Спосіб визначення густини газів

Спосіб вимірювання густини газів шляхом визначення теплообміну між нагріваним елементом та газом, що включає пропускання електричного струму через нагріваний елемент, який відрізняється тим, що пропускання електричного струму проводять в періодичному режимі за гармонійним законом, вимірюють температуру, частоту та зсув фази коливання температури газу на відстані d від нагріваного елемента по відношенню до фази коливання температури нагріваного елемента, а густину газу визначають за формулою: 2 T A , d Корисна модель належить до вимірювальної техніки і може бути використана в пристроях вимірювання густини газів, наприклад, густини паливно-повітряної суміші в системах контролю за процесом згоряння палива, системах контролю концентрації водню в паливних елементах та ін. Відомий спосіб вимірювання густини газів шляхом визначення інтенсивності теплообміну між елементом, що нагрівається та газом [Kenzo Kitamura and Tetsuo Miura. Humidity Sensor for Absolute Humidity Measurement and its Applications. Proc.lst Sensor Symposium, 1981, pp.119-123], в котрому використовують мікроскопічних розмірів елемент для визначення густини газу (абсолютної вологості) за теплопровідністю газу. Через елемент пропускають електричний струм, котрий розігріває його. Густину визначають по градуйованій кривій, котра представляє собою залежність потужності, що розсіюється, від температури розігріву та густини газу. В якості теплочутливого елементу, що нагрівається, використовують металічний терморезистор з тонкого платинового дроту або тонкої плівки на тонкій діелектричній підкладці. В цьому способі використовують залежність теплопровідності від маси молекул (середньої швидкості руху молекул V від маси та температури газу). Проте, теплопровідність газу Х також зале жить і від теплоємності одиниці об’єму C та від середньої довжини вільного пробігу молекул l: 1 C l. 3 І коли збільшується концентрація молекул в об’ємі (збільшується густина газу), на теплопровідності це може не відбиватись, оскільки зі збільшенням питомої теплоємності одночасно зменшується довжина вільного пробігу молекул. Це призводить до того, що залежність теплопровідності від густини, при деяких температурах, може мати максимум, тобто ця залежність неоднозначна. На удосконалення цього методу направлені відомі способи, в яких для зняття неоднозначності вимірюється також і теплоємність газу [Патенти США №5401162, 5486107]. Один з таких методів вибраний в якості прототипу. В якості прототипу вибраний найбільш близький по технічній суті та досягаємому результату спосіб вимірювання густини газу шляхом визначення теплофізичних характеристик газу - теплоємності та теплопровідності в мікроскопічних об’ємах, а саме по теплообміну через газ між нагріваним елементом та близько розташованим від нього тепловим сенсором по стаціонарній та нестаціонарній складовій теплообміну одночасно [Патент США №4956793, кл. G01N009/00]. В цьому де - константа, - температура газу, - частота коливань температури, - зсув фази коливань температури на відстані (19) UA (11) 18749 (13) U d. 3 18749 4 способі через нагріваний елемент пропускають (3kT / m)1/ 2 , а саме D 13 l то, беручи це до електричний струм в імпульсному режимі з амплітудою та тривалістю імпульсу струму такою, щоб і уваги отримаємо для D: постійна і змінна складові температури досягали 1 3kT (2) D теплового сенсора. Теплопровідність газу визна3 n m чають по постійній складовій температури сенсоЗ цього виразу можемо визначити середню ра, теплоємність по змінній складовій температури сенсора, а густину визначають по теплопровідносмасу молекул m, помножену на 2 : ті та теплоємності газу за емпіричною формулою. kT Недоліками цього способу є, по - перше, необm 2 (3) хідність багатьох вимірювань для визначення теп3 (D n)2 лопровідності та теплоємності газу: вибору маркеОскільки визначається геометричними розрних (опірних) температур сенсора та визначення мірами молекули, а розміри молекули визначахарактеристик теплообміну (періодів часу, потрібються її масою, то можна вважати, що в рівнянні них для досягнення відповідного підйому чи спаду (3) ліва частина є функцією тільки маси молекули. температури сенсора між цими маркерами), тепАналіз показує, що залежність квадрату поперечлових потоків нагрівача та сенсора, обліку теплоного перерізу молекули від її маси 2(m) є функвих втрат на елементи конструкції. Це призводить до необхідності градуювання пристрою для його цією, близькою до лінійної 2 a m , де а - коефіреалізації у всьому діапазоні вимірюваних густин цієнт з розмірністю м4/кг. Наприклад, відношення для зменшення похибок. По друге, незручність квадрату площі перерізу молекули гелію (молекувизначення густини газу по емпіричній поліноміалярна маса 4, ефективний діаметр молекули стальній формулі з багатьма складовими. новить 2,18.10-10м) [Шебалин О.