Способ измерения влажности газа Советский патент 1984 года по МПК G01N27/46 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для уменьшения погрешности измерения абсолютной влажности газа.

Известен способ lj измерения влажности газа подогревньпуг электролитическим преобразователем, содержащим электроды, расположенные на пропитанной раствором электролита подложке, включающий измерение равно весной температуры преобразователя и определение по ней влажности газа.

Электроды преобразователя подключают к внешнему источнику переменног напряжения, равновесную температуру измеряют термометром сопротивления, (содержащимся в преобразователе.

Под равновесной температурой понимают температуру активной части поверхности преобразователя, т.е. части поверхности подложки, на котор не сказываются краевые эффекты охлаждения преобразователя. Равновесна температура преобразователя, находящегося в контакте со средой, устанавливается автоматически с помощью разогрева электролита переменным током, пропускаемым через электроды от внешнего источника переменного напряжения, и служит для определения влажности газовой среды.

Поверхность преобразователя, покрытая электролитом и находящаяся в стационарном состоянии равновесия со средой, поддерживает температуру равновесия трех фаз электролита (водяного пара, раствора и твердой соли при которой выполняется условие

(1)

р р CT П фгде Р

парциальное давление водяных паров среды;

Р - давление водяных паров среды над поверхностью электролита;Тф - температура равновесия трех

фаз.

Температура равновесия трех фаз является физической величиной, харак 50 теризующей состояние равновесия трех фаз, однозначно связанной с давлением водяных паров.

Величина Т устанавливается в результате равенства мощностей - под- 55 водимой от внешнего источника питания и рассеивающейся поверхностью преобразователя в окружающую среду.

Мощность, подводимая от внешнего источника питания, равна

WnO R -ot-o lT -TO,

-где 3 - установившийся ток преобразователя;

Rg - сопротивление электролита; ot - коэффициент теплообмена с

окружающей средой; 5 - площадь поверхности теплоотдачи электролита, т.е.площадь поверхности подложки, контактирующая с газом (незанятая электродами); температура среды. Электрическая мощность, рассеивающаяся в окружающую среду, определяется полным сопротивлением преобразователя

(3)

R Ra + RI

9 К ,

где Ry. - сопротивление контакта

электродов с электролитом, и равна

.ACfp-J b (4)

где S s - полная площадь поверхности

теплоотдачи преобразовател т.е. полная площадь поверхности подложки; Тр - равновесная температура

преобразователя, измеряема его термометром. Равновесная температура Тр при правильном конструктивном выполнении преобразователя мало отличается от Tgj, что дает возможность определения влажности газа по равновесной температуре.

