СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ГАЗА
METHOD OF MEASURING GAS HUMIDITY

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах технологического контроля влажности газов, особенно в производствах, в которых затруднен или невозможен доступ к датчикам влажности, например, в мощных турбогенераторах или ядерно-энергетических установках.
Основным требованием к гигрометрам, используемым в системах диагностики влажности газа в объеме мощных турбогенераторов или диагностики течей теплоносителя в контурах реакторных установок атомных электростанций, является долговременная стабильность их метрологических характеристик.
Известно несколько способов достижения долговременной стабильности характеристик гигрометров. Согласно одному из них по патентам РФ №№2184369 [1], 2369863 [2] периодически вместо емкостного сенсора влажности подключается образцовый конденсатор, а вместо терморезистора - образцовое сопротивление. По результатам измерений параметров образцовых элементов вводятся поправки в градуировочную характеристику гигрометра. Подобный способ решает задачу повышения долговременной стабильности погрешности гигрометров в незначительной степени, поскольку калибровке подвергается только часть измерительного канала, связанная с преобразованием электрического измерительного сигнала. А подобные преобразователи (измерительные трансформаторы, усилители, АЦП) весьма стабильны. Главный источник нестабильности - датчик влажности - не подвергается калибровке, и погрешность измерений нарастает во времени.
По патенту РФ №2268509 [3] предложено, в дополнение к измерениям влажности в воздуховодах вытяжной вентиляции помещений атомной реакторной установки, измерять влажность воздуха дополнительным эталонным каналом. Согласно изобретению «датчики измерительных каналов контролируемых помещений соединены с компьютерным средством сигнализации, срабатывающим при соответствующей разнице показаний любого из измерительных каналов с эталонным» [3, стр.4]. Допустить, что погрешность результатов измерений по рассматриваемому способу содержит погрешность, равную или меньше погрешности одного канала измерений, можно только в том случае, если:
- систематические составляющие основной погрешности всех каналов равны по величине и одинаковы по знаку;
- случайные составляющие основной погрешности коррелированы с коэффициентом корреляции, близким к 1;
- погрешности от функций влияния одинаковы;
- временной дрейф погрешностей всех каналов одинаков.
Поскольку нет никаких предпосылок для выполнения приведенных требований, то нет оснований предполагать, что погрешность разности показаний двух каналов гигрометра будет меньше суммарной композиции их индивидуальных погрешностей. Таким образом, сформулированная цель повышения долговременной стабильности показаний не достигается.
Наиболее близким техническим решением является способ измерения влажности газов, изложенный в описании сорбционно-частотного гигрометра «Волна-5» [4]. Согласно описанию [4, раздел 14] гигрометр должен не реже одного раза в 1,5 месяца подвергаться юстировке. Если температура газа в процессе эксплуатации прибора отлична от (20±5)°С, то «периодичность юстировки должна определяться потребителем». Процедура юстировки, согласно описанию, заключается в следующем.
- Датчик гигрометра отключают от точки отбора газа и подключают к образцовому генератору влажного газа «Родник-2».
- На образцовом генераторе устанавливают при температуре газа (20±2)°С последовательно относительную влажность 35% и 85%; полученные значения измерений при указанных влажностях служат исходными данными для коррекции градуировочной характеристики гигрометра.
- В случае отсутствия образцового генератора «Родник-2» к датчику гигрометра последовательно подсоединяют входящие в комплект поставки гигрометра юстировочные стаканы с относительными влажностями соответственно 33% и 85% при температуре (20±2)°С; процесс коррекции градуировочной характеристики выполняется аналогично предыдущему случаю.
Недостатками рассмотренного способа измерения и коррекции градуировочной характеристики является необходимость периодического демонтажа датчика гигрометра с объекта, в котором измеряется влажность газа; отсутствие учета свойств реальной измеряемой среды (давления газа, величины его расхода, реальной его температуры и т.д.); необходимость создания нормированного температурного режима выполнения процедур юстировки, а именно (20±2)°С.