Д. Молекулярная В основу корисної моделі поставлено задачу физика. - М: Высш. школа, 1978] до її молекулярстворити спосіб вимірювання густини газів, в якому ної маси з точністю до 3% співпадає з таким відшляхом періодичного нагріву елементу за гармоношенням для молекули кисню (ефективний діанійним законом і вимірювання зсуву фази колиметр молекули 3,64.10-10м, молекулярна маса 32), вання температури газу на фіксованій відстані від хоча маси цих молекул відрізняються у вісім раз. нагріваного елементу, густину газу визначати за Таким чином в лівій частині рівняння (3) ми маємо формулою і забезпечити більшу зручність способу. функцію, котра пропорційна m2 , тому середню Поставлена задача вирішується тим, що у вімасу молекул можемо визначити як корінь квадрадомому способі вимірювання густини газів шляхом тний з правої частини рівняння (3) з поправкою на визначення теплообміну між нагріваним елементом та газом, в якому пропускають електричний коефіцієнт ( A k / a , [А]=кг/( c м К ): струм через нагріваний елемент, новим є те, що T пропускання електричного струму проводять в (4) m A D n періодичному режимі за гармонійним законом, Оскільки густина газу визначається як добувимірюють зсув фази коливання температури газу на відстані d від нагріваного елементу по відноток середньої маси молекул m на кількість молешенню до фази коливання температури нагріваноmn , то густину газу кул в одиниці об’єму n : го елементу, а густина визначають за формулою можна записати, підставивши замість маси виpаз 2 (4), як: T A , T d (5) A D де Т - температура газу, - частота коливань Таким чином, для визначення густини газу дотемператури, - зсув фази коливань темперастатньо визначити температуропроводність D та тури на відстані d, А - константа. температуру Т газу (при попередньо визначеному Зручність методу обумовлена тим, що густину коефіцієнту А). Температуропроводність можна визначають за відносно простою формулою, в яку визначити за методом температурних хвиль. Якщо входять змінні величини, що можуть бути виміряні температура на поверхні нагріваного елементу без особливих зусиль з високою точністю (частота змінюється по закону: та зсув фаз коливань , температура газу Т), T( t ) T0e j t , та константи, що визначаються геометрією конструкції (відстань d). де t - час, - частота температурних колиПринцип вимірювання густини газів, що провань, то на відстані d від поверхні елементу при понується, оснований на залежності швидкості дифузійному переносі тепла температура газу розповсюдження температурних хвиль в газі від визначається виразом: його густини. Відомо, що середня довжина вільноd ( / 2D) j( t d ( / 2D) ) го пробігу молекул газу l обернено пропорційна T( t, d) Toe e . числу молекул в одиниці об’єму n та ефективному Таким чином, в стаціонарному режимі зсув перерізу зіткнень молекул газу: l 1/( n) . Оскіфази температурних коливань визначається виральки коефіцієнт температуропроводності D визназом: чається довжиною вільного пробігу молекул l та (6) d ( / 2D) . середньою швидкістю молекул газу Підставляючи в (5) замість D визначення із (6): 5 18749 6 за допомогою мало інерційного термометра. Після D ( / 2)(d / )2 , отримаємо вираз для густини визначення різниці фаз 2 1 визначають газу (1) 2 2 T T густину газу за формулою: , A A d d де Т - температура газу, - частота коливань Спосіб здійснюється таким чином: температури, - зсув фази коливань темпераСпочатку визначають константу A, якщо вона невідома з попередніх вимірювань. Для цього розтури на відстані d, А - константа. міщують в газі з відомою густиною ро нагріваний Приклад конкретного виконання корисної моелемент, пропускають через нього струм, що зміделі: Беруть нагріваний елемент, виготовлений по нюється за гармонійним законом I Io (1 Sin( t )) , мікроелектронній технології, наприклад за [Патент вимірюють температуру газу та частоту коливань Росії №2085874 Способ изготовления терморезисструму. Відносно коливань струму вимірюють фазу тивного преобразователя], у вигляді нікелевого коливань температури нагріваного елемента 1 та плівкового резистору, товщиною 0,15мкм та опофазу коливань температури газу 2 на відстані d ром ~1000Ом, розташованого на діелектричній мембрані із Si3N4 товщиною 0,35мкм і аналогічний від нагріваного елемента за допомогою мало інерплівковий нікелевий резистивний термометр, розційного термометра. Після визначення різниці фаз ташований на відстані 200мкм від нагріваного визначають константу А за форму2 1 елементу. Через нагріваний елемент пропускають лою: електричний струм за законом 2 I 5(1 Sin(2 t / 0,005)) мА , (t - в секундах). За доd o A , помогою мостової схеми виділяють сигнал, пропоT рційний зміні температури нагріваного елементу, де ро - відома густина газу, - частота колипідсилюють та подають на вхід фазометра. На вань температури, Т -температура газу, - зсув інший вхід фазометра подають сигнал від резистивного термометра, включеного також в мостову фази коливань температури на відстані d. схему. Після вимірювання різниці фаз, частоти та Якщо константа А відома, то густина визначатемператури, густину визначають по формулі (1). ють таким чином: розміщують нагріваний елемент Для отримання максимальної точності в широкому в газ, що досліджується, пропускають через нього діапазоні вимірюваних густин термометр для реелектричний струм, що змінюється за гармонійним єстрації зсуву фази теплової хвилі має мати мінізаконом I Io (1 Sin( t )) , вимірюють температуру мальну теплоємність та геометричні розміри при газу, частоту та фазу коливань температури нагрімаксимальному відношенні площі до об’єму. ваного елемента 1 та фазу коливань температури газу 2 на відстані d від нагріваного елемента Комп’ютерна верстка В. Мацело Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601