Спосіб вимірювання вологості газу

Спосіб вимірювання вологості газу, що включає вимірювання температури точки роси газу з Корисна модель, що пропонується, відноситься до вимірювань, зокрема, до дослідження матеріалів за допомогою теплових засобів шляхом визначення точки роси, наприклад, у газовій промисловості. Відомий метод визначення вологості повітря за точкою роси. Використовуючи даний метод, вологість повітря обчислюють за точкою роси, що визначається, тобто за температурою, при якій водяна пара, що знаходиться в повітрі, стає насиченою і частково конденсується. При охолодженні деякої маси атмосферного повітря при незмінному тиску парціальний тиск водяної пари залишається незмінним, але відносна вологість при цьому росте. Це справедливо до настання насичення. У момент настання насичення починається конденсація водяної пари (відносна вологість дорівнює 100%), пружність водяної пари буде дорівнювати максимально можливій при даній температурі (тобто при точці роси). Отже, знаючи точку роси, можна за таблицею знайти значення максимально можливої пружності водяної пари при температурі точки роси, а тим самим й вологість (парціальний тиск пари в досліджуваному повітрі). Для визначення точки роси охолоджують деяку металеву поверхню доти, поки пара, що перебуває в приграничному шарі повітря біля металевої поверхні, почне конденсуватися й наступним розрахунком вологості газу за отриманими в ході вимірювання й наявними табличними даними, який відрізняється тим, що як чутливий елемент застосовують оптичне волокно, а температуру точки роси газу вимірюють у момент порушення ефекту повного внутрішнього відбиття світла в оптичному волокні, на якому при охолодженні газу випадає роса. з'явиться на ній у вигляді роси. У цей момент реєструють температуру охолодженої поверхні. Різних приладів, що працюють на цьому принципі, порівняно багато, з них типовим представником даного ряду є конденсаційний гігрометр Ламбрехта. Він складається з металевої посудини, передня стінка якої зовні відполірована. Усередину цієї посудини через патрубок, приблизно до її половини, наливають ефір. У посудину вставлений термометр. До патрубка приєднана груша, за допомогою якої через посудину продувається повітря. Посудина оточена металевим плоским кільцем, також добре відполірованим. Це кільце не має зіткнення з посудиною, а прикріплено до нього за допомогою косинців із теплоізоляційного матеріалу й тому не охолоджується й залишається блискучим при продуванні повітря за допомогою груші, тоді як стінки посудини охолоджуються й на них з'являється роса. Наявність кільця полегшує визначення моменту появи роси на стінці по-судини. Визначення вологості за даним способом виконується в такому порядку. Перед спостерігачем ставлять скляний екран, що охороняє прилад від дії подиху експериментатора. Наливши ефір у посудину, починають діяти гумовою грушею, нагнітаючи повітря в посудину через трубку. Оскільки ця трубка проходить усередині посудини майже до її дна, то повітря, проходячи через ефір, 00 ю (О О) 6458 викликає сильне його випарювання і через трубку виходить назовні Стінки посудини охолоджуються й водяна пара, що перебуває у навколишньому повітрі, стикаючись із холодною поверхнею, переходить у стан насичення, осаджуючись у вигляді легкого нальоту (роси) У момент появи перших ознак роси (помутніння поверхні) припиняють продування повітря й швидко відраховують температуру за термометром, резервуар якого опущений у ефір Температуру повітря визначають за допоміжним термометром Для більш точного визначення точки роси звичайно відзначають не тільки температуру, при якій з являються перші ознаки роси, але й температуру, при якій через якийсь час зникають останні ознаки роси на поверхні посудини При обчисленні приймають для точки роси середнє значення з декількох спостережень появи й зникнення роси Спостереження найкраще робити за допомогою зорової труби, поміщаючи п на деякій відстані від приладу При відсутності труби між спостерігачем і гігрометром варто поміщати скляний екран, щоб подихом не порушувати вологості біля конденсувальної поверхні приладу Знаючи точку роси вимірюваного повітря (газу) і його температуру, за таблицями, що містять значення пружності водяної пари для різних температур і при незмінному тиску, визначають абг солютну вологість водяної пари, виражену в —гм3 газу и відносну вологість у відсотках, виражену відношенням — 100%, де є - абсолютна вологість вимірюваного повітря (газу), Е - абсолютна вологість вимірюваного повітря (газу) при насиченні водяної пари [1 стор 120121] Даний метод визначення вологості повітря за точкою роси як і спосіб вимірювання вологості газу що заявляється, включає вимірювання температури точки роси з наступним розрахунком вологості за отриманими у ході вимірювання й наявними табличними даними Однак оцінюваний метод недостатньо точний через використання приладу складної конструкції, що вимагає особливих умов виготовлення й експлуатації, а також через наявність суб'єктивної похибки у визначенні моменту появи роси на охолодженій поверхні й у визначенні температури поверхні