СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ГАЗА Российский патент 2006 года по МПК G01N25/68 

Изобретение относится к технике измерения влажности газов и может быть использовано для прецизионных измерений точки росы и точки льда (инея) газа.

Известно, что при отрицательных температурах (по крайней мере до минус 72°С) конденсация водяных паров на поверхности охлаждаемого конденсационного зеркала начинается с образования жидкой фазы в виде мельчайших капель переохлажденной воды (росы), которая, являясь неустойчивой фазой, скачкообразно превращается в устойчивую фазу в виде льда (см., например, [1] с.108). Одновременно с этим скачкообразно изменяется давление насыщенных водяных паров, которое над поверхностью переохлажденной воды выше, чем над поверхностью льда. Поэтому для одного и того же газа его точка росы ниже точки льда. Стандартные зависимости давления насыщенных водяных паров над плоской поверхностью переохлажденной воды и плоской поверхностью льда от температуры известны (см., например, [2] с.31).

Известен способ определения влажности газа, заключающийся в пропускании газа над поверхностью охлаждаемого конденсационного зеркала, расположенного в измерительной камере, и измерении температуры, при которой толщина образовавшейся конденсированной фазы водяных паров не изменяется (см., например, [1] с.39). Эта температура, в зависимости от ее знака, принимается за точку росы или точку льда газа.

Недостаток данного способа определения влажности газа заключается в существенной погрешности измерений. В процессе поддержания температуры конденсационного зеркала, при которой толщина образовавшейся конденсированной фазы водяных паров не изменяется, неизбежно возникают перепады температур между анализируемым газом, поверхностью конденсированной фазы водяных паров и датчиком температуры. Эти перепады температур зависят от многих факторов и, в частности, от температуры, расхода и влажности анализируемого газа. Поэтому температура, при которой толщина конденсированной фазы водяных паров не изменяется, носит случайный характер и может существенно отличаться от фактической температуры поверхности конденсированной фазы водяных паров.

Известен способ определения влажности газа, заключающийся в пропускании газа над поверхностью охлаждаемого конденсационного зеркала, расположенного в измерительной камере, и измерении температуры начала образования конденсированной фазы водяных паров, которая принимается за точку росы газа (см., например, [3] с.230), принятый за прототип.

Недостаток этого способа определения влажности газа, как и в [1], заключается в перепадах температур, возникающих при охлаждении конденсационного зеркала и, в частности, между анализируемым газом, поверхностью конденсационного зеркала и датчиком температуры. В результате перепадов температур рабочая поверхность конденсационного зеркала переохлаждается и, соответственно, температура начала образования конденсированной фазы водяных паров может существенно отличаться от фактической точки росы газа.

Результатом настоящего изобретения является повышение точности измерений влажности газа.

Указанный результат достигается тем, что в способе определения влажности газа, заключающемся в пропускании газа над поверхностью охлаждаемого конденсационного зеркала, расположенного в измерительной камере, и измерении температуры начала образования конденсированной фазы водяных паров, в момент образования конденсированной фазы водяных паров производят нагрев конденсационного зеркала и измеряют температуру, при которой конденсированная фаза водяных паров исчезает, при этом обеспечивают равенство скоростей охлаждения и нагрева конденсационного зеркала, а в измерительной камере поддерживают постоянными давление и расход газа, точку росы и точку льда которого определяют по зависимостям:

где Т_р, Т_л - определяемые величины точки росы и точки льда соответственно;

Т₁, Т₂ - измеренные величины температуры начала образования и температуры исчезновения конденсированной фазы водяных паров соответственно;

δ=|Т₁-Т₂|=|Т₂-Т₁| - абсолютная величина;

Δ - абсолютная величина стандартной разности между точкой росы и точкой льда газа, определяемая по стандартным справочным данным для средней температуры .

Вариант практической реализации предлагаемого способа определения влажности газа рассматривается на примере работы гигрометра, принципиальная схема которого показана на фиг.1. На фиг.2 представлен график абсолютной величины разности между точками росы и точками льда газа Δ в зависимости от температуры , построенный на основе стандартных справочных данных [2].

Гигрометр (фиг.1) включает измерительную камеру 1, конденсационное зеркало 2, датчик температуры 3, источник световых лучей 4, фотоприемник 5, смотровое стекло 6, линзу 7, регулируемый источник холода 8, регулируемый источник тепла 9, манометр 10, клапан 11, трубопровод 12, трубопровод 13 и ротаметр 14.

