Генератор влажного газа

Заявленное решение относится к системам увлажнения, в частности может быть использовано для увлажнения газа в установках (генераторах влажности), которые используются в качестве эталонов в метрологических службах, где проводятся калибровки, поверки, сличения, исследования и испытания измерителей влажности.
Анализ существующих методов и средств, предназначенных для выполнения процедур градуировок и поверок гигрометров по параметру относительной влажности, показывает, что метод смешения потоков газа, согласно которому для получения газа, имеющего необходимую влажность, смешивают, в определенных соотношениях два воздушных потока с различной, но постоянной влажностью, является наиболее проработанным в научном и техническом аспектах, с точки зрения точности, быстродействия, диапазона возможных значений по влажности и температуре, производительности, простоты реализации. Важным преимуществом метода является также возможность быстрого изменения уровня влажности при установившемся температурном режиме, что обеспечивает как высокую производительность, так и возможность исследования динамических характеристик гигрометров.
Для объективной оценки полученных величин влажности в таких установках используются, как правило, контрольные образцовые средства измерения. Обязательным условием стабильного поддержания заданного уровня влажности является постоянство и равномерность температуры в объеме рабочей камеры.
На методе смешения потоков основаны генераторы влажного газа производства компании «Michell Instruments», например, модель S904, создающая паровоздушный поток в диапазоне от 10% до 90% относительной влажности [Humidity calibration solutions. Calibration instruments. Humidity and temperature generator S 904. Michell Instruments, GB, 2010. www.michell.com]. Недостатком такого генератора является сложная схема управления потоками сухого и влажного воздуха, содержащая измерители потоков и электромагнитные клапаны, которые сами по себе являются сложными дорогостоящими устройствами с ограниченным сроком службы.
Наиболее близким, взятым в качестве прототипа является генератор влажного газа по патенту №134297, 2013 г., патентообладатель ООО "Научно-техническое предприятие "ТКА" (RU), который содержит канал сухого газа, состоящий из малогабаритного компрессора, ресивера, осушительного патрона, пылеулавливающего фильтра и контрольного ротаметра осушаемого газа и канал влажного газа, содержащий насытитель с водомерной камерой, а также смесительную камеру, в которую поступают потоки сухого и влажного газа, контрольный датчик влажности и блок рабочих камер, микропроцессорную систему, предназначенную для управления режимами работы генератора и регулирования потоков в каналах сухого и влажного газа и соединенную с малогабаритными воздушными компрессорами каналов сухого и влажного газа, с органом управления работой генератора, с узлом поддержания температуры насытителя и с встроенным в смесительную камеру контрольным термогигрометром, при этом малогабаритные воздушные компрессоры, охвачены обратной связью по уровню задаваемой влажности и двумя обратными связями по напряжению, а канал влажного газа содержит последовательно расположенные малогабаритный воздушный компрессор, ресивер влажного канала и пылеулавливающий фильтр, выход которого подключен к входу насытителя, снабженного системой термостатирования, подключенной к узлу поддержания температуры насытителя. Потоки сухого и влажного газа регулируют подачей соответствующих напряжений питания на малогабаритные воздушные компрессоры.
Основным недостатком рассмотренного генератора является ограничение типов испытуемых термогигрометров, оснащенных выносными цилиндрическими зондами соответствующих размеров. В обращении находится большое количество термогигрометров, которые представляют собой монолитные прямоугольные конструкции значительных габаритов, со встроенными в них датчиками и объемом в единицы литров. Наблюдается также растущая потребность в беспроводных (логгерных) системах контроля относительной влажности, различных габаритов и конструкций.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, заключается в повышении производительности, надежности и долговечности работы генератора, а также в расширении функциональных возможностей генератора, за счет обеспечения контрольных измерений параметров термогигрометров различных размеров.
