора к изменению концентрации влаги, содержащейся в газе. Технический результат заключается в обеспечении испарения влаги из диэлектрического сорбирующего слоя емкостного сенсора в результате его нагрева. Технический результат в сорбционно-емкостном чувствительном элементе влажности газа, содержащем конденсатор переменной емкости, состоящий из диэлектрического сорбирующего слоя и электродов, пропускающих влагу, своими контактами соединенный с измерительной платой, причем диэлектрический сорбирующий слой выполнен из пористой керамики и заключен между двумя перфорированными электродами, выполненными из коррозионностойкого металла, нанесенными при температурах, близких к температурам плавления металла, достигается тем, что дополнительно содержит керамический нагревательный элемент, размещенный в полости диэлектрического сорбирующего слоя, причем контакты керамического нагревательного элемента являются выводами для соединения с выходами микропроцессора. 2 ил.The utility model refers to devices used in the system of main gas transportation and can be used to determine the moisture concentration in natural gas under an excess pressure of up to 15 MPa. The technical problem of the claimed utility model is the creation of a device that makes it possible to increase the sensor's sensitivity to changes in the concentration of moisture contained in the gas. The technical result consists in ensuring the evaporation of moisture from the dielectric sorbing layer of the capacitive sensor as a result of its heating. The technical result in a sorption-capacitive sensing element of gas humidity, containing a capacitor of variable capacity, consisting of a dielectric sorbing layer and electrodes that transmit moisture, by its contacts connected to the measuring board, and the dielectric sorbing layer is made of porous ceramics and is enclosed between two perforated electrodes made made of corrosion-resistant metal, deposited at temperatures close to the melting temperatures of the metal, is achieved by the fact that it additionally contains a ceramic heating element located in the cavity of the dielectric sorbing layer, and the contacts of the ceramic heating element are leads for connection with the outputs of the microprocessor. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к устройствам, применяемым в системе магистрального транспорта газа, и может быть применена для определения концентрации влаги в природном газе, находящемся под избыточным давлением до 15 МПа.The utility model relates to devices used in the system of main gas transportation and can be used to determine the moisture concentration in natural gas under an excess pressure of up to 15 MPa.

Чувствительный элемент предназначен для измерения влагосодержания в природном газе в технологических трубопроводах и установках объектов магистрального транспорта газа. В качестве технологии определения температуры точки росы природного газа выбрана сорбционно-емкостная технология. Сорбционно-емкостной принцип измерения влажности заключается в поглощении чувствительным элементом влаги из измеряемой среды, что приводит к изменению его электрической емкости.The sensing element is designed to measure moisture content in natural gas in process pipelines and installations of gas transmission facilities. As a technology for determining the dew point temperature of natural gas, the sorption-capacitive technology was chosen. The sorption-capacitive principle of moisture measurement consists in the absorption of moisture from the measured medium by a sensitive element, which leads to a change in its electrical capacity.

Из исследованного уровня техники известны различные технические решения для определения концентрации влаги в природном газе.From the investigated prior art, various technical solutions are known for determining the moisture concentration in natural gas.

Известен сорбционно-емкостной чувствительный элемент влажности газа, выбранный заявителем в качестве прототипа, представляющий собой конденсатор переменной емкости, состоящий из диэлектрического сорбирующего слоя и электродов, пропускающих влагу, являющийся емкостным сенсором, причем диэлектрический сорбирующий слой выполнен из пористой керамики и заключен между двумя перфорированными электродами, выполненными из коррозионностойкого металла, нанесенными при температурах, близких к температурам плавления металла [патент Российской Федерации № RU 190945, опубл. 16.07.2019, бюл. № 20].Known sorption-capacitive sensing element of gas moisture, selected by the applicant as a prototype, which is a capacitor of variable capacity, consisting of a dielectric sorbing layer and electrodes that transmit moisture, which is a capacitive sensor, and the dielectric sorbing layer is made of porous ceramics and is enclosed between two perforated electrodes , made of corrosion-resistant metal, deposited at temperatures close to the melting points of the metal [patent of the Russian Federation No. RU 190945, publ. 07/16/2019, bul. No. 20].

Недостатком прототипа является снижение чувствительности емкостного сенсора при перенасыщении влагой диэлектрического сорбирующего слоя сенсора.The disadvantage of the prototype is a decrease in the sensitivity of the capacitive sensor with moisture oversaturation of the dielectric sorbing layer of the sensor.

