Способ измерения влажности газа

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

И

РЕСПУБЛИН

091 (1!) эсж С 01 N 27/46

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И (ЛНРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ф "г g>оp а

ИЬДКИЫА (21) 3293353/18-25 (22) 27.05.81 (46) 30.07.84. Бюл. У 28 (72) Ю.Г. Завьялов, А.М. Литвинов, В.П. Мишта и Н.В. Добровольский (71) Киевский институт автоматики им. ХХУ съезда КПСС (53) 543.247(088.8) (56) 1. Спенсер-Грегори P., Роурке Е.

Гигрометрия. M., Гос.н.-т.иэд-во черной и цвет. металлургии, 1963, с. 186.

2. Датчик относительной влажности воздуха. ДВ-1К. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 2Ж5, 184, 004ТО, 1973 (прототип). (54)(57) 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 тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, предварительные измерения осуществляют путем нахождения тока и равновесной температуры преобразователл 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 поверхности подложки, контактирующей с газом, к площади полной поверхности подложки. 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) 40

Р Р (Т ) О, где P — парциальное давление водяных

f паров среды;

Р„ — давление водяных паров среды над поверхностью электролита;

Т вЂ” температура равновесия трех

9 фаз.

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

Величина Т, устанавливается в результате равенства мощностей — подводимой от внешнего источника питания и рассеивающейся поверхностью преобразователя в окружающую среду.

1 1105

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

Известен способ fl) измерения влажности газа подогревным электролитическим преобразователем, содержащим электроды, расположенные на пропитанной раствором электролита подложке, включающий измерение равно- 1п весной температуры преобразователя и определение по ней влажности газа.

Электроды преобразователя подключают к внешнему источнику переменного 1 напряжения, равновесную температуру измеряют термометром сопротивления, содержащимся в преобразователе.

Под равновесной температурой понимают температуру активной части поверхности преобразователя, т.е. части поверхности подложки, на которой не сказываются краевые эффекты охлаждения преобразователя. Равновесная температура преобразователя, находящегося в контакте со средой, устанавливается автоматически с помощью

798

Мощность, подводимая от внешнего источника питания, равна (2) 1 A =-4 Rq = < (q 1 1

-где 3 — установившийся ток преобразователя; — сопротивление. электролита; коэффициент теплообмена с окружающей средой;

5 — площадь поверхности теплоотдачи электролита, т.е.площадь поверхности подложки, контактирующая с газом (незанятая электродами);

Т вЂ” температура среды.

Электрическая мощность, рассеивающаяся в окружающую среду, определяется полным сопротивлением преобразователя

R= Rg+ RL, (3) где R — сопротивление контакта электродов с электролитом, и равна д . (R v R =6 (тр sl) (4)

P где 5 g — полная площадь поверхности теплоотдачи преобразователя, т.е. полная площадь поверхности подложки;

Тр — равновесная температура преобразователя, измеряемая его термометром.

Равновесная температура Т при правильном конструктивном выполнении преобразователя мало отличается от

Т, что дает воэможность определения влажности газа по равновесной температуре.

Недостатком данного способа является наличие дополнительного подогрева, что приводит к отличию Т от

Т, так как дополнительный источник тепла, которым является контакт электролита с электродом, не участвует в механизме установления Т, с его действием связана погрешность преобразователя в стационарном состоянии, а также зависимость Т от неинформаP тивных 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, 1105798 температуры, тока и напряжения питания преобразователя и расчет влажности с учетом поправочных коэффициентов, найденных при предварительных измерениях 12) .

Недостатком известного способа является определение влажности по равновесной температуре, что приводит к погрешности, изменяющейся при изменении неинформативных параметров среды.

Цель изобретения — повьппение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения влажности газа подогревным электроли-. !

5 тическим преобразователем, содержащим электроды, расположенные на пропитанной электролитом подложке, включающему измерение равновесной температуры 20 тока и напряжения питания преобразователя и расчет влажности с учетом поправочных коэффициентов, найденных при предварительных измерениях, предварительные измерения осуществляют

25 путем нахождения тока и равновесной температуры преобразователя при по-. стоянных значениях температуры и влажности газа по крайней мере при трех последовательно изменяемых значениях напряжения питания, а попра30 вочные коэффициенты определяют с учетом найденных значений по значению температуры равновесия трех фаз электролита и отношения площади по1верхности подложки, контактирующей с газом, к площади полной поверхности подложки.

Проведенные исследования позволяют найти связь между равновесной температурой и электрическими параметрами 40 работы .преобразователя, заключающуюся в том, что при изменении парамет- ров среды, например при увеличений скорости обдува, увеличивается толщина слоя электролита аналогично тому, 45 как она увеличивается при уменьшении напряжения питания. Теоретическое рассмотрение электрических (с учетом нелинейных свойств проводимости электролита раствора соли в сильных 50 электрических полях порядка 10 В/м) и геометрических (с учетом изменения толщины слоя электролита) свойств контакта между электролитом и электродами позволяет установить связь 55 между Т>, Т и рассеиваемой мощностью преобразователя

=Ц = AX +API Х +АзI Х (5)

-2 где

IU» Т -Т

S< Т вЂ” Т„

U — - напряжение питания;

Sq — — отношение площадей активных

S поверхностей теплоотдачи электролита.

Полученная зависимость показывает, что для определения необходимы численные значения коэффициентов преобразователя Х,,Х и Х . Для этого необходимо провести не менее трех измерений Т> и тока преобразователя при трех различных значениях напряжения. питания преобразователя.