в цей момент Найближчим за технічною сутністю аналогом, обраним як прототип, є метод визначення вологості повітря за точкою роси із застосуванням автоматично діючого конденсаційного гігрометра, що використовується у промисловості при метрологічних вимірюваннях Принцип дії установки за даним способом такий Через посудину, яка виготовлена з нержавіючої сталі, безупинно протікає охолоджувальна рідина, інтенсивність надходження якої може регулюватися електромагнітним регулятором Температура охолоджувальної рідини до надходження в камеру може підвищуватися електронагрівачем Стінка посудини відполірова на й відбиває разом із дзеркалом падаючий на її поверхню пучок світла від лампочки на фотоелемент У просторі між дзеркалом і стінкою посудини безупинно протікає досліджуване повітря У посудині, у безпосередньому тепловому контакті зі стінкою, поміщений гарячий спай термопари (або термометр опору) Термопара підключена до дзеркального гальванометра (або гальванографу із точковим записом) Звичайно на лампочку, що освітлює дзеркало гальванометра, напруга не подається (або у випадку гальванографа падаюча рамка піднята), отже, запис не виконується Коли температура стінки вище точки роси повітря, що протікає, світловий потік що надходить на фотоелемент, викликає фотострум інтенсивності, достатньої після його посилення підсилювачем для спрацьовування реле, яке при ЦЬОМУ розриває коло електронагрівача, електромагнітної муфти регулятора й лампочки (або реле рамки у випадку гальванометра із точковим записом) У цей момент у посудину починає інтенсивно надходити охолоджувач мінімальної температури, починається охолодження посудини і його стінки При зниженні температури стінки до точки роси повітря, що протікає повз неї, починається конденсація водяної пари на м дзеркальній поверхні Відбивна здатність поверхні зменшується більш ніж удвічі й світловий потік від лампочки, що раніше, до конденсації пари на СТІНЦІ, попадав на фотоелемент майже неослабленим, послабляється в — рази, де п - число відбит тів пучка світла від поверхні стінки посудини Інтенсивність фотоструму різко падає й виявляється недостатньою для спрацьовування реле, завдяки чому нормально замкнутий контакт реле замикає кола, що живлять лампочку гальванографа, електронагрівача й електромагнітну муфту регулятора У результаті цього гальванограф реєструє температуру стінки посудини в момент настання точки роси, регулятор зменшує швидкість надходження охолоджувальної рідини, електронагрівач підвищує температуру охолоджувача, що надходить у посудину Температура посудини й стінки стає вище точки роси досліджуваного повітря Волога, що раніше сконденсувалася на дзеркальній поверхні стінки, випаровується Світловий ПОТІК, ЩО падає на фотоелемент, досягає свого максимального значення, завдяки чому знову спрацьовує реле, розмикаючи контакт, тим самим перериваючи коло живлення освітлювача гальванографа, електромагнітної муфти регулятора й електронагрівача У посудину знову починає інтенсивно надходити охолоджувач при низькій температурі й т д Весь цикл роботи установки повторюється знову Залежно від швидкості змінення вологості досліджуваного повітря підбирається період циклу вимірювання Тривалість циклу задається шляхом ВІДПОВІДНОГО вибору теплоємності стінки посудини, температури охолоджувача, максимальної інтенсивності його надходження при повністю відкритому регуляторі й мінімальної інтенсивності надходження при перекритому регуляторі та, нарешті, потужності й теплоємності електро 6458 нагрівана Подібна система приладу дозволяє одержати запис температури точки роси при мінімальному завантаженні спостерігача Далі, як й у способі-аналогу, роблять розрахунок вологості за отриманими у ході вимірювання й наявними табличними даними [1, стор 123-124] Даний метод визначення вологості повітря за точкою роси із застосуванням автоматично діючого конденсаційного гігрометра, що використовується у промисловості при метрологічних вимірюваннях, ВІДПОВІДНО до прототипу, як і спосіб вимірювання вологості газу ВІДПОВІДНО ДО корисної моделі, що заявляється, включає вимірювання температури точки роси з наступним розрахунком вологості за отриманими у ході вимірювання й наявними табличними даними Однак метод за прототипом недостатньо точний через використання як чутливого елемента дзеркала, що має теплову інерційність та відбиваючі властивості якого великою мірою залежать від чистоти поверхні, що складно підтримувати в практичних умовах В основу корисної моделі поставлено задачу в способі вимірювання вологості газу шляхом застосування як чутливий елемент оптичного волокна й вимірювання температури точки роси газу в момент порушення ефекту повного внутрішнього відбиття світла в оптичному волокні, на якому при охолодженні газу випадає роса, забезпечити підвищення точності вимірювань Задача, що поставлена, вирішується за рахунок того, що у відомому методі визначення вологості повітря за точкою роси із застосуванням автоматично діючого конденсаційного гігрометра, що використовується у промисловості при метрологічних вимірюваннях, який включає вимірювання температури