Способ измерения малых концентраций водяного пара в газе и устройство для его реализации Советский патент 1981 года по МПК G01N27/22 

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВОДЯНОГО ПАРА В ГАЗЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Изобретение относится к гигрометрии и может быть использовано в промышленности и научных исследованиях. Известен способ измерения влажности газа, основанный на измерении температуры охлаждаемого зеркала в момент выпадения на нем конденсата. Устройство, реализующее этот способ, содержит зеркало, систему регулирования температуры зеркала, термометр, измеряющий температуру зеркала, и детектор конденсата, включающий осветитель и фотоприемник 1. Но вследствие инерционности толщины слоя конденсата при малой концентрации водяного пара b газе данное устройство обладает большой погрешностью измерения. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения влажности газа, основанный на одновременном охлаждении конденсационной поверхности кварцевого резонатора, имеющего зависимость резонансной частоты колебаний от температуры, пропускании над указанной поверхностью исследуемого газа и измерении амплитуды колебаний кварцевого резонатора для обнаружения выпадения конденсата на его поверхности. По уменьшению амплитуды колебаний кварцевого резонатора до заданного уровня обнаруживают начало выпадени-я конденсата, затем, поддерживая постоянным заданный уровень амплитуды колебаний резонатора, измеряют резонансную частоту его колебаний, соответствующую началу выпадения конденсата, по которой судят о температуре точки росы. Известное устройство, реализующее данный способ, содержит автогенератор с кварцевым резонатором, имеющим зависимость резонансной частоты колебаний от температуры, последовательно соединенные частотомер и индикатор температуры точки росы, регулятор температуры конденсационной поверхности кварцевого резонатора, подключенный через усилитель и детектор рассогласования амплитуды к выходу автогенератора, с которым также соединен вход частотомера 2. Однако применение зависимости амплитуды колебаний от толщины слоя конденсата для регулирования температуры кварцевого резонатора приводит к значительным погрешностям измерения влажности газа.

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения малых концентраций водяного пара в газе, заключающемуся в том, что охлаждают конденсационную поверхность кварцевого резонатора и пропускают над ней исследуемый газ, охлаждают конденсационную поверхность кварцевого резонатора до заданной температуры ниже температуры точки инея исследуемого газа на 30-100 К, поддерживают температуру конденсационной поверхности кварцевого резонатора на заданном уровне и измеряют скорость изменения резонансной частоты кварцевого резонатора, по которой судят о концентрации водяного пара.

В устройство для реализации предлагаемого способа, содержащее автогенератор с кварцевым резонатором и индикатор концентрации водяного пара, введен стабилизатор температуры конденсационной поверхности кварцевого резонатора, блод контроля температуры, кварцевого резонатора, блок дифференцирования частоты, вход которого подключен к выходу автогенератора, и коммутатор, информационный вход которого подключен в выходу блока дифференцирования частоты, управляющий вход - к выходу блока контроля температуры, а выход подключен к индикатору концентрации водяного пара. На чертеже приведена схема устройства, реализу.ющего предлагаемый способ измерения малых концентраций водяного пара в газе. Устройство содержит кварцевый резонатор 1, для поддержания температуры конденсационной поверхности постоянной предназначен стабилизатор температуры 2. Резонатор включен в автогенератор 3, к выходу которого подключены последовательно соединенные блок дифференцирования частоты 4, коммутатор 5 и индикатор концентраций водяного пара 6. Для контроля температуры конденсационной поверхности кварцевого резонатора предназначен блок контроля температуры 7, выход которого подключен к управляющему входу коммутатора 5. Устройство работает следующим образом. Кварцевый резонатор 1 с помощью стабилизатора 2 температуры конденсационной поверхности кварцевого резонатора термостатируется при заданной температуре, значение которой выбирается заведомо ниже минимальной температуры точки инея исследуемого газа. Кварцевый резонатор выбирается с низким температурным коэффициентом частоты, что уменьшает погрещность измерения, связанную с колебаниями температуры резонатора и снижает требования к качеству стабилизации температуры. Исследуемый газ омывает конденсационную поверхность кварцевого резонатора. Скорость конденсации водяного пара на этой поверхности и, следовательно, скорость изменения частоты колебаний, генерируемых автогенератором 3, пропорциональна разности парциального давления водяного пара в газе и давления насыщения при температуре кварцевого резонатора.

Скорость изменения частоты измеряется с помощью блока дифференцирования частоты 4, сигнал с выхода которого через коммутатор 5 подается на индикатор концентрации водяного пара 6. Блок контроля 7 измеряет температуру конденсационной поверхности кварцевого резонатора и при достижении упомянутой заданной температуры выдает управляющий сигнал на коммутатор 5, по которому вход индикатора 6 подключается к выходу блока дифференцирования частоты 4.

Чувствительность кварцевого резонатора к изменению массы на его поверхности очень велика, что позволяет легко измерять низкие влажности.

В предлагаемом устройстве температура кварцевого резонатора стабилизирована и его резонансная частота зависит только от изменения массы конденсата на его поверхности. Тем самым .устранена погрещность от одновременного влияния конденсата и температуры на резонансную частоту кварцевого резонатора. Формула изобретения 1. Способ измерения малых концентраций водяного пара в газе, заключающийся в том, что охлаждают конденсационную поверхность кварцевого резонатора и пропускают над ней исследуемый газ, отличающийся тем, что, с целью повыщения чувствительности и точности измерений, охлаждают конденсационную поверхность кварцевого резонатора до заданной температуры ниже температуры точки инея исследуемого газа на 30-100 К, поддерживают температуру конденсационной поверхности кварцевого резонатора на заданном уровне и измеряют скорость изменения резонансной частоты кварцевого резонатора, по которой судят о концентрации водяного пара. 2. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее автогенератор с кварЦ вым резонатором и индикатор концентрации водяного пара, отличающееся тем, что оно снабжено стабилизатором температуры конденсационной поверхности кварцевого резонатора, блоком контроля температуры кварцевого резонатора, блоком дифференцирования частоты, вход которого подключен к выходу автогенератора, и коммутатором, информационный вход которого подключен к выходу блока дифференцирования

частоты, управляющий вход - к выходу блока контроля температуры, а выход подключен к индикатору концентрации водяного пара.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 397830, кл. G 01 N 25/66, 1971.

2.Roberts ELA,Goldsmith ЕЕ.Piezoelectric crystals as sensing elements of pressure. Temperature and humidity. Electric de Engineering, vol 70, 1951, № 9, pp. 776-780 (прототип).