Из уравнений (5) и (6) можно получить следующее выражение для определения Тд, -г

qäХ, 205з(X Х 3 "") Для измерения влажности воздуха определяют установившийся ток преобразователя, напряжение питания преобразователя, равновесную температуру и температуру среды. Используя предварительно определенные коэффициенты преобразователя и отношение — по

6ь ° формуле (7) находят знамение Т . При этом точность определения Т составо ляет +0,1 С. Так как температура равновесия трех фаз Т, точно определяет влажность газовой среды, по ней более точно определяют влажность газа.

Для осуществления способа необходимо предварительно определить следующие параметры: конструктивный параметр, характеризующий теплоотдачу; ток и равновесную температуру преобразователя, истинную температуру равновесия трех фаз электролита. Конструктивный параметр определяют путем измерения отношения площади поверхности подложки, контактирукппей с газом, к полной поверхности подложки.

Затем преобразователь помещают в гидростат с заданными и постоянными во времени температурой Т1 и влажностью газа. Для данного электролита, пропитывающего подложку преобразователя, определяют по таблицам температуру

Т равновесия трех фаз при учете параметров водяного пара в гидростате.

Затем подключают преобразователь к источнику питания и после установле1105798 ния равновесной температуры измеряют значения равновесной температуры, напряжения питания и установившегося тока преобразователя. На следующем этапе изменяют напряжение питания и 5 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 составляют три уравнения вида

15 (8) Из системы трех уравнений определяют коэффициенты Х, Х и Х .

Преобразователь переносят из гиг- 20 ростата в среду для измерения влажности газа. Измеряют значение равновесной температуры, температуру среды, напряжение питания (если преобразователь питается нестабилиэированным 5 источником питания) и установившийся ток преобразователя. По измеренным значениям и предварительно определен" ным коэффициентам определяют температуру равновесия трех фаз согласно Ю выражению (P"т,)Х, (4Q(X,+X,° T Т,+ -1+ 1 .., (. ° )

5 2 3 2(х, где К вЂ” отношение площадей поверхности теплоотдачи к подложке.

Полученное значение Т используют для определения парциального давления водяного пара среды, т.е. влажности измеряемого газа.

Пример . Рассмотрим способ измерения абсолютной влажности газа подогревным злектролитическим преТр, С

0,В

I, мА

89,1

0,9288 22,583 591,177 1,4134

О, 9202 14, 450 246, 586 1,3 302

0,8989 7,2795 65,5808 1,2654

38,2

22,7

86,73

85,55

58,6

11,4

111,0

IU = АХ +А I Х +A Г Х

1 2 3 образователем влажности ДВ-1К ТУ2515.638-74, содержащим преобразователь, включающий электроды и подложку> пропитанную раствором хлористого лития, и отдельный термометр, измеряющий температуру среды.

При осуществлении способа предварительно определяют отношение площадей поверхностей теплоотдачи подложки. Для данного преобразователя цилиндрической конструкции это отношение равно э h -d

Кз (- = Ъ О 7 (10)

А где h " шаг намотки электродов преобразователя,равный 1 мм; — диаметр провода электродов, равный 0,3 мм.

Затем преобразователь ДВ"1K помещают в солевой гигростат, содержащий насьлценный раствор хлористого натрия при Т< = 40, 1 С (P о

= 41,7 мм рт.ст.) . .Температуру равновесия трех фаз находят, используя температурную зависимость парциального давления водяного пара над насыщенным раствором хлористого лития для приведенных условий Т = 86,2 С.

Преобразователь подключают к источнику питания последовательно с амперметром типа Ш4310. Термометры, измеряющие Т р и Т>, подключают к мостовым измерительным устройствам типа ИО-62. При трех различных напряжениях питания преобразователя измеряют значения равновесной температуры Тр, установившегося тока д напряженйя ц питания. Температура среды поддерживается неизменной.

Данные измерений вместе со значениями коэффициентов системы уравнений приведены в таблице.

I A I- А Ц

1105798

Составитель Г. Боровик

Редактор Ю. Ковач Техред А.Кикемез.ей Корректор О. Луговая

Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раущская наб,, д. 4/5

Заказ 5593/34

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

По полученным данным составляют систему уравнений

0,9288 Х, + 22,583 Х + 591,177 Х) =

1, 4134, 0,9202 Xl + t4 450 Х + 246,586 Х> =

1,3302, 0.8989 х1 + 79279 X) + 65.581 х9 =

1,2654

Решением системы являются коэффициенты

Х 1,35; Х 7 10 ; Х = 1,6.

На этом предварительная работа по определению коэффициентов преобра- 15 зователя является законченной.

Для определения температуры равновесия трех фаз измеряют текущие значения равновесной температуры преобразователя, напряжения его питания, установившегося тока преобразователя и температуры среды. Например, при измерении в указанных выше условиях при напряжении питания,U = 18 В и Т = 40, 1 С равновесная температура о равна То = 86,57 С, а установившийся

О ток равен I = 72,5 мА. Используя полученные значения коэффициентов

9у преобразователя и отношение K> = g4 по формуле (7) вычисляют температуру о равновесия трех фаз Т = 86,1 t С.

При этом абсолютная погрешность опре,деления Т Р равна 86,20-86,11 = 0,09 С.

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 1,5Х до 0,57.;

Использование предлагаемого способа позволяет достичь более высокой точности измерения абсолютной влажности газа без изменения конструкции преобразователя.