ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА СВЧ ГИГРОМЕТРА Российский патент 2001 года по МПК G01N22/04 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению влажности природного газа по методу точки росы.

Известны методы измерения влажности газов по методу точки росы с помощью конденсационных гигрометров, в которых наблюдение за процессом выпадения влаги или ее испарения с полированной металлической площадки ("зеркальца") или линейки ведется глазом или оптическими средствами [1], [2]. Их недостатком является зависимость результата измерения от характера и состояния поверхности зеркальца (в частности, от ее загрязненности), сложности конструкции, а также от присутствия в газе паров высших углеводородов с температурой точки росы (ТТР) выше, чем ТТР по влаге.

Известны также СВЧ гигрометры с использованием в качестве датчика влажности объемного резонатора, частота которого определяется влажностью газа [3] , [4]. Их достоинство - высокие метрологические характеристики, а недостаток - низкая чувствительность. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является СВЧ гигрометр [4], который взят за прототип.

Измерительная ячейка (ИЯ) этого гигрометра представляет собой два одинаковых по размерам СВЧ резонатора.

При одинаковых давлениях, температурах и составах газа их собственные частоты в вакууме равны: f₀₁ = f₀₂. Для поддержания равенства температур резонаторы выполнены в едином металлическом корпусе ("моноблоке"), а для поддержания равенства давлений использовано специальное устройство на основе сильфона. При измерениях один из резонаторов - опорный - заполняют сухим газом, а другой - измерительный - влажным. После заполнения резонаторов газом их собственные частоты понижаются f₀₁ ---> f₀₁ - Δ f₁ и f₀₂ ---> f₀₂ - Δ f₂, причем в силу различия диэлектрических свойств сухого и влажного газов это понижение будет несколько разным, а именно частота резонатора с влажным газом изменится сильнее: Δ f₀₂ > Δ f₀₁. Измеряемый эффект - разница между Δ f₀₁ и Δ f₀₂ - Δf₀₂-Δf₀₁= δf - и есть мера отличия влажного газа от сухого, т.е. мера абсолютной влажности.

Ввиду малого отличия диэлектрической постоянной насыщенного водяного пара от единицы (при температуре Т = 0^oC и давлении P = 1,0 кгс/см² = 1,00005) чувствительность метода невелика: относительное изменение частоты лежит в диапазоне 10^-5-10^-6 (в зависимости от величины абсолютной влажности). Отсюда, чтобы зарегистрировать с приемлемой точностью столь малые сдвиги частоты, приходится конструировать сложную и дорогую электронную измерительную схему.

Таким образом, основным недостатком прототипа является низкая чувствительность используемой ИЯ, следствием чего являются большие погрешности при измерении в газах с малым влагосодержанием и сложность измерительной электронной схемы.

Решение технической задачи достигается тем, что в измерительную ячейку СВЧ гигрометра, содержащую объемный резонатор, связанный отверстиями связи с питающим и измерительным волноводами, добавляются новые признаки. Новым является то, что в основании объемного резонатора размещается зеркало из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью и низким коэффициентом поглощения в СВЧ диапазоне, на конденсационной поверхности которого установлен датчик температуры; при этом объемный резонатор расположен на поверхности термоэлектрического охлаждающего устройства, а толщина диэлектрического зеркала выбирается из условия нахождения его конденсационной поверхности в области максимального электрического поля объемного резонатора.

На чертеже приведена конструкция измерительной ячейки СВЧ гигрометра. Она состоит из объемного цилиндрического СВЧ резонатора 1, диэлектрического зеркала 2, размещенного на торце резонатора 4, термоэлектрического охлаждающего устройства 3, охлаждающего торец 4, питающего и приемного волноводов 5 и 6, связанных с объемным резонатором 1 через отверстия связи 7 и 8 и датчика температуры 9, укрепленного на наружной, конденсационной поверхности диэлектрического зеркала 2.

Диэлектрическое зеркало 2 должно быть выполнено из радиопрозрачного материала, чтобы не вносить дополнительных потерь в объемный резонатор. Кроме того, материал зеркала должен иметь высокую теплопроводность, чтобы не допустить сколько-нибудь значительного перепада температур между охлаждаемой (внутренней) и конденсационной (внешней) поверхностями зеркала.

