СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области измерения влагосодержания газов. Влагосодержание газа, т.е. масса водяного пара в газе, выражается в (г/кг сух. воздуха) и имеет важное значение во многих областях науки и техники. Зная значение влагосодержания газа, можно вычислить любые гигрометрические параметры газа, в том числе абсолютную и относительную влажность, при любой температуре.

Известны различные способы (методы) измерения и воспроизведения величин влажности газов, представленные в РМГ 75-2004 (Рекомендации по межгосударственной стандартизации. ГСИ. Измерения влажности веществ. Термины и определения). Обычно влагосодержание, зависящее от температуры газа, давления и относительной влажности, определяют по температуре точки росы, что достигается либо охлаждением газа, либо изменением его давления. Самой значимой и затратной операцией является изменение температуры газа, поскольку требует либо расхода дорогостоящего азота, либо сложного и дорогостоящего оборудования (термостаты, изотермические камеры давления и т.п.).

Известен «Способ и устройство для измерения точки росы», патент №2186375, 2000 г., патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро общего машиностроения им. В.П.Бармина», в котором измеряется точка росы за счет измерения количества выпавшего конденсата и температуры на влагочувствительном элементе одним измерительным средством. Этот способ является дорогостоящим и длительным по времени определения влажности газов, а для его реализации используется громоздкое устройство. Кроме того, при измерении данным способом необходимо производить демонтаж гигрометра с объекта эксплуатации и доставку его в поверочную лабораторию.

Наиболее близким к заявляемому, взятым за прототип, является «Способ определения влагосодержания газов и устройство для его осуществления» по патенту №2450262, заявка №2010150710 с приоритетом 07.12.2010, патентообладатель «Закрытое акционерное общество "МЕРА"». В известном способе выполняются следующие операции - из исследуемого газа с неизвестной влажностью при измеренных значениях фактической его температуры и давления отбирается проба в измерительную камеру, проба газа в камере известного объема подвергается сжатию до давления (состояние водяного пара), при котором выпадает роса (конденсат), измеряются давление и температура, при которых выпал конденсат и по эмпирическим зависимостям, описывающим номограмму в системе координат [кг воды/кг газа - давление (для различных температур}, для измеренных значений давления и температуры, при которых выпал конденсат, определяют значение массового отношения влаги газа d [кг/кг].

Известное устройство для определения влажности газов содержит измерительную замкнутую камеру, в которой установлены датчики температуры и давления и сигнализатор выпадения конденсата, выводы которых соединены с устройством обработки и управления, кроме того, оно содержит устройство сжатия газа и внешние датчики температуры и давления, выходы которых также соединены с устройством обработки и управления.

Этот способ является надежным и точным, но требует применения большого мембранного компрессора, поскольку нужно сильно сжимать воздух, иногда до десятков атмосфер, пока не выпадет роса. Это потенциально опасно, как и любая другая работа с высокими давлениями. Использование большого мембранного компрессора не позволяет использовать такую установку в мобильной системе поверки гигрометров, предназначенной для поверки гигрометров, находящихся на своих рабочих местах, без возможности их демонтажа на время процедуры поверки.

Задачей заявленного решения является снижение трудоемкости и эксплуатационных затрат и повышение безопасности измерений.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известном способе определения влагосодержания газов, включающем сжатие газа в замкнутой измерительной камере со встроенными датчиками температуры и давления, газ подвергают сжатию до давления, при котором плотность газа становится равной плотности измерительного поплавка, снабженного противовесом, что определяют по всплытию поплавка и горизонтальному положению коромысла, фиксируют значения температуры и давления в замкнутой измерительной камере в момент всплытия поплавка, используя измеренные значения, определяют значение влагосодержания исследуемого газа по следующим соотношениям:

где

ρ_пара - плотность водяного пара, ρ_пара=0,803 г/литр

ρ_сух - плотность сухого воздуха, ρ_сух=1,293 г/литр

где V_попл - объем поплавка (в литрах),

m_попл - вес поплавка с учетом противовеса (в граммах),

T₀=273°C,

t_лаб - температура исследуемого воздуха, °C,

P₀ - нормальное атмосферное давление, P₀=760 мм рт.ст.,

P_лаб - давление в лаборатории, мм рт.ст.,

ΔP_изб - величина избыточного давления, ΔP_изб=(P_камера-P_лаб), мм рт.ст.