Технический результат достигается за счет того, что в известном генераторе влажного газа, содержащем канал сухого газа, состоящий из малогабаритного компрессора, ресивера, осушительного патрона, пылеулавливающего фильтра и контрольного ротаметра осушаемого газа и канал влажного газа, содержащий насытитель с водомерной камерой, а также смесительную камеру, в которую поступают потоки сухого и влажного газа, контрольный датчик влажности и блок рабочих камер, микропроцессорную систему, соединенную с малогабаритными воздушными компрессорами каналов сухого и влажного газа, с органом управления работой генератора, с узлом поддержания температуры насытителя и с встроенным в смесительную камеру контрольным термогигрометром, при этом малогабаритные воздушные компрессоры, охвачены обратной связью по уровню задаваемой влажности и двумя обратными связями по напряжению, а канал влажного газа содержит последовательно расположенные малогабаритный воздушный компрессор, ресивер влажного канала и пылеулавливающий фильтр, выход которого подключен к входу насытителя, снабженного системой термостатирования, подключенной к узлу поддержания температуры насытителя, согласно заявленному решению, он дополнительно содержит встроенную камеру влажности, в которой установлен контрольный термогигрометр, соединенный с информационным дисплеем и систему распределения рабочей паровоздушной смеси, состоящую из газового тройника, двух электромагнитных пневмоклапанов, трехпозиционного переключателя с нейтральным положением, двух электромагнитных реле, двух контрольных ламп, кроме того, он снабжен системой контроля качества осушителя, состоящей из камеры для контроля остаточной влажности осушителя, контрольного датчика остаточной влажности в канале осушителя и индикатора превышения остаточной влажности осушителя выше допустимого уровня, а в водомерную камеру встроены электронный датчик минимально допустимого уровня воды и электронный датчик максимально допустимого уровня воды. А также за счет того, что встроенная камера влажности снабжена прозрачной фронтальной дверцей.
Заявленный генератор влажного газа снабжен встроенной камерой влажности. Камера имеет прозрачную фронтальную дверцу, для возможности визуального контроля и оснащена дополнительным контрольным термогигрометром, связанным с дополнительным информационным дисплеем. Генератор также снабжен системой распределения рабочей паровоздушной смеси, состоящей из газового тройника, двух электромагнитных пневмоклапанов, трехпозиционного переключателя с нейтральным положением; двух электромагнитных реле, двух контрольных ламп, отображающих режимы подачи рабочей паровоздушной смеси в рабочие камеры генератора. Система распределения рабочей паровоздушной смеси обеспечивает три режима работы генератора:
- подача рабочей смеси только в блок рабочих камер;
- подача рабочей смеси только во встроенную камеру влажности;
- одновременная подача рабочей смеси в блок рабочих камер и во встроенную камеру влажности.
В заявленном генераторе введен контроль минимально допустимого и максимально допустимого уровней воды в насытителе (барботере), с помощью электронных датчиков, встроенных в водомерную камеру, при этом сигнал от электронного датчика минимально допустимого уровня воды поступает на индикатор минимального уровня воды в насытителе (барботере), а сигнал от электронного датчика максимально допустимого уровня воды поступает в микропроцессорную систему. Кроме этого, в генераторе влажного газа введена система контроля качества осушителя (его остаточной влажности), которая содержит: камеру для контроля остаточной влажности осушителя, в которой расположен зонд контрольного датчика остаточной влажности, информация от которого поступает на индикатор превышения остаточной влажности осушителя выше допустимого уровня.
Преимуществами заявленного решения являются:
1. Встроенная камера влажности существенно расширяет номенклатуру испытуемых термогигрометров, имеющих значительные габариты.
2. Система распределения рабочей паровоздушной смеси позволяет производить испытания как в отдельных рабочих камерах (18 или 23), так и одновременно во всех камерах, 18 и 23, что существенно повышает производительность испытаний.
3. Система контроля качества осушителя позволяет вести в режиме реального времени наблюдение за состоянием осушительного сорбента и принимать своевременное решение о его замене, что повышает качество работы генератора и достоверность проводимых измерений.
4. Введение системы контроля минимально допустимого и максимально допустимого уровней воды в насытителе (барботере) повышает надежность и долговечность работы генератора и обеспечивает своевременность необходимых регламентных работ.
Заявленное решение поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 - представлена функциональная схема генератора
На схеме позициями обозначены:
Генератор влажного газа конструктивно представляет собой моноблок, в котором расположены: канал сухого воздуха, состоящий из системы отбора атмосферного воздуха, его осушения и транспортирования, включая компрессор сухого канала 1, ресивер сухого канала 2, осушительный патрон 3, заполняемый силикагелем, пылеулавливающий фильтр 4, контрольный ротаметр расхода осушаемого воздуха 5; канал влажного воздуха, состоящий из системы отбора атмосферного воздуха, его увлажнения и транспортирования, включая компрессор влажного канала 6, ресивер влажного канала 7, пылеулавливающий фильтр 8, насытитель (барботер) 9, снабженный системой термостатирования 10, индикатором минимального уровня воды 11, водомерной камерой 12. В водомерной камере 12 установлен электронный датчик минимального уровня воды 31 и электронный датчик максимального уровня воды 32. Выходная смесительная камера 13, в которой установлен контрольный датчик влажности и температуры 14, обеспечивает гомогенизацию производимой паровоздушной смеси. Кроме того, генератор содержит микропроцессорную систему 15, предназначенную для управления режимами работы генератора и измерения параметров создаваемой паровоздушной смеси, включая узел поддержания температуры 16 термостата насытителя, на уровне, превышающем температуру окружающего воздуха; орган управления генератором 17 (кнопки, тумблеры); блок рабочих камер 18, входные порты которых расположены на лицевой панели генератора. К генератору подключается внешний термогигрометр 19, предназначенный для контроля внешних окружающих условий в помещении, где проводятся поверки и калибровки испытуемых приборов. Генератор содержит встроенную камеру влажности 23, с прозрачной фронтальной дверцей для визуального контроля за показаниями дисплеев испытуемых приборов, помещенных в эту камеру. Во встроенную камеру влажности 23 встроен контрольный термогигрометр 24, подключенный к дополнительному информационному дисплею 25. Генератор влажного газа снабжен системой распределения рабочей паровоздушной смеси содержащей: газовый тройник 20, электромагнитные пневмоклапаны 21, 22, трехпозиционный переключатель с нейтральным положением 26, два электромагнитных реле 27, 28, контрольную лампу 29 «Камера 23» и контрольную лампу 30 «Блок камер 18», которые отображают режимы подачи рабочей паровоздушной смеси в рабочие камеры генератора. Уровень воды в генераторе влажного газа контролируется с помощью электронного датчика минимального уровня воды 31 в насытителе и электронного датчика максимального уровня воды 32 в насытителе. В генераторе влажного газа установлена система контроля качества осушителя, состоящая из камеры для контроля остаточной влажности осушителя 33, контрольного датчика остаточной влажности в канале осушителя 34 и индикатора превышения остаточной влажности осушителя выше допустимого уровня 35.
Генерация паровоздушного потока с заданным уровнем относительной влажности осуществляется методом смешения, в необходимой пропорции, потоков сухого и влажного газа, за счет регулирования каждого из потоков с помощью подачи соответствующих напряжений питания на компрессоры 1 и 6.
Система регулирования и поддержания уровня влажности в рабочих камерах генератора охвачена двумя обратными связями: по напряжениям питания компрессоров и обратной связью по влажности, которая отслеживает величину рассогласования между требуемой и фактически достигнутой влажностью.
Заявленное устройство работает следующим образом:
1. Перед началом работы испытуемые приборы (термогигрометры) размещаются в блок рабочих камер 18 и/или во встроенную камеру влажности 23, фронтальная дверца этой камеры закрывается, генератор включается в сеть. Оператор задает на генераторе с помощью органа управления 17 требуемый уровень влажности и выбирает, с помощью движка переключателя 26, нужные для работы камеры, 18 и/или 23.
2. При переводе движка трехпозиционного переключателя 26 в нижнее положение, напряжение от источника питания генератора поступает на обмотку электромагнитного реле 28 и на катушку электромагнитного пневмоклапана 21. При этом пневмоклапан 21 закрывается и паровоздушная смесь во встроенную камеру влажности 23 не поступает. Одновременно с этим паровоздушная смесь через газовый тройник 20 и открытый пневмоклапан 22 поступает в блок рабочих камер 18. Также, при этом нормально замкнутая группа контактов электромагнитного реле 28 размыкается, контрольная лампа 29 отключается, а контрольная лампа 30 подключается к напряжению через нормально замкнутую группу контактов электромагнитного реле 27, сигнализируя о подключении блока рабочих камер 18 к газовой магистрали.
