ИЗМЕРИТЕЛЬ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОЧКИ РОСЫ Российский патент 2000 года по МПК G01N25/66 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для измерения влажности газов методом точки росы и может быть использовано в конденсационных гигрометрах и индикаторах коррозийного конденсата.

Известен измеритель температуры точки росы, содержащий охлаждаемый участок оптически прозрачного тела, заключенный в корпусе и соединенный через световоды с излучателем и с преобразователем светового потока, подключенным к регистратору, охладитель и датчик температуры (а.с. СССР N 1744618, кл. G 01 N 25/66, от 06.06.89 г.).

Недостатком известного изобретения является невысокая надежность из-за возможного загрязнения примесями исследуемого газа оптически прозрачного тела, в результате чего снижается точность измерений и теряется работоспособность.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому техническому решению является измеритель температуры точки росы, содержащий охлаждаемый участок оптически прозрачного тела, заключенный в корпусе и соединенный через световоды с излучателем и с преобразователем светового потока, подключенным к регистратору, охладитель, датчик температуры и пробоотборную трубку, имеющую в рабочем режиме турбулентную, ламинарную и диффузионную зоны, один конец пробоотборной трубки укреплен на корпусе охлаждаемого участка оптически прозрачного тела, другой конец установлен в направлении действия гравитационных сил (см. патент РФ N 2085925, кл. G 01 N 25/66, от 25.06.95 г.).

В известном устройстве обеспечена необходимая надежность за счет уменьшения возможного загрязнения оптически прозрачного тела.

Однако из-за значительной толщины конструктивных элементов крепления на газовом трубопроводе 14 (фланца 15 и сварочного шва 16), запорного крана, (на фиг. отсутствует), который обычно ставится перед оптически прозрачным телом 1, длина L пробоотборной трубки возрастает, а требования к ее соотношению к площади поперечного сечения остается прежним.

Необходимость увеличения диаметра трубки может привести к громоздкости конструкции, а использование малого диаметра приводит к увеличению длины диффузионной зоны 13 и соответственно к увеличению инерционности устройства.

Техническим результатом является уменьшение инерционности устройства за счет уменьшения длины диффузионной зоны.

Для этого измеритель температуры точки росы, содержащий охлаждаемый участок оптически прозрачного тела, заключенный в корпусе и соединенный через световоды с излучателем и с преобразователем светового потока, подключенным к регистратору, охладитель, датчик температуры и пробоотборную трубку, имеющую в рабочем режиме турбулентную, ламинарную и диффузионную зоны, один конец пробоотборной трубки укреплен на корпусе охлаждаемого участка оптически прозрачного тела, другой конец установлен в направлении действия гравитационных сил, согласно изобретению измеритель снабжен элементом установки верхнего уровня ламинарной зоны пробоотборной трубки, имеющим проходное отверстие, входная часть которого установлена в предварительно рассчитанную без учета элемента установки диффузионную зону, а выходная часть связана с участком отсоса газа из диффузионной зоны пробоотборной трубки, элемент установки верхнего уровня ламинарной зоны пробоотборной трубки выполнен в виде малой трубки, диаметр которой d_м меньше диаметра пробоотборной трубки d_пр, причем вышеуказанная малая трубка закреплена внутри пробоотборной трубки, верхний конец малой трубки является входной частью элемента установки верхнего уровня ламинарной зоны пробоотборной трубки, нижний конец является выходной частью элемента и расположен за границей линии среза пробоотборной трубки, кроме того, нижний конец малой трубки имеет загиб в сторону направления потока газа, а d_м< 0,5 d_пр, кроме того, согласно изобретению может быть дополнительно введен регулировочный вентиль, установленный на корпусе или на верхнем конце пробоотборной трубки, причем вход регулировочного вентиля расположен вблизи охлаждаемого участка оптически прозрачного тела, а выход связан с областью атмосферного давления, кроме того, элемент установки верхнего уровня ламинарной зоны пробоотборной трубки может быть выполнен в виде регулировочного вентиля, установленного на корпусе или на верхнем конце пробоотборной трубки, при этом вход регулировочного вентиля является входной частью, а выход - выходной частью элемента установки верхнего уровня ламинарной зоны пробоотборной трубки, а участок отсоса газа является областью атмосферного давления, кроме того, внутри пробоотборной трубки вокруг охлаждаемого участка оптически прозрачного тела установлена юбка, которая может быть выполнена из нержавеющей стали или фторопласта.

