Электролитические анализаторы на основе пятиокиси фосфора

Впервые эти анализаторы были разработаны компанией DuPont Instruments (ныне AMETEK Process Instruments). Анализаторы «Байкал», использующие этот принцип, измеряют массу воды, поглощенной пятиокисью фосфора.

Рисунок 1.2 – Электролитический анализатор AMETEK 303B [1]

(а) Как и в анализаторе температуры точки росы, принцип измерения – равновесный. Следовательно, время отклика в диапазоне малых концентраций достаточно большое. Тем не менее, электролитические приборы достаточно быстро «откликаются» на увеличение влажности и крайне медленно – на ее уменьшение.

(б) Эти датчики имеют ограничение по диапазону как сверху, так и снизу. Реальный

диапазон таких анализаторов – от 20 ppm до 2000 ppm – в целом вполне приемлем для измерения влажности природного газа. Ограничение сверху связано с тем, что при уровне влажности свыше 2000 ppm пятиокись фосфора очень быстро насыщается водой, что приводит к образованию и росту дендритных структур, закорачивающих измерительную ячейку. Снизу диапазон ограничен из-за высушивания пятиокиси фосфора и непрерывного уноса части порошка. Другое ограничение – существование небольших токов утечки, сопоставимых при малых концентрациях с током, вызванным диссоциацией воды.

(в) Фундаментальным недостатком этих анализаторов является неспособность отличить воду от метанола или ДЭГа. Сигнал такого прибора будет пропорционален суммарному содержанию этих компонентов в потоке, а не концентрации воды. По этой причине такие анализаторы не подходят для управления работой установок осушки газа ДЭГом. Для установок осушки молекулярными ситами эти анализаторы также непригодны в силу ограниченности диапазона. Калибровка таких анализаторов, по существу, расчетная. Принимается, что достаточно поверить только электрическую часть. В большинстве приборов нельзя изменить параметры калибровки чувствительного элемента, даже если выявлено расхождение показаний анализатора с эталоном влажности. Обычно такое расхождение устраняется с помощью очистки ячейки и нанесения нового слоя пятиокиси фосфора. Единственная задача, для решения которой используются эти анализаторы, – периодический мониторинг влажности в трубопроводах. Для стационарного измерения в потоке газа такой прибор мало пригоден хотя бы из-за загрязнения капиллярных каналов чувствительного элемента мехпримесями.

Емкостные анализаторы на основе Al₂O₃ или SiO₂

Наиболее характерными представителями таких анализаторов является семейство приборов, изготавливаемых компанией Panametrics. Эти анализаторы получили широкое распространение, в основном, благодаря низкой стоимости чувствительного элемента. К другим преимуществам можно отнести простоту монтажа, возможность организации многоканальных измерений, и простую реализацию взрывозащиты на основе искробезопасных барьеров.

Рисунок 1.3 – Емкостной анализатор Panametrics [1]

Однако эти приборы имеют серьезные недостатки при анализе природного газа на потоке.

(а) Как и всякий равновесный анализатор, емкостные датчики имеют большое время отклика при уменьшении влажности. Так, в диапазоне 100 – 20 ppm время отклика такого датчика составляет примерно 30 минут, а в диапазоне 20 – 10 ppm – уже около одного часа. Таким образом, эти анализаторы вряд ли пригодны для управления работой установок осушки, использующих молекулярные сита.

(б) На установках осушки ДЭГом непосредственное использование этих анализаторов также невозможно. При установке в поток датчик достаточно быстро «обрастает» пленкой ДЭГа и начинает измерять концентрацию воды в этой пленке, а не в самом газе. Поэтому для использования таких датчиков необходимо разрабатывать специальные системы пробоотбора, которые сводят на нет многие преимущества. Та же проблема существует и при анализе влажности газа в магистральном трубопроводе. Следы компрессорного масла, высококипящих углеводородов и гидратов постепенно накапливаются на поверхности датчика, меняя его характеристики.

(в) Такие датчики не в состоянии отличить воду от метанола в газе, и выдают сигнал, пропорциональный их общей концентрации в потоке.

(г) Отдельно следует сказать о погрешности этих датчиков. Как уже отмечалось, они измеряют парциальное давление паров воды, а значение температуры точки росы получается расчетным способом. В то же время для температур ниже –40 ^оС такого перевода, нормированного ASTM или ГОСТ, просто не существует (таблица 1.1).

Таким образом, перевод единиц измерения в температуру точки росы ниже –40 ^оС является произвольным. Для корректности этого преобразования необходимо дополнительно измерять и температуру. В то же время, показания встроенного термометра сопротивления, которым комплектуются датчики на основе Al₂O₃, не используются для коррекции влияния температуры на перевод давления паров в единицы температуры точки росы.

Погрешность «измерения» температуры точки росы такими датчиками, заявляемая изготовителями, составляет ±1…±2 ^оС в диапазоне ниже –40 ^оС (с учетом отсутствия коррекции по температуре эта погрешность намного больше!). Такая погрешность вполне достаточна для измерения влажности после осушки ДЭГом. Однако для осушки молекулярными ситами (ниже –70 ^оС) эта погрешность в абсолютных единицах – мг/м³ – достигает 30% от измеряемой величины (а с учетом отсутствия коррекции по температуры – до 50%). Такое значение погрешности неприемлемо ни для одной задачи измерения влажности газа.

(д) Основная проблема при калибровке таких датчиков – это неустранимый дрейф нуля, вызванный остаточными химическими реакциями, которые используются для получения Al₂O₃. Поэтому изготовители рекомендуют калибровать эти датчики раз в 6 месяцев. Такая калибровка производится только на заводе-изготовителе, для чего датчик должен быть демонтирован и отправлен поставщику или изготовителю. Чтобы избежать этой процедуры в дополнение к таким датчикам обычно предлагаются простейшие генераторы влажности, позволяющие проверить правильность показаний датчика при атмосферном давлении. Но и в этом случае датчик должен быть демонтирован Таким образом, несмотря на пока еще широкое распространение в газовой промышленности, подобные датчики утрачивают лидерство, так как приведенные выше принципиальные ограничения просто невозможно преодолеть.

Таблица 1.1 – Определение температуры точки росы газа по воде [3]

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: