RU2117279C1

RU2117279C1 - Dew-point hygrometer

Info

Publication number: RU2117279C1
Application number: RU97105526A
Authority: RU
Inventors: Ю.Г. Володин; А.Н. Толмачев; Н.А. Васильева; Н.Е. Винокур
Original assignee: Конструкторское Бюро Общего Машиностроения
Priority date: 1997-04-08
Filing date: 1997-04-08
Publication date: 1998-08-10

Abstract

FIELD: equipment measuring humidity of gases. SUBSTANCE: propose dew-point hygrometer can be used to measure low values of dew point right under high pressures. Measurement chamber of hygrometer is fabricated in the form of longitudinal cylindrical passages arranged in symmetry and presenting condensation mirrors. One of passages is fitted with insert in the form of hollow cylinder made from material having less heat conduction than material of measurement chamber. Insert cavity is connected to outlet pipe-line of analyzed gas and collector. Hygrometer is also equipped with cooler, temperature-sensitive element, light source and photodetector. Reflector is set between light source and measurement chamber. Inspection glass is placed coaxially with measurement chamber. EFFECT: increased accuracy of measurement of dew point and decreased quantity of analyzed gas. 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике измерения влажности газов. Преимущественная область использования - измерение низких значений точки росы 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 directly at high pressures.

Известен конденсационный гигрометр, содержащий измерительную камеру с конденсационным зеркалом в виде плоской поверхности, охладитель, источник света и фотоприемник (см., например, [1]). Known condensation hygrometer containing a measuring chamber with a condensing mirror in the form of a flat surface, a cooler, a light source and a photodetector (see, for example, [1]).

Недостаток этого гигрометра заключается в том, что относительно большой объем измерительной камеры и сравнительно небольшая площадь конденсационного зеркала приводят к тому, что большая масса анализируемого газа не участвует в процессе конденсации, протекающем практически в пограничном слое, что приводит к увеличению его расхода при измерениях точки росы. Кроме того, перепад температур между анализируемым газом и конденсационным зеркалом увеличивается по мере понижения температуры конденсационного зеркала, что приводит к увеличению погрешностей измерений. The disadvantage of this hygrometer is that the relatively large volume of the measuring chamber and the relatively small area of the condensation mirror lead to the fact that a large mass of the analyzed gas is not involved in the condensation process, which occurs almost in the boundary layer, which leads to an increase in its flow rate when measuring the dew point . In addition, the temperature difference between the analyzed gas and the condensation mirror increases as the temperature of the condensation mirror decreases, which leads to an increase in measurement errors.

Известен конденсационный гигрометр, содержащий измерительную камеру с конденсационным зеркалом в виде цилиндрического канала, охладитель, источник света, фотоприемник и датчик температуры (см., например, [2]). Known condensation hygrometer containing a measuring chamber with a condensing mirror in the form of a cylindrical channel, a cooler, a light source, a photodetector and a temperature sensor (see, for example, [2]).

В этом гигрометре увеличена площадь конденсационного зеркала. Однако, как и в гигрометре, рассмотренном выше, большая масса анализируемого газа не участвует в процессе конденсации водяных паров, а также имеет место существенный перепад температур между анализируемым газом и конденсационным зеркалом, что является его недостатком. In this hygrometer, the area of the condensation mirror is increased. However, as in the hygrometer discussed above, a large mass of the analyzed gas does not participate in the process of condensation of water vapor, and there is also a significant temperature difference between the analyzed gas and the condensation mirror, which is its drawback.

Известен конденсационный гигрометр, содержащий измерительную камеру, внутренняя поверхность которой является измерительным зеркалом, охладитель, источник света, фотоприемник и датчик температуры (см., например, [3]), принятый за прототип. Known condensation hygrometer containing a measuring chamber, the inner surface of which is a measuring mirror, a cooler, a light source, a photodetector and a temperature sensor (see, for example, [3]), adopted for the prototype.

