RU2117278C1

RU2117278C1 - Hygrometer

Info

Publication number: RU2117278C1
Application number: RU97105525A
Authority: RU
Inventors: Ю.Г. Володин; А.С. Галушкин; Г.П. Зарайский; С.П. Никулин; Б.Н. Осипов; С.Н. Павлов
Original assignee: Конструкторское Бюро Общего Машиностроения
Priority date: 1997-04-08
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 1998-08-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: proposed hygrometer is used to measure humidity of gases. It may be employed to measure low values of dew point of compressed gases directly under high pressures. Hygrometer has case, inlet and outlet gas lines, throttle, dew point detector and condensation mirror. Heating element is located in duct that feeds throttled gas to throttle. Throttle is fitted with temperature sensitive element which can maintain specified temperature difference between throttled gas and condensation mirror. As result accuracy of determination of temperature at which condensation of vapors starts is increased. Base of condensation mirror has cycloid shape which allows effect of deceleration of throttled gas to be avoided and rate of cooling of mirror to be enhanced. EFFECT: increased accuracy of determination of temperature at which condensation of vapors starts. 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике измерения влажности газов. Преимущественная область использования - измерение низких значений точки росы сжатых газов непосредственно при высоких давлениях. The invention relates to techniques for measuring the humidity of gases. The preferred area of use is the measurement of low dew point values of compressed gases directly at high pressures.

Известен гигрометр, содержащий входную и выходную газовые магистрали, конденсационное зеркало, детектор точки росы и охладитель с нагревателем (см., например, [1], c. 138). A known hygrometer containing the inlet and outlet gas lines, a condensation mirror, a dew point detector and a cooler with a heater (see, for example, [1], p. 138).

Его недостаток заключается в том, что используемый в гигрометре охладитель с нагревателем, представляющий собой термобатарею, не позволяет охлаждать конденсационное зеркало до низких температур, например до минус 90^oC, предусмотренных в [2]. При этом в случае измерений точки росы сжатых газов непосредственно при высоких давлениях охлаждающая способность термобатареи существенно снижается.Its disadvantage is that the cooler with a heater used in the hygrometer, which is a thermopile, does not allow the condensation mirror to be cooled to low temperatures, for example, to minus 90 ^o C, provided in [2]. Moreover, in the case of measurements of the dew point of compressed gases directly at high pressures, the cooling capacity of the thermopile is significantly reduced.

Известен гигрометр, содержащий входную и выходную газовые магистрали, конденсационное зеркало, детектор точки росы, охлаждающее устройство и нагреватель (см., например, [1], с. 165). A known hygrometer containing the inlet and outlet gas lines, a condensation mirror, a dew point detector, a cooling device and a heater (see, for example, [1], p. 165).

Недостаток этого гигрометра заключается в том, что в качестве охладителя конденсационного зеркала используется охлаждающая смесь, не позволяющая получать достаточно низкие отрицательные температуры. Кроме того, данный гигрометр не позволяет измерять точку росы сжатых газов непосредственно при высоких давлениях. The disadvantage of this hygrometer is that a cooling mixture is used as a cooler of the condensation mirror, which does not allow obtaining sufficiently low negative temperatures. In addition, this hygrometer does not allow measuring the dew point of compressed gases directly at high pressures.

Известен гигрометр, содержащий входную и выходную газовые магистрали, конденсационное зеркало, детектор точки росы, дроссельное устройство и нагреватель (см., например, [3]), принятый за прототип. В этом гигрометре конденсационное зеркало охлаждается с помощью дроссельного устройства, а его нагрев производится путем нагревания газа электрической спиралью, установленной на выходе из дроссельного устройства. Данный гигрометр позволяет производить измерения точки росы сжатых газов непосредственно при высоких давлениях. При этом с помощью дроссельного устройства возможно охлаждение конденсационного зеркала до необходимых отрицательных температур. A known hygrometer containing the inlet and outlet gas lines, a condensation mirror, a dew point detector, a throttle device and a heater (see, for example, [3]), adopted as a prototype. In this hygrometer, the condensation mirror is cooled using a throttle device, and it is heated by heating the gas with an electric spiral installed at the outlet of the throttle device. This hygrometer allows you to measure the dew point of compressed gases directly at high pressures. In this case, using a throttle device, it is possible to cool the condensation mirror to the necessary negative temperatures.

