Способ измерения влажности газов
METHOD FOR MEASURING THE HUMIDITY OF GASES

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения влажности различных газов, в том числе воздуха.
Влагосодержание газов имеет важное значение в деятельности человека. Поставщик горючего газа поддерживает определенный уровень влажности, поскольку он влияет на теплотворную способность горючего газа. Необходимо измерять и поддерживать влажность воздуха в системах кондиционирования (патент RU 199446 U1, опубл. 01.09.2020; патент RU 2340360 С2, опубл. 10.12.2008).
В отличие от твердых веществ, где влагосодержание можно определить путем удаления влаги за счет температурного воздействия (заявка RU 95103126 А1, опубл. 27.12.1996), в случае газов используют параметрические функции, например, значения радиояркостных температур, получаемых по радиометрическим каналам (заявка RU 2013120820 А, опубл. 20.11.2014). Параметрическая характеристика использована в способе определения остаточной влажности биопрепаратов (заявка RU 94023883 А1, опубл. 20.04.1996).
Получили распространение в качестве первичных, емкостные преобразователи влажности (заявка RU 94030042 А1, опубл. 20.06.1996). В этих технических решениях используется зависимость электрической емкости конденсатора от влажности. Однако при построении измерительной электрической цепи не учитывается тот факт, что эквивалентную схему конденсатора отражают два параметра - электрическая емкость и сопротивление утечки. Оба этих параметра являются функциями влажности. Повышение точности измерения влажности возможно за счет использования какой-либо характеристики среды в функции влажности. Применительно к емкостным преобразователям это зависимость удельной электрической проводимости (или обратной величины - удельного электрического сопротивления) от влажности.
Таким образом, известным измерителям влажности сопутствует общий недостаток - ограниченная точность измерения влажности из-за неучета нелинейности характеристик первичных преобразователей.
В качестве прототипа принято техническое решение по заявке на изобретение RU 94042610 Α1, МПК G01N 27/22, опубл. 27.09.1996 - способ измерения влажности и устройство для его осуществления. В соответствии с этим способом составляют измерительную электрическую цепь в составе последовательно соединенных генератора синусоидальных колебаний, емкостного преобразователя влажности и нагрузки. В качестве нагрузки применен образцовый конденсатор. В этой измерительной электрической цепи сначала определяют фазовый сдвиг между напряжением на образцовом конденсаторе и емкостном преобразователе влажности, затем измеряют отношение амплитуды напряжения на емкостном преобразователе влажности к амплитуде напряжения на образцовом конденсаторе, а влажность исследуемого материала вычисляют по приведенной формуле. Формула содержит коэффициент пропорциональности. Постоянство этого коэффициента ограничивает точность измерения, поскольку характеристики емкостного преобразователя влажности не линейны - в функции влажности нелинейно изменяются относительная диэлектрическая проницаемость и электропроводность среды.
х
0
Последовательное соединение емкостного преобразователя влажности С и образцового конденсатора С приводит к уменьшению суммарной емкости С
х
0
соответственно, суммарная емкость С меньше любой из составляющих С и С. С уменьшением емкости уменьшается фазовый сдвиг, соответственно, растет погрешность его измерения.
Электронный блок устройства построен на основе вычислителя, в качестве которого принята микро ЭВМ. Конструктивные решения устройства отражены в сравнительно общих чертах.
Техническим результатом предлагаемого решения является разработка способа и устройства для измерения влажности газов.
Решаются задачи:
1. Разработка и обоснование способа определения влажности газов.
2. Разработка основных технических решений по созданию конструктивно простого устройства для определения влажности газов.
3. Обоснование применяемых технических решений. Предлагаемый способ измерения влажности газов заключается в том, что составляют измерительную электрическую цепь в составе последовательно соединенных емкостного преобразователя влажности, генератора синусоидальных колебаний и нагрузки, определяют фазовый сдвиг напряжений нагрузки и генератора синусоидальных колебаний, при этом нагрузку выполняют в виде активного электрического сопротивления, величина которого многократно превышает электрическое сопротивление утечки емкостного преобразователя влажности, при этом измеряют фазовый сдвиг по величине относительного временного сдвига, по полученному значению вычисляют относительную диэлектрическую проницаемость газа путем деления константы измерительной электрической цепи на измеренную величину относительного временного сдвига, затем по параметрической характеристике газа в виде зависимости относительной диэлектрической проницаемости в функции влажности определяют значение влажности газа.