В прототипе уменьшено количество анализируемого газа, не участвующего в процессе конденсации паров, но не решен вопрос уменьшения перепада температур между анализируемым газом и конденсационным зеркалом, приводящий к большим погрешностям измерений. In the prototype, the amount of the analyzed gas not participating in the vapor condensation process was reduced, but the issue of reducing the temperature difference between the analyzed gas and the condensation mirror, leading to large measurement errors, was not resolved.

Кроме того, во всех рассмотренных гигрометрах исключена возможность визуального наблюдения за поверхностью конденсационного зеркала. In addition, the possibility of visual observation of the surface of the condensation mirror is excluded in all the hygrometers considered.

Результатом изобретения является повышение точности измерений точки росы и уменьшение количества анализируемого газа, необходимого для измерений. The result of the invention is to increase the accuracy of dew point measurements and reduce the amount of analyzed gas required for measurements.

Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом конденсационном гигрометре, содержащем измерительную камеру с конденсационным зеркалом в виде цилиндрического канала, охладитель, источник света, фотоприемник и датчик температуры, измерительная камера выполнена в виде нескольких продольных, симметрично расположенных каналов, один из которых снабжен вставкой в виде полого цилиндра из материала с меньшей теплопроводностью, чем материал измерительной камеры, полость которого соединена с входным трубопроводом анализируемого газа и коллектором, при этом между источником света и измерительной камерой установлен отражатель, а соосно с измерительной камерой - смотровое стекло. This result is achieved by the fact that in the proposed condensation hygrometer containing a measuring chamber with a condensing mirror in the form of a cylindrical channel, a cooler, a light source, a photodetector and a temperature sensor, the measuring chamber is made in the form of several longitudinal, symmetrically arranged channels, one of which is equipped with an insert in in the form of a hollow cylinder of material with lower thermal conductivity than the material of the measuring chamber, the cavity of which is connected to the inlet pipe of the analyzed gas and a collector, wherein between the light source and reflector mounted measuring chamber and coaxial with the measuring chamber - sight glass.

Сущность изобретения и его отличительные признаки заключаются в том, что в предполагаемом конденсационном гигрометре измерительная камера выполнена в виде нескольких продольных, симметрично расположенных каналов, один из которых снабжен вставкой в виде полого цилиндра из материала с меньшей теплопроводностью, чем материал измерительной камеры. При этом между источником света и измерительной камерой установлен отражатель, а соосно с измерительной камерой - смотровое стекло. The essence of the invention and its distinguishing features are that in the proposed condensation hygrometer, the measuring chamber is made in the form of several longitudinal, symmetrically arranged channels, one of which is equipped with an insert in the form of a hollow cylinder made of a material with lower thermal conductivity than the material of the measuring chamber. In this case, a reflector is installed between the light source and the measuring chamber, and a sight glass is coaxial with the measuring chamber.

В результате этого достигается положительный эффект, заключающийся в следующем. Лучи от источника света, многократно отражаясь, попадают на все участки измерительных зеркал, при этом прямое попадание световых лучей на фотоприемник исключено. Наличие вставки из материала с меньшей теплопроводностью, соединяющей входной трубопровод и коллектор, позволяет предварительно охладить газ, уменьшив тем самым перепад температур между анализируемым газом и поверхностями каналов измерительной камеры. As a result of this, a positive effect is achieved, which consists in the following. The rays from the light source, repeatedly reflected, fall on all sections of the measuring mirrors, while the direct hit of light rays on the photodetector is excluded. The presence of an insert made of a material with lower thermal conductivity connecting the inlet pipe and the collector allows pre-cooling of the gas, thereby reducing the temperature difference between the analyzed gas and the surfaces of the channels of the measuring chamber.

По сравнению с прототипом эти каналы (измерительные зеркала) могут быть выполнены с существенно меньшими диаметрами, вследствие чего практически вся масса анализируемого газа будет участвовать в процессе конденсации водяных паров, что позволяет существенно уменьшить его расход. Кроме того, в конструкции предусмотрено визуальное наблюдение за степенью чистоты каналов конденсационных зеркал, позволяющее своевременно выявлять необходимость их очистки. По сравнению с прототипом предлагаемый конденсационный гигрометр сравнительно прост по конструкции. Compared with the prototype, these channels (measuring mirrors) can be made with significantly smaller diameters, as a result of which almost the entire mass of the analyzed gas will participate in the process of condensation of water vapor, which can significantly reduce its consumption. In addition, the design provides for visual observation of the degree of purity of the channels of the condensation mirrors, which allows timely identification of the need for their cleaning. Compared with the prototype, the proposed condensation hygrometer is relatively simple in design.

