Способ калибровки датчика влажности Советский патент 1992 года по МПК G01N25/56 

(Л

С

Использование: методы калибровки, аттестации и поверки гигрометров и влаго- метров жидкости в области микроконцентраций влаги. Сущность изобретения: датчик влажности помещают в гигроскопическую камеру, содержащую насыщенный водный раствор гидроокиси натрия с концентрацией 46,5 - 47 мас.%, предварительно охлажденный до его частичной кристаллизации. Калибровку осуществляют при температуре в камере 6-6,5°С после достижения постоянной известной влажности образца газа.

Изобретение относится к методам калибровки, аттестации и поверки гигрометров и влагометров жидкости в области микросодержаний влаги, в частности гигрометров и влагометров с сорбционно-емко- стными первичными измерительными преобразователями для углеводородов в нефтехимической промышленности.

Известны способы калибровки датчиков влажности по известной влажности образца измеряемой среды. Эти способы отличаются методами приготовления образца влажной среды и его аттестации.

Например, известен способ, в котором насыщенный при достаточно высоком известном давлении влажный газ изометрически дросселируют до некоторого более низкого давления и затем подают на датчик калибруемого (поверяемого) гигрометра. При этом относительная влажность приготовленного образца газа пропорциональна отношению давлений газа после и до дросселирования.

Недостатками этого способа являются необходимость создания высокого давления газа в насытителе, стабилизации и точного измерения этого давления, а также прецизионного термостатирования насыти- теля и рабочей камеры. Кроме того, должна учитываться неидеальность используемого газа.

В другом способе приготовленный образец влажной жидкости аттестуется путем вымораживания влаги при низких темпера- турах с визуальной индикацией момента появления или исчезновения (при нагревании) твердой фазы (мути) и одновременным измерением температуры образца (метод Алексеева).

Однако данный способ имеет низкую точность в области микросодержаний влаги вследствие легко возникающих в жидком

00 -N 00 Ю

образце метастабильных состояний, а также из-за большой погрешности визуального определения момента появления (исчезновения) мути. ,

Другим, распространенным в лабораторной практике, является метод титрования образца влажной жидкости реактивом К.Фишер а, который имеет погрешность 10% при определении микропримесей влаги йё менее 0,001 мас.% и не может быть признан удЪ вл4тв5рй ельным для целей калибровки, аттестации или поверки влагомеров в указанной области содержания влаги. Основными причинами погрешности этого метода являются: попадание атмосферной влаги в ячейку для титрования и в анализируемую пробу в момент ее отбора, ошибка при установлении титра разбавленного реактива К.Фишера, неточность индикации конечной точки титрования.

Наиболее близким к предлагаемому является способ калибровки по известной влажности образца газа, определяемой по известным зависимостям при определенной температуре над водными растворами солей, гидроокисей или кислот с известной концентрацией. По этому способу кювету с насыщенным водным раствором того или иного соединения помещают в гигростати- ческую камеру с установленным в ней датчиком гигрометра, причем температура в камере автоматически поддерживается в заданных пределах. Известно использование в данном способе насыщенного водного раствора гидроокиси натрия, взятой в виде кристаллогидрата NaOH x НаО. В этом случае поддерживается температура выше 15°С(при концентрациях безводной гидроокиси в растворе не менее 53 мас.%}, т.к. при температуре 13°С происходит перекристаллизация твердой фазы, приводящая к нарушению взаимно однозначного соответствия Между влажностью газа над раствором и его температурой.

Этот способ получил наибольшее распространение при создании образцовых средств поверки рабочих гигрометров. Однако для достижения высоких метрологических характеристик он также требует термостатирования рабочей камеры, поскольку парциальное давление водяного пара над-раствором и растворимость веществ в воде зависят от температуры. При реализации способа-прототипа в переносном варианте прибора (гигростат ГПТ-130 (5)) погрешность воспроизведения точки росы составляет 0,3°С в области температур выше - 18°С, г.е. относительная погрешность равна ± 8% при шкале в единицах ррт (объемных).

Целью изобретения является повышение точности при одновременном расширении диапазона получаемых значений влажности и упрощения способа.