Его недостаток заключается в том, что электрическая спираль нагревателя размещена в канавках корпуса нагревателя, установленного в полости основания конденсационного зеркала, и поэтому контактирует с газом в сравнительно узком слое. Кроме того, нагреватель расположен за дроссельным устройством, то есть в зоне пониженного давления, а дросселируемый газ обтекает не всю поверхность основания конденсационного зеркала. Вследствие этого существенно ухудшается точность регулирования (поддержания) температуры конденсационного зеркала и соответственно увеличивается погрешность измерений точки росы сжатых газов. Its disadvantage lies in the fact that the electric spiral of the heater is located in the grooves of the heater body installed in the cavity of the base of the condensation mirror, and therefore is in contact with the gas in a relatively narrow layer. In addition, the heater is located behind the throttle device, that is, in the zone of reduced pressure, and the throttled gas does not flow around the entire surface of the base of the condensation mirror. As a result of this, the accuracy of regulation (maintenance) of the temperature of the condensation mirror is significantly impaired and, accordingly, the measurement error of the dew point of compressed gases increases.

Результатом настоящего изобретения является повышение точности измерений точки росы газов. The result of the present invention is to increase the accuracy of measurements of the dew point of gases.

Указанный результат достигается тем, что в гигрометре, содержащем корпус, входную и выходную газовые магистрали, конденсационное зеркало, детектор точки росы, дроссельное устройство и нагреватель, нагревательный элемент расположен в канале подвода дросселируемого газа к дроссельному устройству, при этом конденсационное зеркало выполнено циклоидообразной формы, а дроссельное устройство снабжено датчиком температуры. This result is achieved by the fact that in the hygrometer containing the housing, the gas inlet and outlet, a condensation mirror, a dew point detector, a throttle device and a heater, the heating element is located in the channel for supplying the throttle gas to the throttle device, while the condensation mirror is made in a cycloid shape, and the throttle device is equipped with a temperature sensor.

Отличительные от прототипа признаки изобретения заключаются в том, что в предлагаемом гигрометре нагревательный элемент расположен перед дроссельным устройством и установлен в канале, например, в виде трубопровода, по которому подводится дросселируемый газ. В результате этого существенно улучшается теплообмен между дросселируемым газом и нагревательным элементом, что обеспечивает повышение эффективности работы нагревательного элемента и соответственно точности регулирования и поддержания требуемой температуры конденсационного зеркала. При этом конденсационное зеркало выполнено циклоидообразной формы, что позволяет уменьшить его габариты и избежать эффект торможения дросселируемого газа, снижающий скорость охлаждения конденсационного зеркала. Кроме того, дроссельное устройство снабжено датчиком температуры, с помощью которого возможно поддержание заданного перепада температур между дросселируемым газом и конденсационным зеркалом, в результате чего достигается повышение точности в определении температуры, при которой начинается конденсация водяных паров. Distinctive features of the prototype of the features of the invention are that in the proposed hygrometer, the heating element is located in front of the throttle device and installed in the channel, for example, in the form of a pipeline through which the throttled gas is supplied. As a result of this, the heat exchange between the throttled gas and the heating element is significantly improved, which improves the efficiency of the heating element and, accordingly, the accuracy of regulation and maintenance of the required temperature of the condensation mirror. In this case, the condensation mirror is made cycloid-shaped, which allows to reduce its dimensions and to avoid the effect of braking of the throttled gas, which reduces the cooling rate of the condensation mirror. In addition, the throttle device is equipped with a temperature sensor, with which it is possible to maintain a predetermined temperature difference between the throttled gas and the condensation mirror, as a result of which an increase in accuracy in determining the temperature at which condensation of water vapor begins is achieved.

Вариант практической реализации изобретения иллюстрируется чертежом, на котором показан гигрометр в разрезе. A variant of the practical implementation of the invention is illustrated in the drawing, which shows a hygrometer in section.

Гигрометр включает измерительную камеру 1, источник света 2, конденсор 3, защитное стекло 4, смотровое стекло 5, линзу 6, защитное стекло 7, фотоприемник 8, основание конденсационного зеркала 9, конденсационное зеркало 10, датчик температуры 11, втулку 12, теплоизоляцию 13, корпус дроссельного устройства 14, дроссель 15, каналы 16, коллектор 17, нагреватель 18, нагревательный элемент 19, крышку 20, входную магистраль анализируемого газа 21, клапан 22, выходную магистраль анализируемого газа 23, манометр 24, клапан 25, ротаметр 26, магистраль дросселируемого газа 27, клапан 28, манометр 29, отводящую магистраль 30 и датчик температуры 31. The hygrometer includes a measuring chamber 1, a light source 2, a condenser 3, a protective glass 4, a viewing glass 5, a lens 6, a protective glass 7, a photodetector 8, the base of a condensation mirror 9, a condensation mirror 10, a temperature sensor 11, a sleeve 12, thermal insulation 13, throttle body 14, throttle 15, channels 16, manifold 17, heater 18, heating element 19, cover 20, test gas inlet 21, valve 22, test gas outlet 23, pressure gauge 24, valve 25, flowmeter 26, throttle pipe gas 27 k valve 28, pressure gauge 29, outlet pipe 30 and temperature sensor 31.