Сущность изобретения заключается в том, что введение элемента установки верхнего уровня ламинарной зоны позволяет уменьшить длину диффузионной зоны, обеспечив снижение инерционности и соответственно увеличив быстродействие.

Сравнение предлагаемого устройства с прототипом позволяет говорить о соответствии критерию "новизна", а отсутствие отличительных признаков в аналогах - о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Предварительные испытания позволяют судить о широком промышленном использовании заявляемого устройства.

На чертеже представлена конструкция предлагаемого устройства.

Измеритель содержит охлаждаемый участок 1 оптически прозрачного тела, заключенный в корпусе 2 и соединенный через световоды 3 и 4 соответственно с излучателем 5 и преобразователем 6 светового потока, выход которого подключен к регистратору 7. В корпусе 2 установлены датчик 8 температуры и охладитель 9. Устройство снабжено пробоотборной трубкой 10, один конец которой укреплен на корпусе 2 вокруг охлаждаемого участка 1 оптически прозрачного тела, а другой конец выполнен со скосом и установлен в направлении действия гравитационных сил. Пробоотборная трубка 10 установлена скосом противоположно прямому попаданию потока исследуемого газа и имеет в рабочем состоянии три зоны 11 - 13 передачи молекул исследуемого газа к охлаждаемому участку 1: соответственно, турбулентную, ламинарную и диффузионную.

Измеритель устанавливают в отверстии трубопровода 14, имеющего фланец 15, скрепленный с трубопроводом 14 при помощи стопорного соединения 16.

Кроме того, измеритель снабжен элементом установки верхнего уровня ламинарной зоны 12 пробоотборной трубки 10, имеющим проходное отверстие входная часть которого установлена в предварительно расчитанную без учета вышеуказанного элемента установки диффузионную зону 13, а выходная часть связана с участком (местом) отсоса газа из диффузионной зоны 13 пробоотборной трубки 10.

Одним из вариантов элемента установки верхнего уровня ламинарной зоны 12 является выполнение его в виде малой трубки 17, диаметр d_м которой меньше диаметра d_пр пробоотборной трубки 10.

Оптимальный вариант выполнения при d_м< 0,5 d_пр.

Малая трубка 17 закреплена внутри пробоотборной трубки 10, верхний конец ее является входной частью элемента установки верхнего уровня ламинарной зоны 12, а нижний конец является выходной частью элемента и расположен за границей линии среза пробоотборной трубки 10 и может иметь загиб в сторону направления потока газа.

Другим вариантом выполнения элемента установки верхнего уровня ламинарной зоны 12 является выполнение его в виде регулировочного вентиля 18, установленного на корпус 2 или на верхнем конце пробоотборной трубки 10.

При этом вход регулировочного вентиля 18 является входной частью, а выход - выходной частью элемента установки верхнего уровня ламинарной зоны 12, а участок отсоса газа является областью атмосферного давления.

Кроме того, измеритель может быть снабжен юбкой 19, установленной внутри пробоотборной трубки 10 вокруг охлаждаемого участка 1 оптически прозрачного тела.

Юбка 19 может быть выполнена из нержавеющей стали или фторопласта.

Кроме того, согласно изобретению возможен вариант выполнения измерителя, при котором присутствуют регулировочный вентиль 18, вход которого установлен вблизи охлаждаемого участка 1 оптически прозрачного тела, выход связан с областью атмосферного давления, а также малая трубка 17, установленная описанным выше способом.

Отношение площади S внутреннего сечения пробоотборной трубки 10 и площади S к поверхности охлаждаемого участка 1 оптически прозрачного тела должно превышать 5, a L²/S > 25, где L - длина пробоотборной трубки 10.

