СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ГАЗОВ Российский патент 2001 года по МПК G01N25/66 

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при изменении влажности сжатых газов.

Известен способ измерения температуры точки росы сжатого газа по показаниям температур сухого и мокрого термометров, замеряемых после дросселирования газа, путем пересчета при использовании эмпирической формулы, учитывающей перепад давления на дросселе [1]. Данный способ позволяет учесть эффект выпадения влаги после дросселирования и влияния фазового перехода на значения температур сухого и мокрого термометров. Способ [1] позволяет определять влажность газов в широком диапазоне измерений давления, температуры и влагосодержания газов, однако, требует сложных вычислительных устройств и золотниковых устройств для медленного дросселирования газа.

Главным недостатком способа является зависимость точности определения влажности сжатого газа от точности аппроксимационной эмпирической формулы, которая может быть различной в разных диапазонах изменения исходных параметров газа.

К недостаткам способа можно отнести также сложность реализации в техническом устройстве и большую стоимость устройства для его осуществления.

Известен также способ измерения влажности газов, заключающийся в разделении анализируемого газа в вихревой трубе на горячий и холодный потоки [2]. Путем монотонного изменения давления газа или изменения сечения холодного потока в этом способе изменяют температуры горячего и холодного потоков. При выпадении конденсата в холодном потоке выделяется теплота фазового перехода, скорость изменения разности температур горячего и холодного потоков заметно снижается, а это служит сигналом для измерения температуры холодного потока, по которой судят о влажности газа.

Однако точность и достоверность способа [2] невысока, так как согласно [3] влагосодержание холодного потока ниже влагосодержания исходного анализируемого газа. Эффекты снижения влагосодержания холодного потока и повышения влагосодержания горячего потока газа после вихревой трубы зависят от конструкции вихревой трубы, температуры и влагосодержания исходного газа. Кроме того, попадание конденсата на датчик температуры может понизить точность измерений.

За прототип принят способ [2] как наиболее близкий к предлагаемому.

Целью изобретения является повышение достоверности и точности измерения, обеспечение простоты и удобства процесса измерения.

Поставленная цель достигается тем, что холодный и горячий потоки после вихревой трубы разделяют соответственно во второй и третий вихревой трубах, получают первую термо-ЭДС, пропорциональную разности температур холодного и горячего потоков второй вихревой трубы, и вторую термо-ЭДС, пропорциональную разности температур горячих потоков второй и третьей вихревых труб, причем изменяют по крайней мере одну из этих термо-ЭДС до сведения к минимуму влияния температуры исходного анализируемого газа на разность этих термо-ЭДС, измеряют по крайней мере один из параметров электрической цепи, включающей разность термо-ЭДС, по величине которого судят о влагосодержании анализируемого газа.

Предложенный способ отличается от прототипа тем, что анализируемый газ после разделения в первой вихревой трубе на холодный и горячий потоки разделяется затем соответственно во второй и третьей вихревых трубах.

Так как согласно [3] влагосодержание холодного потока газа после вихревой трубы может быть в 3-4 раза ниже, чем исходное влагосодержание анализируемого газа, то на входе во вторую вихревую трубу будет поступать достаточно сухой газ. Поэтому после второй вихревой трубы разность температур горячего и холодного потоков будет пропорциональна температуре холодного газа после первой вихревой трубы и, следовательно, температуре исходного анализируемого газа. Кроме того, значительное снижение влагосодержания холодного потока газа после второй вихревой трубы по сравнению с влагосодержанием исходного газа гарантирует непопадание конденсата на чувствительный элемент термодатчика, установленного в холодном потоке.

Другим отличием предложенного способа от прототипа является то, что пропорционально разности температур холодного и горячего потоков второй вихревой трубы получают первую термо-ЭДС и пропорционально разности температур горячих потоков второй и третьей вихревой труб получают вторую термо-ЭДС, по крайней мере одну из этих термо-ЭДС изменяют до сведения к минимуму влияния температуры исходного анализируемого газа на разность этих термо-ЭДС и измеряют по крайней мере один из параметров электрической цепи, включающей разность термо-ЭДС, по величине которого судят о влагосодержании анализируемого газа. Первая из этих термо-ЭДС пропорциональна температуре анализируемого газа и слабо зависит от его влагосодержания. Вторая термо-ЭДС также пропорциональна температуре анализируемого газа и в значительной степени зависит от влагосодержания анализируемого газа. Разность этих термо-ЭДС исключает влияние температуры исходного газа и пропорциональна только исходному влагосодержанию газа. Если замерить какой-либо параметр электрической цепи, в которой включены противоположно направленные термо-ЭДС, то величина данного параметра будет пропорциональна их разности и, следовательно, исходному влагосодержанию газа. Отсутствие в электрической цепи других источников тока, кроме термо-ЭДС, упрощает и удешевляет процесс измерений влажности, а также облегчает процесс представления результатов измерений, так как результатом измерения является непосредственное влагосодержание, а не температурная точка росы, как в прототипе.

