СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING MOISTURE CONTENT OF GASES AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области измерения влагосодержания газов, в частности к гигрометрам, измеряющим влажность по температуре точки росы.
Известны различные способы (методы) измерения и воспроизведения величин влажности газов, представленные в РМГ 75-2004 (Рекомендации по межгосударственной стандартизации. ГСИ. Измерения влажности веществ. Термины и определения.):
- сорбционно-гравиметрический метод - гравиметрический метод измерения влажности газов, основанный на сорбционном способе выделения влаги из газов;
- конденсационно-гравиметрический метод - гравиметрический метод измерения влажности газов, основанный на конденсационном способе выделения влаги из газов;
- конденсационный метод - метод измерения точки росы [инея], заключающийся в охлаждении газа до температуры выпадения конденсата (росы или инея) и измерении этой температуры;
- и другие.
Все методы, как измерения, так и воспроизведения величин влажности, являются косвенными и основаны, главным образом, на определении точки росы (т.р.) и сводятся к выполнению трех основных операций:
- изменение температуры газа (понижение или повышение температуры);
- фиксация момента появления конденсата;
- измерение температуры, при которой выпал конденсат (температуры точки росы).
Самой значимой и затратной операцией является первая, поскольку требует либо расхода дорогостоящего азота, либо сложного и дорогостоящего оборудования (термостаты, изотермические камеры давления и т.п.).
Реализация всех указанных способов характеризуется достаточно длительным процессом подготовки и проведения измерений (несколько часов), а также громоздкостью требуемой аппаратуры, что ограничивает их прикладные возможности (например, для организации поверки рабочих гигрометров без демонтажа с объекта эксплуатации).
Наиболее близким к заявляемому решению, взятым за прототип, является «Способ и устройство для измерения точки росы», патент №2186375, 2000 г., патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие “Конструкторское бюро общего машиностроения им. В.П.Бармина», в котором измеряется точка росы за счет измерения количества выпавшего конденсата и температуры на влагочувствительном элементе одним измерительным средством.
Этот способ также является дорогостоящим и длительным по времени определения влажности газов, а для его реализации используется громоздкое устройство. Кроме того, при измерении данным способом необходимо производить демонтаж гигрометра с объекта эксплуатации и доставку его в поверочную лабораторию.
Задачей заявленного решения является снижение эксплуатационных и временных затрат, повышение точности и надежности измерений, а также повышение удобства процесса измерения и возможность ведения электронной базы данных проверок.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе определения влагосодержания газов, заключающемся в измерении параметров сигнала на выходе измерительной схемы и определении точки росы по резкому изменению параметров сигнала на выходе измерительной схемы, газ подвергают сжатию в замкнутой измерительной камере со встроенными датчиками температуры, давления и сигнализатором выпадения конденсата, в момент выпадения конденсата фиксируют значения температуры и давления в замкнутой измерительной камере и в месте забора исследуемого газа, измеренные значения передают в устройство обработки и управления и по эмпирическим зависимостям определяют значение массового отношения влаги газа d [кг/кг],
где P - давление сжатого в измерительной камере газа (при котором выпал конденсат), Па
n
P - парциальное давление пара взятой пробы газа, Па
где t - температура сжатого в измерительной камере газа (при которой выпал конденсат), °C
а также за счет того, что вычисление значения массового отношения влаги газа производят по специальной программе, реализующей вычислительный алгоритм номограммы в системе координат [кг воды/кг газа - давление (для различных температур] по измеренным значениям давления и температуры, с последующим пересчетом значения массового отношения влаги газа в другие гигрометрические характеристики. При этом отключают устройство сжатия газа в момент выпадения конденсата.
Поставленная цель достигается за счет того, что известное устройство, включающее датчик температуры, сигнализатор выпадения конденсата, устройство обработки и управления для определения влагосодержания газов дополнительно содержит устройство сжатия газа и измерительную замкнутую камеру, в которой установлены датчик температуры, датчик давления и сигнализатор выпадения конденсата, выводы которых соединены с устройством обработки и управления, кроме того, устройство содержит внешние датчики температуры и давления, выходы которых также соединены с устройством обработки и управления,
а также за счет того, что сигнализатор выпадения конденсата выполнен в виде резистивного чувствительного элемента, фиксирующего момент выпадения конденсата, а для выполнения функции воспроизведения единицы массового отношения влаги газа устройство дополнительно снабжено устройством задания влажности, которое управляется устройством обработки и управления.
Техническим результатом заявленного способа и устройства является снижение эксплуатационных и временных затрат, за счет того, что в предлагаемом способе вместо дорогостоящей и длительной операции понижения температуры газа (охлаждение) применяется повышение его давления, т.е. сжатие пробы газа в камере известного объема до состояния водяного пара и определение значения массового отношения влаги газа по значениям давления и температуры, при которой выпал конденсат.
Массовое отношение влаги (массовое влагосодержание - не рекомендуемое, в соответствии с документом РМГ 75-2004, определение) выражается через отношение массы влаги (водяного пара) [кг], содержащейся во влажном газе, к массе сухой части этого газа [кг] и является наиболее объективной пирометрической характеристикой газа.
