СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ГАЗОВ
METHOD TO DETECT MOISTURE CONTENT OF GASES

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения влагосодержания различных газов, а также нефти и нефтепродуктов.
Известны различные способы определения влагосодержания газов. Большинство из них позволяют определить влагосодержание по косвенным измерениям характеристик исследуемого газа (воздуха) при изменении его состояния до выпадения росы за счет понижения температуры или повышения давления (патент РФ №2450262, 10.05.2012).
-1
-1
0
λ
Известен оптический способ определения влагосодержания газов (патент на полезную модель РФ №37416, 29.12.2003, патентообладатель ООО НЛП «ТКА»). Способ основан на поглощении вакуумного ультрафиолета парами воды на длине волны 121,6 нм. Пары воды на этой длине имеют коэффициент поглощения более 200 см, в то время как у кислорода указанный коэффициент равен 0,5 см. Сначала измеряется сигнал с датчика при продувке сухим воздухом I, затем измеряется сигнал I с известным содержанием паров воды. Зависимость доли поглощения энергии от концентрации воды определяется законом Ламберта-Бугера-Бера:
λ
где σ - показатель поглощения паров воды на длине волны 121,6 нм;
N - концентрация молекул воды;
l - расстояние от окна лампы до окна фотоприемника.
Исследования оптического гигрометра показали линейность шкалы, что важно при градуировке прибора, и быстродействие. Но у этого способа измерения влажности газов есть существенный недостаток - короткий срок службы лампы и постоянное уменьшение интенсивности ее излучения, что требует калибровки прибора перед каждым измерением.
Наиболее близким способом определения влагосодержания газов, взятым в качестве прототипа, является диэлькометрический метод косвенного измерения влажности веществ и газов (Берлингер М.А. Измерения влажности. - М.: Энергия, 1973, с.55-63) в зависимости от диэлектрической проницаемости этих веществ. Способ основан на использовании емкостного датчика в виде многоэлектродного плоскопараллельного воздушного конденсатора, помещенного в диэлектрический экранированный продуваемый корпус с плотной крышкой с выводами.
Измерение емкости датчика при этом способе осуществляется на переменном токе, например, по мостовой схеме. Основным недостатком такого метода является низкая чувствительность, обусловленная малым изменением диэлектрической проницаемости от влагосодержания этого газа.
Задачей заявленного решения является снижение эксплуатационных и временных затрат, повышение точности и надежности измерений.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе определения влагосодержания газов, измерительный сосуд с установленным в нем емкостным датчиком в виде многоэлектродного плоскопараллельного воздушного конденсатора заполняют исследуемым газом и фиксируют значение температуры и давления, согласно заявленному решению последовательно с емкостным датчиком подключают измерительный конденсатор известной емкости, подают высокое постоянное напряжение на емкостной датчик, установленный в измерительном сосуде и на измерительный конденсатор известной емкости, измеряют выходное напряжение на измерительном конденсаторе и определяют влагосодержание исследуемого газа по температурно-влажностной характеристике датчика.
Технический результат, получаемый при реализации предложенного решения, заключается в повышении чувствительности заявленного способа, что достигается за счет того, что емкостной датчик, расположенный в измерительном сосуде, подключают к высоковольтному источнику постоянного напряжения, а емкость датчика определяют по напряжению, снимаемому с постоянного измерительного конденсатора, включенного последовательно с емкостным датчиком.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Водяные пары в воздухе находятся в виде диполей, равномерно, но хаотично по ориентации, распределенных по объему. Измерительная ячейка с исследуемым газом (воздухом) представляет собой плоскопараллельный конденсатор с хаотичным расположением диполей в нем при отсутствии внешнего электрического поля (Фиг.1). Диэлектрическая проницаемость такого воздуха мало отличается от единицы (сухого воздуха). Если к обкладкам конденсатора приложить постоянное высокое напряжение, то диполи водяных паров будут сориентированы в направлении приложенного электрического поля (Фиг.2). Емкость такого конденсатора увеличится тем больше, чем больше будет влажность воздуха между его пластинами. Массовое отношение влаги (массовое влагосодержание) d можно вычислить, учитывая разность емкости конденсатора при отсутствии внешнего поля и в присутствии внешнего поля.