Источник света 2, конденсор 3 и фотоприемник 8 представляют собой детектор точки росы. Конденсационное зеркало 10 выполнено в виде круглой пластины и соединено, например, путем пайки с основанием конденсационного зеркала 9 циклоидообразной формы, теплоизолированным от втулки 12 и корпуса дроссельного устройства 14. Дроссельное устройство 15, представляющее собой шайбу с дроссельным отверстием, закреплено в полом корпусе дроссельного устройства 14, в котором выполнены каналы 16 и коллектор 17 для выхода дросселируемого газа. В корпусе дроссельного устройства 14 установлен нагреватель 18 цилиндрической формы, например керамический, с винтообразными каналами, в которых размещен нагревательный элемент 19, например, в виде электрической спирали. Винтообразные каналы нагревателя 18 одновременно являются каналами дросселируемого газа. Нагреватель 18 электрически изолирован от корпуса дроссельного устройства 14. Магистраль дросселируемого газа 27 подведена к винтообразным каналам нагревателя 18 через отверстие и полость в крышке 20. Коллектор 17 соединен с отводящей магистралью 30. На выходе дросселя 15 установлен датчик температуры 31, выходы которого заведены в электронный блок управления (не показан) для задания требуемого перепада температур между дросселируемым газом и конденсационным зеркалом 10. The light source 2, the condenser 3 and the photodetector 8 are a dew point detector. The condensation mirror 10 is made in the form of a round plate and is connected, for example, by soldering with the base of the condensation mirror 9 of a cycloid shape, thermally insulated from the sleeve 12 and the body of the throttle device 14. The throttle device 15, which is a washer with a throttle hole, is fixed in the hollow body of the throttle device 14, in which the channels 16 and the collector 17 are made for the outlet of the throttled gas. In the housing of the throttle device 14, a cylindrical heater 18 is mounted, for example ceramic, with helical channels in which the heating element 19 is placed, for example, in the form of an electric spiral. The helical channels of the heater 18 are simultaneously channels of the throttled gas. The heater 18 is electrically isolated from the body of the throttle device 14. The throttle gas line 27 is connected to the screw channels of the heater 18 through an opening and a cavity in the cover 20. The collector 17 is connected to the outlet line 30. A temperature sensor 31 is installed at the output of the throttle 15, the outputs of which are connected to the electronic a control unit (not shown) for setting the required temperature difference between the throttled gas and the condensation mirror 10.