3. При переводе движка трехпозиционного переключателя 26 в верхнее положение напряжение от источника питания генератора поступает на обмотку электромагнитного реле 27 и на катушку электромагнитного пневмоклапана 22. При этом пневмоклапан 22 закрывается и паровоздушная смесь в блок рабочих камер 18 не поступает. Одновременно с этим паровоздушная смесь через газовый тройник 20 и открытый пневмоклапан 21 поступает во встроенную камеру влажности 23. Также, при этом нормально замкнутая группа контактов электромагнитного реле 27 размыкается, контрольная лампа 30 отключается, а контрольная лампа 29 подключается к напряжению через нормально замкнутую группу контактов электромагнитного реле 28, сигнализируя о подключении встроенной камеры влажности 23 к газовой магистрали генератора.
4. При переводе движка трехпозиционного переключателя 26 в среднее положение напряжение от источника питания генератора отключается от обмоток электромагнитных реле 27, 28 и от катушек электромагнитных пневмоклапанов 21, 22. При этом электромагнитные пневмоклапаны 21, 22 находятся в открытом состоянии и обеспечивают одновременную подачу паровоздушной смеси через свои нормально открытые газовые каналы (А→Р) в блок рабочих камер 18 и во встроенную камеру влажности 23. Для обеспечения правильной работы газовой распределительной системы генератора выходы О нормально закрытых газовых каналов (О→Р) электромагнитных пневмоклапанов 21, 22 закрыты заглушками. Такой способ подключения электромагнитных пневмоклапанов 21, 22 в систему газораспределения обеспечивает подачу паровоздушной смеси в нужную камеру (камеры) только через обесточенные (холодные) пневмоклапаны по нормально открытым газовым каналам. При этом проходящая через них паровоздушная смесь не нагревается от стенок пневмоклапанов и поступает в рабочие камеры с сохранением своей температуры, что повышает метрологическое качество измерений, проводимых в генераторе.
Одновременно с этим, обе контрольные лампы 29, 30 подключены к напряжению от источника питания генератора через соответствующие нормально замкнутые группы контактов реле 27 и 28, сигнализируя о подключении блока рабочих камер 18 и встроенной камеры влажности 23 к газовой магистрали генератора.
5. Контроль минимально допустимого уровня воды в насытителе (барботере) 9, с помощью электронного датчика 31, производится непрерывно, с выдачей информации на индикатор 11 минимального уровня воды, что обеспечивает надежное функционирование генератора.
6. Контроль максимально допустимого уровня воды в насытителе (барботере) 9, с помощью электронного датчика 32, производится при подготовке генератора к работе (при заливке воды в систему), с выдачей информации на микропроцессорную систему 15, что обеспечивает корректную подготовку генератора к работе и его надежное функционирование.
7. Контроль качества осушителя (его остаточной влажности), с помощью камеры 33 и контрольного датчика остаточной влажности 34, информация от которого поступает на индикатор 35, обеспечивает оперативное наблюдение за состоянием канала осушения, качеством осушающего вещества - силикагеля. При повышении остаточной влажности силикагеля выше уровня (3÷5) % относительной влажности, включается индикатор 35, информирующий оператора о необходимости замены силикагеля при последующей эксплуатации генератора.
Заявленный генератор влажного газа предназначен для создания паровоздушного потока с требуемой относительной влажностью, в диапазоне от 1% до 100% и работает на методе смешения двух потоков воздуха - сухого и влажного. По своей конструкции позволяет проводить исследования термогигрометров различных размеров, вплоть до больших монолитных конструкций, благодаря наличию встроенной камеры влажности. Генератор может являться эталоном 1 - го разряда и обеспечивать единство измерений при калибровке, градуировке и поверке измерителей относительной влажности. К преимуществам заявленного генератора влажного газа относятся электронное управление режимами работы генератора, двусторонняя связь с ПК, а также компактность устройства и автономность работы, поскольку не требуется подключения внешних газовых магистралей или баллонов со сжатым газом.