точки роси повітря з наступним розрахунком вологості повітря за отриманими у ході вимірювання й наявними табличним даними, ВІДПОВІДНО до корисної моделі як чутливий елемент застосовують оптичне волокно, а температуру точки роси газу вимірюють у момент порушення ефекту повного внутрішнього відбиття світла в оптичному волокні, на якому при охолодженні газу випадає роса Технічний результат, якого можна досягти при використанні корисної моделі, виражений у тому, що забезпечується підвищення точності вимірювань Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак корисної моделі й технічним результатом простежується в тому, що нові ознаки, уведені в спосіб вимірювання вологості газу, а саме застосування як чутливого елемента оптичного волокна й вимірювання температури точки роси газу в момент порушення ефекту повного внутрішнього відбиття світла в оптичному волокні, на якому при охолодженні газу випадає роса, при взаємодії з відомими ознаками, а саме вимірюванням температури точки роси газу з наступним розрахунком вологості газу за отриманими у ході вимірювання й наявними табличними даними, забезпечують підвищення точності вимірювань за рахунок того, що оптичне волокно має значно меншу, ніж дзеркало, теплову інерційність, а це сприяє підвищенню точності вимірювань при швидкій ЗМІНІ вологості газу або при необхідності проведення швидких вимірювань, і також за рахунок того, що поверхня оптичного волокна, що відбиває, на відміну від поверхні дзеркала, що відбиває, конструктивно повністю захищена від забруднення й запилення, які заважають точному визначенню моменту випадання роси на дзеркалі На кресленні наведена принципова схема гігрометра, що реалізує пропонований ВІДПОВІДНО до корисної моделі спосіб вимірювання вологості газу(приклад) У гігрометрі використовується явище порушення повного внутрішнього відбиття світла при поширенні його по світловоду (оптичному волокну), коли поверхня світловоду виявляється покритою шаром прозорого матеріалу з показником переломлення за величиною близьким до показника переломлення матеріалу світловоду водою У свою чергу, дане явище спостерігається як наслідок відомого у оптичній фізиці принципу повного внутрішнього відбиття ВІДПОВІДНО ДО ЦЬОГО принципу, світло при проходженні оптичним волокном відбивається на границі волокна й повністю повертається в нього, якщо кут падіння світла на границю волокна менше або дорівнює граничному Величина граничного кута залежить від співвідношення показників переломлення матеріалу волокна й середовища, що граничить із волокном Якщо показник переломлення середовища пСр і показник переломлення матеріалу волокна, що граничить з ним п п в , близькі за величиною, то процес повного внутрішнього відбиття порушується й світло поступово уздовж волокна йде в навколишнє середовище, інтенсивність світлового потоку, що проходить по волокну, знижується Гігрометр складається із чутливого елемента у вигляді оптичного волокна 1, джерела світла 2, фотодетектора 3 для утворення фотоструму, обмеженого об'єму 4 контрольованого газу, у якому частина оптичного волокна перебуває в тепловому контакті з охолоджувачем 5, термопари 6 з гальванометром 7 для контролю температури париохолоджувач-оптичне волокно й приладу 8, що контролює інтенсивність фотоструму Гігрометр за пропонованим способом працює таким чином Світло по оптичному волокну 1 від джерела світла 2 направляють до фотодетектора З, що виробляє фотострум При цьому, саме оптичне волокно поміщають в обмежений об'єм 4 контрольованого газу так, щоб частина його перебувала в тепловому контакті з розміщеним у цьому ж об'ємі охолоджувачем 5 Температуру пари охолоджувач-оптичне волокно в області їхнього теплового контакту вимірюють за допомогою термопари 6 і гальванометра 7, а інтенсивність фотоструму вимірюють приладом 8 Коли контрольований газ, що подають в обмежений об'єм 4, має температуру вище точки роси, то показники переломлення матеріалу оптичного волокна 1 (звичайно кварцу) і газу значно відрізняються між собою Надалі, при охолодженні волокна, шар газу, що граничить із ним, охолоджується до температури точки роси й на поверхні волокна утворюється роса - шар води, показник переломлення якої за величиною близький до 6458 показника переломлення матеріалу волокна. Внаслідок даної ситуації відбувається порушення повного внутрішнього відбиття й світло поступово уздовж волокна залишає його Момент зниження інтенсивності світла при цьому реєструють за допомогою фотодетектора 3 і приладу 8. . Одночасно за допомогою термопари 6 і гальванометра 7 реєструють температуру пари охолоджувачоптичне волокно в області їхнього теплового кон Комп'ютерна верстка Н. Лисенко 8 такту, що й є точкою роси досліджуваного газу. Далі за величиною температури точки роси газу, що виміряна таким способом, й наявними табличними даними уже відомим способом визначають вологість газу. Джерела інформації: 1. Кедроливанский В.Н., Стернзат М.С., Метеорологические приборы, Гидрометеорологическое издательство, Ленинград, 1953. Підписне Тираж 28 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 - 4 2 , 01601