Гигрометр работает следующим образом. Вначале открывают клапаны 22, 25 и пропускают анализируемый газ через измерительную камеру 1 над поверхностью конденсационного зеркала 10. Анализируемый газ через клапан 22 и входную магистраль анализируемого газа 21 поступает в измерительную камеру 1, обтекает конденсационное зеркало 10 и через выходную магистраль анализируемого газа 23, клапан 25 и ротаметр 26 сбрасывается в атмосферу. Необходимое давление анализируемого газа в измерительной камере 1 и его расход устанавливают с помощью клапанов 22, 25. Контроль осуществляют соответственно по манометру 24 и ротаметру 26. Затем включают детектор точки росы. Световые лучи от источника света 2 через конденсор 3, защитное стекло 4 направляются на конденсационное зеркало 10 и, отражаясь, через защитное стекло 7 попадают на фотоприемник 8 с максимальным значением сигнала. Одновременно с этим открывают клапан 28 и подают дросселируемый газ к дросселю 15. Дросселируемый газ через клапан 28, магистраль дросселируемого газа 27, отверстие и полость в крышке 20 подводится к винтообразным каналам нагревателя 18, в которых размещен нагревательный элемент 19. Обтекая нагревательный элемент 19, дросселируемый газ поступает в дроссель 15 и, дросселируясь, понижает свою температуру и соответственно температуру основания конденсационного зеркала 9 и конденсационного зеркала 10. При этом охлажденный газ омывает циклоидообразное основание конденсационного зеркала 9 практически без торможения. Далее охлажденный газ по каналам 16 поступает в коллектор 17 и по отводящей магистрали 30 направляется для подохлаждения дросселируемого газа. Контроль давления в магистрали дросселируемого газа 27 производится по манометру 29. С помощью датчиков температуры 11, 31 на электронном блоке управления (не показан) устанавливают необходимый перепад температур между конденсационным зеркалом 10 и дросселируемым газом для уменьшения погрешности в измерении температуры конденсационного зеркала 10. Повышение точности регулирования и поддержания температуры конденсационного зеркала 10 на требуемом температурном уровне обеспечивается за счет расположения нагревательного элемента 19 в зоне высокого давления перед дросселем 15 и улучшения теплообмена между ним и дросселируемым газом. The hygrometer works as follows. First, the valves 22, 25 are opened and the analyzed gas is passed through the measuring chamber 1 above the surface of the condensation mirror 10. The analyzed gas through the valve 22 and the input line of the analyzed gas 21 enters the measuring chamber 1, flows around the condensation mirror 10 and through the analyzed gas outlet 23, the valve 25 and rotameter 26 is discharged into the atmosphere. The required pressure of the analyzed gas in the measuring chamber 1 and its flow rate are set using valves 22, 25. The control is carried out respectively by the pressure gauge 24 and rotameter 26. Then, the dew point detector is turned on. Light rays from the light source 2 through the condenser 3, the protective glass 4 are sent to the condensation mirror 10 and, being reflected, through the protective glass 7 fall on the photodetector 8 with the maximum signal value. At the same time, the valve 28 is opened and throttled gas is supplied to the throttle 15. The throttled gas through the valve 28, the throttle gas line 27, the hole and the cavity in the cover 20 is connected to the spiral channels of the heater 18, in which the heating element 19 is placed. The flow around the heating element 19, the throttled gas enters the throttle 15 and, throttling, lowers its temperature and, accordingly, the temperature of the base of the condensation mirror 9 and the condensation mirror 10. In this case, the cooled gas washes a cycloid e base of the condensing mirror 9 almost without braking. Next, the cooled gas through channels 16 enters the manifold 17 and is sent along the exhaust line 30 to cool the throttled gas. The pressure in the throttle gas line 27 is controlled by a pressure gauge 29. Using the temperature sensors 11, 31 on the electronic control unit (not shown), the necessary temperature difference is established between the condensation mirror 10 and the throttled gas to reduce the error in measuring the temperature of the condensation mirror 10. Improving the accuracy regulation and maintenance of the temperature of the condensation mirror 10 at the required temperature level is ensured by the location of the heating element 19 in the zone in high pressure in front of the throttle 15 and improve heat transfer between it and the throttle gas.

Визуальное наблюдение за состоянием конденсационного зеркала 10 производится через линзу 6 и смотровое стекло 5. Visual observation of the state of the condensation mirror 10 is made through the lens 6 and the sight glass 5.

При образовании росы на конденсационном зеркале 10 световой сигнал, поступающий на фотоприемник 8, резко уменьшается. Температура конденсационного зеркала 10, измеренная в этот момент, принимается за точку росы анализируемого газа при давлении, установленном в измерительной камере 1. Для нагревания конденсационного зеркала (для испарения росы) снижают давление в магистрали дросселируемого газа 27 и включают нагревательный элемент 19. With the formation of dew on the condensation mirror 10, the light signal supplied to the photodetector 8 decreases sharply. The temperature of the condensation mirror 10, measured at this moment, is taken as the dew point of the analyzed gas at the pressure set in the measuring chamber 1. To heat the condensation mirror (to evaporate the dew), reduce the pressure in the throttle gas line 27 and turn on the heating element 19.

Экономический эффект, ожидаемый от использования предлагаемого гигрометра, определить на данной стадии разработки не представляется возможным. The economic effect expected from the use of the proposed hygrometer, to determine at this stage of development is not possible.

Использованные источники
1. Влажность. Измерение и регулирование в научных исследованиях и технике. Т. 1. Принципы и методы измерения влажности в газах. Материалы международного симпозиума по влагометрии. Вашингтон, 1963. Л.: Гидрометеоиздат, 1967, 568 с.Used sources
1. Humidity. Measurement and regulation in research and technology. T. 1. Principles and methods for measuring humidity in gases. Materials of the international symposium on moisture measurement. Washington, 1963. L .: Gidrometeoizdat, 1967, 568 p.

2. ГОСТ Р 5055-93. Классы чистоты газов. 2. GOST R 5055-93. Gas purity classes.

3. Автоматический фотоэлектронный индикатор влажности ДДН-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 1987, 52 с. 3. Automatic photoelectronic humidity indicator DDN-1. Technical description and operating instructions, 1987, 52 p.

Claims

A hygrometer comprising a housing, an inlet and outlet gas lines, a condensation mirror, a dew point detector, a throttle device and a heater, characterized in that the heating element is located in the channel for supplying the throttling gas to the throttle device, while the base of the condensation mirror is made in a cycloid shape, and the throttle the device is equipped with a temperature sensor.