Вариант практической реализации предлагаемого конденсационного гигрометра приведен на фиг. 1 и 2, на которых соответственно изображены гигрометр в разрезе и его сечение по А - А. A practical embodiment of the proposed condensation hygrometer is shown in FIG. 1 and 2, which respectively show a hygrometer in section and its cross section along A - A.

Конденсационный гигрометр включает измерительную камеру 1, корпуса 2 и 3, источник света 4, отражатель 5, защитные стекла 6 и 7, смотровое стекло 8, входной 9 и выходной 10 трубопроводы, вставку 11, собирательный экран 12, фотоприемник 13, коллектор 14, теплоизоляционные прокладки 15 и 16, датчик температуры 17, охладитель 18. The condensation hygrometer includes a measuring chamber 1, cases 2 and 3, a light source 4, a reflector 5, protective glasses 6 and 7, a sight glass 8, input 9 and output 10 pipelines, insert 11, a collective screen 12, a photodetector 13, a collector 14, heat-insulating gaskets 15 and 16, temperature sensor 17, cooler 18.

Измерительную камеру 1 изготавливают из металла с высокой теплопроводностью (например, из меди) с полированными поверхностями каналов, вставку 11 и входной трубопровод 9 изготавливают из металла с относительно низкой теплопроводностью (например, из нержавеющей стали), отражатель 5 изготавливают из металла (например, из нержавеющей стали) с полированной поверхностью, для изготовления теплоизоляционных прокладок 15 и 16 может быть применен материал с низкой теплопроводностью (например, стеклоткань). В качестве источника света 4 может быть выбран источник инфракрасного излучения, собирательный экран 12 представляет собой металлический конус с полированной внутренней поверхностью, в отверстии которого установлен фотоприемник 13 (например, фотодиод), охладитель 18 представляет собой, например, термобатарею, а датчик температуры 17 - термистор. The measuring chamber 1 is made of metal with high thermal conductivity (for example, copper) with polished channel surfaces, the insert 11 and the inlet pipe 9 are made of metal with relatively low thermal conductivity (for example, stainless steel), the reflector 5 is made of metal (for example, stainless steel) with a polished surface, for the manufacture of heat-insulating gaskets 15 and 16, a material with low thermal conductivity (for example, fiberglass) can be used. As the light source 4, an infrared radiation source can be selected, the collective screen 12 is a metal cone with a polished inner surface, in the hole of which a photodetector 13 (for example, a photodiode) is installed, the cooler 18 is, for example, a thermal battery, and the temperature sensor 17 is thermistor.

Конденсационный гигрометр работает следующим образом. Condensation hygrometer works as follows.