1
где C - емкость датчика при отсутствии внешнего поля;
<mrow><msub><msup><mi>C</mi><mo>′</mo></msup><mn>1</mn></msub></mrow>
- емкость в присутствии внешнего поля;
K - коэффициент пропорциональности, учитывающий геометрические размеры датчика, а также температуру и давление исследуемого воздуха.
Новизна заявленного решения заключается в том, что, подавая на установленный в среде исследуемого газа емкостной датчик постоянное высокое напряжение, влагосодержание исследуемого газа определяют по напряжению, снимаемому с измерительного конденсатора, включенного последовательно с емкостным датчиком, используя для этого температурно-влажностную характеристику датчика. Предложенный способ определения влагосодержания газов является принципиально новым методом измерения влажности веществ.
Заявленное решение поясняется графическими материалами, где:
На фиг.1 показано положение диполей в конденсаторе при отсутствии внешнего электрического поля;
На фиг.2 показано положение диполей в конденсаторе при приложении постоянного высокого напряжения;
На фиг.3 показана электрическая схема для измерения емкости многоэлектродного плоскопараллельного воздушного конденсатора;
На фиг.4 показана электрическая схема с дополнительной цепью;
вых
На фиг.5 показан график зависимости d от U;
На фиг.6 показана установка для реализации способа.
Для реализации заявленного способа определения влагосодержания газов, измерительный сосуд с установленным в нем емкостным датчиком в виде многоэлектродного плоскопараллельного воздушного конденсатора, к которому последовательно подключают измерительный конденсатор известной емкости, заполняют исследуемым газом и фиксируют значение температуры и давления, затем подают высокое постоянное напряжение на емкостной датчик, установленный в измерительном сосуде и на измерительный конденсатор известной емкости, измеряют выходное напряжение на измерительном конденсаторе и определяют влагосодержание исследуемого газа по температурно-влажностной характеристике датчика.
3
4
2
Установка для реализации способа (фиг.6) содержит емкостной датчик, выполненный в виде многоэлектродного плоскопараллельного воздушного конденсатора, состоящего из попеременно расположенных плоскопараллельных электродов 6, соединенных между собой проводниками 7. Емкостной датчик помещен в экранированный диэлектрический продуваемый корпус 5 с крышкой 4, на которой выполнены выводы 3 от положительной и отрицательной группы электродов 6, при этом к положительной группе подсоединяется положительный вывод высоковольтного источника 1 и измерительные конденсаторы C и C, а к отрицательной группе подсоединяется измерительный конденсатор C известной емкости, который образует измерительный мост. Диэлектрический продуваемый корпус 5 снабжен штуцером 2 для подачи исследуемого воздуха и штуцером 8 для сброса.
вых
Для конкретного датчика снимаются температурно-влажностные характеристики, т.е. зависимости U от влажности при различных температурах и заносятся в паспорт.
доп
пр
пр
доп
Известно, что допустимое напряжение U на пластинах воздушного конденсатора (для сухого воздуха), формирующего соответствующую напряженность его электрического поля (ЭП), должно быть в три раза меньше значения напряжения пробоя U. Таким образом, при U=30 кВ/см, U=10 кВ/см.
раб
доп
раб
Для безопасной эксплуатации конденсатора с влажным воздухом рабочее напряжение U такого конденсатора необходимо еще уменьшить раза в два в сравнении с U, т.е. U≤5 кВ/см.
Электрическая схема для измерения емкости такого конденсатора может быть реализована следующим образом.
1
2
1
1
2
2
Последовательно с измерительной ячейкой C включают дополнительный конденсатор C (фиг.3) и измеряют напряжение на нем электростатическим вольтметром. Из условия постоянства заряда при последовательном включении конденсаторов вытекает равенство CU=CU, откуда можно вычислить емкость измерительной ячейки:
3
4
вых
1
1
0
вых
Для увеличения чувствительности можно использовать мостовую схему (фиг.4): параллельно цепи, представленной на фиг.3, включить дополнительную цепь C и C, а выходное напряжение U, зависящее только от изменения C, снимать с точек A и B. При сухом воздухе (влагосодержание d=0) в измерительной ячейке C выходное напряжение устанавливается равным нулю с помощью конденсатора C. Электростатический вольтметр, измеряющий U, выбирается с пределом измерения до 10 В, что значительно повышает разрешающую способность вольтметра и повышает точность измерения.