Под перенасыщением влагой сенсора следует понимать снижение чувствительности сенсора к изменению концентрации влаги, содержащейся в анализируемом газе. При прохождении потока газа с высоким содержанием влаги возможно насыщение ей диэлектрического сорбирующего слоя сенсора. При последующем снижении концентрации влаги в газе сенсор может выдавать сигнал о ее повышенном содержании, так как освобождение от влаги, содержащейся в чувствительном элементе может занимать длительное время в зависимости от текущего содержания влаги в анализируемой пробе газа.The moisture oversaturation of the sensor should be understood as a decrease in the sensor's sensitivity to changes in the concentration of moisture contained in the analyzed gas. When a gas flow with a high moisture content passes, it can saturate the dielectric sorbing layer of the sensor. With a subsequent decrease in the concentration of moisture in the gas, the sensor can give a signal about its increased content, since the release from the moisture contained in the sensitive element can take a long time, depending on the current moisture content in the analyzed gas sample.

Технической проблемой заявленной полезной модели является создание устройства, позволяющего повысить чувствительность сенсора к изменению концентрации влаги, содержащейся в газе.The technical problem of the claimed utility model is the creation of a device that makes it possible to increase the sensitivity of the sensor to changes in the concentration of moisture contained in the gas.

Технический результат заключается в обеспечении испарения влаги из диэлектрического сорбирующего слоя емкостного сенсора в результате его нагрева.The technical result consists in ensuring the evaporation of moisture from the dielectric sorbing layer of the capacitive sensor as a result of its heating.

Технический результат в сорбционно-емкостном чувствительном элементе влажности газа, содержащем конденсатор переменной емкости, состоящий из диэлектрического сорбирующего слоя и электродов, пропускающих влагу, своими контактами соединенный с измерительной платой, причем диэлектрический сорбирующий слой выполнен из пористой керамики и заключен между двумя перфорированными электродами, выполненными из коррозионностойкого металла, нанесенными при температурах, близких к температурам плавления металла, достигается тем, что дополнительно содержит керамический нагревательный элемент, размещенный в полости диэлектрического сорбирующего слоя, причем контакты керамического нагревательного элемента являются выводами для соединения с выходами микропроцессора.The technical result in a sorption-capacitive sensing element of gas humidity, containing a capacitor of variable capacity, consisting of a dielectric sorbing layer and electrodes that transmit moisture, by its contacts connected to the measuring board, and the dielectric sorbing layer is made of porous ceramics and is enclosed between two perforated electrodes made made of corrosion-resistant metal, deposited at temperatures close to the melting temperatures of the metal, is achieved by the fact that it additionally contains a ceramic heating element located in the cavity of the dielectric sorbing layer, and the contacts of the ceramic heating element are leads for connection with the outputs of the microprocessor.

Заявляемое техническое решение поясняется графическими материалами.The claimed technical solution is illustrated by graphic materials.

На фиг. 1 представлена структурная схема сорбционно-емкостного чувствительного элемента влажности газа, на фиг. 2 представлена блок-схема соединения микропроцессора с нагревательным элементом. FIG. 1 shows a block diagram of a sorption-capacitive sensing element of gas moisture, in Fig. 2 shows a block diagram of the connection between the microprocessor and the heating element.

Сорбционно-емкостной чувствительный элемент влажности газа представляет собой конденсатор переменной емкости, состоящий из диэлектрического сорбирующего слоя 1, выполненного из химически однородного диэлектрика – пористой керамики с равномерным распределением пор, образующих капиллярную структуру, размерами, например, длиной 40 мм, шириной 8 мм, заключенного между двумя перфорированными электродами 2, выполненными из коррозионностойкого металла, например, серебра или платины, стойких к химическим компонентам, содержащихся в природном газе в малых концентрациях. Электроды 2 имеют сетчатую (перфорированную) структуру для обеспечения беспрепятственного проникновения влаги в диэлектрический сорбирующий слой 1 и обратно. В полости 3 диэлектрического сорбирующего слоя 1 размещен нагревательный элемент 4, выполненный из керамики, диаметром, например, 3 мм, с электрической мощностью, например, 10 Вт и напряжением 24 В. Подключение электродов 2 сенсора к измерительной плате 5 производится с помощью контактов 6. Подключение нагревательного элемента 4 с выходами микропроцессора 7, размещенного на измерительной плате 5 производится посредством контактов 8. The sorption-capacitive sensing element of gas moisture is a variable capacitor consisting of a dielectric sorbing layer 1 made of a chemically homogeneous dielectric - porous ceramics with a uniform distribution of pores forming a capillary structure, dimensions, for example, 40 mm long, 8 mm wide, enclosed between two perforated electrodes 2 made of corrosion-resistant metal, for example, silver or platinum, resistant to chemical components contained in natural gas in low concentrations. Electrodes 2 have a mesh (perforated) structure to ensure unimpeded penetration of moisture into the dielectric sorbing layer 1 and back. In the cavity 3 of the dielectric sorbing layer 1, there is a heating element 4 made of ceramic, with a diameter of, for example, 3 mm, with an electric power, for example, 10 W and a voltage of 24 V. The connection of the electrodes 2 of the sensor to the measuring board 5 is carried out using contacts 6. The connection of the heating element 4 with the outputs of the microprocessor 7, located on the measuring board 5, is made through the contacts 8.