Для измерения влажности газа открывают клапан 11 и пропускают анализируемый газ через измерительную камеру 1 над поверхностью конденсационного зеркала 2 с определенным расходом, при котором обеспечивается постоянная скорость газа, например, 1 м/с при давлении газа в измерительной камере, близком к атмосферному. Контроль осуществляется соответственно по ротаметру 14 и манометру 10. Анализируемый газ через клапан 11 и трубопровод 12 поступает в измерительную камеру 1, обтекает конденсационное зеркало 2 и по трубопроводу 13 через ротаметр 14 сбрасывается в атмосферу. Затем включают источник световых лучей 4. Световые лучи от источника световых лучей 4 направляются на конденсационное зеркало 2 и, отражаясь, попадают в фотоприемник 5, вызывая максимальный фототок. Одновременно с этим включают регулируемый источник холода 8, обеспечивая постоянную скорость охлаждения конденсационного зеркала 2, например, 0,5°С/мин. В момент скачкообразного уменьшения фототока в фотоприемнике 5 вследствие рассеяния световых лучей, что свидетельствует о начале образования конденсированной фазы водяных паров, с помощью датчика температуры 3 измеряют температуру конденсационного зеркала 2, отключают регулируемый источник холода 8 и включают регулируемый источник тепла 9. При этом обеспечивают постоянную скорость нагрева конденсационного зеркала 2, равную скорости его охлаждения при тех же величинах расхода и давления газа в измерительной камере 1. В момент скачкообразного увеличения фототока в фотоприемнике 5, свидетельствующего об исчезновении конденсированной фазы водяных паров, с помощью датчика температуры 3 измеряют температуру конденсационного зеркала 2. При этом возможно визуальное наблюдение за состоянием поверхности конденсационного зеркала 2 и конденсированной фазы водяных паров с помощью микроскопа или линзы 7 через смотровое стекло 6.

Измеренная температура начала образования конденсированной фазы водяных паров вследствие переохлаждения конденсационного зеркала 2 из-за возникающих перепадов температур между анализируемым газом, рабочей поверхностью конденсационного зеркала 2 и датчиком температуры 3 будет ниже фактической точки росы газа (см., например, [1] с.90). При отрицательных температурах конденсированная фаза водяных паров в виде переохлажденной воды (росы) скачкообразно превращается в лед, что влечет за собой скачкообразное понижение давления насыщенных водяных паров. При нагреве конденсационного зеркала 2 температура исчезновения конденсированной фазы водяных паров вследствие возникающих перепадов температур будет выше фактической точки льда газа практически на ту же величину, что и при охлаждении конденсационного зеркала 2. Используя зависимости, приведенные выше, и график (см. фиг.2), определяют фактические величины точки росы и точки льда газа при отрицательных температурах или фактическую величину точки росы при положительных температурах.

Пример. Измеренная температура начала образования конденсированной фазы водяных паров T₁ равна минус 65°С. Измеренная температура исчезновения конденсированной фазы водяных паров T₂ равна минус 57°С. По средней температуре из графика, приведенного на фиг.2, определяем абсолютную величину стандартной разности между точкой росы и точкой льда Δ. Для средней температуры Т=-61°С Δ=4,2°С. Определяем абсолютную величину разности измеренных температур T₁ и Т₂ δ=|Т₁-T₂|=|-65+57|=8°С. Отличие абсолютной величины δ от Δ обусловлено перепадами температур между анализируемым газом, рабочей поверхностью конденсационного зеркала 2 и датчиком температуры 3, возникающими при измерении температур Т₁ и Т₂. Эти перепады практически равны по величине и противоположны по знаку. Поэтому учет величины , соответственно при измерении температур T₁ и T₂, позволяет определить фактические значения точки росы Т_р и точки льда Т_л анализируемого газа:

При этом необходимо отметить, что в условиях, когда состояние конденсированной фазы водяных паров в процессе измерений не изменяется (при положительных температурах и отрицательных температурах, близких к 0°С), величина Δ равна 0.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ определения влажности газа позволяет учесть перепады температур между анализируемым газом, рабочей поверхностью конденсационного зеркала 2 и датчиком температуры 3, в результате чего существенно повышается точность измерений точки росы и точки льда анализируемого газа.

Источники информации

1. В.А.Зайцев, А.А.Ледохович, Г.Т.Никандрова. Влажность воздуха и ее измерение. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974, с.108.

2. А.А.Бегунов. Теоретические основы и технические средства гигрометрии. Метрологические аспекты. - М.: Издательство стандартов, 1988, с.31.

3. М.А.Берлинер. Измерение влажности. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1973, с 230.

Изобретение относится к технике измерения влажности газов и может быть использовано для прецизионных измерений точки росы и точки льда газа. Точка росы и точка льда газа определяются по измеренной температуре начала образования конденсированной фазы водяных паров на поверхности конденсационного зеркала и по измеренной температуре ее исчезновения с использованием графика абсолютной величины разности между точкой росы и точкой льда, построенного на основе стандартных данных. Технический результат - способ позволяет учесть перепады температур между анализируемым газом, рабочей поверхностью конденсационного зеркала и датчиком температуры, в результате чего повышается точность измерений точки росы и точки льда анализируемого газа. 2 ил.

Способ определения влажности газа, заключающийся в пропускании газа над поверхностью охлаждаемого конденсационного зеркала, расположенного в измерительной камере, и измерении температуры начала образования конденсированной фазы водяных паров, отличающийся тем, что в момент образования конденсированной фазы водяных паров производят нагрев конденсационного зеркала и измеряют температуру, при которой конденсированная фаза водяных паров исчезает, при этом обеспечивают равенство скоростей охлаждения и нагрева конденсационного зеркала, а в измерительной камере поддерживают постоянными давление и расход газа, точку росы и точку льда которого определяют по зависимостям:

где Т_р, Т_л - определяемые величины точки росы и точки льда соответственно;

Т₁, Т₂ - измеренные величины температуры начала образования и температуры исчезновения конденсированной фазы водяных паров соответственно;

δ=|Т₁-Т₂|=|Т₂-Т₁| абсолютная величина;

Δ - абсолютная величина стандартной разности между точкой росы и точкой льда газа, определяемая по стандартным справочным данным для средней температуры .