Таким образом, наличие в предложенном способе новых действий над анализируемым газом позволяет получить новые возможности при измерении влажности, а именно исключить попадание конденсата на чувствительный элемент термодатчика, установленного в холодном потоке второй вихревой трубы, что повышает точность результатов, свести к минимуму влияние исходных параметров анализируемого газа, что повышает достоверность результатов, и обеспечить простоту и удобство процесса измерения. Это доказывает соответствие предложенного метода критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Отмеченные признаки в своей совокупности не были выявлены в других технических решениях в данной области техники, они являются необходимыми и достаточными для снижения достижения поставленной цели, то есть повышения достоверности и точности измерения, обеспечения простоты удобства процесса измерения.

На фиг. 1 изображено устройство, являющееся одним из примеров конкретного исполнения предложенного способа; на фиг. 2 - электрическая схема, обеспечивающая показание прибором значений, пропорциональных влагосодержанию газа; на фиг. 3, 4, 5 - графики экспериментальных зависимостей параметров устройства.

Способ реализуется в устройстве следующим образом.

Устройство содержит вихревую трубу 1, разделяющую анализируемый газ, поступающий через редуктор 2, на холодный 3 и горячий 4 потоки, влагоотделитель 5, отделяющий конденсат из холодного потока 3, вторую вихревую трубу 6, разделяющую холодный поток газа 3 на холодный поток 7 и горячий поток 8, третью вихревую трубу 9, разделяющую горячий поток 4, поступающий через дроссель 10, на холодный поток 11 и горячий поток 12, термопары одинакового типа 13 и 14. У термопары 13 холодный спай помещен в холодный поток 7, горячий спай - в горячий поток 8; у термопары 14 холодный спай помещен в горячий поток 8, а горячий спай - в горячий поток 12. Выходы термопар 13 и 14 соединены последовательно в электрической цепи с показывающим прибором 15 типа миллиамперметр и первым резистором 16, а также параллельно со вторым резистором 17, один вывод которого соединен с выводами показывающего прибора 15 и первого резистора 16, а другой вывод соединен с выходами термопар 13 и 14. Направление термо-ЭДС в термопарах 13 и 14 противоположно, а сопротивление резисторов 16 и 17 соотносится как 4:1.

Одна из возможных конструктивных реализаций предложенного способа заключается в том, что отношения значений давления на входе в вихревые трубы к значениям давления холодных потоков во всех трех вихревых трубах схемы фиг. 1 одинаковы и равны 2. Это достигается установкой на входе вихревой трубы 1 редуктора 2, подбором гидравлического сопротивления 10 и соотношением площадей сопловых вводов первой, второй и третьей вихревых труб, равным 1: 1,56:1,14.

Устройство при осуществлении предложенного способа работает следующим образом.

Газ подают через редуктор 2 в вихревую трубу 1, где он разделяется на холодный и горячий потоки газа. Холодный газ имеет влагосодержание в 3-4 раза меньше, чем влагосодержание исходного газа, причем влага содержится в жидком и твердом (в виде инея) виде. Влага из холодного потока 3 сепарируется во влагоотделителе 5, затем холодный поток подается во вторую вихревую трубу, где вновь разделяется на холодный и горячий потоки. Вторая вихревая труба работает на почти сухом воздухе, поэтому разность температур ее холодного и горячего потоков зависит лишь от температуры исходного газа и не зависит от исходного влагосодержания газа. Вид зависимости разности температур холодного и горячего потоков газа после второй вихревой трубы от температуры исходного газа изображен на фиг. 3.

Горячий поток 4 подается через дроссель 10 в третью вихревую трубу 9, где вновь разделяется на холодный и горячий потоки. Влагосодержание горячего потока 4 выше, чем влагосодержание исходного газа, поэтому влияние влагосодержания газа на разность температур холодного 11 и горячего 12 потоков более выражено. Температура холодного потока 11 близка по величине к значению температуры горячего потока 8, так как степень расширения газа на всех вихревых трубах одинакова (равна 2), а все трубы настроены на величину относительной доли холодных потоков, равную 0,6. Поэтому разность температур горячих потоков 12 и 8 также зависит от влагосодержания исходного газа, вид зависимостей от разных значений температуры исходного газа показан на фиг. 4.