Способ базируется на фундаментальных соотношениях свойств влажного газа и параметров емкостного преобразователя, который рассматривается в виде классической модели в составе двух параметров - электрической емкости и сопротивления утечки.
Газ, как любое вещество, характеризуется рядом параметров. В отличие от твердых веществ параметры газов отражаются в виде функций, одной из которых является зависимость относительной диэлектрической проницаемости ε от влажности δ:
В отдельных случаях учитывают влияющие факторы, например, температуру. Тогда функция (1) превращается в семейство функций. Для предлагаемого способа это не изменяет принципа измерения.
Воспользуемся этой зависимостью.
Две металлические поверхности (обкладки) площадью S, разделенные промежутком d, образуют электрический конденсатор емкости С
0
где ε - физическая константа - диэлектрическая проницаемость вакуума;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками конденсатора.
н
Поместим конденсатор (2) в среду газа и образуем последовательную электрическую цепь с источником синусоидальных колебаний (генератором) G и нагрузкой в виде активного сопротивления (резистора) R - см. фиг. 1.
Обозначим действующие электрические величины:
g
U - напряжение генератора;
н
U - напряжение на резисторе нагрузки;
I - ток в цепи
Полное сопротивление цепи:
с
где Х - реактивное сопротивление конденсатора;
c
н
R=R+R - активное сопротивление цепи;
c
R - активное сопротивление конденсатора (сопротивление утечки).
Сопротивление утечки для плоского конденсатора:
где ρ, γ - соответственно удельное электрическое сопротивление и удельная электрическая проводимость среды
н
С появлением и увеличением влажности среды сопротивление (4) быстро уменьшается за счет роста электропроводности γ. С учетом этого факта выберем сопротивление нагрузки R достаточно большим, чтобы обеспечить условие
Тогда с достаточной точностью полное сопротивление цепи будет равно
где  - реактивное сопротивление конденсатора;
ω - циклическая частота напряжения генератора G.
В действующих величинах получим ток в цепи:
напряжение на резисторе нагрузки
Угол сдвига фаз тока и напряжения ϕ определится
На фиг. 2 изображены нормированные графики мгновенных значений напряжения генератора и нагрузки:
в функции времени t.
Фазовому сдвигу ϕ на временной оси соответствует временной сдвиг ΔТ.
G
Для исключения влияния нестабильности собственной частоты ƒ генератора воспользуемся относительным сдвигом
где
В реальных условиях угол сдвига фаз φ сравнительно мал, поэтому можно принять
С учетом формул (2), (8), (10), (12) получим значение относительной диэлектрической проницаемости газа для измерительной цепи с плоским конденсатором
или
где
константа измерительной цепи.
Иногда целесообразно использовать конденсатор с цилиндрическими обкладками, электрическая емкость которого равна:
2
2
где r, r - радиусы внешнего и внутреннего цилиндров;
- длина цилиндра.
Константа измерительной цепи с цилиндрическим конденсатором равна:
Таким образом, предлагаемый способ измерения влажности газов позволяет по относительному временному сдвигу напряжений генератора синусоидальных колебаний и нагрузки вычислить фактическое значение относительной диэлектрической проницаемости, затем по параметрической характеристике газа получить величину влажности.
Указанный выше технический результат достигается также тем, что в устройстве для измерения влажности газов, содержащем корпус с каналом для прохождения газа, в котором размещен емкостной преобразователь влажности и электронный блок, содержащий генератор синусоидальных колебаний, нагрузку измерительной электрической цепи и вычислитель, электронный блок снабжен формирователями синусоидального напряжения генератора синусоидальных колебаний и напряжения нагрузки, ячейкой памяти для записи константы измерительной электрической цепи и параметрической характеристики газа в виде зависимости относительной диэлектрической проницаемости в функции влажности, индикатором результата и кнопкой управления, при этом выходы формирователей и ячейки памяти соединены со входами вычислителя, а выход последнего соединен с индикатором, а также тем, что емкостной преобразователь влажности выполнен в виде цилиндрического конденсатора.
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг. 1. Электрическая принципиальная схема измерительной электрической цепи;
Фиг. 2. Нормированные графики мгновенных напряжений на генераторе синусоидальных колебаний и нагрузке;
Фиг. 3. Осевой разрез устройства для измерения влажности газов;
Фиг.4 . Вид А по фиг. 3.