P_камера - давление в измерительной камере в момент всплытия поплавка, мм рт.ст.

Поставленная цель достигается за счет того, что известное устройство для определения влагосодержания газов, содержащее замкнутую измерительную камеру со встроенными датчиками температуры и давления, дополнительно снабжено установленным в измерительной камере равноплечевым коромыслом, при этом на одной стороне коромысла расположен измерительный полый герметичный поплавок известного веса и объема, а на другом плече коромысла расположен противовес, кроме того, измерительная камера снабжена вентилем для выпуска пробы газа и вентилем для нагнетания в измерительную камеру пробы исследуемого газа. А также за счет того, что на равноплечевом коромысле установлены весы со стрелкой. Кроме того, устройство может содержать микропроцессор, который предназначен для цифровой обработки результатов измерений и вычисления влагосодержания в исследуемой пробе газа, и электронные весы, соединенные с микропроцессором.

Техническим результатом заявленного способа и устройства является снижение трудоемкости и эксплуатационных затрат и повышение безопасности измерений, за счет того, что в предлагаемом способе нет необходимости получать высокое давление, при котором выпадает конденсат. Поплавок, используемый в заявленном решении, выполнен полым внутри, максимально легким, адаптированным к исследуемой газовой среде, обладающей малой плотностью. Газ подвергают сжатию только до всплытия поплавка, т.е. до давления, при котором плотность газа становится равной плотности измерительного поплавка. Использование известных (экспериментально определенных) параметров поплавка и значений температуры и давления, зафиксированных в камере в момент всплытия поплавка, дает возможность определения влагосодержания по предлагаемому алгоритму

Достоинства предлагаемого способа и устройства:

а) для реализации способа не требуется получение высокого давления и использования дорогостоящего оборудования, что повышает безопасность при проведении работ. Мощный компрессор может быть заменен на микрокомпрессор;

б) выполнение всех операций предлагаемого способа занимает несколько минут;

в) возможность автоматизации процесса получения значения влагосодержания газа, если вместо визуальной фиксации равенства веса поплавка и противовеса использовать электронные весы, помещенные в измерительную камеру и подключенные к микропроцессору.

г) предлагаемое решение позволяет создать устройство для периодической поверки приборов измерения влажности газов, без их демонтажа с объекта эксплуатации, в рабочих условиях;

д) погрешность предлагаемого способа (метода) зависит только от погрешностей применяемых средств измерений (давления и температуры) и может иметь предельно малые значения.

Заявленное решение поясняется чертежом, на котором представлено устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство для определения влагосодержания газов состоит из измерительной камеры 4, в которой установлены безинерционные датчики температуры 1, давления 2 и равноплечевое коромысло 3, в центре которого расположена стрелка весов 9, на одной стороне коромысла 3 находится измерительный полый герметичный поплавок 7, а на другом плече коромысла 3 помещен свинцовый противовес 8. Вентиль 6 служит для выпуска пробы газа. Вентиль 5 служит для нагнетания в измерительную камеру 4 пробы исследуемого газа. В состав устройства может также входить микропроцессор, который предназначен для цифровой обработки результатов измерений и вычисления влагосодержания в исследуемой пробе газа. Измерительный поплавок 7 выполнен герметичным и полым внутри, максимально легким, адаптированным к исследуемой газовой среде. Вес и объем поплавка 7 определяется экспериментально, а вес противовеса 8 подбирается близким к весу поплавка.

Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем. Газ, подлежащий определению его влагосодержания, нагнетается мембранным компрессором небольшой мощности в герметично закрытую измерительную камеру 4 со встроенными безинерционными аналого-цифровыми датчиками температуры 1 и давления 2. При увеличении давления исследуемого газа возрастает его плотность и при достижения равенства веса поплавка 7 и противовеса 8 поплавок «всплывает». Факт достижения равенства веса измерительного поплавка 7 и противовеса 8 фиксируется по горизонтальному положению коромысла 3 (стрелка весов 9 находится на отметке «0»), коромысло принимает горизонтальное положение. В этот момент фиксируются значения температуры и давления, которые используются для вычисления влагосодержания и других параметров газа, либо поступают в цифровом виде в микропроцессор, для обработки результатов измерений и соответствующих вычислений. А при использовании электронных весов появляется возможность автоматизации всего процесса измерений.

В предлагаемом способе выполняются следующие операции:

1) исследуемый газ (например, воздух лаборатории) с неизвестной влажностью при известных (измеренных) значениях температуры и давления отбирается в измерительную камеру, при этом фиксируют температуру t_лаб и давление P_лаб в лаборатории;

2) проба газа в измерительной камере подвергается сжатию до момента всплытия поплавка, т.е. до давления, при котором плотность газа становится равной плотности измерительного поплавка, снабженного противовесом;

3) измеряется давление P_камера и температура, при которых достигнуто это равенство (в момент всплытия поплавка) и определяют величину избыточного давления ΔP_изб=P_камера-P_лаб;

4) измеренные значения t_лаб, P_лаб, ΔP_изб передают в микропроцессорное устройство обработки данных и по известным соотношениям определяют значение влагосодержания исследуемого воздуха d [г/кг сух.воздуха]:

d(г/кг сух.воздуха)=[m_пара(г)]-[m_сух·10^-3 (кг)]=

=(А·Е)÷{[m_попл-(P_лаб+ΔP_изб)]-(A·E)·10^-3 },

где А=(ρ_пара·10³)-(ρ_сух-ρ_пара)=1638,8 - константа,

ρ_пара - плотность водяного пара, ρ_пара=0,803 г/литр,

ρ_сух - плотность сухого воздуха, ρ_сух=1,293 г/литр,

Е={[ρ_сух·V_попл·T₀]÷[P₀·(T₀+t_лаб)]-m_попл÷(P_лаб+ΔP_изб)}

- функционал, определяющий влияние параметров используемого

поплавка на чувствительность предлагаемого метода,

где V_попл - объем поплавка (в литрах), определяется экспериментально,

m_попл - вес поплавка (в граммах), определяется экспериментально,

T₀=273°C, - температура перехода от шкалы Цельсия к шкале абсолютных температур по Кельвину,

t_лаб - температура исследуемого воздуха, °C,

P₀ - нормальное атмосферное давление, P₀=760 мм рт.ст.,

P_лаб - давление в лаборатории, мм рт.ст.,

ΔP_изб - величина избыточного давления, ΔP_изб=(P_камера-P_лаб), мм рт.ст.

P_камера - давление в измерительной камере в момент всплытия поплавка, мм рт.ст.

Контрольную проверку правильности приведенных в алгоритме соотношений можно провести с использованием "i-d" - диаграммы состояния влажного воздуха

Для пояснения принципа работы предлагаемого устройства рассмотрим практические примеры.

Пример 1. Давление в лаборатории составляет 752 мм ртутного столба, температура в лаборатории 23°C. При этом образцовый термогигрометр показывает значение относительной влажности φ в лаборатории равным 48%. Для дальнейших расчетов используем общепринятую «i-d» диаграмму состояния влажного воздуха (газа), отображающую в графическом виде процессы увлажнения, нагревания, осушения, охлаждения газа [1]. Из этой диаграммы следует, что при указанных значениях давления, температуры и влажности величина влагосодержания d составляет 5,8 (г/кг сух воздуха).

Мембранным компрессором этот воздух нагнетается в измерительную камеру 4, в которой установлены равноплечевые весы 3 с поплавком 7 и противовесом 8. Экспериментально установлено, что объем поплавка V_попл=0,1675 литр=167,5 мл.