Анализируемый газ высокого давления через входной трубопровод 9, соединенный тангенциально (не показано) с полостью вставки 11, поступает в коллектор 14, откуда равномерно проходит по продольным каналам измерительной камеры 1, затем поступает в полость между защитным стеклом 6 и через выходной трубопровод 10 сбрасывается в атмосферу. Одновременно включаются охладитель 18, источник света 4, фотодиод 13 и датчик температуры 17. Ввиду существенного различия коэффициентов теплопроводности материалов, из которых изготовлены измерительная камера 1 и вставка 11, будет иметь место определенный перепад температур, автоматически поддерживаемый в процессе работы. При этом температура вставки 11 не снижается до температур точки росы газа. Световые лучи от источника света 4 попадает на отражатель 5 и направляются в продольные каналы измерительной камеры 1 через защитное стекло 6 под некоторым углом к их продольной оси. При этом происходит их многократное отражение, вследствие чего обеспечивается освещение всех поверхностей каналов, что позволяет существенно снизить погрешность измерений. На фиг. 1 показан ход лучей от источника света 4 до фотоприемника 13 в одном из каналов. The high-pressure gas analyzed through the inlet pipe 9, connected tangentially (not shown) with the cavity of the insert 11, enters the manifold 14, from where it evenly passes along the longitudinal channels of the measuring chamber 1, then enters the cavity between the protective glass 6 and is discharged through the outlet pipe 10 into the atmosphere. At the same time, a cooler 18, a light source 4, a photodiode 13 and a temperature sensor 17 are turned on. Due to the significant difference in the thermal conductivity of the materials of which the measuring chamber 1 and insert 11 are made, there will be a certain temperature difference that is automatically maintained during operation. In this case, the temperature of the insert 11 does not decrease to the temperature of the dew point of the gas. Light rays from the light source 4 enters the reflector 5 and is directed into the longitudinal channels of the measuring chamber 1 through the protective glass 6 at an angle to their longitudinal axis. In this case, their multiple reflection occurs, as a result of which illumination of all channel surfaces is ensured, which can significantly reduce the measurement error. In FIG. 1 shows the course of the rays from the light source 4 to the photodetector 13 in one of the channels.

Кроме того, применение инфракрасного источника света, лучи которого интенсивно поглощаются конденсированной фазой водяных паров, также снижает погрешность измерений. При отсутствии конденсированной фазы на внутренних поверхностях каналов измерительной камеры 1 сигнал на фотоприемнике 13 будет максимальным. При образовании конденсированной фазы интенсивность световых лучей, попадающих на фотоприемник 13, резко уменьшается за счет поглощения света конденсированной фазой. Определенная в этот момент температура измерительной камеры 1 датчиком температуры 17 принимается за точку росы газа. In addition, the use of an infrared light source, the rays of which are intensively absorbed by the condensed phase of water vapor, also reduces the measurement error. In the absence of a condensed phase on the inner surfaces of the channels of the measuring chamber 1, the signal at the photodetector 13 will be maximum. With the formation of the condensed phase, the intensity of the light rays incident on the photodetector 13 decreases sharply due to the absorption of light by the condensed phase. The temperature of the measuring chamber 1 determined at this moment is taken by the temperature sensor 17 as the gas dew point.

Визуальный контроль за состоянием поверхностей каналов осуществляется через смотровое стекло 8, позволяющее своевременно выявлять необходимость их очистки. Visual monitoring of the condition of the surfaces of the channels is carried out through the sight glass 8, which allows you to timely identify the need for cleaning.

Таким образом, предлагаемый конденсационный гигрометр по сравнению с прототипом позволяет уменьшить количество анализируемого газа, автоматически поддерживать перепад температур между анализируемым газом и измерительными каналами, а также существенно снизить погрешность измерений точки росы газа и упростить конструкцию. Thus, the proposed condensation hygrometer in comparison with the prototype can reduce the amount of the analyzed gas, automatically maintain the temperature difference between the analyzed gas and the measuring channels, as well as significantly reduce the measurement error of the gas dew point and simplify the design.

Источники
1. Авт.св. СССР N 397830, кл. G 01 N 25/66, 1973.Sources
1. Auto USSR N 397830, class G 01 N 25/66, 1973.

2. Авт.св. СССР N 488126, кл. G 01 N 25/66, 1975. 2. Auto USSR N 488126, class G 01 N 25/66, 1975.

3. Авт.св. СССР N 1681218, кл. G 01 N 25/66, 1991. 3. Auto USSR N 1681218, class G 01 N 25/66, 1991.

Claims

A condensation hygrometer comprising a measuring chamber with a condensing mirror, a cooler, a light source, a photodetector and a temperature sensor, characterized in that the measuring chamber is made in the form of several longitudinal, symmetrically arranged cylindrical channels, one of which is equipped with an insert in the form of a hollow cylinder made of a material with a smaller thermal conductivity than the material of the measuring chamber, the cavity of which is connected to the inlet pipe of the analyzed gas and the collector, and the rest are conduit channels sensing mirrors, with a reflector installed between the light source and the measuring chamber, and a sight glass coaxially with the measuring chamber.