Принятые обозначения
1. Корпус
2. Электронный блок
3. Внешняя обкладка конденсатора
4. Внутренняя обкладка конденсатора
5,6. Отгибы обкладок конденсатора
7,8. Крепежные винты обкладок
9,10. Монтажные провода обкладок
11. Термопара
12. Вентилятор
13. Крышка вентилятора
14. Отверстия крышки вентилятора
15. Монтажные провода вентилятора
16. Электрический разъем
17. Винты крепления крышки вентилятора
18. Защитная крышка
19. Винты защитной крышки
20. Отверстия защитной крышки.
Монтажной основой служит корпус 1 в форме детали токарного типа из электроизоляционного материала. На внешней цилиндрической поверхности корпуса выполнена площадка, на которой закреплен электронный блок 2. Цилиндрический конденсатор представлен внешней 3 и внутренней 4 электропроводными обкладками. Форма обкладок однотипна. Каждая из них на торце цилиндрической части имеет расположенные под углом 120° по три отгиба 5, 6 с отверстиями под крепежные винты 7, 8. Концевые части всех отгибов выполнены по цилиндрической поверхности, коаксиальной поверхности обкладок конденсатора. За счет такого исполнения отгибов обеспечивается базирование обкладок в расточках корпуса. Попутно заметим, что из соображений наглядности некоторые линии проекционной связи на фиг. 3 не показаны. Электрическое соединение обкладок с электронным блоком осуществляется монтажными проводами 9, 10, которые расположены в отверстиях корпуса.
Предусмотрен канал измерения температуры, который на фиг. 3 представлен термопарой 11.
Для прокачки газа через конденсатор предусмотрен вентилятор 12 малой мощности. Вентилятор закреплен на крышке 13, которая по кругу имеет группу отверстий 14. Электрическая связь электродвигателя вентилятора с электронным блоком обеспечивается монтажными проводами 15 через электрический разъем 16. Крепление крышки вентилятора на корпусе осуществляется винтами 17. Второй торец корпуса содержит защитную крышку 18, закрепляемую винтами 19. Защитная крышка имеет расположенную по кругу группу отверстий 20.
Электронный блок 2 выполнен по технологии микроэлектроники. Конструктивно он содержит печатную плату с электронными компонентами, аккумулятор электропитания, индикатор результата измерения и кнопку включения. Функциональными элементами печатной платы являются - два формирователя, которые преобразуют одну полуволну напряжений генератора синусоидальных колебаний и нагрузки в прямоугольную форму, элемент памяти для записи константы измерительной электрической цепи и параметрической характеристики газа (зависимости относительной диэлектрической проницаемости в функции влажности) и вычислитель. Входная информация на вычислитель поступает от двух формирователей и ячейки памяти. По окончании работы вычислителя результат нахождения влажности газа отражается на индикаторе. На индикатор так же выводится значение температуры канала, построенного по типовой схеме на базе термопары.
Основными тактами работы вычислителя являются:
1. Кодирование временного сдвига между ближайшими фронтами импульсов формирователей напряжений генератора синусоидальных колебаний, и нагрузки.
2. Кодирование периода колебаний - интервала времени между ближайшими фронтами импульсов одного формирователя.
3. Вычисление отношения результата первого такта к результату второго такта.
4. Перенос из ячейки памяти значения константы измерительной электрической цепи в оперативную память.
5. Деление результата четвертого такта на результат третьего такта.
6. Перенос из ячейки памяти параметрической характеристики газа в оперативную память.
7. Нахождение по значению результата пятого такта влажности газа.
Канал измерения температур носит вспомогательный характер. Значение температуры может быть учтено в виде табличной поправки для специальных условий измерения. В целом, устройство для измерения влажности газов представляет собой переносный прибор для работы при атмосферном давлении. Преимущественные области применения -измерение влажности воздуха в помещениях, пещерах и на открытом пространстве.
Работает устройство для измерения влажности следующим образом. Помещают устройство в измеряемый газ и кнопкой управления подключают аккумулятор к элементам электрического блока и электродвигателю вентилятора. Прохождение газа между обкладками емкостного преобразователя влажности (цилиндрического конденсатора) приводит к изменению электрической емкости, появляется фазовый сдвиг напряжений генератора синусоидальных колебаний и нагрузки. Вычислитель по формуле (14) и значению константы (17) находит значение относительной диэлектрической проницаемости, сопоставляет эту величину с параметрической характеристикой газа и результат выводится на индикатор.
Таким образом, предлагаемый способ измерения влажности газов позволяет с высокой достоверностью получить значение влажности исследуемого газа. Способ реализуется в виде простых конструктивных решений. Электронный блок устройства для измерения влажности газов выполнен из типовых элементов электроники.