Помещение холодного спая термопары 14 в горячий поток 8, а не в холодный поток 11 имеет преимущество в том, что в выходных потоках второй вихревой трубы 6 не выделяется конденсат, поэтому достоверность измерения температуры выше. Разность температур горячих потоков 12 и 8 при постоянном исходном влагосодержании анализируемого газа увеличивается при увеличении температуры исходного газа, вид зависимости показан на фиг. 5.

Как видно из сравнения фиг. 3 и 5, градиент разности температур холодного и горячего потоков второй вихревой трубы по величине температуры исходного воздуха в 5 раз меньше, чем аналогичный градиент разности температур горячих потоков третьей и второй вихревых труб.

Подключение термопар в электрическую цепь, показанную на фиг. 2, вызывает протекание электрического тока через показывающий прибор силой.

где E₁, E₂ - термо-ЭДС соответственно 13 и 14 термопар;
R₁, R₂ - сопротивление резисторов 16 и 17;
R_p - сопротивление показывающего прибора.

Так как термо-ЭДС пропорциональна разности температур холодного и горячего спаев термопар, то первая термо-ЭДС будет пропорциональна разности температур холодного и горячего потоков второй вихревой трубы, а вторая термо-ЭДС будет пропорциональна разности температур потоков второй и третьей вихревых труб. Тогда выбор отношения сопротивлений R₁ : R₂ = 4 : 1 приводит, согласно формуле (1), к тому, что ток I_p не зависит от изменения температуры исходного газа, а зависит только от его влагосодержания.

Таким образом, шкалу показывающего прибора можно градуировать в величинах влагосодержания исходного газа.

Пример конструктивного исполнения предложенного способа измерения влажности газов обеспечивает показание прибором величины влагосодержания анализируемого газа в пределах от 2 до 10 г/кг при температуре исходного газа от 283 до 323 K, причем дополнительные источники тока не требуются. Давление анализируемого газа должно быть в примере не ниже 0,4 МПа.

Источники информации
1. Голиков В. А. Способ измерения температуры точки росы сжатой газовоздушной среды. - Патент РФ N 2082157, G 01 N 25/66, 1997, бюл. 17.

2. Паклин В.А., Баятинов Н.А. Способ измерения влажности газов. - Авт. свид. СССР N 1350582, G 01 N 25/66, 1987, бюл. 41.

3. Вихревые аппараты / А.Д. Суслов, С.В. Иванов, А.В. Мурашкин, Ю.В. Чижиков. - Машиностроение, 1985. - С. 69.

Использование: в приборостроении. Сущность изобретения: анализируемый газ разделяют в вихревой трубе на холодный и горячий потоки, которые затем разделяют соответственно во второй и третьей вихревых трубах, получают с помощью термопар первую термо-ЭДС, пропорциональную разности температур холодного и горячего потоков второй вихревой трубы, и вторую термо-ЭДС, пропорциональную разности температур горячих потоков второй и третьей вихревых труб. Изменяют по крайней мере одну из этих термо-ЭДС до сведения к минимуму влияния температуры исходного анализируемого газа на разность этих термо-ЭДС, измеряют по крайней мере один из параметров электрической цепи, включающей разность термо-ЭДС, по величине которого судят о влагосодержании анализируемого газа. Технический результат - повышение достоверности и точности измерений. 5 ил.

Способ измерения влажности газов, заключающийся в разделении анализируемого газа с помощью вихревой трубы на горячий и холодный потоки, отличающийся тем, что холодный и горячий потоки после вихревой трубы разделяют соответственно во второй и третьей вихревых трубах, получают первую термо-э.д.с. , пропорциональную разности температур холодного и горячего потоков второй вихревой трубы, и вторую термо-э.д.с., пропорциональную разности температур горячих потоков второй и третьей вихревых труб, причем изменяют, по крайней мере, одну из этих термо-э.д.с. до сведения к минимуму влияния температуры исходного анализируемого газа на разность этих термо-э.д.с., измеряют, по крайней мере, один из параметров электрической цепи, включающей разность термо-э. д. с. , по величине которого судят о влагосодержании анализируемого газа.