Технической задачей, решаемой изобретением, является автоматизация корректировки градуировочной характеристики гигрометра в процессе измерений и обеспечение долговременной стабильности погрешности измерений.
Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения влажности газа, включающем операции преобразования измеряемой величины в параметр электрического сигнала, передаваемого по измерительному каналу и периодической коррекции градуировочной характеристики гигрометра, дополнительно газ, чья влажность измеряется, охлаждается изобарически до температуры ниже точки росы, определяемой по результатам предшествующих измерений, и полученный газ с точно известной влажностью используется для корректировки градуировочной характеристики гигрометра.
На чертеже приведен пример реализации способа.
Подлежащий измерению газ подается на холодильник, содержащий теплообменник 1, охлаждающий элемент (например, элемент Пельтье) 2 и термометр (например, термометр сопротивления) 3. Выход холодильника присоединен через трубку к измерительной камере 4, в которой расположены датчики влажности и температуры. Датчики соединены с платой 5, содержащей промежуточные измерительные преобразователи (резистивные и емкостные мосты, усилители, фильтры, детекторы, АЦП). Выходы платы преобразователей 5 соединены с вычислителем 6, сигналы которого подаются на терморегулятор 7 и представляются потребителю измерительной информации в виде чисел на дисплее или электрических сигналов (цифровых, токовых и т.д.); устройства представления информации на чертеже условно не показаны. К терморегулятору 7 подключены также термометр 3 и охлаждающий элемент 2.
В режиме измерений влажный газ поступает через теплообменник 1 в камеру 4, в которой влажность и температура газа преобразуется датчиками в соответствующие параметры электрического сигнала. Холодильник не оказывает на проходящий газ никакого влияния - сохраняются его температура, давление, значение расхода. Поэтому датчики, преобразователи и вычислитель работают в режиме гигрометра и отображают на выходе вычислителя результаты измерений влажности и (при необходимости) температуры газа.
Периодически через запрограммированные в вычислителе интервалы времени включается режим коррекции градуировочной характеристики. В этом режиме вычислитель по последним измеренным результатам относительной влажности вычисляет температуру точки росы пара в газе.
Для пояснения выполняемых операций рассмотрим работу прибора в режиме коррекции на примере. Последние измерения параметров газа дали значения: температура газа t=20°С, относительная влажность φ=30%. Вычислитель по формуле Магнуса, уравнению Всемирной метеорологической организации или гигрометрическим таблицам [5, стр.10-19] переводит относительную влажность пара в температуру точки росы. Для рассматриваемого примера точка росы τ=2°С. Полученный результат отличается от действительного значения влажности на величину погрешности измерений. Если гигрометр имеет характеристики прототипа (гигрометра «Волна-5»), то предел основной погрешности равен 2,5% и предел вариации показаний также 2,5%. В предельном случае максимальной погрешности можно утверждать, что действительное значение относительной влажности лежит в интервале от 25% до 35%.
Вычислитель 5 подает на терморегулятор управляющий сигнал: установить влажность, соответствующую нижней границе результата измерений, т.е. установить температуру холодильника, соответствующую температуре точке росы при 25% относительной влажности или, с некоторым запасом, при 24%. Точка росы при 24% относительной влажности согласно гигрометрическим таблицам равна минус 1°С.
Терморегулятор 7 подает ток на охлаждающий элемент 2 до тех пор, пока термометр 3 не установит, что температура газа понизилась с 20°С до минус 1°С. Избыток пара в теплообменнике по мере понижения температуры газа конденсируется в жидкую воду и номинальная влажность газа на выходе из холодильника (погрешность работы терморегулятора обычно не более 0,2%) будет равна минус 1°С по точке росы.