Для каждой конструкции емкостного датчика предварительно снимается температурно-влажностная характеристика (фиг.5):
где f (Gs, Т, Р) - функция, учитывающая геометрические размеры измерительного датчика Gs, температуру T и давление P исследуемого газа.
вых
По данным зависимости d от U (фиг.5) может быть составлено расчетное уравнение, которое для конкретных геометрических размеров, например, будет иметь следующий вид:
Вычислив массовое отношение влаги (массовое влагосодержание) d и измерив температуру и давление воздуха, по таблице Рамзина (I-d) определяют относительную влажность φ (%) исследуемого воздуха.
Заявленное решение проиллюстрировано следующим примером.
На установке задания влажности заполняют измерительный сосуд с установленным в нем емкостным датчиком воздухом, относительная влажность которого, измеренная контрольным гигрометром, φ=72% при T=18,9°C.
ист
вых
сух
После включения высокого напряжения (U=2 кВ) электростатический вольтметр в диагонали дифференциальной схемы показал U=1,48 В, что по эмпирической формуле (5) соответствует значению d=9,85 [г/кг]. При температуре T=18,9°C и давлении 756 мм рт. ст. это значение d по формуле (6) соответствует относительной влажности φ=72,29%.
Таким образом, полученная предлагаемым способом погрешность измерения относительной влажности составила:
Чувствительность электрической схемы предлагаемого способа подтверждается следующим экспериментом.
1
сух
2
сух
Без подключения высокого напряжения при температуре T=19,1°C измерены значения емкости измерительного устройства (сосуда с пластинами конденсатора, заполненного воздухом) с массовым отношением влаги (массовым влагосодержанием) d от d=0,5 [г/кг], что соответствует относительной влажности воздуха φ=4,8%, до d=10,5 [г/кг], что соответствует φ=70% при той же температуре.
Электрическая емкость сосуда при d=0,5 г/кг оказалась равной C=113,0 пФ, а при d=10,5 г/кг составила 113,05 пФ.
ист
2
сух
2
При включении внешнего электрического поля (U=2000 В) изменение напряжения на эталонном конденсаторе C составило 1,48 В при d=10,5 [г/кг]. На сухом воздухе напряжение U=127,4 В.
В соответствии с выражением (3):
2
113,0×(2000-127,4)=C×127,4→C2=1661 пФ.
сух
2
1
При влагосодержании d=10,5 [г/кг] напряжение на C составило 127,4+1,48=128,88 (В), что вызвано изменением емкости C.
Также, в соответствии с выражением (3):
1
1
C×(2000-128,88)=1661×128,88→C=114,41 пФ.
Таким образом, емкость изменилась на 1,41 пФ, т.е. чувствительность электрической схемы к изменению емкости конденсатора измерительного устройства (сосуда с пластинами конденсатора, заполненного воздухом) составляет более 1 В/пФ.
Учитывая нелинейность выходной характеристики, целесообразно использовать два измерительных сосуда с малыми зазорами для низких значений влагосодержания, как более чувствительный, и с большими зазорами для высоких значений влагосодержания, когда неизбежны утечки при малых зазорах между электродами.
Особенностью предлагаемого способа является необходимость использования источника высокого напряжения и электростатического вольтметра.
Полученные экспериментальные результаты измерений (δ≅0,4%) позволяют использовать создаваемые по предложенному решению меры влажности воздуха в качестве специальных эталонов верхнего звена государственной поверочной схемы (ГПС).
Заявленное решение может быть использовано при создании достаточно дешевых, простых и удобных в эксплуатации мер и средств измерений влажности воздуха, простых в изготовлении, не требующих дорогостоящих материалов и обладающих высокой чувствительностью, в диапазоне относительной влажности в соответствии с государственной поверочной схемой (ГПС) ГОСТ 8.547-86, а также рабочих средств измерений массового отношения влаги различных газов, а также нефти и нефтепродуктов.