По значению массового отношения влаги газа легко вычислить другие производные гигрометрические характеристики газа, в том числе точку росы, а также абсолютную или относительную влажность при любой температуре. Физические характеристики газов, содержащихся в единице объема газа, зависят от температуры и давления газа и связаны известным физическим соотношением (уравнением Клайперона-Менделеева):
P·V=M·R·T,
где P - давление газа, Па;
V - объем влажного газа, м;
M - масса газа, кг;
R - газовая постоянная, кДж/(кг·К);
T - абсолютная температура влажного газа, К.
Уравнение Клайперона-Менделеева, в данном случае, приобретает следующее выражение:
n
где P - парциальное давление водяного пара, Па;
n
n
R - газовая постоянная водяного пара, R=0,463 кДж/(кг·К);
n
T - абсолютная температура водяного пара, К;
к - коэффициент перевода в размерность [кг воды/кг газа].
Достоинства предлагаемого способа и устройства:
а) возможность автоматического получения значения массового отношения влаги взятой пробы влажного газа;
б) для реализации способа не требуется дорогостоящего оборудования и средств охлаждения (в том числе, азота);
в) выполнение всех указанных выше операций предлагаемого способа занимает несколько минут;
г) предлагаемые способ и устройство можно применять не только для измерения значений массового отношения влаги взятой пробы влажного газа, но также и для воспроизведения массового отношения влаги газа в необходимом диапазоне значений;
д) возможность математического пересчета значений массового отношения влаги газа в любые другие его пирометрические характеристики;
е) предлагаемое устройство позволяет создать рабочий эталон для периодической поверки приборов измерения влажности газов, работающих при нормальном давлении, без их демонтажа с объекта эксплуатации, в рабочих условиях;
ж) погрешность предлагаемого способа (метода) зависит только от погрешностей применяемых средств измерений (давления и температуры) и может иметь предельно малые значения.
Заявленное решение поясняется чертежами.
Предлагаемое устройство представлено на фиг.1 и состоит из замкнутой измерительной камеры 1, в которой установлены датчики температуры 2, давления 3 и сигнализатор выпадения конденсата 4, а также устройство обработки и управления 5 и устройство сжатия газа 6. Устройство 5 служит для цифровой обработки и представления результатов измерений, управления устройством сжатия газа 6 и управления устройством задания влажности 10, а также для вычисления значения массового отношения влаги пробы газа. Датчики температуры 7 и давления 8 предназначены для измерения температуры и давления исследуемого газа в месте забора. Вентиль 9 служит для выпуска пробы газа.
Для выполнения функции воспроизведения единицы массового отношения влаги в требуемом диапазоне значений устройство, представленное на фиг.1, может быть дополнительно снабжено устройством задания влажности 10 (указано пунктиром). Устройство задания влажности 10 служит для получения значений массового отношения влаги в требуемом диапазоне измерений и управляется устройством обработки и управления 5.
Сигнализатор выпадения конденсата 4 состоит из чувствительного элемента, который выполнен на тонкой непористой пластине кремния 5×10×0,5 мм с напыленными встречно-штыревыми электродами с зазором 0,1 мм.
В предлагаемом способе выполняются следующие операции:
- из исследуемого газа с неизвестной влажностью при измеренных значениях фактической его температуры и давления отбирается проба в замкнутую измерительную камеру;
- проба газа в замкнутой измерительной камере известного объема подвергается сжатию до давления (состояние водяного пара), при котором выпадает роса (конденсат);
- измеряются давление и температура в момент, когда выпал конденсат;
- по эмпирическим зависимостям, описывающим номограмму в системе координат [кг воды/кг газа - давление (для различных температур)], для измеренных значений давления и температуры, при которых выпал конденсат, определяется значение массового отношения влаги газа d [кг/кг].
,
где P - давление сжатого в измерительной камере газа (при котором выпал конденсат), Па
n
P - парциальное давление взятой пробы газа, Па
где t - температура сжатого в измерительной камере газа (при которой выпал конденсат), °C.
Далее, по полученному значению массового отношения влаги для нормального атмосферного давления вычисляются все другие гигрометрические характеристики взятой пробы газа.
Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем.
Газ, подлежащий определению его влагосодержания в замкнутой измерительной камере 1 со встроенными датчиками температуры 2, давления 3 и сигнализатора выпадения конденсата 4, нагнетается устройством сжатия газа 6. Сигналы от датчиков поступают на устройство обработки и управления 5. В момент выпадения конденсата фиксируются значения температуры и давления в измерительной камере 1 и в месте забора исследуемого газа, которые поступают в устройство обработки и управления 5 для обработки результатов измерений и вычисления массового отношения влаги газа и других производных его пирометрических характеристик. Устройство обработки и управления 5 отключает устройство сжатия газа 6 в момент выпадения конденсата.
Факт выпадения конденсата (точка росы) фиксируется по резкому уменьшению сопротивления чувствительного элемента (практически до нуля).
После измерения, которое длится несколько минут, сжатый воздух пробы газа выпускается открыванием вентиля 9.
Заявленное устройство может иметь два взаимосвязанных функциональных назначения:
- измерение единицы массового отношения влаги пробы газа;
- воспроизведение и передача единицы массового отношения влаги в соответствии с поверочной схемой.