5 Для достижения указанной цели предлагается способ калибровки датчика влажности, заключающийся в помещении датчика в среду с известной влажностью, задаваемой насыщенным водным раство0 ром гидроокиси натрия концентрацией 46,5 - 47,5 мас.%, охлажденным до частичной кристаллизации, а калибровку производят при температуре б - 6,5°С.

Установление в гигростатической каме5 ре постоянной влажности среды, в которую помещен датчик влажности, при гигромет- рическом равновесии определяется по стабилизации выходного сигнала датчика или показаний вторичного прибора, к которому

0 подключен датчик. Для уменьшения времени установления гигрометричес кого равновесия и исключения градиентов влажности возможно перемешивание среды, в которую помещен калибруемый датчик. Время уста5 новки равновесия определяется условиями теплообмена в камере и качеством ее тепловой изоляции.

Известно, что водный раствор гидроокиси натрия с концентрацией 47 мас.%

0 затвердевает при температуре б.2°С в виде эвтектической смеси кристаллогидратов NaOH х 2Н20 и NaOH x 3.5H20. При этом состав жидкой фазы в процессе выпадения эвтектики остается постоянным, В соответ5 степи с правилом фаз Гиббса для конденси- ровзнных систем такая частично закристаллизовавшаяся система безвари- антнз, т.к. число С ее степеней свободы равно нулю( + 1 2-3+1 0, где К 0 число независимых компонентов системы; Ф - число фаз.). Это значит, что температура системы и состав ее жидкой фазы будут оставаться неизменными до тех пор, пока одновременно существуют жидкая и твердая

5 фазы. При этих условиях парциальное давление водяного пара над насыщенным раствором, зависящее от его концентрации и температуры, также будет постоянным. Вследствие этого калибруемый (поверяе0 мый) датчик влажности покажет строго определенную влажность среды (газа или калибровочной жидкости), в которую он помещен. При этом значение влажности среды может быть найдено по данным

5 опубликованных таблиц или определено по результатам предварительных экспериментальных исследований.

При калибровке датчика влажности для жидких сред он погружается в образец ка

либровочной жидкости, находящейся в тепловом контакте с насыщенным раствором гидроокиси натрия и в условиях массообме- на с газовой средой гигростатической камеры, В соответствии с законом Генри, справедливом при низких концентрациях растворенной в жидкости влаги, в калибровочной жидкости установится строго определенное равновесное содержание влаги, зависящее от парциального водяного пара в гигростатической камере, а также от растворимости воды в калибровочной жидкости при ее установившейся температуре и определяемое из уравненияР НХ,

где Р - парциальное давление водяного пара в гигростатической камере, мм рт. ст.;

X - содержание растворенной влаги в калибровочной жидкости, доли моль,

Н - постоянная Генри, мм рт.ст.

В предлагаемом способе используется водный раствор гидроокиси натрия с концентрацией 46,5 - 47,5 мас.% NaOH, а калибровка датчика влажности производится в герметичной теплоизолированной камере при установившейся эвтектической температуре насыщенного раствора. Для ускорений начала кристаллизации производится предварительное переохлаждение раствора на 3 - 5°С. В указанных пределах концентраций и температур раствора возможно оптимальное использование вышеописанных известных закономерностей, позволяющее без использования специальной схемы термостатирования гигростатической камеры осуществлять калибровку дат- чика влажности при одновременном повышении ее точности.

Использование предлагаемого способа позволит повысить точность калибровки датчика влажности в области низких содержаний влаги не менее чем в два раза. Это достигается за счет получения в гигростатической камере образца среды, в котором содержание влаги определено с высокой точностью.

П р и м е р 1. Производится калибровка сорбционно-емкостного датчика влажности газа английской фирмы SHAW, имеющего диапазон измерения температуры точки росы от -60 до 0°С. Датчик подключен к вторичному прибору, питающемуся от сети переменного тока напряжением 220В через стабилизатор напряжения типа СН-315. Выходной электрический сигнал измеряется с помощью образцового потенциометра постоянного тока типа Р-307.

Предварительно с помощью гигрометра, откалиброванного известным методом

двух давлений, определяется давление насыщенного водяного пара над раствором гидроокиси натрия применяемой концентрации, т.к. достаточно точные лигатурные 5 данные неизвестны, В качестве среды с влажностью используется воздух, находящийся в-гигростатической камере.