Недостатком данного способа является наличие дополнительного подогрева, что приводит к отличию Тр от Тф, так как дополнительный источник тепла, которым является контакт элекролита с электродом, не участвует в механизме установления Тф, с его действием связана погрешность преобразователя в стационарном состоянии, а также зависимость Тр от неинформативных параметров.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ измерения -влажности газа подогревным электролитическим преобразователем, содержащим электроды, расположенные на пропитанной электролитом подложке, включающий измерение равновесной температуры, тока и напряжения питания преобразователя и расчет влажнос ти с учетом поправочных коэффициенто найденных при предварительных измерениях 2J . Недостатком известного способа яв ляется определение влажности по равновеСной температуре, что приводит . к погрешности,изменяющейся при измен нии неинформативных параметров среды Цель изобретения - повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения влажности газа подогревным электроли тическим преобразователем, содержащи злектроды,расположенные на пропитанной электролитом подложке, включающе му измерение равновесной температуры тока и напряжения питания преобразователя и расчет влажности с учетом поправочных коэффициентов, найденных при предварительных измерениях, пред варительные измерения осуществляют путем нахождения тока и равновесной температуры преобразователя при постоянных значениях температуры и влажности газа по крайней мере при трех последовательно изменяемых значениях напряжения питания, а поправочные коэффициенты определяют с учетом найденных значений по значению температуры равновесия трех фаз электролита и отношения площади по,верхности подложки, контактирующей с газом, к площади полной поверхности подложки. Проведенные исследования позволяю найти связь между равновесной температурой и электр ческими параметрами работы .преобразователя, заключающуюся в том, что при изменении параметров среды, например при увеличении скорости обдува, увеличивается толщи на слоя электролита аналогично тому, как она увеличивается при уменьщении напряжения питания. Теоретическое рассмотрение электрических (с учетом нелинейных свойств проводимости электролита раствора соли в сильных электрических полях порядка ) и геометрических (с учетом изменения толщины слоя электролита) свойств контакта между электролитом и электродами позволяет установить связь между Тр , Тер и рассеиваемой мощность преобразователя Wp IU АХ,+Д21 X А 1U - l -I-lL ст т SA Тр - т и - напряжение питания; - - отношение площадей активных А поверхностей теплоотдачи электролита. Полученная зависимость показывает, что для определения необходимы численные значения коэффициентов преобразователя У,X. и Х. Для этого необходимо провести не менее трех измерений Тл и тока преобразователя при трех различных значениях напряжения, питания преобразователяг. Из уравнений (5) и (6) можно полу- . чить следующе.е выражение для определения Т-п VVtVri 2U5,U,+ X,r) .. Для измерения влажности воздуха определяют установившийся ток преобразователя, напряжение питания преобразователя, равновесную температуру и температуру среды. Используя предварительно определенные коэффициенты преобразователя и отношение , по формуле (7) находят значение Т-. При . этом точность определения T«j составляет +0,1°С. Так как температура равновесия трех фаз Тф точно определяет влажность газовой среды, по ней более точно определяют влажность газа Для осуществления способа необходимо предварительно определить следующие параметры: конструктивный параметр, характеризующий теплоотда- чу; ток и равновесную температуру преобразователя, истинную температуру равновесия трех фаз электролита. Конструктивный параметр определяют путем измерения отношения площади поверхности подложки, контактирукидей с газом, к полной поверхности подложки. Затем преобразователь помещают в гидростат с заданными и постоянными во времени температурой Т и влажностью газа. Для данного электролита, пропитьгоающего подложку преобразователя, определяют по таблицам температуру Тл равновесня трех фаз при учете параметров водяного пара в гидростате. Затем подключают преобразователь к источнику питания и после установлеf1ния равновесной температуры измеряют значения равновесной температуры, напряжения питания и установившегося тока преобразователя. На следующем этапе изменяют напряжение питания и после установления равновесной температуры вновь измеряют значения равновесной температуры, напряжения питания и установившегося тока преобразователя. Затем еще раз изменяют напряжение питания и повторяют те же измерения. По данным трех измерений составляю три уравнения вида Xj+Ar x, 1U AX,4-AI Из системы трех уравнений определяют коэффициенты Х, Xg и Х. Преобразователь переносят из гигростата в среду для измерения влажности газа. Измеряют значение равновесной температуры, температуру среды, напряжение питания (если преобразователь питается нестабилизированным источником питания) и установившийся ток преобразователя. По измеренным значениям и предварительно определенным коэффициентам определяют температуру равновесия трех фаз согласно выражению (7p.f,X, г I ...v .V ..v. Xi Г 4и( Г V 2UkgU2 .(9) где Kg - отношение площадей поверхности теплоотдачи к подложке. Полученное значение Тф используют для определения парциального давления водяного пара среды, т.е. влажности измеряемого газа. Пример . Рассмотрим способ измерения абсолютной влажности газа подогревным электролитическим пре98 образователем влажности ДВ-1К ТУ2515.638-74, содержащим преобразователь, включающий электроды и подложку пропитанную раствором хлористого лития, и отдельный термометр, измер ющий температуру среды. При осуществлении способа предварительно определяют отношение площадей поверхностей теплоотдачи подложки. Для данного преобразователя цилиндрической конструкции это отношение равно -0.. где А - шаг намотки электродов преобразователя равный 1 мм; диаметр провода электродов, равный 0,3 мм. Затем преобразователь ДВ-1К помещают в солевой гигростат, содержащий насыщенный раствор хлористого натрия при Т, 40,1°С (Р А1,7 мм рт.ст.). Температуру равновесия трех фаз находят, используя температурную зависимость парциального давления водяного пара над насыщенным раствором хлористого лития. для приведенных условий Tjp 8в,. Преобразователь подключают к источнику питания последовательно с амперметром типа Ш4310. Термометры, измеряющие Т р и Т), подключают к мостовым измерительным устройствам типа МО-62. При трех различных напряжениях питания преобразователя измеряют значения равновесной температуры Тр, установившегося тока 3 , напряжения U питания. Температура среды поддерживается неизменной. Данные измерений вместе со значениями коэффициентов системы уравнений приведены в таблице. По полученным данным составляют систему уравнений 0,9288 X, + 22,583 Х, + 591,177Х, 1,4134, 0,9202 X, + 14,450 Х + 246,586 Х, 1,3302, 0,8989 X. + 7,279 X. 65,581 Х 1,2654 Решением системы являются коэффициентыX, 1.35; Х, 7-10-; Х 1,6. На этом предварительная работа по определению коэффициентов преобра зователя является законченной. Для определения температуры равновесия трех фаз измеряют текущие значения равновесной температуры преобразователя, напряжения его пита ния, установившегося тока пвеобразователя и температуры среды. Например при измерении в указанных вьше усло188 ВИЯХ при напряжении питания,U 18 В и Т| 40,°С равновесная температура равна Тр 86,, а установившийся ток равен I 72,5 мА. Используя полученные значения коэффициентов преобразователя и отношение Ki формуле (7) вычисляют температуру равновесия трех фаз Т/п 86,11 С. При этом абсолютная погрешность определения Тер равна 86,20-86,11 0,09С. По температуре равновесия трех фаз определяют, используя градуировочные таблицы, влажность измеряемого газа. Преимуществом предлагаемого способа по сравнению с известным (базовым) является уменьшение погрешности измерения влажности с 1,5% до 0,5%. Использование предлагаемого способа позволяет достичь более высокой точности измерения абсолютной влажности газа без изменения конструкции .преобразователя.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ГАЗА подогревным электролитическим преобразователем, содержащим электроды, расположенные на пропитанной электролитом подложке, включающий измерение равновесной температуры, тока и напряжения питания преобразователя и расчет влажности с учетом поправочных коэффициентов, найденных при предварительных измерениях, о тличающийся тем, что, с целью повьпиения точности измерений, предварительные измерения осуществляют путем нахождения тока и равновесной температуры преобразователь при постоянных значениях температуры и влажности газа по крайней мере при трех последовательно изменяемых значениях напряжения питания, а поправочные коэффициенты одределяют с учетом найденных значений по знаko чению температуры равновесия трех фаз электролита и отношения площади поверхности подложки, контактирующей с газом, к площади Полной поверхности д подложки.