При таких соотношениях внутри пробоотборной трубки 10 при работе образуются три зоны 11, 12, 13: турбулентная, ламинарная и диффузионная, соответственно:
В качестве охлаждаемого участка 1 оптически прозрачного тела может быть использовано оптическое волокно, а в качестве излучателя 5 - светодиод типа АЛ-107Б.

Измеритель работает следующим образом.

При помещении устройства в среду исследуемого газа или смеси газов последние поступают на конденсационную поверхность охлаждаемого участка 1 оптически прозрачного тела, в случае отсутствия в ней влажности на конденсационной поверхности конденсат не выделяется, и поток света от излучателя 5 по световоду 3 беспрепятственно проходит через охлаждаемый участок 1 и световод 4, попадает на вход преобразователя 6, но с выхода его на регистратор 7 ничего не поступает, что свидетельствует об отсутствии конденсата, и он не регистрирует температуру точки росы.

При этом в пробоотборной трубке 10 образуются три вышеописанные зоны 11, 12, 13, а верхний уровень ламинарной зоны 12, совпадающий с нижним уровнем диффузионной зоны 13, определяется расположением входной части элемента установки верхнего уровня ламинарной зоны 12. Для случая выполнения в виде малой трубки 17 этот уровень будет определяться сечением верхнего конца малой трубки 17, через который за счет инжекции будет происходить отсос газа в участок отсоса газа из диффузионной зоны, расположенный за границей линии среза пробоотборной трубки 10 у нижнего конца малой трубки 17.

Для случая выполнения элемента установки в виде регулировочного вентиля 18 верхний уровень ламинарной зоны 12 будет определяться уровнем оси отверстия, в котором установлен регулировочный вентиль и через которое будет происходить отсос газа в атмосферу из диффузионной зоны в область наименьшего давления, уменьшая при этом длину диффузионной зоны и снижая за счет этого инерционность измерителя.

Использование регулировочного вентиля 18 при наличии малой трубки 17 необходимо и для иных функций. В частности через этот вентиль 18 может быть взята проба газа или могут быть использованы другие необходимые действия.

Наличие юбки 19 необходимо для защиты охлаждаемого участка 1 от повреждений. Кроме того, нижний уровень юбки 19 влияет на границу диффузионной и ламинарной зон 12 и 13, что может быть учтено при настройке.

При наличии влаги в исследуемом газе на охлаждаемом участке 1 оптически прозрачного тела при определенной температуре образуется слой конденсата из мелкодисперсных капель шарообразной формы, имеющих диаметры, соизмеримые с диаметром сердцевины применяемого световода 3. За счет рассеивания светового потока поверхностями мелкодисперсных капель конденсата его интенсивность резко падает вплоть до полного рассеивания в охлаждаемом участке 1 оптически прозрачного тела преобразователь 6 выдает сигнал на регистратор 7, который и фиксирует наступление точки росы. Температуру охладителя 9 определяют по датчику 8 температуры, роль которого может играть термопара, подключенная к гальванометру. Измеренная температура точки росы может использоваться для определения гигрометрических параметров анализируемой газовой смеси или автоматизации технологического процесса, при котором образуется эта газовая смесь.

Натекание исследуемого газа на пробоотборную трубку 10 происходит с противоположной стороны от скоса, тем самым обеспечивается защита от прямого попадания брызг, капель и твердых частиц в зону датчика.

В пробоотборной трубке 10 существуют три зоны 11 - 13 передачи молекул исследуемого газа к участку 1. Непосредственный обдув пробоотборной трубки 10 потоком газа вызывает турбулентные потоки внутри ее в зоне 11, которые переносят молекулы исследуемого газа, возможные примеси, аэрозоли и твердые частицы в зону 12. При этом энергия вихрей теряется и в зоне 12 движение газов имеет ламинарный характер, перенося газ в зону 13 диффузионного обмена молекул, наличие которой приводит к фильтрации аэрозолей и микропримесей, присутствующих в исследуемом газе, а аэрозоли и механические примеси достигают лишь зоны 12 ламинарных потоков, не проникая в диффузионную зону 13 вследствие воздействия на них гравитационных сил.