В процессе калибровки выполняют следующие основные операции приготавлива0 ют раствор безводной гидроокиси натрия в дистиллированной воде с концентрацией 47,0мас.% в количестве 500 , загружают приготовленный раствор в кювету, извле- ченную из камеры, закрывают ее крышкой и

5 помещают на 10 - 15 ч в холодильник с температурой от -5 до +2°С, после образования твердой фазы, составляющей не менее массы загруженного раствора, кювету помещают в гигростатическую камеру с ус0 тановленным в ней калибрующим датчиком и герметично закрывают камеру крышкой, выдерживают камеру при комнатной температуре до установления в ней равновесной температуры 6,2°С при перемешиваний

5 воздуха в камере, о чем судят по стабилизации показаний вторичного прибора, производят измерение выходного сигнала электрической измерительной схемы калибруемого датчика.

0 Сходимость показаний по температуре точки росы, определенная с доверительной вероятностью 0,95 по данным 8 реализаций способа, составила ±0,25°С при среднем значении - 29,5°С, тогда как для прототипа

5 она равна ±0,8°С. Нестабильность не превышала ±0,1°С за период времени не менее 6 ч.

П р и м е р 2. Производится калибровка датчика влажности жидкости фирмы

0- SHAW с диапазоном измерения от -80 до -20°С точки росы (инея) в равновесной газовой фазе. В качестве среды с известной влажностью используется изопентан марки ЧТА, загруженной в специальную кювету

5 гигростатической камеры с установленным в ней (кювете) калибруемым датчиком. Электрическая схема установки та же, что и в примере 1.

0 Гигростатическая камера в данном случае состоит из герметичного теплоизолированного корпуса, оборудованного охлаждающей рубашкой, двух кювет для раствора гидроокиси натрия и калибро5 вочной жидкости (изопентана), которые имеют тепловой контакт между собой и оборудованы каналами для загрузки и выгрузки жидкостей, а также устройства для перемешивания калибровочной жидкости и газа в камере Рабочий объем камеры 1 л

В процессе калибровки выполняют следующие основные операции: приготавливают раствор безводной гидроокиси натрия марки Ч. в дистиллированной воде с концентрацией 47,0 мас.% в количестве 200 см , загружают приготовленный раствор в соответствующую кювету предварительно осушенной гигростатической камеры и подают в ее охлаждающую рубашку с температурой О - 2°С, выдерживают камеру при ее охлаждении водой до частичного затвердевания (50 - 70%) раствор гидроокиси натрия, причем степень затвердевания раствора контролируют, пользуясь специальным, герметично закрываемым отверстием в верхней стенке Камеры, загружают в кювету с калибруемым датчиком предварительно осушенный цеолитами типа СаА и охлажденный до температуры 6°С изолентам в количестве 300 см , подают в рубашку камеры воду с температурой 6 - 6,5°С и выдерживают камеру до установления в ней гигротермического равновесия при одновременном перемешивании изопентана, после стабилизации выходного сигнала измерительной схемы датчика производят запись его значений и определение погрешности измерения, подогревают камеру тепловой водой до полного плавления твердой фазы раствора гидроокиси натрия, разгружают кюветы камеры и удаляют из камеры датчик влажности, тщательно промывают камеру и кюветы водой и продувают воздухом до полной сушки.

Определенная экспериментально с доверительной вероятностью 0,95 сходимость измеренных значений выходного сигнала датчика в единицах содержания влаги (12 измерений) составила ±0,25 ррт

(± 0,25 мас.%) при среднем значении 6.2 ррт, т.е. ±4отн.%, тогда как для прототипа она равна 8 отн.% при более высоком уровне содержания влаги.

Как видно из приведенных примеров,

погрешность предлагаемого способа калибровки по сравнению с известным ниже не менее чем в 2 раза, при одновременном упрощении способа благодаря отсутствию системы автоматического регулирования

температуры.

Формула изобретения Способ калибровки датчика влажности, заключающийся в размещении датчика в среде с известной влажностью, задаваемой

насыщенным водным раствором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности калибровки, влажность задают насыщенным водным раствором гидроокиси натрия концентрацией 46.5 - 47,5 мас,%,

охлажденным до частичной кристаллизации, а калибровку производят при 6,0 - 6,5°С.