Вес поплавка, с учетом противовеса, m_попл=0,220 г.

При достижении в камере 4 избыточного давления ΔP_изб.=88 мм рт.ст. наблюдаем, что поплавок 7 «всплыл». Вес воздуха объемом, равным объему поплавка 7, принял соответственно значение 0,220 г.

Из известного уравнения состояния газа

можно вычислить молекулярный вес воздуха

Масса этого воздуха в лабораторных условиях (без избыточного давления) составляет:

Вес этого воздуха складывается из веса сухого воздуха и веса водяного пара, с учетом их объемов:

Объем воздуха, приведенный к нормальным условиям:

Используя уравнение (4), вычислим объем пара:

Тогда получаем:

Влагосодержание этого воздуха определяется как:

Полученное таким образом значение влагосодержания соотносим с «i-d» диаграммой состояния влажного воздуха и получаем при температуре воздуха 23°C значение относительной влажности φ=48%, это значение соответствует начальным условиям задачи, что и требовалось доказать.

Пример 2. Давление в лаборатории составляет 750 мм ртутного столба, температура в лаборатории 25°C. При этом образцовый термогигрометр показывает значение относительной влажности φ в лаборатории равным 80%. Из «i-d» диаграммы следует, что при указанных значениях давления, температуры и влажности величина влагосодержания d составляет 16,5 (г/кг сух. воздуха).

Объем поплавка V_попл=0,1675 литр=167,5 мл.

Вес поплавка, с учетом противовеса, m_попл=0,220 г.

При достижении в камере 4 избыточного давления ΔP_изб=101,1 мм рт.ст. наблюдаем, что поплавок 7 «всплыл». Вес воздуха объемом, равным объему поплавка 7, принял соответственно значение 0,220 г. Из известного уравнения состояния газа (1) вычисляем молекулярный вес этого сжатого воздуха

Масса этого воздуха в лабораторных условиях (без избыточного давления) составляет:

Объем воздуха, приведенный к нормальным условиям:

Вес этого воздуха складывается из веса сухого воздуха и веса водяного пара, с учетом их объемов:

откуда следует:

Тогда получаем:

Влагосодержание этого воздуха определяется как:

Полученное таким образом значение влагосодержания соотносим с «i-d» диаграммой состояния влажного воздуха и получаем при температуре воздуха 25°C значение относительной влажности φ=80%, это значение соответствует начальным условиям задачи, что и требовалось доказать.

Пример 3. Давление в лаборатории составляет 750 мм ртутного столба, температура в лаборатории 25°C. При этом образцовый термогигрометр показывает значение относительной влажности φ в лаборатории равным 20%. Из «i-d» диаграммы следует, что при указанных значениях давления, температуры и влажности величина влагосодержания d составляет 4,0 (г/кг сух. воздуха).

Объем поплавка V_попл=0,1675 литр=167,5 мл.

Вес поплавка, с учетом противовеса, m_попл=0,220 г.

При достижении в камере 4 избыточного давления ΔP_изб.=94,8 мм рт.ст. наблюдаем, что поплавок 7 «всплыл». Вес воздуха объемом, равным объему поплавка 7, принял соответственно значение 0,220 г.

Из известного уравнения состояния газа (1) вычисляем молекулярный вес этого сжатого воздуха

Масса этого воздуха в лабораторных условиях (без избыточного давления) составляет:

Объем воздуха, приведенный к нормальным условиям:

Вес этого воздуха складывается из веса сухого воздуха и веса водяного пара, с учетом их объемов:

Откуда следует:

Тогда получаем:

Влагосодержание этого воздуха определяется как:

Полученное таким образом значение влагосодержания соотносим с «i-d» диаграммой состояния влажного воздуха и получаем при температуре воздуха 25°С значение относительной влажности φ=20%, это значение соответствует начальным условиям задачи, что и требовалось доказать.

Таким образом, проведенная экспериментально-теоретическая проверка для трех различных состояний исследуемого воздуха показала полную применимость предлагаемых способа и устройства.