Если длина пробоотборной трубки 10 будет короче или равна сумме длин зон 11, 12, то турбулентные, а затем и ламинарные потоки принесут аэрозоли и микропримеси на конденсационную поверхность датчика и вызовут его загрязнение. Длина участков зон 11 и 12 зависит от размеров пробоотборной трубки 10 и скорости натекающего газа на скос пробоотборной трубки 10. Если пробоотборная трубка 10 - цилиндрическая, то сумма длин зон 11 и 12 не превышает пяти диаметров, т.е. если длина трубки 10 короче пяти диаметров, то частицы и аэрозоли загрязнят зеркало и вызовут неисправность устройства.

Если пробоотборная трубка имеет в сечении форму круга, то действует ограничение L²/S > 25, где L - длина пробоотборной трубки 10, S - площадь ее внутреннего сечения.

Таким образом, наличие элемента установки верхнего уровня ламинарной зоны пробоотборной трубки позволяет уменьшить длину диффузионной зоны, снизить инерционность, обеспечив за счет этого высокое быстродействие работы измерителя и повысив таким образом точность измерения.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для измерения влажности газов методом точки росы. Для уменьшения инерционности и повышения точности измерений измеритель температуры точки росы снабжен элементом установки верхнего уровня ламинарной зоны пробоотборной трубки, входная часть которого установлена в предварительно рассчитанную без учета элемента установки диффузионную зону, а выходная часть связана с участком отсоса газа из диффузионной зоны пробоотборной трубки. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Измеритель температуры точки росы, содержащий охлаждаемый участок оптически прозрачного тела, заключенный в корпусе и соединенный через световоды с излучателем и с преобразователем светового потока, подключенным к регистратору, охладитель, датчик температуры и пробоотборную трубку, имеющую в рабочем режиме турбулентную, ламинарную и диффузионную зоны, один конец пробоотборной трубки укреплен на корпусе охлаждаемого участка оптически прозрачного тела, другой конец установлен в направлении действия гравитационных сил, отличающийся тем, что измеритель снабжен элементом установки верхнего уровня ламинарной зоны пробоотборной трубки, имеющим проходное отверстие, входная часть которого установлена в предварительно рассчитанную без учета элемента установки диффузионную зону, а выходная часть связана с участком отсоса газа из диффузионной зоны пробоотборной трубки. 2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что элемент установки верхнего уровня ламинарной зоны пробоотборной трубки выполнен в виде малой трубки, диаметр d_м меньше диаметра пробоотборной трубки d_пр, причем вышеуказанная малая трубка закреплена внутри пробоотборной трубки, верхний конец малой трубки является входной частью элемента установки верхнего уровня ламинарной зоны пробоотборной трубки, а нижний конец является выходной частью элемента и расположен за границей линии среза пробоотборной трубки. 3. Измеритель по п.2, отличающийся тем, что нижний конец малой трубки имеет загиб в сторону направления потока газа. 4. Измеритель по п.2, отличающийся тем, что d_м < 0,5 d_пр. 5. Измеритель по п.2, отличающийся тем, что дополнительно введен регулировочный вентиль, установленный на корпусе или на верхнем конце пробоотборной трубки, причем вход регулировочного вентиля расположен вблизи охлаждаемого участка оптически прозрачного тела, а выход связан с областью атмосферного давления. 6. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что элемент установки верхнего уровня ламинарной зоны пробоотборной трубки выполнен в виде регулировочного вентиля, установленного на корпусе или на верхнем конце пробоотборной трубки, при этом вход регулировочного вентиля является входной частью, а выход - выходной частью элемента установки верхнего уровня ламинарной зоны пробоотборной трубки, а участок отсоса газа является областью атмосферного давления. 7. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что внутри пробоотборной трубки вокруг охлаждаемого участка оптически прозрачного тела установлена юбка. 8. Измеритель по п.7, отличающийся тем, что юбка выполнена из нержавеющей стали или фторопласта.