Микропроцессор 7 выпускается промышленностью и является покупным узлом [микропроцессор 1886ВЕ61 производства АО «ПКК Миландр», Российская Федерация, г. Зеленоград].Microprocessor 7 is manufactured by the industry and is a purchased unit [microprocessor 1886BE61 manufactured by JSC "PKK Milandr", Russian Federation, Zelenograd].

Первый выход 9 и второй выход 10 микропроцессора 7, представленного на фиг. 2, соединены соответственно с контактами 8 нагревательного элемента 4, а третий выход 11 микропроцессора 7 соединен со входом фильтра-преобразователя 12, размещенного на измерительной плате 5 и предназначенным для преобразования цифрового сигнала в аналоговый электрический сигнал. Выход фильтра-преобразователя 12 соединен со входом операционного усилителя 13, размещенного на измерительной плате 5 и предназначенного для вывода значений выходного сигнала тока. Выход операционного усилителя 13 соединен с цифровым дисплеем 14, предназначенным для вывода выходного сигнала тока. Выходной сигнал тока передается в диспетчерский пункт диспетчеру для проверки выходного сигнала тока (4-20 мА) на соответствие установленным величинам влажности.The first output 9 and the second output 10 of the microprocessor 7 shown in FIG. 2, are connected respectively to the contacts 8 of the heating element 4, and the third output 11 of the microprocessor 7 is connected to the input of the filter-converter 12 located on the measuring board 5 and intended for converting the digital signal into an analog electrical signal. The output of the filter-converter 12 is connected to the input of the operational amplifier 13 located on the measuring board 5 and designed to output the values of the output current signal. The output of the operational amplifier 13 is connected to a digital display 14 for outputting a current output signal. The output current signal is transmitted to the control room to the dispatcher to check the output current signal (4-20 mA) for compliance with the set humidity values.

Интервал включения нагревательного элемента 4 задается в зависимости от величины влажности в анализируемой пробе газа в ручном режиме путем установки комбинации четырех перемычек, расположенных на измерительной плате 5 (на фиг. 1 не показаны) в требуемом диапазоне, например, от 1 до 18 часов или «Отключено» (положение «Включено»: установка каждой из перемычек соответствует определенному диапазону времени, а именно, первая перемычка – 1 час, вторая перемычка – 2 часа, третья перемычка – 5 часов, четвертая перемычка – 10 часов, положение «Отключено» – нагревательный элемент отключен). Время включения нагревательного элемента 4 задается величиной влажности и составляет от 30 секунд до 3 минут, причем во время работы нагревательного элемента 4 и в течение 5 минут после его отключения измерения влажности газа не производятся, так как необходимо время для насыщения чувствительного элемента влагой, содержащейся в анализируемой пробе газа.The interval for turning on the heating element 4 is set depending on the moisture content in the analyzed gas sample in manual mode by setting a combination of four jumpers located on the measuring board 5 (not shown in Fig. 1) in the required range, for example, from 1 to 18 hours or " Disabled "(position" Enabled ": setting each of the jumpers corresponds to a certain time range, namely, the first jumper is 1 hour, the second jumper is 2 hours, the third jumper is 5 hours, the fourth jumper is 10 hours, the position" Disabled "is heating element is disabled). The time for turning on the heating element 4 is set by the value of humidity and ranges from 30 seconds to 3 minutes, and during the operation of the heating element 4 and within 5 minutes after it is turned off, the gas humidity is not measured, since it takes time to saturate the sensitive element with the moisture contained in analyzed gas sample.