Терморегулятор 7 выдает сигнал в вычислитель 5 о достижении заданной температуры газа и начале измерений в режиме коррекции. Производится измерение точно известного значения влажности газа (в данном примере - относительная влажность равна 24%). Полученный результат измерений служит для выработки корректирующей поправки градуировочной характеристики гигрометра. Например, в результате измерения получено значение влажности 25,5%. Поправка, суммируемая с последующими результатами измерений, равна, следовательно, Δφ=-1,5%.
После определения величины поправки вычислитель подает команду на выключение холодильника (или его ускоренный прогрев для испарения капельной влаги, образовавшейся в теплообменнике), и после переходного процесса восстановления первоначальной температуры газа гигрометр переходит в режим измерений до следующего цикла корректировки.
Для ускорения переходного процесса возврата в режим измерения можно подавать газ на гигрометр через две магистрали: основную и байпасную, в которой устанавливают холодильник. В этом случае в режиме измерений газ будет поступать непосредственно на гигрометр по основной магистрали. Подача газа через байпас предотвращается запирающим клапаном. В режиме корректировки подача газа по основной магистрали прекращается (запирается клапан основной магистрали), и охлажденный газ поступает по байпасной линии. После корректировки клапан байпасной магистрали запирается, основной открывается, и сразу же восстанавливается штатный режим измерений.
Погрешность измерений можно дополнительно снизить, если газ с образцовым значением влажности во время корректирующих измерений прогреть после холодильника до равновесной температуры газа в измерительной камере 4 гигрометра. В этом случае корректирующий сигнал получается не только на рабочем газе при рабочих давлениях, но и при его рабочей температуре. Каких-либо доработок прибора указанное условие не требует, достаточно сделать трубку между выходом холодильника и входом измерительной камеры достаточной длины для прогрева газа при протекании по ней.
1
2
Корректировка градуировочной характеристики гигрометра может быть выполнена с еще большей точностью, если скорость изменения влажности газа низка, как это имеет место в мощных турбогенераторах или реакторных зонах атомных электростанций - десятки минут или часы. В этом случае после получения корректирующего значения влажности φ его заносят в память вычислителя и подают вторую команду на терморегулятор о понижении температуры до более низкого значения (еще на 2-3 градуса). При этом получают газ со вторым точно известным значением температуры точки росы, измерение влажности которого дает второе точное значение относительной влажности φ. По двум полученным значениям относительной влажности вычисляется не просто поправка к градуировочной характеристике, но и ее реальный тангенс угла наклона; по сути - в области нахождения текущей влажности газа строится точная локальная градуировочная характеристика.
Введение в способ измерения влажности газа, включающий операции преобразования измеряемой величины в параметр электрического сигнала, передаваемого по измерительному каналу и периодической коррекции градуировочной характеристики гигрометра, дополнительных операций изобарического охлаждения газа до температуры ниже точки росы, определяемой по результатам предшествующих измерений, и использования полученного газа с точно известной влажностью для корректировки градуировочной характеристики гигрометра, позволяет корректировать градуировочную характеристику гигрометра без демонтажа прибора, используя рабочий газ с его реальными характеристиками (давлением, расходом, температурой). Указанные обстоятельства резко повышают долговременную стабильность метрологических характеристик гигрометров и точность измерений влажности газов, а кроме того, упрощают эксплуатацию гигрометров.
Источники информации
1. Описание изобретения к патенту РФ №2184369, кл. G01N 25/56, Устройство для измерения влажности воздуха.
2. Описание изобретения к патенту РФ №2369863, кл. G01N 25/56, Устройство для измерения влажности воздуха.
3. Описание изобретения к патенту РФ №2268509, кл. G21C 17/07, Система регистрации течей теплоносителя 1-го контура реакторных установок атомных электростанций (СРТ).
4. Гигрометр Волна-5. Паспорт 5К1.550.102 ПС.
5. Бегунов А.А. Теоретические основы и технические средства пирометрии. - М.: Стандарты, 1988, с.176.