Термоэлектрическое охлаждаемое устройство необходимо, чтобы по определенной программе - с заданной скоростью - управлять процессом понижения температуры зеркала.

Толщина зеркала выбирается такой, чтобы конденсационная поверхность его была расположена в максимуме электрической компоненты СВЧ поля резонатора: при этом значительно повышается чувствительность ИЯ.

Работа ИЯ происходит следующим образом. Газ, влажность которого надо измерить, в резонатор 1 вдувают известным способом, например - через небольшое отверстие (М.А. Берлинер. "Измерение влажности". М., Энергия, 1973, стр. 234, рис. 7 - 9). Одновременно по волноводу 5 от СВЧ генератора (на фиг. не показан) распространяется СВЧ поле, которое через отверстие связи 7 возбуждает объемный резонатор 1. При этом в волноводе 6, связанном с резонатором 1 через отверстие связи 8, также появляется СВЧ поле, которое регистрируется детектором (на фиг. не показан).

Далее включают источник питания электрического термоохлаждающего устройства 3 и постепенно понижают его температуру. Одновременно наблюдают за сигналом с СВЧ детектора и за температурой поверхности зеркала.

При переходе через температуру точки росы на зеркале начинают конденсироваться микрокапли влаги. При этом сигнал с детектора, установленного в волноводе 6, в результате сильного поглощения СВЧ энергии водой в резонаторе 1 начинает резко уменьшаться.

Температура, при которой начинается понижение величины сигнала с СВЧ детектора, является температурой точки росы. Абсолютная влажность однозначно определяется из измеренной ТТР.

Чувствительность ячейки такова, что позволяет отказаться от опорного резонатора. Кроме того, можно удалить верхний торец объемного резонатора (что дополнительно несколько снижает чувствительность) с тем, чтобы улучшить газообмен с потоком измеряемого газа.

Было изготовлено и испытано два образца заявляемого устройства, различающихся главным образом линейными размерами резонаторов.

Основные параметры их приведены ниже в таблице.

Оба образца были испытаны как в лаборатории на воздушных смесях, так и на газовых предприятиях - на реальных природных газах, и показали положительные устойчивые результаты. В качестве приборов, по которым были проведены сравнения, использовались: сорбционный гигрометр американской фирмы "Panametrics" - модель "System 280" и новейший конденсационный гигрометр российской фирмы "Вымпел"- модель "Конг-Прима 2".

Источники информации
1. Халиф А.Л., Туревский Е.И., Сайкин В.В., Сахаров В.Е., Бахметьев П.И. Приборы для измерения влажности природного газа. М.: ИРЦ Газпром, 1995 г., 45 с.

2. Лыжникова С.А. Приборы для измерения влажности газов и их поверка. М. : Изд-во стандартов. 1988, 59 с.

3. Лебедев И. В., Мецнер Е.П., Потапов А.А. Высокоточный СВЧ пирометр. Измерительная техника, 1985, N 7, 56 с.

4. Семенов Ю. И. Измерительная ячейка СВЧ гигрометра. А.С. SU 1354079, опубликовано в БИ N 43 от 23.11.87 г.

Измерительная ячейка СВЧ гигрометра, содержащая объемный резонатор, датчик температуры, охлаждающее устройство, питающий и приемный волноводы, в основании объемного резонатора размещено зеркало из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью и низким коэффициентом поглощения в СВЧ диапазоне, на конденсационной поверхности которого установлен датчик температуры, при этом объемный резонатор расположен на поверхности термоэлектрического охлаждающего устройства, а толщина диэлектрического зеркала выбирается из условия нахождения его конденсационной поверхности в области максимального электрического поля объемного резонатора. Технический результат заключается в увеличении точности определения точки росы или величины абсолютной влажности газа, упрощении конструкции. 1 табл., 1 ил.

Измерительная ячейка СВЧ гигрометра, содержащая объемный резонатор, связанный отверстиями связи с питающим и приемным волноводами, отличающийся тем, что в основании объемного резонатора размещено зеркало из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью и низким коэффициентом поглощения в СВЧ диапазоне, на конденсационной поверхности которого установлен датчик температуры, при этом объемный резонатор расположен на поверхности термоэлектрического охлаждающего устройства, а толщина диэлектрического зеркала выбирается из условия нахождения его конденсационной поверхности в области максимального электрического поля объемного резонатора.