Заявляемое техническое решение представляет собой единую конструкцию.The claimed technical solution is a single structure.

Рассмотрим заявляемое техническое решение в использовании.Consider the proposed technical solution in use.

Перед установкой сорбционно-емкостного чувствительного элемента влажности газа на объекты магистрального транспорта газа, проверку его работоспособности выполняют на стенде с эталонной установкой по созданию влажности. Для этого чувствительный элемент устанавливают в измерительную камеру установки, в которую подают воздух с эталонными заданными величинами влажности, равными 10 %, 50 %, 90 %. При изменении количества влаги в измеряемом воздухе, изменяется электрическая емкость чувствительного элемента. Значение величины емкости поступает на вход микропроцессора 7. Полученное значение обрабатывается, после чего сигнал передается в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), являющееся часть микропроцессора 7. В памяти ПЗУ микропроцессора 7 занесена градуировочная характеристика, отражающая зависимость электрической емкости чувствительного элемента от относительной влажности измеряемого газа. По градуировочной характеристике микропроцессор 7 определяет значение влажности газа. Полученный цифровой сигнал, соответствующий значению влажности, передается на вход фильтра-преобразователя 12, где преобразуется в аналоговый электрический сигнал, который далее в виде напряжения поступает на вход операционного усилителя 13, в котором электрический сигнал стабилизируется и преобразуется в стандартный выходной сигнал тока (4-20 мА) и выводится на цифровой дисплей 14. Далее выходной сигнал тока проверяют на соответствие установленным величинам влажности. После каждого измерения выходного сигнала тока включают нагревательный элемент 4 на заданное время для испарения влаги с чувствительного элемента. Время включения нагревательного элемента 4 задается величиной влажности и составляет от 30 секунд до 3 минут.Before installing the sorption-capacitive sensing element of gas humidity on the objects of the main gas transportation, its operability is checked at a stand with a reference installation for creating humidity. To do this, the sensitive element is installed in the measuring chamber of the installation, into which air is supplied with reference preset values of humidity equal to 10%, 50%, 90%. When the amount of moisture in the measured air changes, the electrical capacitance of the sensing element changes. The value of the capacitance value is fed to the input of the microprocessor 7. The obtained value is processed, after which the signal is transmitted to the read-only memory (ROM), which is part of the microprocessor 7. In the ROM memory of the microprocessor 7, a calibration characteristic is entered that reflects the dependence of the electrical capacity of the sensitive element on the relative humidity of the measured gas ... The microprocessor 7 determines the value of the gas moisture according to the calibration characteristic. The obtained digital signal corresponding to the humidity value is transmitted to the input of the filter-converter 12, where it is converted into an analog electrical signal, which is then fed in the form of a voltage to the input of the operational amplifier 13, in which the electrical signal is stabilized and converted into a standard output current signal (4- 20 mA) and is displayed on digital display 14. Next, the current output signal is checked for compliance with the set humidity values. After each measurement of the output current signal, the heating element 4 is turned on for a predetermined time to evaporate moisture from the sensitive element. The time for turning on the heating element 4 is set by the value of humidity and ranges from 30 seconds to 3 minutes.

Claims (1)

Сорбционно-емкостной чувствительный элемент влажности газа, содержащий конденсатор переменной емкости, состоящий из диэлектрического сорбирующего слоя и электродов, пропускающих влагу, своими контактами соединенный с измерительной платой, причем диэлектрический сорбирующий слой выполнен из пористой керамики и заключен между двумя перфорированными электродами, выполненными из коррозионностойкого металла, нанесенными при температурах, близких к температурам плавления металла, отличающийся тем, что дополнительно содержит керамический нагревательный элемент, размещенный в полости диэлектрического сорбирующего слоя, причем контакты керамического нагревательного элемента являются выводами для соединения с выходами микропроцессора.A sorption-capacitive sensing element of gas humidity, containing a capacitor of variable capacity, consisting of a dielectric sorbing layer and electrodes that transmit moisture, connected by its contacts to the measuring board, and the dielectric sorbing layer is made of porous ceramics and is enclosed between two perforated electrodes made of corrosion-resistant metal deposited at temperatures close to the melting temperatures of the metal, characterized in that it further comprises a ceramic heating element placed in the cavity of the dielectric sorbing layer, and the contacts of the ceramic heating element are leads for connection with the outputs of the microprocessor.

Images